Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Digitalisierung von Materialien – Wir machen Werkstoffe zum integralen Bestandteil vernetzter Wertschöpfungsketten

Selten zuvor wirkten so viele transformative Kräfte gleichzeitig auf die produzierende Industrie ein. Innovationsdruck, Regulierung, geopolitische Verwerfungen, Ressourcenknappheiten und Klimawandel erzeugen ein nie dagewesenes Spannungsfeld. Gemeinsam ist diesen Herausforderungen, dass Unternehmen zu deren Bewältigung auf eine umfassende digitale Wissensbasis und einen unternehmensübergreifenden sicheren Datenaustausch zu den Eigenschaften und dem Verhalten der Materialien sowie der daraus hergestellten Produkte angewiesen sind.

Das Fraunhofer IWM schafft die Voraussetzungen für einen systematischen und effektiven Umgang mit Materialien in Entwicklung, Fertigung und Einsatz. Wir machen Werkstoffe zum integralen Bestandteil vernetzter Wertschöpfungsketten. Unser Anspruch sind die Verkürzung von Innovationszyklen und Reaktionszeiten und schnelle und genaue datenbasierte Unternehmensentscheidungen.

Herausforderungen für Unternehmen – Anwendungsfelder der Digitalisierung von Materialien

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Wettbewerbsdruck durch verkürzte Entwicklungszyklen

Produzierende Unternehmen stehen unter Druck, Innovationszyklen zu verkürzen, doch die dafür notwendigen Werkstoffdaten sind häufig über verschiedene Silos verteilt: Diese liefern kein konsistentes Gesamtbild. Die Folge sind u.a. kostspielige Versuche, weil Testergebnisse nicht strukturiert auffindbar sind. Abstimmungsverluste zwischen Entwicklung, Einkauf und Fertigung entstehen durch inkonsistente Materialdaten, und Simulationen sowie digitale Zwillinge können ihr Potenzial nicht entfalten, weil validierte Werkstoffkennwerte fehlen.

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Kreislaufwirtschaft und Einsatz von Recyclingmaterialien

Wer Rezyklate einsetzen will, stößt schnell an die Grenzen fehlender Datenverfügbarkeit. Unbekannte Materialzusammensetzungen führen zu unvorhersehbaren Qualitätsproblemen in der Fertigung, und mangelnde Rückverfolgbarkeit über den gesamten Produktlebenszyklus macht geschlossene Kreisläufe faktisch unmöglich. Ohne verlässliche Datenbasis lassen sich Rezyklate nicht systematisch als Ersatz für Primärmaterialien qualifizieren. Hinzu kommen Haftungsrisiken, die entstehen, wenn die Eigenschaften von Sekundärrohstoffen nicht dokumentiert sind.

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Lieferkettenunterbrechungen und Schadensfälle

Im Ernstfall zählt jede Stunde, doch ohne strukturierte digitale Werkstoffbasis dauert die Ursachenanalyse bei Schadensfällen oft Wochen. Alternative Lieferanten können nicht schnell qualifiziert werden, weil Vergleichsdaten zu Materialspezifikationen fehlen. Rückrufaktionen werden teurer und zeitaufwendiger, wenn betroffene Chargen nicht präzise rückverfolgbar sind. Und gerade in Krisensituationen, wenn eine transparente Kommunikation gegenüber Kunden und Behörden entscheidend ist, fehlt die notwendige dokumentarische Grundlage.

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Ersatz kritischer Materialien

Die Suche nach Materialsubstituten erfolgt in vielen Unternehmen noch immer manuell und sehr zeitaufwendig. Eine systematische Bewertung von Alternativmaterialien hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Kosten und Verfügbarkeit ist ohne digitale Datenbasis kaum möglich. Qualifizierungsprozesse dauern unnötig lang, weil Erkenntnisse aus früheren Tests nicht strukturiert genutzt werden können. Kritische Abhängigkeiten von Rohstoffen wie seltenen Erden werden häufig erst im Moment des Versorgungsengpasses sichtbar – zu spät, um schnell und gezielt zu reagieren.

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Gesetzliche Nachweispflichten

Regulatorische Anforderungen an Materialien und Produkte nehmen zu. Das manuelle Erstellen von Nachweisdokumenten, etwa für das EU-Lieferkettengesetz, REACH oder die Batterieverordnung, bindet erhebliche Ressourcen und ist fehleranfällig. Lückenhafte Dokumentation entlang der Lieferkette erzeugt Compliance-Risiken. Anforderungen wie der Digitale Produktpass lassen sich nicht erfüllen, wenn Materialdaten nicht strukturiert vorliegen. Und ohne revisionssichere Datenhaltung ist eine belastbare Auditierbarkeit gegenüber Kunden und Behörden nicht gewährleistet.

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KI-Readiness

Investitionen in Künstliche Intelligenz entfalten nur dann ihr volles Potenzial, wenn die zugrundeliegenden Daten stimmen. In der Praxis liefern KI-Modelle häufig unzuverlässige Ergebnisse, weil Trainingsdaten aus heterogenen Quellen inkonsistent oder unvollständig sind. Investitionen in KI-Tools für Prozessoptimierung oder Qualitätsprognose bleiben ohne Return on Investment, wenn die Datengrundlage nicht stimmt. Fehlende Datenstruktur und -semantik verhindert, dass KI-Systeme relevante Zusammenhänge zwischen Material-, Prozess- und Qualitätsparametern erkennen können.

Technologieplattformen und Communities für digitalisierte Materialien entwickeln

In nationalen und europäischen Initiativen treibt das Fraunhofer IWM in führender Rolle die digital integrierte Materialforschung voran. Die digitale Transformation der Werkstoffforschung der Schlüssel für internationale Wettbewerbsfähigkeit in Wissenschaft und Industrie und für die Bewältigung der globalen Herausforderungen wie Klimawandel, Ressourcenknappheit und Energieversorgung. Die Entwicklung, die Herstellung und der Einsatz von Materialien sind wissensbasierte und kooperative Prozesse und letztlich entscheiden Materialinformationen und -wissen und deren Verfügbarkeit bei den beteiligten Akteuren in Unternehmen oder Forschungseinrichtungen über Innovation, Geschwindigkeit und Nachhaltigkeit. Mit den öffentlichen Initiativen Plattform MaterialDigital, NFDI-MatWerk und Materials Commons hat das deutsche Forschungs- und Innovationssystem, auch im internationalen Vergleich, die idealen Voraussetzungen, um mit der digitalen Transformation nachhaltige Wirkung und Wertschöpfung zu erzeugen.

 

 

Die Plattform MaterialDigital (PMD) schafft digitale Werkzeuge, um die Material-entwicklung zu beschleunigen – von der Forschung, über die Produktion bis zum Recycling. Durch automatisierte Workflows, standardisierte Ontologien und eine moderne IT-Infrastruktur entsteht die Grundlage für effiziente, und wettbewerbsfähige Prozesse.

(Sprecher der PMD Prof. Dr. Peter Gumbsch)

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Die Nationale Forschungsdateninfrastruktur für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik arbeitet an Infrastrukturlösungen, mit denen Materialforschungsdaten für die Wissenschaft »FAIR« und in diesem Kontext auch bevorzugt offen und kostenfrei verfügbar gemacht werden können.

(Konsortialführer Fraunhofer IWM, Prof. Dr. Chris Eberl)

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Mit dem Projekt Materials Commons entsteht erstmals eine gesamteuropäische föderierte Digitalinfrastruktur für die Werkstoffforschung und -entwicklung. Ziel ist es, die fragmentierte europäische Werkstoffdatenlandschaft zu vereinheitlichen und die Entwicklung neuer Hochleistungswerkstoffe, um den Faktor 4 zu beschleunigen.

(Gesamtkoordination Fraunhofer IWM, Prof. Dr. Peter Gumbsch)

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Referenzprojekte zur Entwicklung Ontologie-basierter Datenökosysteme und digitaler Repräsentationen für Wertschöpfungsketten

FuE-Leistungen 

Das Fraunhofer IWM unterstützt Sie dabei, Materialdaten zu strukturieren, zu vernetzen und mit digitalen Methoden wie Simulation, KI und Lebenszyklusanalyse nutzbar zu machen.

Zu unseren FuE-Leistungen

Referenzprojekte

Von Materialdatenräumen und digitalen Materialpässen bis zu KI-gestützter Modellierung zeigen unsere Projekte, wie Werkstoffdaten entlang ganzer Wertschöpfungsketten nutzbar werden.

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