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

KupferDigital hat ein Datenökosystem für die digitale Materialforschung zu Kupfer und Kupferlegierungen aufgebaut und demonstriert. Zentrales Element ist eine Ontologie-basierte digitaler einheitliche Repräsentationen der Werkstoffdaten aus dem gesamten Lebenszyklus. Verschiedene Datenquellen aus Forschung und Industrie wurden semantisch vernetzt und interoperabel gestaltet. Das Fraunhofer IWM hat dabei maßgeblich zur Ontologieentwicklung sowie zur Kuration und Strukturierung von Werkstoffdatenbeständen beigetragen.

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iBain hat datengetriebene und KI-basierte Methoden für das Prozessdesign ermüdungsresistenter Stahlbauteile mit bainitischer Mikrostruktur entwickelt. Durch die Verknüpfung von Prozessparametern, Mikrostrukturmerkmalen und mechanischen Eigenschaften werden Prozess-Eigenschafts-Korrelationen systematisch erschlossen. Maschinelle Lernverfahren ermöglichen eine gezielte Vorhersage optimaler Prozessfenster zur Einstellung gewünschter Werkstoffeigenschaften. Ergebnis ist ein durchgängiger, datenbasierter Workflow vom Wärmebehandlungsprozess bis zur Bauteillebensdauer.

iBain - Fraunhofer IWM

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Digitale Repräsentationen für Stahlwerkstoffe und Fertigungsprozesse bilden die Basis für einen durchgängigen Datenaustausch zwischen den beteiligten Prozesskettenstufen. Durch die semantische Vernetzung heterogener Datenbestände wurde eine konsistente Nutzung von Werkstoff- und Prozessdaten über Organisationsgrenzen hinweg ermöglicht. Simulationsmodelle zur Beschreibung von Umformprozessen und Crashverhalten sind in die Workflows eingebettet. Das Fraunhofer IWM hat die Ontologieentwicklung und die Implementierung der digitalen Workflows vorangetrieben.

StahlDigital - Fraunhofer IWM

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Die im Projekt entwickelte ontologische Beschreibung in Verbindung mit den aus Material, Prozess, Charakterisierung und Simulation erwachsenden Daten erlaubt die Vorhersage der Auswirkungen von Parameteränderungen sowie die Bewertung der Bauteile unter Einbindung der Realdaten. Damit kann eine übergreifende Optimierung von der Materialmikrostruktur bis hin zur Betriebsfestigkeit der Bauteile, einschließlich ihrer Rezyklierbarkeit erreicht werden. 

OntOMat - Fraunhofer IWM

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Im Projekt wurden ein Standard und eine Schnittstelle geschaffen, die die wissenschaftlich-technischen Weiterentwicklung von konstitutiven, viskoplastischen Materialmodellen vereinheitlicht. Im Fokus stand die Echtzeitfähigkeit der Modelle zur Analyse von prozess- und betriebsbedingtem Deformations- und Schädigungsverhalten. Dazu wurden physikalisch basierte Simulationsmodelle mit daten- und KI-getriebenen Ansätzen kombiniert, um recheneffiziente Surrogatmodelle zu erzeugen. Digitale Repräsentationen der Werkstoffe und Bauteile bilden die strukturelle Grundlage des Zwillingskonzepts. 

DigitalModelling - Fraunhofer IWM

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DiStEL hat eine digitale skalenübergreifende ontologische Beschreibung der Prozesse und Werkstoffe von der Herstellung über den Betrieb bis zum Lebensende von Stahlkomponenten entwickelt. Ziel ist die ganzheitliche Optimierung der Prozesskette bzgl. Materialeigenschaften, Energieverbrauch, CO2-Emissionen ReUse / Recyclingvermögen.  Der CO₂-Fußabdruck der Stahlkomponenten konnte auf Basis der verfügbaren Prozess- und Betriebsdaten quantifiziert werden. Daten aus verschiedenen Wertschöpfungsstufen wurden durch eine enge semantische und technische Vernetzung der beteiligten Akteure integriert.

DiStel - Fraunhofer IWM

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Am Beispiel eines Steckverbinders werden Produktionsdaten und LCA-relevante Daten erfasst. Durch die semantische Beschreibung der Prozesse und Metadaten mit einer Ontologie werden die Daten mit Hintergrundinformationen angereichert, die es Maschinen ermöglicht, diese Daten zu interpretieren. Die semantischen Daten werden in einem Datenraum zu Verfügung gestellt, ohne dass der Urheber der Daten seine Hoheit über die Daten verliert. Mit einer Material-ID werden die Daten eindeutig mit einem Produkt verknüpft. Auf dieser Basis entsteht ein digitaler Produktpass, anhand dessen die Herstellungsroute, der sozio-ökologische Fußabdruck sowie die Recyclingeigenschaften nachvollzogen werden können.

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AeroMatPass-X entwickelt und erprobt den Digitalen Materialpass als Innovationsinstrument für die frühe Lieferkette in der Luftfahrtindustrie. Der Materialpass bündelt werkstoffrelevante Informationen in einer semantisch strukturierten, maschinenlesbaren Form und macht sie entlang der Lieferkette verfügbar. Durch die Einbettung in ein Datenökosystem werden Lieferkettenakteure digital vernetzt und Informationsverluste zwischen Partnern reduziert. Der Digitalpass unterstützt zugleich Lebenszyklus- und Nachhaltigkeitsbewertungen durch die lückenlose Dokumentation von Herkunft und Eigenschaften der Materialien.  

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Das Projekt hat einen vollständig digitalen Materialzwilling entwickelt, der sich nahtlos in industrielle Fertigungsprozesse einbinden lässt. Durchgängige Daten-Workflows verbinden Werkstoffkennwerte, Prozessparameter und Simulationsergebnisse in einer gemeinsamen Datenbasis. Durch die Einführung einer bidirektionalen Echtzeit-Kommunikation und der Nutzung und Erweiterung von PMD konformen Ontologien werden Materialeigenschaften kontinuierlich optimiert und an wechselnde Bedingungen angepasst. Datenräume ermöglichen eine geschützte Weitergabe auch sensibler Unternehmensdaten.

PMD-X-MAPRO - Fraunhofer IWM

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EDCar adressiert den Datenaustausch zwischen Akteuren der Automobilindustrie am End-of-Life von Fahrzeugen mit dem Ziel einer funktionierenden Circular Economy. Die Verknüpfung der Datenökosysteme Catena-X und Plattform MaterialDigital sowie semantische Datenstandards ermöglichen einen nahtlosen Austausch von Materialinformationen zwischen Herstellern, Recyclingbetrieben und weiteren Kreislaufakteuren. Recycling- und Wiederverwendungsprozesse können so effizienter und zielgerichteter gestaltet werden. Das Projekt verankert die Lebenszyklus- und Nachhaltigkeitsperspektive direkt im Datenaustausch und macht den CO₂- und Materialkreislauf transparenter.

EDCar - Fraunhofer IWM

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