Digitalisierung in werkstoffintensiven Wertschöpfungsketten

Digitalisierung in der Werkstoffmechanik

Die Digitalisierung des produzierenden Gewerbes verspricht Wettbewerbsvorteile durch Vernetzung, Integration und neue Dienstleistungen auf der Basis von Informationsströmen und der Auswertung großer Datenmengen. Sie ist ohne eine digitale Repräsentation der Produkte und verarbeiteten Materialien nicht vorstellbar: Die integrierte Materialsimulation ist das Werkzeug schlechthin zur quantitativen Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Prozessschritten, Materialmikrostruktur, Materialeigenschaften und Bauteilverhalten. Auf integrative Weise verknüpft sie Werkstoffmodellierung, Prozess- und Bauteilsimulation, Werkstoffcharakterisierung und Prozessoptimierung.

 

Die in der Digitalisierung notwendige digitale Repräsentation von Produkten ist Teil unserer Forschung

 

Der Schlüssel für die neuen Wertschöpfungspotenziale ist die konsequente digitale Repräsentation von Materialien und Werkstoffen und ihres Verhaltens entlang der Wertschöpfungskette und entlang ihres Lebenszyklus. Sie ermöglicht, die eingesetzten Werkstoffe in den jeweiligen Entwicklungs- und Fertigungsschritten als variable Systeme mit einstellbaren Eigenschaften zu begreifen und zu nutzen.

Um die skalen- und fachübergreifende digitale Repräsentation effektiv nutzen zu können, muss sie quasi integraler Bestandteil des betrachteten Werkstücks oder Bauteils werden und die Verarbeitung von Daten unterschiedlichster Herkunft ermöglichen. Dies erfordert die multidisziplinäre Verknüpfung von Methoden und Konzepten aus Materialwissenschaft, Prozesstechnologie und Informatik.

 

Wertschöpfungspotenziale und Schlüsselkompetenzen

 

Die Durchgängigkeit von Materialdatenflüssen in Wertschöpfungsketten erlaubt, die Zieleigenschaften und -funktionen von Werkstoffen effektiver in die dazu erforderliche Materialmikrostruktur zu übersetzen und diese wirtschaftlicher herzustellen. Indem Fertigungsschritte und deren Auswirkungen auf das Verhalten von Bauteilen im Einsatz digital verknüpft werden, lassen sich Bauteilfunktionen inklusive der Lebensdauer verbessern.

Die Digitalisierung von Materialien erzeugt einen zusätzlichen Mehrwert, indem nicht nur der Werkstoff selbst, sondern auch seine digitale Repräsentation (wie Werkstoffzustand, -eigenschaften und -modelle) Gegenstand von Geschäftsmodellen wird.

Digitalisierung konsequent umsetzen: Die Leistungen des Fraunhofer IWM

 

Erzeugung digitaler Datensätze und Zwillinge von Werkstoffen

Digitale Abbildung  und Analyse von Werkstoffhistorien

Design und Aufbau von Werkstoffdatenräumen

Hierarchische Beschreibung von Werkstoffen mit experimentellen und simulativ bestimmten Daten entlang von Prozessen

Vervollständigung von Werkstoffdaten im digitalen Zwilling durch virtuelles Testen (Virtuelles Labor)

Automatisierte Werkstoffdatenerzeugung (3D-Strukturerfassung, Mikrostrukturanalytik, Tribofarming)

Top-Down/Bottom-Up informierte Modellierung von Materialeigenschaften auf atomarer bis zur Bauteil-Skala (Multiskalen-Informationsaustausch)

Datenanalyse zur Entwicklung von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen (Deep Learning und Statistik)

Automatische Erstellung von Materialkarten

                                                                                                                           

Das Fraunhofer-Institut fürWerkstoffmechanik IWM verfügt über die Schlüsselprozesse zur Digitalisierung von Werkstoffen und der Erzeugung digitaler Zwillinge

© Fraunhofer IWM

Der digitale Zwilling bezeichnet das digitale Abbild beziehungsweise die Momentaufnahme realer Werkstoffe, Proben und Komponenten, der alle Informationen zu seiner Vorgeschichte (Werkstoffhistorie) mitführt. Um den digitalen Zwilling und seine Werkstoffhistorie verwalten zu können, ist es notwendig einen Werkstoffdatenraum zu erschaffen.

Datenerzeugung

Automatisierte Werkstoffdatenerzeugung an Prüfmaschinen

Automatisierte 3D-Strukturerfassung

Vervollständigung von Werkstoffdaten im digitalen Zwilling durch virtuelles Testen

Datenspeicherung

Aufbau von Werkstoffdatenräumen zur hierarchischen Abbildung realer und virtueller Werkstoffe, Proben und Komponenten entlang miteinander vernetzter Werkstoffhistorien

Datenverarbeitung, Datenbewertung

Entwicklung von Werkstoffmodellen

Aufbereitung von Werkstoffmodellen als App

Deep Learning und Statistik

Ableitung von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen

Vom digitalen Zwilling profitieren

Die durchgängige Verfügbarkeit von Informationen zu Werkstoffeigenschaften, die sich von der Herstellung, bis zum Lebensende eines Bauteils verändern, schafft völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten bei der technischen Performance oder bei der Energie- und Ressourceneffizienz von Bauteilen und Systemen. Bislang unerschlossene Potenziale in Werkstoffen können für ein Mehr an Zuverlässigkeit, Funktionalität und Produktivität genutzt werden.

                                                                                                                                                                                                                                   

Fraunhofer IWM in Freiburg skizziert den Weg zum digitalisierten Material

© Fraunhofer IWM

Wie sehen digitalisierte Werkstoffe aus und wo entfalten sie den größten Nutzen? Auf der Suche nach Antworten versammelte das Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM aus Freiburg Anfang April knapp 100 Expertinnen und Experten aus Industrie und Forschung zum Workshop »MaterialDigital«.