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 und somit unmittelbar mit der integrierten Materialsimulation verknüpft, dem Werkzeug schlechthin zur quantitativen Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Prozessschritten, Materialmikrostruktur, Materialeigenschaften und Bauteilverhalten. Darin werden Werkstoffmodellierung, Prozess- und Bauteilsimulation, Werkstoffcharakterisierung und Prozessoptimierung auf integrative Weise verknüpft.

Die in der Digitalisierung notwendige digitale Repräsentation von Produkten ist Teil der Forschung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM.

Durch einen Paradigmenwechsel bei der Entwicklung, der Fertigung und dem Einsatz von Werkstoffen können neue Wertschöpfungspotenziale gehoben werden. Der Schlüssel ist eine konsequente digitale Repräsentation von Materialien und Werkstoffen und ihres Verhaltens entlang der Wertschöpfungskette, bzw. dem Lebenszyklus. Die digitale Repräsentation bringt ein Mehr an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Funktionalität und Flexibilität in der Produktion, indem sie Entwicklungs-und Fertigungsprozesse (wie Nervenbahnen) mit Materialintelligenz durchdringt und Entwicklern und Ingenieuren ermöglicht,  die eingesetzten Werkstoffe in den jeweiligen Entwicklungs- und Fertigungsschritten als variable Systeme mit einstellbaren Eigenschaften zu begreifen und zu nutzen.

Die Voraussetzung um die skalen- und fachübergreifende digitale Repräsentation effektiv nutzen zu können, besteht darin, dass diese losgelöst von einem Entwickler, einer Arbeitsgruppe oder einer Unternehmensfunktion integraler Bestandteil des betrachteten Werkstücks oder Bauteils wird und die Verarbeitung von Daten unterschiedlichster Herkunft ermöglicht. Dies erfordert eine multidisziplinäre Verknüpfung von Methoden und Konzepten aus Materialwissenschaft, Prozesstechnologie und Informatik.

Workshop MaterialDigital am 11. und 12. April 2018 in Freiburg

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 (z.B. Werkstoffzustand, -eigenschaften und -modelle) Gegenstand von Geschäftsmodellen wird.

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

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

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© Foto Fraunhofer IWM

Vom digitalen Zwilling profitieren

Der digitale Zwilling bezeichnet das digitale Abbild bzw. 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.

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.

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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

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