Image: Industrielle Werkstoffkunde 4.0FERCHAUFERCHAUWerkstoffoptimierung findet zukünftig digital statt | Artem_Egorov
TechnikMaterialoptimierung dank digitalem Zwilling

Indus­tri­elle Werk­stoff­kunde 4.0

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Andreas Burkert

Freier Journalist

Die Digitali­sie­rung erfasst auch die Material­wis­sen­schaft und Werkstoff­technik. Mit einem digitalen Zwilling, dem virtuellen Abbild eines Werkstoffs, lassen sich Bauteile und neue Materialien vor der realen Produktion in jedem Bearbeitungs­schritt überprüfen, variieren und optimieren.

29. Januar 2019

Der Alchemist hat seinen Kessel längst gegen einen Hochleis­tungs­rechner getauscht. Die Digitali­sie­rung hat die Material­wis­sen­schaft und Werkstoff­technik erobert, der digitale Zwilling für Werkstoffe ist das Geheimre­zept für künftige Material­ent­wick­lungen in der Industrie. Davon profitiert nicht nur der Leichtbau, auch komplexe Material­kon­struk­tionen, wie sie in der Antriebs­technik rein elektrisch fahrender Automobile, in der Robotik oder in der Luftfahrt­in­dus­trie zur Anwendung kommen, sollen dadurch erleichtert werden. „Gerade dort, wo Werkstoffe leicht sein und auch unter extremer Belastung zuverlässig funktionieren müssen, wo also eine genaue Kenntnis der lokalen Eigenschaften von Materialien und Komponenten eine existenti­elle Bedeutung hat, ist die Digitali­sie­rung ein möglicher Königsweg, um Kosten und Zeit zu sparen“, sagt Dr.-Ing. Frank O.R. Fischer, geschäfts­füh­rendes Vorstands­mit­glied der Deutschen Gesellschaft für Material­kunde (DGM) in Berlin. Und zudem sei dieser Weg auch lukrativ.

Laut Fischer basieren nahezu drei Viertel aller neuen Erzeugnisse auf neuen Werkstoffen. So lassen sich mittlerweile Bauteile mit komplexen Geometrien und hochfesten Eigenschaften aus Stahl, Eisen oder Aluminium fertigen oder aber Steckver­binder aus einem robusten, hochvolt­si­cheren Kunststoff. Gleichzeitig liegt der Anteil der Material­kosten in der verarbei­tenden Industrie bei bis zu 55 Prozent. „Wer hier wie dort die Möglichkeiten der Digitali­sie­rung nicht nutzt, oder wer bei seiner marktstra­te­gi­schen Ausrichtung etwaige Risiken unterschätzt, wird wissenschaft­lich – und vor allem wirtschaft­lich – abgehängt“, erklärt der Material­ex­perte. Vor diesem Hintergrund könne die Digitali­sie­rung der Werkstoff­technik es insbeson­dere kleinen und mittelstän­di­schen Unternehmen erleichtern, Materialien zu identifi­zieren, die sie benötigen.

Der digitale Zwilling ist eine Momentauf­nahme

Vorrauset­zung dafür ist ein digitaler Zwilling. Dieser lässt sich allgemein als virtuelles Abbild eines realen Gegenstands beschreiben. Es bezeichnet die Momentauf­nahme eines Werkstoffs, die Informationen zur Vorgeschichte enthält, also die Werkstoff­his­torie mitführt. Der digitale Zwilling eines Werkstoffes repräsen­tiert folglich seine Eigenschaften, seine innere Struktur und die Ableitung, wie er sich in Zukunft verhalten wird. Dafür werden Daten aus Werkstoff­mo­del­lie­rung, Prozess- und Bauteilsi­mu­la­tion, Werkstoff­cha­rak­te­ri­sie­rung und Prozessop­ti­mie­rung verknüpft.

„Ein solches virtuelles Abbild eines Werkstoffs, Bauteils oder Produkts, an dem bestimmte Design-Vorstellungen oder die Auswirkungen von Eigenschaften verschie­dener Werkstoffe am Rechner noch vor der realen Produktion in jedem Bearbeitungs­schritt überprüft und variiert werden können, wird unser Fachgebiet revolutio­nie­ren“. Allerdings mahnt er, dass die Digitali­sie­rung in der Material­wis­sen­schaft und Werkstoff­technik „noch etwas in den Kinderschuhen steckt“.

Deep Learning beschleu­nigt den Entwicklungs­pro­zess

Die Aufgabe besteht darin, alle Parameter, die Einfluss auf das Bauteil nehmen, zu definieren und zu digitali­sieren, sodass eine automati­sche Abarbeitung möglich wird. Wie an einem Mischpult können bei einer Neuentwick­lung einzelne Parameter, von der Viskosität, dem Härtegrad bis hin zu den Verformungs­fak­toren, innerhalb definierter Grenzen eingestellt werden. Das Ergebnis lässt sich umgehend am Rechner darstellen, ebenso die Auswirkungen kleinster Variationen.

Sind diese Prozesse in der Produktion, Fertigung und Konstruk­tion etabliert, lassen sich mühsame und oft nicht zielführende Experimente verhindern und „die Arbeitsab­läufe bei der Entwicklung neuer Materialien beschleu­ni­gen“, so Fischer. Bislang werden Material­ei­gen­schaften zur Bewertung von Bauteilen oder Fertigungs­pro­zessen indirekt aus vielen Werkstoff­un­ter­su­chungen, über Sensordaten oder aus Prozess- und Werkstoff­si­mu­la­tionen gewonnen. Dieser Aufwand könne jedoch nur an Teilen des gesamten Produktle­bens­zy­klus betrieben werden.

Ein weiterer Vorteil eines digitalen Zwillings für Werkstoffe ist, dass nicht nur Prozess- und Zustands­daten erfasst werden. Ein digitaler Zwilling kann aktiv eingreifen, um die Herstellung und den späteren Einsatz von Teilen zu optimieren. Allerdings besteht die Herausfor­de­rung darin, einen sogenannten Werkstoff­da­ten­raum zu erschaffen, der die verschie­denen Momentauf­nahmen verknüpft. Nur so lassen sich neue Gestaltungs­mög­lich­keiten für die Werkstof­fent­wick­lung, die Verarbei­tung und den Einsatz von Bauteilen bereitstellen.

Langzeit­pro­gnosen auf Knopfdruck

Immerhin sind Materialien elementarer Bestandteil der Wertschöp­fungs­ketten von Produkten und bestimmen deren Funktion und Eigenschaften. Das gilt für den gesamten Lebenszy­klus eines Produkts. Auch deshalb hilft die Werkstoff­kunde 4.0 den Entwicklern, Langzeit­pro­gnosen zur Lebensdauer oder zur Wartungs­in­ten­sität eines auf neuen Materialien basierenden Produkts zu prognosti­zieren. Denn die Materialien­ei­gen­schaften ändern sich durch die Material­her­stel­lung, bei der Produktion von Bauteilen und während des Produktle­bens­zy­klus.

Das sind Umstände, die beispiels­weise bei der Entwicklung von Hochvolt-Steckver­bin­dern eine Rolle spielen. Die Forderung nach immer kleineren aber leistungs­fä­hi­geren Bauteilen haben laut Martin Wolter von Kostal Kontakt Systeme „unmittel­bare Auswirkungen auf die Anforderungen an den Kunststoff“. Das betonte er in einem Vortrag, den er im Sommer 2018 beim Compoundier-Unternehmen Akro-Plastic gehalten hat.

Material­da­ten­raum als Basis für den digitalen Zwilling

Auch in der Schwerin­dus­trie lassen sich Prozesse dank eines digitalen Zwillings optimieren. So arbeiten bei einem Forschungs­pro­jekts unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff­me­chanik (IWM) in Freiburg sieben baden-württember­gi­sche Forschungs­ein­rich­tungen an einem sogenannten Material­da­ten­raum. Dieser dient künftig als Grundlage für das Einbinden von Werkstoffen über ihre digitalen Material­zwil­linge in digital vernetzte Systeme. Unter anderem mit dem Ziel, den Gießprozess mit anschlie­ßender mehrstufiger Wärmebehand­lung für einen Aluminium­guss­werk­stoff zu verbessern.

„Wie Big Data, so ist in der Material­wis­sen­schaft und Werkstoff­technik auch der digitale Zwilling, der im Maschinenbau ja längst Einzug gehalten hat, ein überaus wichtiger Aspekt“. Und noch etwas wünscht sich der Material­ex­perte: Der digitale Zwilling für Werkstoffe soll künftig auch die Daten liefern, mit der eine übergrei­fende „MatWerk-Datenbank“ erstellt werden kann. Die soll es auch anderen Entwicklern in Forschung und Industrie ermöglichen, „von diesen Erkenntnissen zu profitieren und bereits falsche Wege nicht noch einmal zu gehen“.