Digitalisierter Werkstoffdatenraum

Andrea Gillhuber,

Digitaler Zwilling für Werkstoffe

Produktionssysteme können nur im laufenden Betrieb optimiert werden, wenn alle Prozessparameter beachtet werden. Daher müssen auch die Veränderungen der Werkstoffe gemessen, analysiert und abgebildet werden.

Mit dem Datenraumkonzept Werkstoffinformationen jeglicher Art in digitale Netze integrieren – eine wichtige Basis für die Produktion im Rahmen der Industrie 4.0. © Fraunhofer IWM

Bereits kleinste Schwankungen in der Produktion reichen aus, um Materialeigenschaften von Werkstücken zu verändern und somit auch die Bauteilqualität und -funktion. Um das zu verhindern, werden begleitend zur Fertigung immer wieder Proben entnommen und untersucht. Allerdings muss ein solches Probenbauteil für Versuche in Einzelteile zerlegt und vermessen werden, was viel Zeit kostet.

Diesem Problem nahmen sich Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM an und haben nun erstmals die prinzipielle Machbarkeit der digitalen Abbildung vieler solcher Werkstoffhistorien demonstriert: Sie entwickelten einen Beispiel-Werkstoffdatenraum für additiv gefertigte Prüfkörper und haben damit eine Grundlage für den digitalen Materialzwilling geschaffen. „Mit dem Datenraumkonzept können wir Werkstoffinformationen jeglicher Art in digitale Netze integrieren – was unter anderem im Hinblick auf Industrie 4.0 wichtig ist“, erläutert Dr. Christoph Schweizer, Leiter des Geschäftsfelds Werkstoffbewertung, Lebensdauerkonzepte am Fraunhofer IWM in Freiburg. „Aus dem Werkstoffdatenraum heraus wollen wir automatisiert zu jedem Werkstoff einen digitalen Zwilling erzeugen, der den jeweils aktuellen Zustand des betrachteten materiellen Objekts beschreibt.“

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Der Werkstoffdatenraum bietet den Vorteil, dass alle relevanten Parameter auf einen Blick verfügbar sind; bisher lagen die Angaben zu verschiedenen Werkstoff-Parametern in der Regel verstreut in zahlreichen Datenablagen und in unterschiedlichen Datenformaten vor, ein schneller Vergleich war damit nicht möglich. „Der Werkstoffdatenraum könnte das Produktions-Gehirn der kommenden Jahre werden. Wann immer die Bauteilqualität nicht wie gewünscht vorliegt, könnte man sie im Werkstoffdatenraum mit Bauteilen aus der Vergangenheit vergleichen und herausfinden, ob sich das aktuelle dennoch verwenden lässt oder aussortiert werden muss“, sagt Schweizer.

Werkstoff-Ontologien als Basis

Um den Werkstoffdatenraum zu erzeugen und die heterogenen Materialdaten verwalten zu können, braucht es ein passendes Informationsmodell. „Dieses Modell spiegelt die natürliche Werkstoffwelt, in der die Materialzustände und -eigenschaften in bestimmte Kategorien eingeteilt werden“, erläutert Dr. Adham Hashibon, Wissenschaftler im Geschäftsfeld Fertigungsprozesse. Dabei setzen die Forscherinnen und Forscher auf Ontologien – also auf eine logische, hierarchische Struktur. Die Forscher erklären das Prinzip anhand von Facebook: In dem Netzwerk stellen die einzelnen Menschen Knoten dar, welche Verknüpfungen zu ihren Vorlieben haben, zum Beispiel zu ihren Musikgeschmack. „Wir erstellen semantische Verknüpfungen zwischen den einzelnen materiellen Objekten und den zugehörigen Verarbeitungsprozessen“, konkretisiert Hashibon. Die Beziehungen untereinander, sprich: bei Facebook die Freundschaften, sind im Werkstoffdatenraum Angaben zur chronologischen Abfolge der Produktions- oder Arbeitsschritte, etwa „kommt aus dem additiven Fertigungsprozess heraus“ oder „dieser Laser nimmt am 3D-Druckprozess teil“.

Der bereits erwähnte Demonstrator für additiv gefertigtes Metall deckt die Probenherstellung, die Werkstoffcharakterisierung und die anschließende Datenanalyse beziehungsweise Ermittlung von Materialeigenschaften ab. Aufgrund der Logik des zu Grunde liegenden Strukturmodells lassen sich sehr komplexe Abfragen an den Datenraum stellen, die mit klassischen Datenbanken in dieser Flexibilität nicht möglich wären.

Mit ihrer Arbeit zum digitalisierten Werkstoffdatenraum trägt das Fraunhofer IWM zu europäischen Themen der Materialmodellierung im Rahmen des European Materials Modelling Council sowie zur Digitalisierungsstrategie Baden-Württembergs bei. Mittelfristig ist geplant, die gesamte Datenverwaltung im Fraunhofer IWM auf das System des Datenraums umzustellen. Dafür und für andere Anwendungen sind Kooperationspartner und Pilotanwender willkommen, die die Entwicklungen mitgestalten können.

Nach Unterlagen des Fraunhofer IWM / ag

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