Qualität in der Produktion

Digitaler Zwilling für Werkstoffe

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Mit dem Datenraumkonzept Werkstoffinformationen jeglicher Art in digitale Netze integrieren – eine wichtige Basis für Industrie 4.0 (Bild: © Fraunhofer IWM)
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Sollen Produktionssysteme digital vernetzt und im laufenden Betrieb werkstoffgerecht verbessert werden, müssen die Veränderungen der Werkstoffe gemessen, analysiert und abgebildet werden – im so genannten „digitalen Materialzwilling“. Dafür gibt es nun einen Werkstoffdatenraum.

Rollt ein fertiges Bauteil vom Band, ist eine Frage von großem Interesse: Hat das Bauteil die gewünschten Eigenschaften? Denn oftmals reichen bereits kleinste Schwankungen in der Produktion, um Materialeigenschaften zu verändern und damit die Bauteilfunktionalität in Frage zu stellen. Um dies zu vermeiden, werden begleitend zur Produktion immer wieder Proben entnommen und aufs Genaueste untersucht. Ein solches Probenbauteil muss für Versuche in kleine Einzelteile zerlegt und vermessen werden – das benötigt viel Zeit. „Die Geschichte einer Probe verzweigt sich also in viele kleine Äste mit jeweils spezifischen Messergebnissen“, erläutert Dr. Christoph Schweizer, Leiter des Geschäftsfelds Werkstoffbewertung, Lebensdauerkonzepte am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg. „Experten haben diese Zusammenhänge im Kopf, allerdings gab es bisher keine Möglichkeit, die resultierende, in unterschiedlichen Formaten vorliegende Datenvielfalt zusammenhängend digital abzubilden.“

Jeder Werkstoff bekommt digitalen Zwilling

Die Forscher am Fraunhofer IWM haben nun erstmals die prinzipielle Machbarkeit der digitalen Abbildung vieler solcher Werkstoffhistorien demonstriert: Mit einem Beispiel-Werkstoffdatenraum für additiv gefertigte Prüfkörper. „Mit dem Datenraumkonzept können wir Werkstoffinformationen jeglicher Art in digitale Netze integrieren – was unter anderem im Hinblick auf Industrie 4.0 wichtig ist“, erläutert Schweizer. „Aus dem Werkstoffdatenraum heraus wollen wir automatisiert zu jedem Werkstoff einen digitalen Zwilling erzeugen, der den jeweils aktuellen Zustand des betrachteten materiellen Objekts beschreibt.“

Das Produktions-Gehirn der kommenden Jahre

Der Vorteil: Sollten bisher verschiedene Werkstoff-Parameter miteinander verglichen werden, lagen die Angaben dazu in der Regel verstreut in zahlreichen Datenablagen und in unterschiedlichen Datenformaten vor. Der Werkstoffdatenraum stellt alle relevanten Parameter auf einen Blick zur Verfügung. Und noch mehr als das: „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. Diese Ergebnisse könnten künftig automatisch in industrielle Entscheidungsprozesse einbezogen werden: Ist die Werkstoffqualität mangelhaft, wird die Produktion automatisch gestoppt.

Pilotanwender sind willkommen

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 z Strukturmodells lassen sich sehr komplexe Abfragen an den Datenraum stellen, die mit klassischen Datenbanken in dieser Flexibilität nicht möglich sind. Mittelfristig planen die Forscher, die gesamte Datenverwaltung im Fraunhofer IWM auf das System des Datenraums umzustellen. Dafür und für andere Anwendungen sind Kooperationspartner und Pilotanwender willkommen, die so zukunftsweisende Werkstoffentwicklungen mitgestalten können.

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