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Die digitale MatWerk-Welt. Wie der „Werkstoff 4.0“ unsere Zukunft verändert

Durch die Digitalisierung haben alle ingenieurwissenschaftlichen Anwendungsfelder Bahn brechende Impulse erfahren. Das betrifft namentlich die großen Zukunftsbereiche der Mobilität, Kommunikation, Sicherheit, Energie und. Und das betrifft nicht zuletzt das große, weite Feld der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (MatWerk), die in all diesen Bereichen eine zentrale Rolle spielt. 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 Digitalisierung ein möglicher Königsweg.

Studien zufolge basieren nahezu drei Viertel aller neuen Erzeugnisse auf neuen Werkstoffen. Gleichzeitig liegt der Anteil von 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.

Alle Bereiche sind betroffen

Schon heute sind computergestützte Modelle und Simulationen aus der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik nicht mehr wegzudenken. Auch wird es im Bereich einer „experimentbasierten Simulation“ bald weitergehen. Aber das ist erst der Anfang. Und es ist nur eine Stoßrichtung. Für viele Experten ist die Digitalisierung die vielleicht größte Herausforderung für die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der nächsten 20 Jahre.

Digitale Technologien bestimmen immer stärker und in immer größerem Umfang das wissenschaftliche Arbeiten. Sie haben Einfluss auf den gesamten Forschungszyklus sowie auf alle Gegenstände, Fragen, Methoden und das Selbstverständnis der MatWerk-Welt. Gleichzeitig hat der digitale Wandel längst auch schon die industrielle Anwendung von neuen Materialien und Werkstoffen ergriffen, und das bei so unterschiedlichen Produktzweigen wie Partikelschaumstoffen, FKV-Ultraschallnadeln, Permanentmagneten, Aluminium-Blechstrukturen, Stahlgussbauteilen oder TRIP-Matrix-Compositen. Das hat die von der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde e.V. (DGM) gemeinsam mit dem Stahlinstitut VDEh organisierte WerkstoffWoche Ende September 2017 in Dresden eindrücklich belegt (www.werkstoffwoche.de).

Im MatWerk-Datenraum

Sensorierte und adaptive Werkstoffe sind ebenso ein Trendthema wie selbstlernende Fertigungsanlagen. Auch die 3D-Gefügeanalyse bietet hier ein großes Potential. Dabei überspannt der Prozess die ganze Wertschöpfungskette, und zwar von der atomaren bis zur makroskopischen Ebene: vom Designentwurf über die Erprobung bisher unbekannter Materialkombinationen und die Fertigung mithilfe von datenbankgestützten Charakterisierungsmethoden bis hin zur Qualitätssicherung, der Analyse von Produkt- und Materiallebenszyklen, der Eignungsprüfung und dem Extended-Relationship-Management (XRM) bei und nach der Auslieferung. Industrie 4.0 – und hier namentlich zum Beispiel die Additive Fertigung – sind hier Schlüsselwörter. Das bringt vor allem mehr Wettbewerbsfähigkeit und neue Geschäftsmodelle.

Die Vorteile der Digitalisierung liegen auf der Hand: Dank Datenbanken zu Eigenschaften und Charakteristiken unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren wie Temperatur oder Beanspruchung können Zeit und Energie bei der Entwicklung eingespart, dank Systemsimulationen oder digitalen Engineering Tools Kosten im Produktionsablauf gesenkt und Ressourcen geschont, werden. Dank Digitalisierung wird es aber in Zukunft auch immer leichter möglich sein, Werkstoffe und Materialien individuell und kombinatorisch nach Kundenwünschen „maßzuschneidern“.

Das modulare Endprodukt

Ein wichtiges und wirkmächtiges Tool auf diesem Weg ist im Bereich der Entwicklung der so genannte digitale Zwilling: ein 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.

Im Bereich der Herstellung ist die Additive Fertigung (englisch: Additive Manufacturing, kurz AM) ein Hotspot: ein schnelles und kostengünstiges generatives Fertigungsverfahren, bei dem Pulver, Gele oder andere Materialien aus Kunststoff, Metall oder Keramik mittels chemisch-physikalischer Prozesse und basierend auf den Daten von Vorabkonstruktionen am Computer Schicht für Schicht „in Form gebracht“ werden. Der 3D-Druck ist hierbei neben Lasersintern oder –schmelzen, der lichtgesteuerten elektrophoretischen Abscheidung, der Stereolithografie oder dem Elektronenstrahlschmelzen nur eine von vielen Möglichkeiten. Auf der schon erwähnten WerkstoffWoche 2017 war die Additive Fertigung deshalb unter regem Zuspruch von Teilnehmern aus Wissenschaft und Industrie das zentrale Thema. Dabei ging es unter anderem um hybride Materialentwicklung für Multikomponenten-Bauteile, geometrisch-physikalische Prozesssimulationen, den Multimaterialeinsatz beim generativen Laserauftragschweißen, additive Prozesstechnologien und Werkstoffe für den Einsatz bei Raumfahrtantrieben und in Raumfahrtstrukturen, virtuelle Werkstoffe in Korrespondenz mit virtuellen Maschinen oder einen „Kompetenzatlas Leichtbau“ im Internet. ...:

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