© Fraunhofer

06/2011

Materials Data Space®

Eine Fraunhofer-Initiative des Verbunds MATERIALS zur Implemen-tierung von Industrie 4.0 in werkstoffintensiven Wertschöpfungsketten

Ingolf Voigt, Fraunhofer IKTS Hermsdorf (ingolf.voigt@ikts.fraunhofer.de)

Manfred Füting, Fraunhofer IMWS Halle (fue@imws.fraunhofer.de)

Jena, den 30. März 2017

2

Gartner Hype Cycle for Emerging Technologies 2016

3

4

https://youtu.be/jyMYKWIAR5s

� Brauchen wir im Zeitalter von IoT und Industrie 4.0Werkstoffforschung?

� Besteht die Zukunft im „molecular synthesizer“?

� Wie machen wir Materialien fit für die „Digitalisierung“?

Konzept »Materials Data Space«des Fraunhofer-Verbund MATERIALS

Wettbewerbs-Randbedingungen für materialintensive Unternehmen in Deutschland

� Materialkostenanteil liegt im verarbeitenden Gewerbe bei 35-55 % (der Energiekostenanteil nur bei 2-8%) – relative Materialeffizienz-Verbesserungen haben bis zu 10mal höheren Hebel als Energieeffizienz-Verbesserungen

� Rohstofffördernde Länder nutzen strategischen Vorteil zunehmend preislich aus (z.B. Seltene Erden, Erdöl)

� Der schwache Euro und der strategische Vorteil rohstofffördernder Länder führt zu steigenden Einkaufspreisen und damit wird der bisherige Produktivitätswettbewerb auf einen Einkaufswettbewerb verlagert

� Materialhoheit wird zu einem strategischen Gut!

� Weitere Auswirkung: Rohstoffförderung, Rückwärtsintegration und Recycling werden volkwirtschaftlich schneller relevant in D als erwartet.

5

Was ist Materials Data Space ?

»Materials Data Space ist die Grundlage für die Werkstoffentwicklung, -herstellung und -verarbeitung innerhalb von Industrie 4.0«

Motivation:

Die Werkstoffe müssen Industrie 4.0-fähig gemacht werden.

Stand:

Bisher sind Materialien und Werkstoffe innerhalb von I4.0 nur Objekte der Logistik oder des Recyclings.

Ziel:

Im Kontext mit I4.0 müssen aber auch sie »digital gedacht« werden. Die Anforderungen, Rahmenbedingungen und Chancen dabei werden im Eckpunktepapier des Fraunhofer-Verbunds MATERIALS dargestellt.

„Der Materials Data Space ist die Grundlage für die Werkstoffherstellung und -verarbeitung innerhalb von Industrie 4.0“

7

Methode

Wir blicken aus dem Werkstoff

auf die Prozesse und Bezüge nach außen:

zu I4.0 (Produktions- und Logistikketten),

auf den Lebenszyklus

bis zum End-of-life.

Materials Data SpaceLösungsansatz

9

»Der Materials Data Space ist die Grundlage für die Werkstoff-

..herstellung und -verarbeitung innerhalb von Industrie 4.0«

Der »digitale Zwilling« des Materials/Werkstoffs/Bauteils läuft den kompletten Lebenszyklus parallel mit.

Er umfasst damit den gesamten Lebensdauerzyklus von Bauteilen

bis hin zu Re-Use und Recycling!

Materials Data Space – Aufgabe und Komponenten

Der Materials Data Space als intelligente digitale Vernetzung wird die

Effizienz und das Innovationspotenzial materialintensiver

Wertschöpfungsketten durch Industrie 4.0 signifikant steigern, indem er

diese mit Materialwissen durchdringt, eine nichtinvasive sensorische

Erfassung erlaubt und Entwicklern und Ingenieuren ermöglicht, die

eingesetzten Werkstoffe in den jeweiligen Entwicklungsschritten bis zum

Ende der Lebensdauer als variable Systeme mit einstellbaren

Eigenschaften zu begreifen und zu nutzen.

10

Materials Data Space – Aufgabe und Komponenten

Materials Data Space speist sich über vier zentrale Interaktionsschnittstellen:

� Prozesskettensimulation

� Monitoring der Materialien entlang der gesamten Prozesskette und über

die Produktlebensdauer ggf. auch in Echtzeit (Digitalisierung von

Werkstoffen)

� Sensorierte sowie adaptive Werkstoffe

� Lernende Fertigungsanlagen

11

MDS: Anwendungsfall: Wertschöpfungskette Stahl

12

© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

13

Material Data SpaceBlechbauteilfertigung (heute)

© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

14

Material Data SpaceBlechbauteilfertigung (Zukunft)

Weitere von der Industrie angefragte Use-Cases

� Faserverbundwerkstoffe

� Funktionswerkstoffe (sensorierte Materialien)

� Kupfer-Werkstoffe und -Anwendungen

� Implantatwerkstoffe (Medizintechnik)

� Elektronische Werkstoffe (Mikroelektronik)

15

Wettbewerbsfähige und neue Geschäftsmodelle durch den Materials Data Space

� Neue Materialien und Werkstoffe lassen sich durch verbesserte Übersetzung der Zieleigenschaften in die dazu erforderliche Materialmikrostruktur deutlich schneller und wirtschaftlicher entwickeln.

� Lernende Fertigungsverfahren werden mittels virtueller Prozesskettensimulation und Echtzeitmesstechnik auf Ihre Auswirkungen im Bauteil rückgekoppelt. Dadurch lassen sich Bauteilfunktionalitäten und -qualitäten zielgerichtet und dynamisch im Prozess einstellen, die Ausbeute in der Fertigung erhöhen und die wirtschaftliche Fertigung von kleinen Losgrößen sicherstellen.

� Die Digitalisierung von Materialien und Werkstoffen über Ihre gesamte Wertschöpfungskette erzeugt einen zusätzlichen Mehrwert, indem nicht nur der Werkstoff selbst, sondern auch seine digitale Repräsentation Gegenstand von neuen Geschäftsmodellen werden kann.

18

MDS-Aktivitäten4 Stränge und ihre Inhalte

1. DFG: Entwicklung Konzept für wissenschaftliche Materialdatenbanken, Materialdatenstrukturen, Big Data für Materialien und Werkstoffe zusammen mit IDS

2. BMBF: Entwicklung eines Projektdesigns mit einem deutschlandweiten Konsortium aus Forschungseinrichtungen und Unternehmen für ein Pilotprojekt entlang eines Materiallebenszyklus, um beispielhaft alle Schnitt- und Übergabestellen einen kompletten Umlauf des „digitalen Zwillings“ zu demonstrieren, zusammen mit IDS.

3. BMWi: Integration von MDS-Aktivitäten in den Förderschwerpunkt des BMWi »Mittelstand - Digital«, z. B. Kompetenzzentren Mittelstand 4.0

4. Geschäftsstelle MDS: für Unternehmen und Institute sowie die Vernetzung mit IDS.

� Geschäftsstelle ist eingerichtet:

Frau Dr. Eul, Herr Hahnenwald, Frau Beisel-Hallstein

� Website ist eingerichtet: http://www.fraunhofer-materials-data-space.de/de/Kontakt.html

20

Geschäftsstelle MDS

Herzlichen Dank

Materials Data Space ® —

Roadmap zu

Industrie 4.0-fähigen

Werkstoffen

http://www.fraunhofer-materials-data-space.de/