Materialforschung für unsere Zukunft
In einer Zeit globaler Herausforderungen wie Klimawandel, Rohstoffknappheit, Urbanisierung und industriellem Wandel gewinnt die Materialforschung zunehmend an Bedeutung. Innovative Materialien tragen als Grundlage für Schlüssel- und Zukunftstechnologien dazu bei, die Wettbewerbs- und Innovationsfähigkeit in Deutschland zu stärken.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert unter anderem Forschung in folgenden Bereichen:
Nachhaltigkeit
Die Materialforschung kann einen entscheidenden Beitrag dazu leisten, Herausforderungen zu meistern, wie Klimawandel, Energiewende und Rohstoffknappheit. Durch nachhaltige Materialien werden Produkte langlebiger, reparierbarer und umweltfreundlicher. Unser Ziel ist klar definiert: Mit weniger Ressourcen gleich viel oder mehr Nutzen erreichen, um globale Herausforderungen zu bewältigen und den Wohlstand zu sichern. Dazu gehört auch die Etablierung von Materialkreisläufen und die Nutzung nachhaltiger Produktionsverfahren.
Medizin
Durch neue Materialien können beispielsweise langlebigere Prothesen und Implantate entwickelt werden. Außerdem können mithilfe des 3D-Biodrucks zukünftig Gewebe- und Organersatz aus patienteneigenen Zellen eine externe Organspende nicht mehr nötig machen. Schon heute ersetzt der 3D-Biodruck Tierversuche.
Zivile Sicherheit
Neue Werkstoffe spielen auch für die zivile Sicherheit eine entscheidende Rolle: Sie helfen kritische Infrastrukturen wie Brücken, Gebäude und Energieanlagen stabiler und sicherer zu machen. Außerdem können verbesserte Schutzanzüge, die zum Beispiel Sprengstoff erkennen, das Risiko für Arbeitskräfte in gefährlichen Umgebungen minimieren.
Digitalisierung
Digitale Methoden revolutionieren die Art und Weise, wie wir Materialien analysieren, entwickeln und anwenden. Das steigert in hohem Maße die Effizienz wie auch die Innovationskraft der Materialforschung. Digitale Modellierung und Simulationen führen schneller zum Produkt. Durch diese sogenannten digitalen Zwillinge können zum Beispiel Materialeigenschaften, wie die Langlebigkeit, vorhergesagt werden. Künstliche Intelligenz hilft dabei beispielsweise, Zusammenhänge in den Daten zu erkennen.
Zahlenraster Materialforschung
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56
% der Produktionskosten im Verarbeitenden Gewerbe sind Materialkosten. Effizienter Materialeinsatz ist ein Wettbewerbsvorteil.
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6,5
Mio. Beschäftigte im Verarbeitenden Gewerbe in Deutschland. Werkstoffe haben eine Schlüsselrolle im verarbeitenden Gewerbe.
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4,5
Mrd. Euro Ausgaben des BMBF für Forschung und Entwicklung im Bereich der Werkstofftechnologien in den Jahren 2010 bis 2022.
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20
% Anteil der Material verarbeitenden Industrie an der gesamten Brutto-Wert-schöpfung in Deutschland und Spitzenwert in Europa.
Materiallebenszyklus analog und digital: Vom Rohstoff zur Anwendung
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Rohstoffgewinnung
1.
Rohstoffe werden aus natürlichen Ressourcen oder als sogenannte Sekundärrohstoffe aus Recyclingprozessen gewonnen, um den Herstellungsprozess zu beginnen.
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Rohstoffaufbereitung und -verarbeitung
2.
Die Rohstoffe werden durch verschiedene Verfahren, beispielsweise Zerkleinerung oder chemische Aufbereitung, in eine Form gebracht, die für die Weiterverarbeitung geeignet ist.
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Material- und Werkstoffherstellung
3.
Aus den Rohstoffen wird das benötigte Material oder der benötigte Werkstoff hergestellt. Meist werden dabei verschiedene Verarbeitungsschritte, wie das Aufschmelzen eines Metallerzes oder eine chemische Synthese, verwendet. Werkstoffe sind vor allem für technische Anwendungsfelder entscheidend. Daten zu Rohstoffqualität, Herkunft und Verarbeitungsverfahren werden erfasst und in dezentral zugänglichen Datenspeichern abgelegt. Die Daten sollen künftig über den gesamten Lebenszyklus des Materials in einem digitalen Produktpass zur Verfügung stehen.
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Werkstoffverarbeitung, Produktherstellung
4.
Das Endprodukt wird durch verschiedene Verarbeitungsschritte, beispielsweise Gießen, Spritzguss, 3D-Druck sowie anschließende Fertigungsverfahren, hergestellt. Die Wahl der Materialen und Werkstoffe spielen dabei eine zentrale Rolle. Methoden künstlicher Intelligenz und maschinellen Lernens helfen dabei, Herstellprozesse zu optimieren und die Produktqualität zu verbessern.
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Nutzung
5.
Das Endprodukt wird entweder vom Verbraucher genutzt oder in industriellen Anwendungen eingesetzt. Digitale Zwillinge von Produkten und Prozessen helfen die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Strukturen und Systemen zu überwachen.
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Ende der Erstnutzung
6.
Rohstoffe sollen so lange wie möglich genutzt werden. Durch Wieder- oder Weiterverwendung oder Aufarbeitung von Produkten müssen keine neuen Rohstoffe eingesetzt werden. Ist dies nicht möglich, können Rohstoffe durch Recycling zurückgewonnen und zur Herstellung neuer Werkstoffe und Produkte verwendet werden. Die Kreislauffähigkeit wird bereits durch das Produktdesign weitgehend festgelegt. Die im digitalen Produktpass über den Lebenszyklus gesammelten Daten sollen künftig helfen zu erkennen, wie Bauteile und Werkstoffe weiter- oder wiederverwertet werden können.
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Qualitätskontrolle
QS
Während des gesamten Produktionsprozesses werden Rohstoffe, Materialen, Werkstoffe und Endprodukte gründlichen Prüfungen unterzogen. Sie stellen sicher, dass festgelegte Standards erfüllt und die erforderliche Qualität für die Weiterverarbeitung oder -nutzung gewährleistet sind.