Am heutigen Donnerstag startet das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Initiative MaterialDigital, um die Digitalisierung der Materialforschung in Deutschland voranzutreiben. 13 geförderte Verbundprojekte aus der ersten Förderrunde nehmen nun ihre Arbeit auf. Hierzu erklärt Bundesforschungsministerin Anja Karliczek:

„Wir brauchen in Deutschland eine starke Materialforschung als Innovationstreiber, die die Chancen der Digitalisierung für sich nutzt. Denn die Basis einer technologischen Innovation ist oftmals das Vorhandensein eines geeigneten Materials – sei es Metall, Kunststoff, Glas, Keramik oder Beton.

Materialien aller Art bilden die Grundlagen für vielfältige Schlüsseltechnologien – ganz gleich, ob es sich beispielsweise um Batteriematerialien für zukünftige Elektromobilität, um Hochleistungsmetalle für 3D-gedruckte Maschinenteile oder um faserverstärkte Kunststoffe für Windkraftanlagen handelt. Materialien werden zunehmend komplexer und durchlaufen auf ihrem Weg bis zum Ergebnis viele Entwicklungsschritte. Mit digitalen Methoden können wir diese Entwicklung weitaus effizienter und wettbewerbsfähiger gestalten und beispielsweise Fehlerursachen schneller identifizieren, Designvorgaben kurzfristiger anpassen und Toleranzen geschickter ausnutzen. Bessere Materialien können somit schneller und kostengünstiger entwickelt und für die Anwendung verfügbar gemacht werden. Das Bundesforschungsministerium unterstützt die Digitalisierung der Materialforschung daher mit 26 Millionen Euro für die nächsten drei Jahre. Die zweite Förderbekanntmachung wird diese Summe noch deutlich erhöhen.“

 

Hintergrund:

Die Materialforschung ist ein wichtiger Innovationstreiber, da hochwertige, zuverlässige und leistungsfähige Materialien seit jeher technologische Innovationen oft überhaupt erst ermöglichen. Zunehmend rücken weitere wichtige Eigenschaften von Materialien in den Fokus. Dazu gehören ökologisch vertretbare Verfügbarkeit sowie Wiederverwendbarkeit. Die digitale Abbildung der Materialien und ihrer Verarbeitungsprozesse bietet daher völlig neue Möglichkeiten, um die genannten Anforderungen besser und schneller bedienen zu können. Die BMBF-Initiative „MaterialDigital“ berücksichtigt dabei eine Vielzahl von Materialklassen. Hierbei muss eine große Bandbreite an unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, spezifischen Eigenschaften, individuellen Verarbeitungsprozessen und Einsatzmöglichkeiten berücksichtigt werden.

In den nun geförderten 13 Verbundprojekten aus der ersten Förderrunde arbeiten führende wissenschaftliche Einrichtungen des Themenfelds aus allen großen deutschen Forschungsvereinigungen zusammen. Die Förderprojekte adressieren jeweils exemplarisch einen konkreten Anwendungsfall. Die Plattform „MaterialDigital“ synchronisiert dabei die Aktivitäten, vernetzt die Akteure und sorgt dafür, dass standardisierte Formate, Strukturen, Konzepte für Datentransfer, Schnittstellen verschiedener Prozess-Simulationen sowie eine standardisierte Sprache für die Beschreibung der Materialien etabliert werden. Wesentlich ist, dass die Kompetenzen der Branchenexperten mit denen der Informatik kombiniert werden. So soll es künftig viel einfacher werden, unternehmensübergreifend sowie zwischen Wissenschaft und Wirtschaft digital zusammen zu arbeiten. Virtuelles Design vom Atom bis zum Bauteil wird auf diese Art möglich.

„MaterialDigital“ strebt darüber hinaus an, die Konzepte von Industrie 4.0 um den Materialaspekt zu ergänzen. Industrie 4.0 demonstriert bereits eindrucksvoll, wie das digitale Begleiten eines Produkts durch die gesamte Fertigung einen Mehrwert schaffen kann, der sich in geringeren Ausschussraten, höherer Qualität sowie größerer Flexibilität niederschlägt.

Aktuell ist vom 23. März bis 1. Juli 2021 die zweite Ausschreibung für Förderprojekte im Kontext von „MaterialDigital“ für die Einreichungen von Anträgen geöffnet. Waren im Rahmen der ersten Förderung noch ausschließlich akademische Konsortien vorgesehen, die von Unternehmen begleitet werden, ist ab Runde zwei die Beteiligung von Unternehmen am Projekt verpflichtend. So soll die Initiative zunehmend anwendungsorientierter und die Belange der Industrie frühzeitig berücksichtigt werden. Bereits von Beginn an begleitet ein industriell besetzter Managementkreis die Plattform, der die Arbeiten aus Industriesicht begleitet und kommentiert. Mittelfristig ist geplant, dass auch Materialexperten jenseits einer Projektförderung ihre Expertise in die Entwicklungen bei „MaterialDigital“ einfließen lassen können.

Die neuesten Entwicklungen der Fördermaßnahme MaterialDigital können auf der Webseite https://www.material-digital.de abgerufen werden.

 

Kurzübersicht der geförderten Projekte:

(Detaillierte Beschreibungen der Projekte sind auf der Webseite der Plattform MaterialDigital zusammengestellt: https://www.materialdigital.de/projects/)

DigiBatMat – Digitale Plattform für Batteriematerialdaten, -wissen und deren Verknüpfung (Koordinator: Prof. Dr. Tobias Kraus, Leibniz-Institut für neue Materialien gGmbH Saarbrücken):

Ziel des Vorhabens ist es, eine Plattform für Daten zu Batteriematerialien zu etablieren, die Vorhersagen zu Qualität und Performanz durch Maschinenlernen und Korrelationsanalysen ermöglicht.

DIGITRUBBER – Digitale Kautschukverarbeitung am Beispiel Extrusion (Koordinator: Dr.-Ing. Benjamin Klie, Deutsches Institut für Kautschuktechnologie e. V., Hannover):

In diesem Forschungsprojekt sollen vorhandene und experimentell zu bestimmende Prozessdaten gesammelt, ausgewertet und anschließend digitalisiert werden. Als Beispielprozess aus der Gummiindustrie ist die Verarbeitung von Kautschukmischungen mittels der Einschneckenextrusion gewählt worden.

DiProMag – Digitalisierung einer Prozesskette zur Herstellung, Charakterisie-rung und prototypischen Anwendung magnetokalorischer Legierungen (Koordinator: Prof. Dr. Christian Schröder, Fachhochschule Bielefeld):

Für die Verringerung des CO₂-Ausstoßes sind alternative Kühl- und Heizkonzepte, die weniger Energie benötigen und umweltverträgliche Materialien nutzen, von großer Bedeutung. Mit den in diesem Projekt betrachteten sog. „magnetokalorischen“ Materialien sollen technische Innovationen gelingen, die zu einer stromsparenden und umweltschonenden Kälteerzeugung beitragen – und das vom Privathaushalt bis zur industriellen Nutzung.

DiStAl – Digitale Strategie zur Entwicklung von neuen, heißrisswiderstandsfähigen Al-Pulverlegierungen für SLM (Koordinator: Prof. Dr.-Ing. Stefan Weihe, Universität Stuttgart – Materialprüfungsanstalt):

Ziel des Projekts „DiStAl“ ist es, die Digitalisierung zu nutzen, um spezielle rissbeständigere Aluminium-Pulverlegierungen für den Metall-3D-Druck zu erforschen. Diese sind insbesondere für Leichtbauanwendungen interessant.

GlasDigital – Datengetriebener Workflow für die beschleunigte Entwicklung von Glas (Koordinator: Dr. Ralf Müller, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin):

Im Rahmen des Verbundvorhabens GlasDigital sollen digitale Werkzeuge für die Entwicklung neuartiger Glaswerkstoffe erarbeitet werden.

iBain – Einsatz künstlicher Intelligenz zur Optimierung langlebiger Stahlbauteile (Koordinator: Prof. Dr. Ingo Steinbach, Ruhr-Universität Bochum):

Das Projekt iBain hat sich zum Ziel gesetzt, künstliche Materialintelligenz zur Optimierung hoch-fester Stähle zu etablieren. Bainit, ein bestimmtes Stahlgefüge, hat aufgrund seiner komplexen inneren Struktur herausragende mechanische Eigenschaften, die bei der Herstellung bewusst eingestellt werden können.

KNOW-NOW – Keramische Multilayer-Entwicklung durch Neugestaltung Ontologie-basierter Wissenssysteme (Koordinator: Dr.-Ing. Björn Mieller, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin):

Technische Keramiken werden in der Mikroelektronik häufig eingesetzt, wenn das zu fertigende Bauteil hohen Belastungen wie beispielsweise Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Um den technischen Anforderungen in den Bereichen Telekommunikation, Sensorik oder Automobil gerecht werden zu können, müssen häufig viele verschiedene keramische Schichten mit aufgedruckten Metallstrukturen miteinander verbunden werden („Multilayertechnologie“). Ziel des Projektes ist es, Expertenwissen verfügbar zu machen, um Materialanpassungen und Bauteilentwicklungen zukünftig zu beschleunigen.

KupferDigital – Datenökosystem für die digitale Materialentwicklung auf Basis Ontologie-basierter digitaler Repräsentationen von Kupfer und Kupferlegierungen (Koordinatorin: Dr. Miriam Eisenbart, fem Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie, Schwäbisch Gmünd):

Kern des Projektes KupferDigital ist es, einen Demonstrator für ein digitales Datenökosystem zu erstellen, der der Digitalisierung der Materialforschung und der metallverarbeitenden Industrie als zukunftsfähige Plattform zur Verfügung stehen soll.

LeBeDigital – Lebenszyklus von Beton - Ontologie-Entwicklung für die Prozesskette der Betonherstellung (Koordinatorin: Dr. Birgit Meng, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin):

Das Projekt stellt sich die herausfordernde Aufgabe, ein allgemein verfügbares und auf den Prozess der Betonherstellung maßgeschneidertes Daten- und Wissensmanagement auf Basis allgemeingültiger Ontologien und Workflows zu entwickeln.

ODE_AM – Ontologien für die dezentrale Erfassung von mehrskaligen statischen und zyklische Kennwerten von additiv gefertigten Stahlstrukturen aus Experiment und Simulation (Koordinator: Prof. Dr. Tom Lahmer, Materialforschungs- und -prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar):

Additive Fertigungsverfahren (umgangssprachlich auch 3D-Druck) werden immer häufiger auch bei der Herstellung von technischen Systemen und Komponenten eingesetzt. Im Mittelpunkt des vorliegenden Forschungsvorhabens steht eine umfassende Untersuchung und Beschreibung von additiv gefertigten Metallstrukturen sowohl im Experiment als auch mit computergestützter Analyse.

SensoTwin – Sensorintegrierter Digital Twin für Hochleistungs-Faserverbundanwendungen (Koordinator: Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler, Technische Universität München):

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) werden in großem Umfang zum Bau von tragenden Strukturen in Windkraftanlagen eingesetzt. Wechselnde mechanische Lasten können in diesen Strukturen, wie z.B. Rotorblättern, zu einer allmählichen Veränderung des Materials – der sogenannten Ermüdung – führen und die Funktionsfähigkeit der Anlagen gefährden. Das Forschungsvorhaben SensoTwin verfolgt das Ziel, die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens von FVK voranzutreiben und dabei virtuell Fertigungsdefekte und Streuungen der Materialeigenschaften zu berücksichtigen.

SmaDi – Digitalisierung smarter Materialien und ihrer Herstellungsprozesse (Koordinator. Prof. Dr. Jürgen Maas, Technische Universität Berlin):

Im Projekt SmaDi werden erstmals übergreifend für verschiedene smarte Materialien effiziente Wege zum Zugriff und zur Analyse großer Datenmengen aus experimentellen Versuchen und Simulationen entwickelt. Smarte Materialien besitzen die ausgeprägte Eigenschaft, auf externe Einflüsse wie elektrische, magnetische oder thermische Anregung zum Beispiel durch Verformung zu reagieren.

StahlDigital – Ontologie-basierte interoperable Workflows zur Entwicklung und Optimierung von Stahlwerkstoffen für den Bauteileinsatz: Von der Blechhalbzeugherstellung zur Crashsicherheit (Koordinator: PD Dr. rer. nat. Franz Roters, Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf):

Das Projekt StahlDigital erarbeitet neue digitale Strategien für Stahlwerkstoffe. Dabei werden sowohl die Herstellung des Materials (des Stahls selbst), die Verarbeitungsprozesse wie auch das Design der fertigen Bauteile betrachtet, damit diese zukünftig schneller und passgenauer entwickelt werden können.