Materials Data Space Eine Fraunhofer-Initiative des Verbunds MATERIALS zur Implementierung 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 Fraunhofer 06/2011
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Gartner Hype Cycle for Emerging Technologies 2016 3
Brauchen wir im Zeitalter von IoT und Industrie 4.0 Werkstoffforschung? Besteht die Zukunft im molecular synthesizer? Wie machen wir Materialien fit für die Digitalisierung? Konzept»Materials Data Space«des Fraunhofer-Verbund MATERIALS https://youtu.be/jymykwiar5s 4
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 Space Lösungsansatz»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! 9
Materials Data Space Aufgabe und Komponenten Der Materials Data Space als intelligente digitale Vernetzung wird die Effizienz und das Innovationspotenzialmaterialintensiver 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
Material Data Space Blechbauteilfertigung (heute) 13 Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Material Data Space Blechbauteilfertigung (Zukunft) 14 Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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-Aktivitäten 4 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 MDS Geschäftsstelle ist eingerichtet: Frau Dr. Eul, Herr Hahnenwald, Frau Beisel-Hallstein Website ist eingerichtet: http://www.fraunhofer-materials-dataspace.de/de/kontakt.html 20
Materials Data Space Roadmap zu Industrie 4.0-fähigen Werkstoffen http://www.fraunhofermaterials-data-space.de/ Herzlichen Dank