Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMIm Dialog: Geschäftsfeld Fertigungsprozesse
Alexander Wessel (Mitte) und Dr. Anandi Kugele (rechts) beim Näpfchenziehversuch im Blechprüflabor mit Dr. Dirk Helm (links).
Wie sieht der Kompass für das Geschäftsfeld Fertigungsprozesse aus?
Helm: Fertigungsprozesse sind der Schlüssel für leistungsfähige Materialien und Produkte: Unsere Kunden stehen unter dem Druck, die Nachhaltigkeit und Resilienz in ihren Fertigungsprozessen zu verbessern. Um an den richtigen Stellschrauben drehen zu können, müssen sie das Verhalten der verarbeiteten Werkstoffe in den Prozessen besser verstehen. Und hierfür erzeugen wir die Wissens- und Entscheidungsbasis. Das hat sich in neuen industriellen und öffentlichen Projekten geäußert – mit dem Projektstart des EU-Projektes »AID4GREENEST«, das sich intensiv mit der Idee von »green steel« beschäftigt, oder dem neuen Fraunhofer- Leitprojekt »ORCHESTER«, in dem das Fraunhofer IWM die Koordination übernimmt. In diesem Projekt wird ein digitales Ökosystem entwickelt, mit dem kritische Materialien in bestehenden Systemen schneller ersetzt, Materialien mit Recyclinganteilen schneller für den Einsatz qualifiziert werden können und letztlich Materialentwicklungsprozesse signifikant beschleunigt werden.
Auch mit der Ausgründung der GLAPE GmbH (»Glass Laser Shape«) ist es uns gelungen, mit Blick auf Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz eine Technologie aus dem Haus zur Marktreife zu bringen und somit für Kunden und Unternehmen zugänglich zu machen. Mit der innovativen Glasbiegetechnologie, die am Fraunhofer IWM entwickelt wurde, ist es nicht nur möglich, Glas hochpräzise in engen Radien zu biegen, sondern auch Produkte zu gestalten, die etwa ohne Verbindungselemente nicht nur energieeffizienter sind, sondern auch am Ende ihrer Lebensdauer umweltfreundlicher wiederaufbereitet werden können.
Was bedeutet »Resilienz« im Fertigungsprozess?
Helm: Resilienz steht für die Fähigkeit, sich neuen Bedingungen anzupassen und externen Einflüssen zu widerstehen, und eine Stabilität zu gewährleisten. Im Fertigungskontext bedeutet das beispielsweise auf neue Lieferanten oder Rohstoffknappheiten, neue Produktanforderungen oder die Vermeidung schädlicher Stoffe zu reagieren. Vor dem Hintergrund von Handelskrisen, Klimawandel, Krieg oder Pandemie, aber auch disruptiven großen und kleinen Innovationen gehören solche Umbrüche für viele Unternehmen zum Alltag. Wir betrachten diese Herausforderungen durch die Werkstoffbrille und hier tun sich viele Fragen auf, um eine hochwertige Fertigung unter neuen Bedingungen sicherzustellen.
Ein Lösungsbeispiel aus unserer Arbeit ist die Entwicklung von Web-Applikationen für die Simulation des Laser-Powder-Fusion- Prozesses von Polymeren. Dazu haben wir zunächst eine Prozesskettensimulation aufgebaut. Damit simulieren wir die Materialveränderungen in den einzelnen Fertigungsschritten auf der Mikrostrukturskala und stellen rechnerisch die Zusammenhänge zwischen resultierenden Bauteileigenschaften und den gewählten Prozessparametern her. Mit neu entwickelten Applikationen kann der additive Fertigungsprozess somit virtuell variiert und real optimiert werden.
Nicht nur schaffen wir mit einer solchen Applikation einen Zugang zu den komplexen Struktur-Eigenschaftsbeziehungen: Wir ermöglichen unseren Kunden damit auch die Souveränität, schnell und eigenständig in der Timeline des Prozesses zu reagieren. Dass dieser Mehrwert einfach genutzt werden kann, zeigt, dass der Transfer unseres Know-hows unkompliziert und niederschwellig gestaltet werden kann.
Wie funktioniert der Brückenschlag vom Werkstoff zur Web-App?
Helm: Hier greifen experimentelle Werkstoffcharakterisierung, die Entwicklung von Werkstoffmodellen für verschiedene Skalen und deren Verknüpfung zu Prozesskettensimulationen ineinander. Um durchgängige Materialdatenströme zu beherrschen, nutzen wir semantische Technologien und maschinelles Lernen. Die Krönung ist die Benutzerfreundlichkeit über Apps oder entsprechende Schnittstellen, denn letztlich bemisst sich der Wert der Forschung an der Produktivitäts- oder Effizienzgewinnen im realen Prozess.