Materialentwicklung

Nanostruktur Mikroskopie Aufnahme
© Fraunhofer IMWS

Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines nanostrukturierten Kunststoffes.

Im Bereich der Materialentwicklung ist es im Materials Data Space® erforderlich, die neuen Materialien jeweils umfassend neu experimentell bezüglich ihrer Eigenschaften und der Mikrostruktur zu bewerten. Für kurze Entwicklungszyklen sind dazu Hochdurchsatzraten-Untersuchungsmethoden entwickelt worden bzw. noch zu entwickeln. Auf Basis der Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen können gezielt neue Materialien entwickelt werden, die vorgegebene Eigenschaften aufweisen (mikrostrukturbasiertes Materialdesign).

Der Materials Data Space® ist für diesen Bereich im übertragenen Sinn als ein Baukasten anzusehen, aus dem für Material- und Werkstoffinnovationen oder -optimierungen neue Bausteine entnommen oder neu verknüpft werden können. Um dieses Prinzip umzusetzen, muss der Materials Data Space® eine entsprechende Datenstruktur aufweisen, die es allen Stakeholdern in der Material- und Werkstoffentwicklung möglich macht, nach definierten Regeln auf die Daten zuzugreifen und neue Daten einzuspeisen.

Mit Blick auf die ganze Wertschöpfungskette bietet die Material- und Werkstoffentwicklung das größte Potenzial für die Erhöhung der Materialeffizienz, zum Beispiel durch die Substitution teurer Ausgangskomponenten, die Entwicklung neuer, kostengünstigerer Materialien und Werkstoffe und/oder die Reduzierung des Materialeinsatzes bei mindestens gleicher Funktionalität. Die aus den mikrostrukturellen Untersuchungsergebnissen einschließlich der grenzflächenspezifischen Daten abgeleiteten digitalen Material- und Werkstoffmodelle sind die Basis für durchgängige Prozesskettensimulationen, anhand derer bereits zu Beginn die Eignung neuer Werkstoffe für spezifische Verarbeitungsschritte und für spätere Anwendungen eingeschätzt werden kann.

Die mikrostrukturbasierte Technologieoptimierung nutzt entlang der gesamten Wertschöpfungskette das Potenzial der Kenntnis der mikrostrukturellen Veränderungen durch die einzelnen Prozessschritte (auch einschließlich der makroskopischen, durch die Verarbeitung beeinflussten Material- und Werkstoffkennwerte) für die Erhöhung der Produktionseffizienz, zum Beispiel durch energiereduzierte Bearbeitung, geringere Fehlerquoten, höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Produkte. Die Daten aus der mikrostrukturbasierten Technologieoptimierung fließen ebenfalls in den Materials Data Space® und stehen damit auch für die Weiterentwicklung der Prozesskettensimulationen bereit.