Alternative Materialien mit künstlicher Intelligenz identifizieren

Materialsubstitution IM7A4857

Versorgungsengpässe, zu hohe Preise, technische Optimierung, Verbote: Es gibt viele Gründe, weshalb Unternehmen einzelne Roh- oder Werkstoffe durch andere ersetzen müssen. Die Suche nach Alternativen ist aufwändig und endet oft ergebnislos. Ein Forschungsteam vom Fraunhofer IPA hat dafür nun ein KI-unterstütztes Tool zur Materialsubstitution entwickelt.

„Es gibt zwar Datenbanken, die Produktentwickler für die Recherche heranziehen können. Doch die liefern oft keine brauchbaren Ergebnisse, weil sie den genauen Anwendungsfall im Unternehmen nicht berücksichtigen“, sagt Charlotte Schmidt vom Forschungsteam Sustainability and Material Compliance Management am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA.

KI durchforstet wissenschaftliche Publikationen

Um die Suche zu erleichtern und passendere Ergebnisse zu erzielen, hat Schmidt zusammen mit zwei Kolleginnen ein KI-unterstütztes Tool zur Materialsubstitution entwickelt. Über eine Eingabemaske müssen die Nutzerinnen und Nutzer zunächst spezifische Details zu dem Werkstoff oder Rohstoff angeben, den sie ersetzen möchten und dann die erforderlichen Eigenschaften des alternativen Materials sowie Informationen zum Kontext des gewünschten Materialeinsatzes nennen. Es folgt eine KI-Recherche, mit der die Datenbank ‚Semantic Scholar‘ anhand der spezifischen Daten und Benutzeranforderungen durchforstet wird. Durch den Abgleich der

Nutzereingaben mit den in der Datenbank verfügbaren Informationen identifiziert die KI geeignete alternative Materialien.

Die KI-Anbindung zur Materialsubstitution ist einer von mehreren Bausteinen, mit denen die Forscherinnen Unternehmen bei der Suche nach alternativen Roh-, Werk- oder chemischen Stoffen unterstützen. Denn nachdem die KI ihre Aufgabe erfüllt hat, unterziehen sie die vorgeschlagenen Substitute sowie die Ausgangsmaterialien einer tieferen Bewertung, in der sie rechtliche, ökologische und soziale Aspekte sowie die Versorgungssicherheit berücksichtigen. Im engen Austausch mit dem jeweiligen Unternehmen prüfen die Wissenschaftlerinnen anschließend, wie genau die vorgeschlagenen Materialien die spezifischen Anforderungen erfüllen. Am Ende des Prozesses steht ein Bericht, in welchem die geeignetsten Substitute sowie die Bewertung der verschiedenen Kriterien dargestellt wird. Unternehmen erhalten so eine Entscheidungsgrundlage.

Erste Tests sind vielversprechend

Beispiel Kobalt: Als Alternative zu Kobalt, das in Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommt, schlägt das Tool unter anderem Eisen vor. „Es ist zwar keine neue Erkenntnis, dass anstelle von Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid auch Lithium-Eisenphosphat für die Kathoden von Batterien verwendet werden kann“, sagt Schmidt. „Aber dieses und weitere Ergebnisse haben uns gezeigt, dass die KI-Anbindung bei der Suche nach alternativen Materialien vielversprechend ist.“

Kobalt selbst zählt aus mehreren Gründen zu den kritischen Rohstoffen: Es ist selten, sein Anteil an der gesamten Erdkruste beträgt 0,004 Prozent. Die weltweit bekannten Kobaltreserven werden auf 7,2 Mio.t geschätzt. Mehr als die Hälfte davon, etwa 4Mio.t, lagern auf dem Staatsgebiet der Demokratischen Republik Kongo. Die Arbeitsbedingungen in den Bergwerken des instabilen zentralafrikanischen Landes sind häufig schlecht und die Umweltschäden beim Erzabbau groß.

Das KI-unterstützte Materialsubstitutionstool entstand im Forschungsprojekt ‚Ultraeffizienzfabrik – Deep Dive‘, das im April 2024 gestartet ist und noch bis Ende August 2025 läuft. Unterstützt wird das Forschungsprojekt vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg mit insgesamt 1,4Mio.€. Projektpartner sind neben dem Fraunhofer IPA das Fraunhofer IAO, das Centrum für Digitalisierung, Führung und Nachhaltigkeit Schwarzwald (Campus-Schwarzwald), Umwelttechnik BW, Alpirsbacher Klosterbräu Glauner, Ansmann und Protektorwerk Florenz Maisch sowie Zecha Hartmetall-Werkzeugfabrikation als assoziierter Partner.



  • Neuer Spitzenwert und unsicherer Ausblick

    Neuer Spitzenwert und unsicherer Ausblick

    Im Jahr 2019 haben die Innovationsausgaben deutscher Unternehmen einen neuen Rekordwert erreicht. Für 2020 gehen die Autoren der Innovationserhebung von einem Rückgang der Ausgaben aus.

    mehr lesen: Neuer Spitzenwert und unsicherer Ausblick

  • Neuer CEO für Visometry

    Neuer CEO für Visometry

    Klaus Dibbern wird CEO des Augmented Reality-Spezialisten Visometry. Gleichzeitig wird Harald Wuest CPO des Unternehmens.

    mehr lesen: Neuer CEO für Visometry

  • Wie kommuniziert man eine Cyberattacke?

    Wie kommuniziert man eine Cyberattacke?

    Kommt es durch eine Cyberattacke zum Datendiebstahl, so stellt es für Unternehmen ein Worst-Case-Szenario dar – können doch erheblich finanzielle und materielle Schäden entstehen. In solchen Situationen muss auch die…

    mehr lesen: Wie kommuniziert man eine Cyberattacke?

  • T-Systems setzt auf die Cloud

    T-Systems setzt auf die Cloud

    ‚Cloud First‘ T-Systems setzt auf die Cloud T-Systems will sich strategisch neu aufstellen. Mit ‘Cloud First‘ setzt das Unternehmen künftig auf die Cloud. Die Investitionen in den Ausbau der Cloud…

    mehr lesen: T-Systems setzt auf die Cloud

  • Markus Asch wird CEO bei Rittal

    Markus Asch wird CEO bei Rittal

    Rittal hat einen neuen CEO. Markus Asch hat den Posten beim Herborner Unternehmen zum 1. Februar übernommen.

    mehr lesen: Markus Asch wird CEO bei Rittal

  • Der Digitalisierungsbedarf ist hoch

    Der Digitalisierungsbedarf ist hoch

    Wenn es um die Digitalisierung der eigenen Unternehmensprozesse geht, sehen IT-Verantwortliche in deutschen Unternehmen Bedarf in vielen Bereichen. Laut einer Studie des Analystenhauses Techconsult im Auftrag von Valantic liegt dabei…

    mehr lesen: Der Digitalisierungsbedarf ist hoch

  • Mehr Sicherheit für eingebettete Systeme

    Mehr Sicherheit für eingebettete Systeme

    Software und Hardware für vernetzte eingebettete Systeme müssen höchste Anforderungen an Sicherheit, Echtzeitfähigkeit, Energie- und Ressourceneffizienz erfüllen. In dem am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordinierten Projekt Xandar erarbeiten acht…

    mehr lesen: Mehr Sicherheit für eingebettete Systeme

  • Schicksalsjahr für die Eurocloud Gaia-X

    Schicksalsjahr für die Eurocloud Gaia-X

    Im Projekt Gaia-X sollen Datenräume entstehen, die europäischen Datenschutz-Standards entsprechen und die unabhängig von den großen Hyperscalern sind. Für Marc Schieder, CIO von Dracoon, entscheidet sich in diesem Jahr, ob…

    mehr lesen: Schicksalsjahr für die Eurocloud Gaia-X

  • 59,2 Millionen coronabedingt ausgefallene Arbeitstage

    59,2 Millionen coronabedingt ausgefallene Arbeitstage

    Wie aus einer Studie des Instituts für Arbeitsmarkt- und Berufsforschung (IAB) hervorgeht, könnten die coronabedingten Arbeitsausfälle der Erwerbstätigen im aktuellen Lockdown bis Mitte Februar auf 59,2Mio. Arbeitstage steigen was 6,2…

    mehr lesen: 59,2 Millionen coronabedingt ausgefallene Arbeitstage

  • Krisenjahr führt zu zweistelligem Produktionsminus

    Krisenjahr führt zu zweistelligem Produktionsminus

    Laut ersten Berechnungen des VDMA lag die Produktion im Maschinen-und Anlagenbau im vergangenen Jahr 12,1 Prozent unter der des Vorjahres.

    mehr lesen: Krisenjahr führt zu zweistelligem Produktionsminus

  • Cyberattacke auf SolarWinds

    Cyberattacke auf SolarWinds

    Nach dem Angriff mit der Malware Sunburst auf Kunden des IT-Anbieters SolarWinds sind auch viele Industrieunternehmen betroffen.

    mehr lesen: Cyberattacke auf SolarWinds

  • Tec Center für 3D-Druck

    Tec Center für 3D-Druck

    HP und verschiedene Partnerunternehmen haben ein Netzwerk ins Leben gerufen, das Industrieunternehmen beim Thema 3D-Druck unterstützen soll.

    mehr lesen: Tec Center für 3D-Druck