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.



  • Bosch erzielt positives Ergebnis

    Bosch erzielt positives Ergebnis

    Die Bosch-Gruppe hat das zurückliegende Geschäftsjahr mit einem positiven Ergebnis abgeschlossen. Nach vorläufigen Ergebnissen blieb der Umsatz jedoch unter dem Vorjahresniveau.

    mehr lesen: Bosch erzielt positives Ergebnis

  • Sicherheit für künstliche Intelligenz

    Sicherheit für künstliche Intelligenz

    Mit einem Kriterienkatalog für Ki-basierte Clouddienste will das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik eine Grundlage für die Bewertung der Sicherheit von KI-Systemen schaffen.

    mehr lesen: Sicherheit für künstliche Intelligenz

  • Siemens mit neuem Vorstandsvorsitzendem

    Siemens mit neuem Vorstandsvorsitzendem

    Im Rahmen der Siemens-Hauptversammlung hat der langjährige Vorstandsvorsitzende Joe Kaeser sein Amt an Roland Busch übergeben.

    mehr lesen: Siemens mit neuem Vorstandsvorsitzendem

  • Umsatzplus bei Siemens

    Umsatzplus bei Siemens

    Im ersten Quartal des neuen Geschäftsjahres lagen Auftragseingang, Umsatzerlöse sowie der Gewinn nach Steuern der Siemens AG über den Werten des Vorjahresquartals.

    mehr lesen: Umsatzplus bei Siemens

  • IIoT-System mit überarbeitetem Interface

    IIoT-System mit überarbeitetem Interface

    Bei der Arbeit an der neuen Version der Ixon-IIoT-Cloud haben die Entwickler insbesondere die Themen Kollaboration und Benutzerfreundlichkeit in den Mittelpunkt gerückt. Der Hersteller schreibt, die Erweiterung eng an den…

    mehr lesen: IIoT-System mit überarbeitetem Interface

  • Mapal erweitert Geschäftsleitung

    Mapal erweitert Geschäftsleitung

    Mapal hat die Geschäftsleitung um Jacek Kruszynski und Siegfried Wendel erweitert. Der Wechsel fand bereit am 1. Oktober 2020 statt und soll dem Unternehmen helfen, die Kernkompetenzen zu stärken.

    mehr lesen: Mapal erweitert Geschäftsleitung

  • Proalpha-Unternehmensgruppe wächst

    Proalpha-Unternehmensgruppe wächst

    Curecomp gehört zukünftig zur Proalpha-Gruppe, wie der ERP-Anbieter am Montag mitgeteilt hat. Zudem erwarb der ERP-Anbieter eine Mehrheitsbeteiligung am Softwarehaus Böhme & Weihs.

    mehr lesen: Proalpha-Unternehmensgruppe wächst

  • Automobilindustrie erwartet Besserung

    Automobilindustrie erwartet Besserung

    Die deutschen Automobilbauer und ihre Zulieferer blicken etwas positiver in die Zukunft als noch Ende des vergangenen Jahres. Der Anstieg in der aktuellen Ifo-Befragung fällt jedoch nur gering aus.

    mehr lesen: Automobilindustrie erwartet Besserung

  • Control 2021 als Präsenzmesse abgesagt

    Control 2021 als Präsenzmesse abgesagt

    Die 34. Control – Internationale Fachmesse für Qualitätssicherung – findet auch in diesem Jahr nicht als Präsenzveranstaltung statt. Geplant war das Branchenhighlight für den 4. bis 7. Mai 2021.

    mehr lesen: Control 2021 als Präsenzmesse abgesagt

  • SAP übernimmt Signavio

    SAP übernimmt Signavio

    SAP übernimmt das Berliner Startup Signavio, einen Anbieter von Business Process Intelligence und Prozessmanagement-Lösungen. Wie der Softwarekonzern mitteilt, wird der Abschluss der Transaktion für das erste Quartal 2021 erwartet, vorbehaltlich…

    mehr lesen: SAP übernimmt Signavio

  • Strukturwandel im Maschinenbau erfolgreich bewältigen

    Strukturwandel im Maschinenbau erfolgreich bewältigen

    „Ich mache mir keine großen Sorgen, dass der Strukturwandel in der Automobilindustrie langfristig zu einem Aderlass im deutschen Maschinenbau führen wird“, betonte ZVEI-Präsident Dr. Gunther Kegel im Rahmen einer Pressekonferenz.

    mehr lesen: Strukturwandel im Maschinenbau erfolgreich bewältigen

  • Mehr Kurzarbeit insgesamt, Rückgang in der Industrie

    Mehr Kurzarbeit insgesamt, Rückgang in der Industrie

    Im Januar waren wieder mehr Menschen in Kurzarbeit. In der Industrie ging die Zahl nach Schätzungen des Ifo-Instituts insgesamt jedoch zurück, wobei es je nach Branche unterschiedliche Entwicklungen gibt.

    mehr lesen: Mehr Kurzarbeit insgesamt, Rückgang in der Industrie