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.



  • SAS übernimmt Boemska

    SAS übernimmt Boemska

    SAS übernimmt den britischen Low-Code/No-Code-Spezialisten Boemska. Das Unternehmen ist bereits Technologiepartner von SAS.

    mehr lesen: SAS übernimmt Boemska

  • Die Produktion aufteilen

    Die Produktion aufteilen

    Die SmartFaxtory KL arbeitet an der Realisierung an einem Shared Production-Ansatz und bildet so die Grundlage für das europäische Infrastrukturprojekt GAIA-X.

    mehr lesen: Die Produktion aufteilen

  • Sichere SD-WAN-Appliances für OT-Umgebungen

    Sichere SD-WAN-Appliances für OT-Umgebungen

    Fortinet kündigt mit der FortiGate Rugged 60F und der FortiGate Rugged 60F mit integrierter LTE-Next-Generation-Firewall zertifizierte sichere SD-WAN-Appliances für den Einsatz in OT-Umgebungen an.

    mehr lesen: Sichere SD-WAN-Appliances für OT-Umgebungen

  • Inform erweitert Geschäftsführung

    Inform erweitert Geschäftsführung

    Zum Führungsteam beim Softwarehersteller Inform kommen im Januar vier neue Mitglieder hinzu. In diesem Zuge möchte das Unternehmen seinen Fokus auf die Themen Nachhaltigkeit, Innovation und Internationalisierung legen.

    mehr lesen: Inform erweitert Geschäftsführung

  • Branchenverbände hoffen 2021 auf Besserung

    Branchenverbände hoffen 2021 auf Besserung

    Zum Jahreswechsel befragt das Institut der deutschen Wirtschaft (IW) traditionell deutsche Verbände nach ihren wirtschaftlichen Erwartungen für das kommende Jahr. In diesem Jahr berichten darin die meisten Branchen von einschneidenden…

    mehr lesen: Branchenverbände hoffen 2021 auf Besserung

  • Nachhaltigkeit wird zum Trend

    Nachhaltigkeit wird zum Trend

    Nachhaltigkeit und stärkeres Umweltbewusstsein erfahren in der Fertigungsindustrie neue Aufmerksamkeit. Der Übergang von der Linearwirtschaft zu einer Kreislaufwirtschaft spielt dabei eine entscheidende Rolle. Colin Elkins, Vice President Manufacturing bei IFS,…

    mehr lesen: Nachhaltigkeit wird zum Trend

  • Hannover Messe erneut als digitales Event

    Hannover Messe erneut als digitales Event

    Angesichts der aktuellen Entwicklungen rund um Covid-19 hat die Deutsche Messe gemeinsam mit den Ausstellern der Hannover Messe entschieden, die Industrieschau in diesem Jahr erneut digital auszurichten.

    mehr lesen: Hannover Messe erneut als digitales Event

  • Auftragsplus im November

    Auftragsplus im November

    Im November 2020 haben die deutschen Maschinen- und Anlagenbauer erstmals seit Beginn des Berichtsjahres wieder Orderzuwächse sowohl aus dem Inland als auch aus dem Ausland verzeichnet.

    mehr lesen: Auftragsplus im November

  • Trends für die IT-Sicherheit

    Trends für die IT-Sicherheit

    Durch die drastischen Veränderungen im Jahr 2020 wurde die Digitalisierung stark forciert, Netzwerkinfrastrukturen änderten sich und Clouds konnten weitere Zugewinne verzeichnen. Gerade, was Homeoffice angeht, musste zunächst einiges improvisiert werden.

    mehr lesen: Trends für die IT-Sicherheit

  • VDI-Statusreport:Maschinelles Lernen im Mittelstand

    VDI-Statusreport:Maschinelles Lernen im Mittelstand

    Im November 2020 ist der VDI-Statusreport ‚Maschinelles Lernen in KMU‘ erschienen. Die Veröffentlichung gibt Tipps, wie gerade mittelständische Firmen Projekte mit maschinellem Lernen (ML) umsetzen können.

    mehr lesen: VDI-Statusreport:Maschinelles Lernen im Mittelstand

  • Software-Container in Bewegung

    Software-Container in Bewegung

    Mit dem häufigeren Einsatz von Industrial Internet of Things-Anwendungen haben sich auch die Technologien von Software-Containern mehr und mehr durchgesetzt. Mit ihnen können Unternehmen die Geschwindigkeit, Flexibilität und Qualität bei…

    mehr lesen: Software-Container in Bewegung

  • Fortinet übernimmt Panopta

    Fortinet übernimmt Panopta

    Fortinet will den SaaS-Plattform-Anbieter Panopta übernehmen. Mit der Lösung des Unternehmens will Fortinet Netzwerkleistung und -sicherheit seiner Kunden verbessern.

    mehr lesen: Fortinet übernimmt Panopta