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.



  • Schwachstellen priorisieren und beheben

    Schwachstellen priorisieren und beheben

    Mit der Vulnerability Mitigation App (VMA) stellt Tufin eine Applikation zur Verfügung, die es Unternehmen ermöglicht, Bedrohungen zu priorisieren und auf diese Weise eine effektive Fehlerbehebung und automatisierte Risikominderung zu…

    mehr lesen: Schwachstellen priorisieren und beheben

  • Emotet ist zurück

    Emotet ist zurück

    Bereits im Februar 2020 berichteten wir von einem Cyberangriff mit dem Trojaner Emotet auf das Berliner Kammergericht. Mehr als 160 Tage nach der letzten bekannten Verbreitung der Schadsoftware konnten Sicherheitsforscher…

    mehr lesen: Emotet ist zurück

  • Kein Unternehmen kommt ohne IoT-Sicherheit aus

    Kein Unternehmen kommt ohne IoT-Sicherheit aus

    Das Internet der Dinge setzt sich in großem Stil durch, weil die potenziellen Vorteile immens sind. Ob es sich um Gebäude- und Straßenlichtsensoren, Überwachungskameras, IP-Telefone, Point-of-Sale-Systeme, Konferenzraumtechnik und vieles mehr…

    mehr lesen: Kein Unternehmen kommt ohne IoT-Sicherheit aus

  • Unternehmen sollten mehr auf Sicherheitsexperten setzen

    Unternehmen sollten mehr auf Sicherheitsexperten setzen

    In jedem dritten Unternehmen (28 Prozent) gab es im letzten Jahr mindestens einen gravierenden Sicherheitsvorfall. Das sind 2 Prozent mehr als noch ein Jahr zuvor. Meist handelte es sich dabei…

    mehr lesen: Unternehmen sollten mehr auf Sicherheitsexperten setzen

  • Simulation Day in München

    Simulation Day in München

    Welche Am 24. September 2020 lädt Machineering Interessenten zum 4. Simulation Day nach München ein. Vor Ort lernen die Teilnehmer die Vorteile und Einsatzmöglichkeiten der Simulationssoftware industrialPhysics kennen.

    mehr lesen: Simulation Day in München

  • Mait übernimmt IT-On.Net Süd

    Mait übernimmt IT-On.Net Süd

    Die Mait-Gruppe übernimmt das baden-württembergische IT-Systemhaus IT-On.NET Süd. Mit dem Erwerb will die Unternehmensgruppe ihr IT-Geschäftsfeld ausbauen.

    mehr lesen: Mait übernimmt IT-On.Net Süd

  • EDAG baut Standort in Ingolstadt aus

    EDAG baut Standort in Ingolstadt aus

    Software- und Digitalisierungs-Hub EDAG baut Standort in Ingolstadt aus Der EDAG-Standort Ingolstadt soll zum ganzheitlichen Entwicklungszentrum und zu einem Software- und Digitalisierungs-Hub ausgebaut werden. Dazu wird der Standort auf über…

    mehr lesen: EDAG baut Standort in Ingolstadt aus

  • IAB-Arbeistmarktbarometer legt weiter zu

    IAB-Arbeistmarktbarometer legt weiter zu

    Nach dem durch die Corona-Krise verursachten Rückgang im April, entwickelt sich das IAB-Arbeitsmarktbarometer weiterhin positiv. Im Juli legte der Frühindikator 3,1 Punkte zu.

    mehr lesen: IAB-Arbeistmarktbarometer legt weiter zu

  • Die Stimmung bessert sich

    Die Stimmung bessert sich

    Zum dritten Mal in Folge ist der Ifo-Geschäftsklimaindex gestiegen: Nach 86,3 Punkten im Juni auf 90,5 Punkte im Juli.

    mehr lesen: Die Stimmung bessert sich

  • Energieeffizient lernen

    Energieeffizient lernen

    Ein Forschungsteam an der Technischen Universität Graz hat die KI-Lernmethode E-prop entwickelt, mit der Hardware-Implementierungen von künstlicher Intelligenz energieeffizienter gestaltet werden können.

    mehr lesen: Energieeffizient lernen

  • Positive Aussichten für die SPS 2020

    Positive Aussichten für die SPS 2020

    Die Bayerische Staatsregierung hat das Schutz- und Hygienekonzept für Messen in Bayern verabschiedet. Somit soll die SPS 2020 zum geplanten Zeitpunkt vom 24. bis 26. Oktober in Nürnberg stattfinden, wie…

    mehr lesen: Positive Aussichten für die SPS 2020

  • Erfolgsfaktor Künstliche Intelligenz

    Erfolgsfaktor Künstliche Intelligenz

    Laut einer Studie von Deloitte, sieht die große Mehrheit der in Deutschland befragten KI-Experten, die Technologie als einen wesentlichen Erfolgsfaktor für das eigene Unternehmen.

    mehr lesen: Erfolgsfaktor Künstliche Intelligenz