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.



  • Produktion legt wieder zu

    Produktion legt wieder zu

    Laut statistischem Bundesamt hat sich die Industrie im Mai von den Einbrüchen verursacht durch die Corona-Pandemie etwas erholt. Die Produktion legte zu, verfehlt das Mai-Ergebnis des Vorjahres jedoch um 19,3…

    mehr lesen: Produktion legt wieder zu

  • Drei von vier Unternehmen erwarten schnelle Erholung

    Drei von vier Unternehmen erwarten schnelle Erholung

    Zwei Drittel (66 Prozent) der Unternehmensleiter weltweit sind optimistisch, dass sich der europäische Markt relativ schnell vom wirtschaftlichen Abschwung durch die COVID-19-Pandemie erholen wird. Das geht aus einem Report des…

    mehr lesen: Drei von vier Unternehmen erwarten schnelle Erholung

  • Neuer CSO bei Proalpha

    Neuer CSO bei Proalpha

    Der ERP-Anbieter Proalpha hat einen neuen Chief Sales Officer. Zum 1. Juli hat Michael T. Sander die Position übernommen. Er folgt auf Andree Stachowski.

    mehr lesen: Neuer CSO bei Proalpha

  • Leuze nimmt neues Distributionszentrum in Betrieb

    Leuze nimmt neues Distributionszentrum in Betrieb

    Leuze will bis Ende Juli sein neues Distributionszentrum in Betrieb nehmen.

    mehr lesen: Leuze nimmt neues Distributionszentrum in Betrieb

  • Armin Schnettler wird VDE-Präsident

    Armin Schnettler wird VDE-Präsident

    Der VDE hat mit Prof. Dr. Armin Schnettler einen neuen Präsidenten. Er folgt auf Dr. Gunther Kegel.

    mehr lesen: Armin Schnettler wird VDE-Präsident

  • Plattform für digitale Ausweisdokumente

    Plattform für digitale Ausweisdokumente

    Infineon Technologies bietet mit Secora ID eine einfach zu integrierende Sicherheitsplattform für digitale Ausweisdokumente, die kontaktlos funktionieren.

    mehr lesen: Plattform für digitale Ausweisdokumente

  • In der Krise mehr digitalisieren

    In der Krise mehr digitalisieren

    52 Prozent der Unternehmen wollen ihre Ausgaben bezüglich der digitalen Transformation erhöhen. Dies hat der Business-Software-Anbieter IFS in einer Studie ermittelt für die weltweit mehr als 3.032 Führungskräfte befragt wurden.

    mehr lesen: In der Krise mehr digitalisieren

  • Veränderungen in Bosch-Geschäftsführung

    Veränderungen in Bosch-Geschäftsführung

    Bosch Rexroth gibt einige Veränderungen in der Geschäftsführung bekannt. Unter anderem tritt Filiz Albrecht die Nachfolge von Christoph Kübel an, der zum Jahresende in den Ruhestand geht.

    mehr lesen: Veränderungen in Bosch-Geschäftsführung

  • Maschinenbau: Stimmungslage im 2. Quartal

    Maschinenbau: Stimmungslage im 2. Quartal

    Der exportorientierte deutsche Maschinenbau wurde von der weltweiten Corona-Pandemie hart getroffen. Das wird sich auch so schnell nicht ändern. Darauf deuten sowohl die aktuelle Stimmungslage sowie die Konjunktur- und Umsatzprognose…

    mehr lesen: Maschinenbau: Stimmungslage im 2. Quartal

  • Cyber Security for Critical Infrastructures

    Cyber Security for Critical Infrastructures

    Die zunehmende Digitalisierung von Unternehmen und die damit einhergehende Vernetzung praktisch aller Gebiete schaffen ein enormes wirtschaftliches Potenzial. Gleichzeitig entstehen durch die zunehmende Vernetzung aber auch neue Gefahren und Cyberangriffe…

    mehr lesen: Cyber Security for Critical Infrastructures

  • Operational Technology im Fokus von Cyberattacken

    Operational Technology im Fokus von Cyberattacken

    In einer weltweiten Studie haben TÜV Rheinland und das Marktforschungsinstitut Ponemon untersucht, wie es um die Cybersicherheit von Industrieanlagen bestellt ist. Demnach ist die Operational Technology besonders gefährdet.

    mehr lesen: Operational Technology im Fokus von Cyberattacken

  • Unternehmen sehen Licht am Ende des Tunnels

    Unternehmen sehen Licht am Ende des Tunnels

    Mit dem stärksten jemals gemessenen Anstieg hat sich der Ifo-Geschäftsklimaindex im Juni im Vergleich zum Vormonat etwas erholt. Er liegt nun bei 86,2 Punkten.

    mehr lesen: Unternehmen sehen Licht am Ende des Tunnels