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.



  • Forschungsbeirat Industrie 4.0 widmet sich Physical AI

    Forschungsbeirat Industrie 4.0 widmet sich Physical AI

    Die dritte Ausgabe von ‚Industrie 4.0 Forschung in Kürze‘ des Forschungsbeirats Industrie 4.0 widmet sich den Möglichkeiten von Physical Artificial Intelligence (Physical AI) in der Industrie.

    mehr lesen: Forschungsbeirat Industrie 4.0 widmet sich Physical AI

  • Logimat-Preis für bestes Produkt verliehen

    Logimat-Preis für bestes Produkt verliehen

    Im Rahmen der Logimatwurde der Preis ‚Logimat Best Product‘ in drei Kategorien verliehen.

    mehr lesen: Logimat-Preis für bestes Produkt verliehen

  • Spezielle Chips für reduzierten KI-Energieverbrauch

    Spezielle Chips für reduzierten KI-Energieverbrauch

    Im Rahmen des KI-Leuchtturmprojekts ‚Eki‘ hat ein Forschungsteam unter der Leitung der Universität Paderborn an der Verbesserung der Energieeffizienz von KI-Systemen gearbeitet und Methoden entwickelt, mit denen sich der Energieverbrauch…

    mehr lesen: Spezielle Chips für reduzierten KI-Energieverbrauch

  • Neues Mitglied im Aufsichtsrat von Wibu-Systems

    Neues Mitglied im Aufsichtsrat von Wibu-Systems

    Wibu-Systems, ein Spezialist für Softwareschutz, Lizenzierung und Cybersicherheit, hat Prof. Dr. Jörn Müller-Quade in den Aufsichtsrat berufen.

    mehr lesen: Neues Mitglied im Aufsichtsrat von Wibu-Systems

  • SEW-Eurodrive und Safelog entwickeln Softwaresystem für die Intralogisik

    SEW-Eurodrive und Safelog entwickeln Softwaresystem für die Intralogisik

    Im Rahmen der Fachmesse Logimat haben SEW-Eurodrive und Safelog eine strategische Partnerschaft bekannt gegeben.

    mehr lesen: SEW-Eurodrive und Safelog entwickeln Softwaresystem für die Intralogisik

  • KIT-Forschende entwickeln Technologie für lichtbasierte Datenverbindungen

    KIT-Forschende entwickeln Technologie für lichtbasierte Datenverbindungen

    Ein neuartiges Bauteil, das durch eine fortschrittliche Fertigungstechnologie eine sehr schnelle, sparsame und verlässliche Datenübertragung ermöglicht, haben Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der École Polytechnique Fédérale de…

    mehr lesen: KIT-Forschende entwickeln Technologie für lichtbasierte Datenverbindungen

  • PTC tritt dem ZVEI bei

    PTC tritt dem ZVEI bei

    PTC ist dem ZVEI beigetreten und will in diesem Rahmen seine Expertise in den Bereichen digitale Geschäftsmodelle, industrielle künstliche Intelligenz (KI) und datenbasierte Wertschöpfung in die Verbandsarbeit einbringen.

    mehr lesen: PTC tritt dem ZVEI bei

  • Unternehmen setzen auf KI, aber es muss sich auch lohnen

    Unternehmen setzen auf KI, aber es muss sich auch lohnen

    Laut einer Untersuchung von TE Connectivity treibt die deutsche Industrie den Einsatz von künstlicher Intelligenz und Automatisierung mit hoher Geschwindigkeit voran.

    mehr lesen: Unternehmen setzen auf KI, aber es muss sich auch lohnen

  • Ein Chatbot für den Wissenstransfer

    Ein Chatbot für den Wissenstransfer

    Wenn Fachkräfte ein Unternehmen verlassen, geht auch oft Knowhow verloren. Im Projekt ‚Stark‘ untersuchen Forschende des Fraunhofer IPK gemeinsam mit der BSP Business and Law School – Hochschule für Management…

    mehr lesen: Ein Chatbot für den Wissenstransfer

  • Quantencomputer und klassische Rechner optimieren gemeinsam

    Quantencomputer und klassische Rechner optimieren gemeinsam

    Klassische Computer können viele Optimierungsprobleme wie etwa das ‚Problem des Handlungsreisenden‘ nur näherungsweise knacken, aber nicht vollständig und oft nur unter langer Laufzeit.

    mehr lesen: Quantencomputer und klassische Rechner optimieren gemeinsam

  • Digitale Kreislaufwirtschaft in dezentraler Fabrik

    Digitale Kreislaufwirtschaft in dezentraler Fabrik

    Im Projekt ‚Panda‘ setzen die Beteiligten auf digitale Produktpässe und künstliche Intelligenz (KI), um Recycling und Demontage von Produkten effizienter zu machen.

    mehr lesen: Digitale Kreislaufwirtschaft in dezentraler Fabrik

  • Ein kurzer Blick auf CRA, EU-Maschinenverordnung und NIS-2

    Ein kurzer Blick auf CRA, EU-Maschinenverordnung und NIS-2

    Gezielte Cyberangriffe auf Anlagen und Maschinen sind längst Realität. Mit CRA, NIS2 und der neuen EU-Maschinenverordnung reagiert der Gesetzgeber nicht nur mit klaren Empfehlungen, sondern auch mit konkreten Meldepflichten, Vorgaben…

    mehr lesen: Ein kurzer Blick auf CRA, EU-Maschinenverordnung und NIS-2