Von Hypercubes zur Materialkarte für Simulationen

0:000:00

386134 image1 46
Matplus EDA als digitaler Zwilling für Werkstoffe. – Bild: Matplus GmbH

Informationssystem für Werkstoffwissen

Doch genau hier liegt die Herausforderung: Die Angabe eines Werkstoffnamens allein beinhaltet einen großen Lösungsraum. Für welche Bereiche in diesem Lösungsraum gelten die Materialkarten? Wie zuverlässig sind Simulationen, wenn sie den Lösungsraum nicht abdecken und dann Chargenschwankungen in der Fertigung zu Ausfällen führen? Wie kann überhaupt etwas optimiert werden, wenn die Eingangsparameter ein sehr breites Streuband haben?

Hier setzt ein neuer Ansatz an: Matplus EDA ist als zentrales Wissenssystem für die Werkstoffe eines Unternehmens ausgelegt. Es ist kein klassisches LIMS oder lediglich eine Datenbank, sondern ein Governance-basiertes Informationssystem über den gesamten Lebenszyklus, das Werkstoffwissen von der Prozesshistorie über die Simulation bis zur Zulassung zentralisiert, strukturiert und verknüpft. Das System kann fragmentierte Daten in ein konsistentes, versioniertes und semantisch verstandenes Wissensnetzwerk transformieren – um den Hypercube berechenbar zu machen.

Den Hypercube beherrschen

Traditionell wurde der Hypercube mit empirischen Tests und tabellarischen Normdaten approximiert – oft mit groben Sicherheitsfaktoren und einem hohen Anteil an ‚Wissen im Kopf‘. Doch in Zeiten von Digital Twins und KI-gestützter Materialentwicklung ist diese Herangehensweise nicht mehr skalierbar. Die Zukunft gehört nicht mehr dem Durchschnittswerkstoff, sondern der abgesicherten, kontextualisierten Materialkarte – einer digitalen, nachverfolgbaren und simulierbaren Repräsentation, die den gesamten Hypercube mit seiner Variabilität und Unsicherheit abbildet. Um diesen Hypercube nutzbar zu machen, bedarf es einer systematischen Integration von Methoden. 1. Design of Experiments (DoE) ermöglicht es, den vollfaktoriellen Lösungsraum gezielt zu verkleinern und damit die Anzahl von Simulationsrechnungen oder praktischen Prüfungen deutlich zu reduzieren. 2. Integrated Computational Materials Engineering (ICME) mit JMatPro verknüpft dabei seriöses CalPhaD (Calculation of Phase Diagrams) mit zusätzlich berechneten Eigenschaften und liefert physikalisch konsistente Vorhersagen. 3. Die explorative Datenanalyse (OLAP) nutzt Daten aus Wissensgraphen und ICME, um Muster, Ausreißer und Korrelationen aufzudecken und so die Lücke zwischen Simulation und Realität zu schließen. 4. Ergänzend identifizieren Optimierungsalgorithmen, etwa Multi-Objective Genetic Algorithms, Pareto-optimale Werkstoffzustände, die Leistung, Kosten und Fertigungstauglichkeit balancieren.

Nutzen aus der Varianz ziehen

Damit wird eine gezielte, risikoarme und effiziente Werkstoffnutzung ermöglicht, ohne mit pauschalen Sicherheitsabschlägen oder konservativen Annahmen zu arbeiten. Statt einen Werkstoff als durchschnittlich zu behandeln, wird seine tatsächliche Variabilität erfasst und genutzt. Die zu erwartenden Vorteile:

Hypercube schematisch: Eigenschaftsräume statt Werkstoffbezeichnungen.
Hypercube schematisch: Eigenschaftsräume statt Werkstoffbezeichnungen. – Bild: Matplus GmbH
  • Präzisere Simulationen: Die reale Streuung von Eigenschaften kann abgebildet werden – durch stochastische Analysen oder Robustheitsbewertungen – was zu realistischeren Ergebnissen führt.
  • Gezieltere Entwicklung: Mit Methoden wie DoE und ICME lassen sich bestmögliche Parameterkombinationen identifizieren, ohne jeden möglichen Zustand testen zu müssen.
  • Reduzierter Prüfaufwand: Statt umfangreicher Full-Scale-Tests reicht oft eine gezielte Kombination aus Modellierung und Schlüsselprüfungen.
  • Höhere Bauteilsicherheit: Ausreißer und kritische Randbedingungen können systematisch erfasst werden – nicht erst im Betrieb entdeckt.
  • Innovationsspielraum: Neue Werkstoffzustände oder Fertigungsverfahren können sicher bewertet und schneller in die Anwendung gebracht werden.
  • Wer den Hypercube im Griff hat, nutzt Werkstoffe nicht nur nach Toleranzfeld – sondern nach Verständnis. Es winken Leichtbauvorteile, verlängerte Lebensdauer und beschleunigte Innovationen, ohne Kompromisse bei Sicherheit und Zuverlässigkeit.

Digitale Workflows aufsetzen

Die Beherrschung des Werkstoff-Hypercubes ist der Startpunkt, um konsistente, nutzbare Materialmodelle für die Simulation zu generieren. Mit BPMN 2.0-basierten digitalen Workflows lassen sich komplexe Prozesse – von der Prüfdatenaufbereitung bis zur Freigabe – agil und Low-Code-basiert implementieren. Jeder Schritt ist dabei nachvollziehbar dokumentiert und auditierbar.

Python-basierte Script Tasks können auch anspruchsvolle mathematische Aufgaben übernehmen, z.B. automatisisertes Curve Fitting auf Basis gemessener Stauchversuche an Johnson-Cook- oder Zerilli-Armstrong-Modellen. Diese Skripte können als wiederverwendbare Plugins qualitätsgesichert in das Gesamtsystem integriert werden – unabhängig von späteren Systemupdates und ohne Anfälligkeit gegenüber veralteten VBA-Makros.

CAE-neutrale Materialkarten

Ein zentraler Nutzen dieser Digitalisierung: die Erstellung CAE-neutraler Materialkarten. Unabhängig vom Ziel-CAE-System (Abaqus, LS-Dyna, Ansys) wird der Werkstoff einmalig definiert und dann konvertiert – anstatt in jedem Tool separat und fehleranfällig neu parametriert zu werden.

  • Konsistenz – Einheitliche Werkstoffdefinition über Simulationstools hinweg
  • Vergleichbarkeit – Direkter Vergleich von Modellen und Ergebnissen, mit grafischer Analyse möglicher Abweichungen
  • Konsolidierung – Zusammenführung mehrerer Materialkarten aus unterschiedlichen Systemen, z.B. PamCrash und LS-Dyna

Digitaler Zwilling des Werkstoffs

So entsteht ein verlässlicher, wiederverwendbarer Werkstoff-Digital Twin, der sich nahtlos in bestehende Engineering-Prozesse integrieren kann. Als Grundlage für schnelle, sichere und transparente Simulationen. Die Integration in Systemumgebungen wie Teamcenter PLM und CAE erfolgt dann klassisch über REST-Schnittstellen.

BPMN2: Der Industriestandard für elektronische Workflows.
BPMN2: Der Industriestandard für elektronische Workflows. – Bild: Matplus GmbH


  • Automatica auf Wachstumskurs

    Automatica auf Wachstumskurs

    Die Vorbereitungen für die nächste Automatica laufen. Vom 24. bis 27. Juni 2025 bringt die Messe in sechs Hallen Industrie und Forschung zusammen und bietet einen Überblick zu aktuellen Themen…

    mehr lesen: Automatica auf Wachstumskurs

  • Cyberkriminelle nutzen Microsoft Teams als Einfallstor

    Cyberkriminelle nutzen Microsoft Teams als Einfallstor

    Die Cybersecurity-Experten von Sophos X-Ops haben eine aktive Bedrohungskampagne näher untersucht, bei der zwei verschiedene Gruppen von Bedrohungsakteuren Unternehmen infiltrieren, indem sie die Funktionalität der Office-365-Plattform missbrauchen und anschließend versuchen,…

    mehr lesen: Cyberkriminelle nutzen Microsoft Teams als Einfallstor

  • Xitaso ernennt Dr. Andreas Angerer zum Geschäftsführer und CTO

    Xitaso ernennt Dr. Andreas Angerer zum Geschäftsführer und CTO

    Der Software Engineering-Dienstleister Xitaso hat Dr. Andreas Angerer (Bild) zum Geschäftsführer und Chief Technology Officer (CTO) ernannt.

    mehr lesen: Xitaso ernennt Dr. Andreas Angerer zum Geschäftsführer und CTO

  • Cumulocity schließt Management-Buyout ab

    Cumulocity schließt Management-Buyout ab

    Cumulocity hat nun offiziell den Verkauf durch die Software AG an das Management-Team des IIoT-Spezialisten bekanntgegeben.

    mehr lesen: Cumulocity schließt Management-Buyout ab

  • Motek und Bondexpo: drei statt vier Messetage

    Motek und Bondexpo: drei statt vier Messetage

    Die 43. Motek, internationale Fachmesse für Produktions- und Montageautomatisierung, findet zusammen mit der 18. Bondexpo, internationale Fachmesse für Klebtechnologie, vom 7.bis 9. Oktober 2025 in Stuttgart statt. Wie der Messeveranstalter…

    mehr lesen: Motek und Bondexpo: drei statt vier Messetage

  • Trends und Themen im Maschinen- und Anlagenbau

    Trends und Themen im Maschinen- und Anlagenbau

    Der Maschinen- und Anlagenbau steht vor Herausforderungen, die gleichzeitig Chancen zur Neuausrichtung von Prozessen, Geschäftsmodellen und Strukturen bieten.

    mehr lesen: Trends und Themen im Maschinen- und Anlagenbau

  • RoX – ein digitales Ökosystem für KI-basierte Robotik

    RoX – ein digitales Ökosystem für KI-basierte Robotik

    Das Verbundprojekt RoX widmet sich dem Aufbau eines digitalen Ökosystems, das den Einsatz neuer KI-basierter robotischer Systeme in praxisrelevanten Anwendungen und Branchen ermöglichen soll.

    mehr lesen: RoX – ein digitales Ökosystem für KI-basierte Robotik

  • Wie unstrukturierte Daten und KI Storage-Infrastrukturen verändert

    Wie unstrukturierte Daten und KI Storage-Infrastrukturen verändert

    Die Menge unstrukturierter Daten nimmt zu, auch weil sie als Grundlage für Applikationen mit künstlicher Intelligenz benötigt werden.

    mehr lesen: Wie unstrukturierte Daten und KI Storage-Infrastrukturen verändert

  • KI für Ergonomie am Arbeitsplatz

    KI für Ergonomie am Arbeitsplatz

    Homeoffice, flexible Arbeitsplätze und -orte sowie Videokonferenzen – in den letzten Jahren hat die Veränderung der Arbeitswelt ordentlich an Fahrt aufgenommen.

    mehr lesen: KI für Ergonomie am Arbeitsplatz

  • Absolute IT-Sicherheit ist eine Illusion, die wir nicht brauchen

    Absolute IT-Sicherheit ist eine Illusion, die wir nicht brauchen

    Der Satz „Eine hundertprozentige IT-Sicherheit gibt es nicht“ ist vielen bekannt. Doch die Frage ist: Was folgt daraus? Das erklärt Christian Koch (Bild), Senior Vice President Cybersecurity, Innovations & Business…

    mehr lesen: Absolute IT-Sicherheit ist eine Illusion, die wir nicht brauchen

  • ZVEI kommentiert die Exportbeschränkungen der Biden-Regierung auf KI-Chips

    ZVEI kommentiert die Exportbeschränkungen der Biden-Regierung auf KI-Chips

    Wolfgang Weber, Vorsitzender der ZVEI-Geschäftsführung, fordert die EU-Kommission und die kommende Bundesregierung zum Handeln auf und kommentiert die heute bekanntgewordenen Exportbeschränkungen der US-Regierung auf KI-Chips wie folgt:“Die heute verkündeten Exportbeschränkungen…

    mehr lesen: ZVEI kommentiert die Exportbeschränkungen der Biden-Regierung auf KI-Chips

  • Stellenwert von Software im Maschinenbau steigt

    Stellenwert von Software im Maschinenbau steigt

    Besonders die Bedeutung der Softwareentwicklung für die eigenen Produkte oder kundenindividuellen Lösungen steigt in den kommenden fünf Jahren nochmals stark an.

    mehr lesen: Stellenwert von Software im Maschinenbau steigt