Von Hypercubes zur Materialkarte für Simulationen

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


  • Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

    Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

    Cybersicherheitsforschende stehen mitunter gefühlt mit einem Bein im Gefängnis – es herrscht viel Unsicherheit darüber, was rechtlich im Rahmen von Wissenschaft erlaubt ist und was nicht.

    mehr lesen: Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

  • DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

    DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

    Das Taiwan AI Center of Excellence (AICoE) und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) haben eine Absprache zur wissenschaftlichen Zusammenarbeit geschlossen.

    mehr lesen: DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

  • Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

    Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

    Der Auftragsbestand in der Industrie ist nach vorläufigen Angaben des Statistischen Bundesamtes (Destatis) im Juli 2024 gegenüber Juni 2024 saison- und kalenderbereinigt um 1 Prozent gestiegen.

    mehr lesen: Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

  • Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

    Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

    Die Weidmüller-Gruppe gibt zum 1. Oktober 2024 Veränderungen in der ersten Führungsebene bekannt: Dr. Sebastian Durst, bisher Vorstand Operations, übernimmt die neu geschaffene Position des Chief Executive Officer (CEO).

    mehr lesen: Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

  • Sereact macht Jörg Ziesmann zum Sales Director

    Sereact macht Jörg Ziesmann zum Sales Director

    Jörg Ziesmann (Bild) ist neuer Sales Director beim KI-Robotik-Spezialisten Sereact.

    mehr lesen: Sereact macht Jörg Ziesmann zum Sales Director

  • RWTH-Lehrstuhl PEM entwickelt mit Partnern Natrium-Ionen-Batterie

    RWTH-Lehrstuhl PEM entwickelt mit Partnern Natrium-Ionen-Batterie

    Der Lehrstuhl ‚Production Engineering of E-Mobility Components‘ (PEM) der RWTH Aachen erarbeitet mit Partnern aus der Forschung und der Industrie in den nächsten drei Jahren ein nachhaltiges elektrochemisches Speicherkonzept auf…

    mehr lesen: RWTH-Lehrstuhl PEM entwickelt mit Partnern Natrium-Ionen-Batterie

  • Theobald Software stellt Führungsspitze neu auf

    Theobald Software stellt Führungsspitze neu auf

    Theobald Software, ein Spezialist für SAP-Integration, strukturiert seine Führungsspitze neu und geht damit den nächsten Schritt in der Unternehmensgeschichte.

    mehr lesen: Theobald Software stellt Führungsspitze neu auf

  • Docufy übernimmt KI-Spezialisten Theum

    Docufy übernimmt KI-Spezialisten Theum

    Docufy, ein Anbieter von Software für die Technische Dokumentation, gibt die Übernahme der Theum AG bekannt.

    mehr lesen: Docufy übernimmt KI-Spezialisten Theum

  • Wie hilft Open-Source-Software in der Automobilentwicklung?

    Wie hilft Open-Source-Software in der Automobilentwicklung?

    Unter dem Titel ‚Driving Innovation & Building Safer Cars with Open Source Software‘ liefert eine Studie der Open-Source-Organisation Eclpise Foundation Erkenntnisse darüber, wie Entscheidungsträger und Softwareexperten in der Automobilindustrie Open-Source-Software…

    mehr lesen: Wie hilft Open-Source-Software in der Automobilentwicklung?

  • Merck und Siemens schließen strategische Partnerschaft

    Merck und Siemens schließen strategische Partnerschaft

    Merck und Siemens vertiefen ihre Zusammenarbeit und kündigen an, die intelligente Fertigung auf die nächste Stufe zu heben.

    mehr lesen: Merck und Siemens schließen strategische Partnerschaft

  • Wie deutsche Unternehmen in Deutschland künstliche Intelligenz einsetzen

    Wie deutsche Unternehmen in Deutschland künstliche Intelligenz einsetzen

    Künstliche Intelligenz (KI) wird in der deutschen Wirtschaft zunehmend genutzt, jedoch hauptsächlich von großen Unternehmen. Vor allem die IT-Branche selbst sowie unternehmensnahe Dienstleister gehören zu den Vorreitern. Kleine Unternehmen zögern…

    mehr lesen: Wie deutsche Unternehmen in Deutschland künstliche Intelligenz einsetzen

  • SFKL zeigt, wo die Industrie 4.0 steht

    SFKL zeigt, wo die Industrie 4.0 steht

    Wie die Umsetzung von Industrie 4.0 aussehen kann, zeigte die SmartFactory-KL (SFKL) während des Innovationstages 2024.

    mehr lesen: SFKL zeigt, wo die Industrie 4.0 steht