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


  • Vernetzte Systeme im Vorfeld testen

    Vernetzte Systeme im Vorfeld testen

    Wechselnde Umgebungsbedingungen durch Ad-hoc-Vernetzung, ständige Rekonfigurationen bedingt durch kleine Losgrößen und Softwareupdates im Feld sind Indikatoren dafür, dass das Testen von Systemen im laufenden Betrieb zunehmend an Bedeutung gewinnt. Um…

    mehr lesen: Vernetzte Systeme im Vorfeld testen

  • Unternehmen gewichten Technologie und Qualifizierung gleich

    Unternehmen gewichten Technologie und Qualifizierung gleich

    Unternehmen mit KI-Projekten sind dann am erfolgreichsten, wenn die Qualifizierung der eigenen Mitarbeiter den gleichen Stellenwert wie Investitionen in intelligente Technologien hat. Dazu gehört auch das Schaffen einer Lernkultur, die…

    mehr lesen: Unternehmen gewichten Technologie und Qualifizierung gleich

  • Wie ist der Stand der Industrie 4.0?

    Wie ist der Stand der Industrie 4.0?

    Von Februar bis April befragte der Digitalverband Bitkom Industrieunternehmen nach dem Stand der Digitalisierung. Im Vergleich zur Studie von vor zwei Jahren zeigt sich eine positive Entwicklung.

    mehr lesen: Wie ist der Stand der Industrie 4.0?

  • Weniger Ausfuhren, Entspannungstendenzen aus China

    Weniger Ausfuhren, Entspannungstendenzen aus China

    Aufgrund der Corona-Pandemie sind die Exporte der deutschen Maschinenbauer im ersten Quartal gesunken — im Vergleich zum Vorjahr um 6,6 Prozent.

    mehr lesen: Weniger Ausfuhren, Entspannungstendenzen aus China

  • Unternehmen wollen nach Corona digitaler werden

    Unternehmen wollen nach Corona digitaler werden

    63 Prozent der KMU rechnen laut einer McKinsey-Befragung mit einem Umsatzrückgang im aktuellen Quartal. Dennoch blicken 77 Prozent nach wie vor positiv in die Zukunft.

    mehr lesen: Unternehmen wollen nach Corona digitaler werden

  • SmartFactory-KL präsentiert Production Level 4 Demonstrator

    SmartFactory-KL präsentiert Production Level 4 Demonstrator

    Im Production Level 4 Demonstrator stellt die SmartFactoty-KL neue Produktionstechniken vor — ein Update der Industrie 4.0.

    mehr lesen: SmartFactory-KL präsentiert Production Level 4 Demonstrator

  • Welche Vorteile bringt Servitization für die Fertigung

    Welche Vorteile bringt Servitization für die Fertigung

    Unternehmen, die dank digitaler Technologien auf Servitization setzen, können laut einer Studie 30 Prozent mehr Umsätze im Service-Bereich erzielen, als ihre Mitbewerber.

    mehr lesen: Welche Vorteile bringt Servitization für die Fertigung

  • TeDo Verlag erwirbt agt Verlag

    TeDo Verlag erwirbt agt Verlag

    Der TeDo Verlag erweitert sein Fachmedienportfolio und hat die Medienmarken des agt Verlags aus Ludwigsburg übernommen.

    mehr lesen: TeDo Verlag erwirbt agt Verlag

  • Partnerschaft zwischen Easy Software und Rhenus

    Partnerschaft zwischen Easy Software und Rhenus

    Easy Software und Rhenus Office Systems gehen eine strategische Partnerschaft ein, um Kunden eine Rundumlösung für ihr Dokumentenmanagement zur Verfügung zu stellen.

    mehr lesen: Partnerschaft zwischen Easy Software und Rhenus

  • André Panné ist neuer Geschäftsführer der GIS

    André Panné ist neuer Geschäftsführer der GIS

    Die GIS hat einen neuen Geschäftsführer ernannt. André Panné löst Dr. Ansgar Niehof beim Spezialisten für Instandhaltungslösungen im Segment Industrie ab.

    mehr lesen: André Panné ist neuer Geschäftsführer der GIS

  • Industrielle Netzwerke schützen

    Industrielle Netzwerke schützen

    Die neuen Security-Router der Serie FL MGuard 1100 von Phoenix Contact ermöglichen einen einfachen und preiswerten Schutz von industriellen Netzen vor IT-Angriffen. Der reduzierte Funktionsumfang erlaubt es, die Geräte auch…

    mehr lesen: Industrielle Netzwerke schützen

  • Selbstlernende KI-Appliance

    Selbstlernende KI-Appliance

    Fortinet stellt FortiAI vor. Die On-Premises KI-Appliance nutzt selbstlernende tiefe neuronale Netze, um Sicherheitsanalysen durchzuführen und die Bedrohungsbeseitigung zu beschleunigen.

    mehr lesen: Selbstlernende KI-Appliance