Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
Zur Entwicklung einer Daten-Plattform für Kupfer-Legierungswerkstoffe, die den gesamten Lebenszyklus betrachtet, hat das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) gemeinsam mit Partnern im Projekt »KupferDigital« einen wesentlichen Beitrag geliefert. Die mithilfe von Ontologien verknüpften Daten integrieren die Werkstoffcharakterisierung, die Entwicklung von Legierungen, die Leistungsbewertung und die Lebensdauer bis hin zum Recycling. Dies ermöglicht nun eine schnellere Materialentwicklung und die Analyse kompletter Produktkreisläufe, um diese sowohl nachhaltiger als auch produktiver zu gestalten.
Kupfer ist mit einem jährlichen Verbrauch von etwa 28 Millionen Tonnen einer der bedeutendsten Werkstoffe weltweit und zeichnet sich durch einfache Verarbeitbarkeit und sehr gute Leitfähigkeit gegenüber Wärme und Elektrizität aus. Aktuelle Bedarfe der Industrie umfassen sowohl die Entwicklung neuer Kupferlegierungen, um neue Einsatzmöglichkeiten zu erschließen, als auch Lösungen für eine effizientere Nutzung und bessere Möglichkeiten des Recyclings. Um hier zu unterstützen, haben sich das Fraunhofer IMWS und die Verbundpartner Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie (FEM), Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Institut für Angewandte Informatik e.V. (InfAI), das zum Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) gehörige Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF), Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und Deutsches Kupferinstitut (DKI) zusammengeschlossen und im nun abgeschlossenen Projekt »KupferDigital« eine Online-Plattform entwickelt, die wichtige Beiträge für einen digitalen Materialzwilling liefert.
Die Forschenden am Fraunhofer IMWS bearbeiteten innerhalb von »KupferDigital« das Teilvorhaben »Mikrostruktur und Eigenschaftskorrelation« und brachten ihre Kompetenzen in der Mikrostrukturdiagnostik und -analyse zur Charakterisierung verschiedener Kupferlegierungen in den digitalen Datenraum ein.
Im Fokus stand dabei die vertiefte physikalische Analytik der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der im Projekt entwickelten Legierungen und eine digitale Beschreibung der Untersuchungsprozesse mit dem Ziel, die wesentlichen Daten für einen skalenübergreifenden Workflow zur Abbildung der Ontologien im semantischen Datenraum zu liefern. Hochauflösende Methoden wie Elektronenrückstreubeugung (engl. Electron Backscatter Diffraction, EBSD), Röntgenbeugung (X-Ray Diffraction, XRD), und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), die eine Abbildung bis in den nm-Bereich erlauben, kamen zum Einsatz. Die Ergebnisse sind frei zugänglich im dafür entwickelten Datenraum abgelegt.
Das Projekt hat bedeutende Fortschritte zur digitalen Materialforschung beigetragen, wobei der Fokus auf Datenvollständigkeit, -qualität und -souveränität lag, um Bedenken bezüglich Industriespionage auszuräumen. Der entwickelte Ansatz kann auch auf andere Materialien wie Stahl oder Aluminium übertragen werden. Dipl.-Ing. Sandy Klengel, Projektleiterin am Fraunhofer IMWS, erklärt: »Das Projekt hat gezeigt, wie wichtig die digitale Repräsentation von Materialien für die moderne Materialforschung ist. Die entwickelten Ontologien und Datenstrukturen werden die Forschung und Entwicklung neuer Kupferlegierungen erheblich vorantreiben. Die Ergebnisse des Projekts können außerdem in zukünftige Forschungsarbeiten einfließen und die Entwicklung innovativer Materialien weiter unterstützen.«
Im Rahmen des Projektes erfolgte außerdem eine enge Zusammenarbeit mit der Plattform Material Digital.