Digitalisierung

Die Digitalisierung hat das Potential, viele Themenfelder von Forschung und Entwicklung auf eine neue Stufe zu heben. Dies wird auch in der Materialforschung sichtbar und das in zweierlei Hinsicht: Zum einen bilden Materialinnovationen die Grundlage für die ständig wachsende Leistungsfähigkeit von Informations- und Kommunikationstechnologien wie Prozessoren, Datenspeicher und Übertragungstechniken. Auf der anderen Seite profitiert die Materialforschung zunehmend von virtuellen Methoden der Werkstoffentwicklung wie skalenübergreifende Modellierung und Simulationen bis hin zu Digitalen Zwillingen sowie dem Einsatz künstlicher Intelligenz bei der Datenauswertung.

Digitalisierung der Materialforschung

Die Art und Weise, wie Materialien erforscht und entlang der Wertschöpfungskette verarbeitet werden, ändert sich durch den Einsatz virtueller Methoden fundamental. Wo früher für Materialoptimierungen langwierige und aufwändige Versuchsreihen erforderlich waren, lassen sich heutzutage durch skalenübergreifende Modellierung und Simulation erfolgversprechende Materialkombinationen am Rechner viel schneller und effizienter ermitteln. Durch vollständige Digitalisierung lassen sich virtuelle Abbilder, sogenannte „Digitale Zwillinge“ von Materialien und Bauteilen erzeugen, die Vorhersagen über das Verhalten nicht nur im Herstellungsprozess sondern auch über den Lebenszyklus im Produkt ermöglichen. So kann beispielsweise ein mögliches Materialversagen frühzeitig identifiziert werden, bevor tatsächliche Schäden im Bauteil auftreten, und dadurch unsere Produkte und Infrastrukturen deutlich sicherer gemacht werden. Auch Methoden künstlicher Intelligenz tragen immer mehr zu Effizienzgewinnen in der Materialforschung und -entwicklung bei, beispielsweise bei der automatisierten Daten- und Bildauswertung. Moderne Algorithmen erleichtern es wesentlich, Zusammenhänge aus Daten zu erkennen und Verfahren zu optimieren, und heben die Materialforschung so auf eine qualitativ neue Stufe. Dadurch können Entwicklungszeiträume verkürzt, Energie- und Ressourcenverbrauch optimiert sowie Kosten eingespart und damit Wettbewerbsvorteile gegenüber der globalen Konkurrenz erzielt werden.

Ziele und Maßnahmen der BMBF-Förderung

Die Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung ist darauf ausgerichtet, die Materialforschung, -entwicklung und -herstellung sowie die Verarbeitung von Materialien bis zum Bauteil und darüber hinaus mit innovativen digitalen Methoden, Konzepten und Verfahren grundlegend und nachhaltig zu unterstützen und somit letztlich die Produktentwicklung in Deutschland auf ein solideres Fundament zu stellen. Angestrebt wird die Unterstützung der Transformation der heutigen Materialforschung, hin zu einer digitalisierten Multidisziplin mit Blick auf die industrielle Anwendung. Die digitale Materialforschung komplettiert somit die digitale Prozesskette zu Industrie 4.0. Deutschland soll im Zuge dessen in Europa und weltweit zum führenden Kompetenzträger digitaler Materialforschung aufsteigen; virtuelles Materialdesign soll der neue Standard werden.

Die erste in 2019 gestartete Maßnahme zur Förderung der digitalen Materialforschung (Link zur BMBF-Bekanntmachung) ist auf eine enorme Resonanz in der Fachszene gestoßen. In den multidisziplinären akademischen Verbünden sollen digitale Methoden und Tools entwickelt werden, mit denen eine signifikante Verbesserung bestehender Materialien im Hinblick auf konkrete industrielle Anwendungen zu erwarten sind. In den kommenden Jahren sind weitere Maßnahmen geplant, um Deutschland eine Vorreiterrolle in diesem Zukunftsfeld zu sichern.

Innovationsplattform MaterialDigital

Als erster Schritt der Umsetzung wurde durch das BMBF die Gründung einer industrienahen Innovationsplattform „Material Digital“ (Link zur Innovationsplattform) initiiert. Diese Plattform dient den Partnern in BMBF-Verbundprojekten im Rahmen von Material Digital, aber auch allen anderen Akteuren im Bereich Materialforschung als Anlaufstelle, um zentrale Fragestellungen zu Standardisierung, Datenbanken, Workflows, Material-Ontologien und anderen Subthemen zu adressieren bzw. den Ergebnis- und Informationsaustausch und die Vernetzung zwischen den beteiligten Akteuren zu koordinieren. Das Kompetenzzentrum soll im weiteren Verlauf zu einer operativen Infrastruktur weiterentwickelt werden.