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Projektziele

Motivation

Die Digitalisierung hält Einzug in alle Anwendungsgebiete der Ingenieurwissenschaften, so auch in das weite Feld der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Eine zuverlässige Bestimmung bzw. Vorhersage der Eigenschaften von Materialien und Komponenten ist einer der Eckpfeiler moderner technologischer Innovationen. Nahezu drei Viertel aller neuen Erzeugnisse beruhen auf neuen Werkstoffen. Der Werkstoffprüfung kommt hierbei in allen Phasen der Produktentwicklung – von der Werkstoffentwicklung über die Prozessentwicklung bis hin zur Qualitäts(end)kontrolle – eine Schlüsselrolle zu, die es zukunftssicher zu gestalten gilt.

Die berufliche Praxis der Werkstoffcharakterisierung und -prüfung umfasst eine Vielzahl an eingesetzten Geräten und Methoden, deren effektive Nutzung eng mit dem impliziten Wissen (hier: im Sinne von auf persönlicher Erfahrung basiertem und intuitiv genutztem Wissen) des Werkstoffprüfers verbunden ist. Gleiches gilt für die Planung von Werkstoffprüfungen sowie die Interpretation experimenteller Befunde.  

Auf die digitale Erfassung und Exploration von Materialdaten, aber auch von Methoden zur Generierung der Daten (Hilfsmittel, Techniken, notwendige Arbeitsabläufe), deren Dokumentation bisher im manuellen Laborbuch erfolgt, müssen zukünftige Arbeitsprozesse und die zugehörigen Arbeitsumgebungen vorbereitet werden. Dies erfordert auch eine Verknüpfung mit bestehenden Materialdatenbanken sowie eine Zuordnung zu bereits digital erfassten Prozessparametern, wie sie aktuell im Sinne von Industrie 4.0 vielfach in Unternehmen bereits vorhanden sind.  

Die Werkstoffprüfung stellt mit ihrem breit gefächerten Tätigkeitsbereich (Einbindung in Erforschung und Entwicklung (F&E) neuer Produkte und Prozesse, in Kontrolle und Qualitätssicherung bestehender Fertigungsprozesse bzw. in die Untersuchung von Schadensfällen) ein ausgesprochen komplexes Anwendungsfeld dar. Besondere Herausforderungen sind u.a. die im Spannungsfeld zwischen standardisierten Qualitätskontrollen und individuellen Herangehensweisen anzupassenden Untersuchungsmethoden und die ständige Rückkopplung mit verschiedenen Interessensgruppen wie F&E, Konstruktion, Einkauf, Produktion und Kunden. Werkstoffprüfer werden in Forschungseinrichtungen ebenso eingesetzt wie in Unternehmen oder externen Prüflaboren. Der Berufsalltag des Werkstoffprüfers ist vor allem durch Aufträge geprägt, deren Anforderungen und Methoden zu Beginn keinen eindeutigen Lösungsweg vorsehen. Dieser entsteht vielmehr erst durch einen iterativen Prozess – so beruht bspw. die Präparation neuer Werkstoffe oder Komponenten für die licht-/elektronenmikroskopische Analyse auf dem Rückgriff auf implizites Wissen der einzelnen Fachkraft in Kombination mit einer Vorgehensweise nach dem „trial-and-error“-Prinzip. Modernisierungsbedarf und Entwicklungspotenzial zeigen sich für die Tätigkeit der Werkstoffprüfer besonders an folgenden Stellen: 

  • Wissen wird vielfach im Rahmen von umfangreichen handschriftlichen Aufzeichnungen und direkter/verbaler Kommunikation innerhalb der Labore weitergegeben, wodurch es teilweise verloren geht bzw. hohe Anforderungen an die Kommunikationskompetenzen der Facharbeiter und in besonderem Maße an die Laborleitung gestellt werden. 
  • Die Dokumentation in Laborbüchern erfolgt zumeist personen- (Gefahr des Informationsverlustes bei Mitarbeiter-Fluktuation) oder gerätebezogen (kaum Auftragsbezüge herstellbar). 
  • Aufgrund von papierbasierter Dokumentation oder von Medienbrüchen sind ein effizientes Suchen und die Wiederverwendung von Erfahrungen sowie die Erfahrungsweitergabe eingeschränkt. 
  • Das Fehlen einer zentralen Datenbasis, bestehend aus digitalisierten Laborbüchern, Workflows und Diskussionsprotokollen, verhindert den Abgleich mit anderen Datenrepositorien sowie den Einsatz moderner Datenanalysetechniken und bremst damit datengetriebene Innovationen. 
  • Aktuell besteht eine große Diskrepanz zwischen der zunehmenden digitalen Abbildung ganzer Prozessketten und den vergleichsweise zeitintensiven werkstofftechnischen Untersuchungen, welche derzeit nur bedingt der Forderung nach „Just-in-Time“ gerecht werden. 
  • Bisher erfordert die Sicherstellung der Validität von Messergebnissen in der Regel eine nachträgliche Kontrolle der Messbefunde (z.B. visuelle Beurteilung, ob Härteeindrücke den Anforderungen entsprechen).

Lösungsansatz

Im Forschungsprojekt DiWan wird ein digitales Experten-/Assistenzsystem entwickelt. Es besteht aus einem elektronischen Laborbuch, einer digitalen Auftragsverwaltung und einer anhand von Schlüsselbegriffen durch-suchbaren Material- und Wissensdatenbank. Dadurch sind zukünftig die erforderlichen Arbeitsschritte zur Vorbereitung einer Materialanalyse anhand von abrufbarem Erfahrungswissen deutlich effizienter und nahezu fehlerfrei plan- und durchführbar. Im Rahmen des Projekts DiWan wird der Werkstoffprüfer durch den Einsatz digitaler Medien und Methoden des maschinellen Lernens befähigt, die Arbeitsabläufe und -inhalte und den fortschreitenden Kompetenzerwerb an die Erfordernisse von Industrie 4.0 anzupassen.

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