Produktionssysteme

Materialsubstitution leicht gemacht

Die Verwaltung von Werkstoff-Daten stellt besondere Anforderungen an Software für das Materialdaten-Management. Erweiterte funktionale Daten der Werkstoffkennwerte müssen verarbeitet, Einheiten umgerechnet und Verbindungen verschiedener Materialdaten automatisch erkannt werden. Die Software Granta MI erfüllt diese Forderungen, zudem lassen sich die hinterlegten Daten durch die Integration in die CAx-Landschaft bis hinein in den Entwicklungsprozess nutzen. Ungeeignete Materialien können auf diese Weise schnell substituiert werden.

Detaillierte Informationen über Werkstoffe und Verarbeitungsprozesse sind für jedes Fertigungsunternehmen von essentieller Bedeutung. Die Frage ist aber, wie sich etwa Angaben zu verbotenen Substanzen oder zur Materialsubstitution auch im Produktentwicklungsprozess nutzen lassen – und damit direkt die Entscheidungsfindung erleichtern. Granta Design Ltd. hat dazu die Software Granta MI (Material Intelligence) für das Materialdaten-Management entwickelt, die inzwischen in Version 5 verfügbar ist und von vielen Unternehmen aus dem Automobil- und Maschinenbauumfeld genutzt wird. Der Anwender kann auf diese Weise nicht nur die Qualität seiner Produkte sichern und das Entwicklungsrisiko minimieren, sondern auch die hohen Kosten senken, die durch redundante Werkstoffprüfungen entstehen.

Die Entwicklung von Granta MI als umfassendes Werkstoffinformationssystem wurde aktiv durch das 2002 gegründete Material Data Management Consortium (MDMC) begleitet, zu dessen Mitgliedern inzwischen Unternehmen wie Boeing, GE-Aviation, GE-Energy, Honeywell, Lockheed-Martin, Raytheon und Rolls-Royce gehören. Um das MDMC zu gründen, schlossen sich die NASA, die ASM International (American Society of Materials) und Granta Design (ein Spin-off der Universität Cambridge) zusammen. Ziel des multinationalen Gemeinschaftsprojekts war es, Unternehmen dabei zu unterstützen, Werkstoffdaten besser zu nutzen, zu verwalten und zu verarbeiten.

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„Wir erkannten, dass viele Unternehmen der Luft- und Raumfahrt – aber auch aus dem Verteidigungs- und Energiesektor – Schwierigkeiten hatten, die große Menge an Werkstoffdaten zu verarbeiten, die von ihren Materiallabors, Forschungs- oder Qualitätssicherungs-Abteilungen kam“, erinnert sich Dr. Steven Arnold vom NASA Glenn Research Center, der Vorsitzende des MDMC-Steuerkreises. Diese Daten würden in vielen Unternehmen oft nur einmal genutzt und dann gelöscht oder abgelegt. Wichtige Informationen, die in einem Team, einer Abteilung oder einem Unternehmensbereich generiert werden, stehen damit anderen Teilen der Organisation nicht mehr unmittelbar zur Verfügung. „Viele MDMC-Mitglieder setzen deswegen inzwischen auf ein ausgereiftes Materialdaten-Management“, so Arnold weiter. Dabei sei jedoch klar, dass noch viel getan werden müsse, um das System zu verbessern und den jeweiligen Bedürfnissen anzupassen. „Auf einem Seminar des MDMC berichtete beispielsweise ein Teilnehmer von einer internen Studie, bei der festgestellt wurde, dass rund 60 Prozent der Materialdaten, deren Bestimmungskosten in die Millionen gehen, nur einmal genutzt würden und dann verloren gingen – eine Erfahrung, die von anderen Teilnehmern bestätigt wurde.“

Viele Anwendungsdaten oder Entscheidungen können also zu einem späteren Zeitpunkt nicht bis zur zugrundeliegenden Quelle oder statistischen Auswertung nachvollzogen werden. Darüber hinaus verwenden Materialspezialisten und Ingenieure immer noch viel Zeit darauf, nach Daten zu suchen. Sind keine aktuellen Daten vorhanden, werden oft ungenaue, veraltete oder inkonsistente Daten verwendet. Generische Datenbank-Technologien oder PLM-Werkzeuge sind allerdings für das Materialdaten-Management nur begrenzt nutzbar, weil sie oft nicht mit den speziellen Anforderungen von Materialkennwerten umgehen können. Dazu gehören unter anderem die Verarbeitung von erweiterten funktionalen Daten vieler Werkstoffkennwerte, die Umwandlung von Einheitensystemen und die automatische Erkennung von Verbindungen verschiedener Materialdaten. Bereits in den 90er Jahren begann deswegen die Entwicklung einer speziellen Materialdaten-Management-Software, aus der dann durch das MDMC begleitet Granta MI entstand.

„Wenn eine Organisation alle Material-Testdaten an einem zentralen Ort hinterlegt und sie der ganzen Organisation zur Verfügung stellen kann, wird die statistische Prozesslenkung und die Berücksichtigung von Trends bei Produkteigenschaften wesentlich vereinfacht“, fährt Arnold fort. „Ein weiterer enormer Vorteil für die Konstrukteure ist das sich daraus ergebende tiefe Verständnis des Werkstoffverhaltens.“

Integration in den Entwicklungsprozess

Viele Nutzer von Materialdaten sind allerdings keine Werkstoff- oder Prozessspezialisten. So benötigen beispielsweise Ingenieure aus der Konstruktion oder Simulation Kennwerte, um ihre Modelle aufzubauen, auszuwerten oder zu vergleichen. Hier sind sowohl einfache Werte wie die Dichte gefragt, um Masse und Schwerpunkt einer Konstruktion zu ermitteln, als auch komplexe, multi-dimensionale Daten wie etwa temperatur- und dehnungsabhängige Kennwerte für eine Finite-Elemente-Analyse. Da die Anwender aus ihrer CAD- oder CAE-Arbeitsumgebung auf die Werkstoffdaten zugreifen und diese direkt verwenden möchten, macht es keinen Sinn, mit dem Materialdaten-Managementsystem eine Insellösung zu schaffen, die die Werkstoffdaten in einer isolierten Datenbank vorhält. Deshalb muss eine Materialdatenbank die Möglichkeit eröffnen, die Daten in CAx-Systeme zu exportieren. Noch besser ist es, wenn sich Tools und Datenbank verbinden lassen. Denn dann lassen sich freigegebene Werkstoffe problemlos den Bauteilen im CAD- oder CAE-System zuweisen. Die entsprechend hinterlegten Kennwerte können so in der Berechnung automatisch verwendet werden.

Die Verbindung zwischen Entwicklungs- und Materialdaten kann Unternehmen auch dabei unterstützen, auf Gesetzesänderungen bei der Nutzung regulierter Substanzen (wie etwa die europäische REACH-Verordnung) besser und schneller zu reagieren. Gerade Fertigungsunternehmen stehen hier vor dem Problem, dass nicht-dokumentierte Änderungen bei ihren Zulieferern zu teuren Designänderungen aufgrund veralteter Werkstoffe und zu hohen Kosten aufgrund der Nichteinhaltung der Verordnungen führen.

Materialsubstitution frühzeitig anstoßen

Regulierte Stoffe werden über Werkstoffe in ein Produkt eingebracht – sie sind entweder Teil des Werkstoffes (beispielsweise Korrosions- und Flammschutzmittel) oder Teil des Verarbeitungsprozesses. Hier kann eine unternehmensweite Materialdatenbank mit einer Liste dieser Substanzen und deren gesetzlichen Vorschriften, verbunden mit den betroffenen Materialien, eine potenzielle Lösung darstellen. Denn damit erhält der Anwender ein einfaches Werkzeug zur Überprüfung entsprechender Verordnungen und Substanzen. Ist dann die beschriebene Integration in die CAx-Landschaft umgesetzt, kann eine Überprüfung schon in frühen Konstruktionsphasen erfolgen.

Die Entwicklung solcher Werkzeuge ist Aufgabe des EMIT-Konsortiums (Environmental Materials Information Technology). Neben einigen Mitgliedern des MDMC-Konsortiums arbeiten hier auch Firmen wie EADS Astrium, Eurocopter, Thales, Emerson Electric und das UK National Physical Laboratory (NPL) mit. „Innerhalb dieses Projektes werden Software und Informationsressourcen entwickelt, die Unternehmen unterstützen, mögliche Probleme mit gefährlichen Substanzen schon früh im Produktentwicklungsprozess zu erkennen“, erläutert Graham Sims vom NPL. „Der Vorteil dieser Herangehensweise ist, dass sich Kosten und Zeitaufwand für Änderungen auf ein Minimum reduzieren lassen.“

Wird in einem Designentwurf oder einem Produkt eine eventuell verbotene Substanz entdeckt, ist der nächste Schritt die Substitution dieses Werkstoffes durch ein alternatives Material – mit vergleichbaren Kennwerten. Weitere Gründe für eine Materialsubstitution können die Materialkosten, potenzielle Engpässe durch Störungen der Lieferkette oder generelle Materialknappheit sein. Version 5 von Granta MI enthält deswegen nun erstmals ein Substitutionsmodul für Materialien, mit dem der Anwender aus der unternehmensweiten Datenbank ein Referenzmaterial auswählen kann. Gibt er weitere Informationen zu den Randbedingungen des Materialeinsatzes ein, liefert das Modul automatisch Vorschläge für Werkstoffe mit ähnlichen oder besseren Kennwerten. Das System kann dabei sowohl auf die unternehmenseigenen Materialdaten als auch auf Referenzdaten aus externen Quellen – oder eine Mischung aus beiden – zugreifen. Die Software zeigt die signifikanten Unterschiede zwischen dem Referenzmaterial und den angebotenen Alternativen deutlich an, um das Risiko neuer Probleme mit dem Substitut zu reduzieren.

Ausblick und Zusammenfassung

Die Bedeutung des Materialdaten-Managements nimmt zu, der Anwender kann damit seine Produktivität steigern und den Entwicklungsaufwand reduzieren. Unternehmen, die diese Technologie einführen, sollten jedoch die Nutzung der Materialdaten so einfach wie möglich machen. Nur durch eine enge Verbindung zwischen Materialdatenbank und Entwicklungsprozessen lassen sich die Vorteile umfassend nutzen. Weitere Vorteile ergeben sich bei Tools zur Kostenoptimierung oder beim Öko-Design in frühen Entwicklungsphasen. Die Materialinformations-Technologie unterstützt Fertigungsunternehmen dabei, den Überblick über die Vielzahl der auf dem Markt verfügbaren Materialien zu behalten – um sich auf diese Weise Wettbewerbsvorteile zu verschaffen. -co-

Granta Design Limited, München Tel. 089/88989572, http://www.grantadesign.com

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