Materialien bewegen die Welt

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Published on
2022-11-29
Written by
Mikko Hinkkanen

Die Bedeutung des Wortes „Material“ ruft bei verschiedenen Menschen unterschiedliche Vorstellungen hervor. Für die einen sind Aussehen und Haptik am wichtigsten, für die anderen physikalische Eigenschaften wie Gewicht und Steifigkeit. Madonnas „Material Girl“ hebt die Bedeutung für die Disco-Queens und -Könige der 80er Jahre vielleicht auf eine andere Ebene.

Konstrukteure sind jedoch eine etwas andere Spezies, wenn es um die Diskussion von Materialien geht. Dieser Blog befasst sich mit aktuellen Branchenlösungen und Trends für das Materialinformationsmanagement und gibt Einblicke in Anwendungen.

Aktuelle Branchenlösungen

Die Eigenschaften von Materialien lassen sich durch eine Reihe verschiedener Parameter wie Elastizitätsmodul und magnetische Suszeptibilität beschreiben. Diese sind jedoch manchmal von anderen Variablen wie Temperatur, Magnetfeldern und Zeit abhängig. Das Verhalten von Materialien in einer Betriebsumgebung kann aus materialwissenschaftlicher Sicht recht komplex sein. Die Tatsache, dass die Simulationsmodelle numerische Modelle benötigen, um das Verhalten zu beschreiben, erhöht die Komplexität zusätzlich.

Wenn es um die Produktdokumentation der verwendeten Materialien geht, findet man in den Zeichnungen oft Vermerke wie „Ultem“, „2024-T4“, „Arne“, „Gummi, EPDM, schwarz, Sh 70“. Dieser Wert bezieht sich auf standardisierte Materialien oder Warenbezeichnungen. Einige Unternehmen verwenden stattdessen Produktdatenmodelle, um solche Materialinformationen zu speichern. In diesen werden Materialien durch Materialpositionen in ihren PLM- oder ERP-Systemen definiert und können Informationen wie Dokumentation, mögliche Normreferenzen, geforderte Eigenschaften, Verwendungszweck sowie mögliche Alternativen enthalten, die weltweit verfügbar sind. Diese zusätzlichen Informationen helfen bei der Produktionsplanung, um den Materialbedarf zu berechnen und so die Lagerbestände zu optimieren.

Die aktuelle Umweltgesetzgebung treibt die Anforderungen an Materialinformationen in neue Höhen – Chemikalienkonformität und Nachhaltigkeit haben für jedes Unternehmen der Elektronik-, Elektro- und Maschinenbauindustrie oberste Priorität. Einige Unternehmen, z. B. in den Bereichen MedTech, Druckgeräte und Energieerzeugung, haben zusätzliche Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit von Konstruktionsänderungen und Fertigungsschritten.

Aber wie sind wir hierher gekommen? Wie entscheiden wir, aus welchem Material ein Produkt hergestellt wird?

Die Suche nach dem perfekten Material

Die Optimierung der Produktleistung und -qualität konzentrierte sich in der Vergangenheit auf die Suche nach der optimalen Geometrie für die verschiedenen Lastfälle. Diese Optimierung der Konstruktion setzt voraus, dass das optimale Material gefunden wurde oder bekannt ist. Lassen Sie mich Ihre Überlegungen zur Materialauswahl hinterfragen: Wie haben Sie das optimale Material für Ihr Bauteil ausgewählt?

Anforderungen an die Umweltverträglichkeit der Produkte, die Anwendung bestimmter Produktionsmethoden, die Mindestbetriebstemperatur, die Lebensdauer und die chemische Beständigkeit sind weit verbreitet. Dennoch erfordert die Aufgabe, Materialdaten zu sammeln und zu nutzen, von jeder Organisation einige Anstrengungen und Kenntnisse.

Natürlich spielen Branchenerfahrung, Standardisierung, verfügbare Produktionsressourcen usw. eine wichtige Rolle bei der Auswahl von Werkstoffen, aber manchmal stehen Konstruktionsteams vor einer Situation, in der ein analytisches Verfahren eingesetzt werden könnte, um den optimalen Werkstoff zu finden. Bei diesem analytischen Auswahlverfahren handelt es sich im Wesentlichen um einen Screening-Prozess, bei dem alle verfügbaren Materialien mit den Konstruktionsanforderungen verglichen werden.

Einige Überlegungen sind für die Umsetzung erforderlich. Wo finde ich zuverlässige und genaue Materialdaten mit Informationen über die Einhaltung von Vorschriften für jeden meiner Märkte? Wie sollen die Daten angeordnet werden, damit sie leicht auffindbar sind? Wie lassen sich die potenziellen Kandidaten am besten visualisieren und vergleichen? Wie kann ich, nachdem ich das optimale Material gefunden habe, die nachgelagerten Anwendungen wie CAD und CAE mit den relevanten Materialdaten und Materialmodellen versorgen? Wie werden Gesetzesänderungen in den Daten aktualisiert?

 

Der analytische Auswahlprozess wird uns helfen, die bestmöglichen Kandidaten für die Designherausforderungen zu finden, und darüber hinaus wird er uns bei wirtschaftlichen Entscheidungen unterstützen.

 

Der Wert von Materialdaten

Die systematische Verwaltung von Materialdaten und ihre Wiederverwendung bei der Entwicklung neuer Produkte bietet folgende Vorteile:

Die Erkenntnisse aus der Materialauswahl und die Informationen werden den Designteams helfen, den Markt schneller und mit einem Minimum an Prototypen zu erreichen. Die Beschaffung wird sich positiv auf die Fähigkeit auswirken, ähnliche Materialien für alternative Lieferanten zu finden.

Die Simulationsteams können Materialdefinitionen wiederverwenden und einheitlich vorgehen, so dass weniger Raum für menschliche Fehler bleibt. Informationen über die Anpassung der Arruda-Boyce-Koeffizienten und die verwendeten Daten sind verfügbar. So können auch Laien fortschrittliche Materialmodelle nutzen und genaue CAE-Ergebnisse erzielen.

Bei der internen Materialentwicklung oder Qualitätskontrolle kann die Abweichung einzelner Chargen oder Lose eines Materials gespeichert werden. Die vollständige Beschreibung der Rohstoffe und der Eigenschaften der Ergebnisse kann als Trainingsdatensatz für maschinelles Lernen verwendet werden, wodurch die interne Materialentwicklung beschleunigt wird.

Wenn es Daten gibt, die kostspielige Messungen erfordern oder schwer zu beschaffen sind, werden die Materialdaten zu wertvollem geistigem Eigentum. Der Zugang zu diesen Daten könnte etwas sein, das Kontrolle bedarf. Andererseits kann das Vorhandensein von Daten Zeit und Geld sparen, da die Anzahl der Tests reduziert werden kann.

Die vollständige Rückverfolgbarkeit von Materialinformationen ermöglicht eine schnellere Analyse und Berichterstattung über die Umweltauswirkungen von Produkten und die Einhaltung von Produktvorschriften. Die Teams, die sich mit Umweltauswirkungen und Vorschriften befassen, finden es hilfreich, potenzielle Risiken zu erkennen, bevor ein Produkt auf den Markt gebracht wird, und so die Risiken für Qualität, Kosten und Markenwert zu minimieren.

Jede dieser Möglichkeiten ist von großem Wert für Unternehmen, die neue Produkte für globale Märkte entwickeln.

Materialien und der Digital Thread

Die Materialinformationen sind wertvoll und es ist wichtig, sie in der digitalen Produktbeschreibung zu speichern. Die traditionellen PLM-Systeme verfügen über eine gewisse Fähigkeit, die Materialeigenschaften zu beschreiben, aber die Situation ist ähnlich wie beim Application Lifecycle Management (ALM). Möglich, aber nicht optimal.

Daher könnten zusätzliche Anwendungen in Betracht gezogen werden, die mit PLM/CAE/CAD verbunden sind und das Materialinformationsmanagement zu einem integralen Bestandteil der Produktbeschreibung machen. Der Zugang zu den gleichen Daten und Definitionen bietet einen Wettbewerbsvorteil, der sich in einer schnelleren Markteinführung, einer höheren betrieblichen Effizienz und einer Minimierung der Compliance-Risiken niederschlägt.

Lösungen für die Materialinformationsverwaltung

Wenn der Bedarf an Materialinformationen zunimmt, kann die Einführung eines Materialinformationsmanagementsystems oder eines Laborinformationsmanagementsystems (LIMS) erwogen werden. Diese Art von Anwendungen ermöglicht die Speicherung von Materialcharakterisierungsdaten und unterstützt die interne Materialentwicklung.

Ansys Granta MI ist eine Lösung für das Materialinformationsmanagement. Die Unternehmen, die diese Software verwenden, finden es nützlich, eine einzige Quelle der Wahrheit für Materialdaten zu haben, und haben so die Garantie, dass die Materialinformationen konsistent, rückverfolgbar und geschützt sind

Ansys Granta MI kann mit PTC Windchill PLM für eine umfassende Beschreibung von Materialdaten mit vollständiger Rückverfolgbarkeit zu einzelnen Messungen und Berichten verwendet werden. Die Anbindung an CAD- und CAE-Anwendungen unterstützt die Produktentwicklung, die Auswahl geeigneter Materialien und die Wiederverwendung von geistigem Eigentum. Die Einhaltung von Vorschriften wird durch ein umfassendes Verständnis der Produktmaterialien und -komponenten beschleunigt. Dies bringt erhebliche Vorteile in Bezug auf Markteinführung, Rentabilität und Risikominderung.

Vorschlag, wie das Materialinformationsmanagement mit dem PLM-Prozess verknüpft werden kann, um einen Digital Thread für die Produktbeschreibung bereitzustellen. Die komplette Stückliste mit den mechanischen, elektrischen und elektronischen Komponenten wird mit der vollständigen Materialbeschreibung im PLM gespeichert. Dieser Ansatz unterstützt die Analyse der Produktkonformität in einem frühen Stadium der F&E-Phase.

Lösungen für die Materialauswahl

Ansys Granta Selector ist eine Desktop-Anwendung zur Materialauswahl. Sie verfügt über eine große Materialdatenbank und ermöglicht die Prüfung potenzieller Kandidaten mit minimalem Schulungsaufwand. Die Funktionen zur Visualisierung und zum Vergleich von Materialeigenschaften machen Materialdaten für jeden zugänglich. Sie verfügen über Exporte für FEA-Anwendungen und eine Integration mit Ansys Workbench.

Materialdaten für Simulationsanwender

Materialdatenanforderungen, die ausschließlich für Simulationszwecke benötigt werden, sind durch die Lizenz „Ansys Granta Material Data for Simulation“ abgedeckt. Granta MDS wurde von ANSYS Materialdatenanalytikern für Anwender entwickelt und liefert Ihnen die Daten, die Sie benötigen, in dem Format, das Sie benötigen; Speziell für die Simulation haben Sie Zugriff auf eine Datenbank mit über 2.600 simulierbaren generischen und herstellerspezifischen Materialien. Direkt eingebettet in Ihre Ansys Flagship Simulation Solvers: Ansys Mechanical, Ansys Electronics Desktop, Ansys Fluent, Ansys Discovery.

 

 

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