Projektlaufzeit: 01.02.2021 – 30.06.2024
2023-09-22_Vollversammlung_SmaDi
2022-03-17_Vollversammlung_SmaDi
2023-09-22_Vollversammlung_Poster_SmaDi
2022-11-03_Vollversammlung_Poster_SmaDi
2024-09.18_Vollversammlung_Poster_SmaDi
2024-09-18_Vollversammlung_Demonstrator_Pitch_SmaDi
Werkstoffliche und damit verbundene technologische Innovationen sind eine wesentliche Triebkraft für innovative Produkte. Das gilt besonders für die sogenannten „smarten Materialien“. Diese besitzen die ausgeprägte Eigenschaft, auf externe Einflüsse (wie elektrische, magnetische und thermische Anregungen), z. B. durch Verformung, zu reagieren. Im Verbundvorhaben wurden exemplarisch die Teilklassen der smarten Materialien piezoelektrische Keramiken (PC), thermische und magnetische Formgedächtniswerkstoffe (SMA und MSMA) sowie dielektrische Elastomere (DE) betrachtet. Aufgrund des komplexen und vom Herstellungsprozess abhängigen Materialverhaltens erfordert eine zielgerichtete Entwicklung smarter Materialien jedoch eine exakte Beschreibung der Eigenschaften sowie der dafür notwendigen Herstellungsprozesse. Das Verbundvorhaben fokussierte auf eine digitale Abbildung der Materialien und ihrer Herstellungsprozesse, womit eine beschleunigte Entwicklung von Werkstoffen und Prozesstechnologien im industriellen Maßstab ermöglicht werden soll, um im internationalen Wettbewerb Vorteile erlangen und Marktchancen wahrnehmen zu können. Der ontologische Zugriff auf Materialkennwerte und Wandlercharakteristika ermöglicht Anwendern einen vereinfachten Vergleich und unterstützt deren Auswahl für ihre Applikationen. Aus informationstechnischer Perspektive erfordert dies, ontologische Artefakte zu entwickeln, mit denen der Zugriff auf materialwissenschaftliche Erkenntnisse, die in Datenstrukturen und Modelle auf unterschiedlichen Skalenebenen gespeichert sind, einheitlich und effizient zu gestalten. Um die praxisnahe Nutzbarkeit der ontologischen Artefakte zu garantieren, wurden diese auf Basis des Ontologie-basierten Datenzugriffs (engl. ontology-based data access, OBDA) entwickelt, was u. a. einen Zugriff auf heterogene Datenbanken ermöglicht. Dieses theoretisch fundierte und industriell bewährte Paradigma der Informationsgewinnung wurde im Forschungsvorhaben um mathematische Modellgleichungen für den Ontologie-basierten Daten- und Modellzugriff (OBDMA) erweitert.
Zu Beginn des Projektes wurden zunächst repräsentative Beispielanfragen erstellt, um daraus grundlegende Anforderungen an das OBDMA-System abzuleiten. Auf dieser Basis wurde ein erstes prototypisches System entwickelt, das mit industriellen Partner in Bezug auf Stärken und Schwächen diskutiert wurde. Für die Weiterentwicklung wurde das im Verbund erarbeitete Expertenwissen zu allen Materialteilklassen als Daten und mathematische Modelle mit Hilfe der Auszeichnungssprache Markdown aufbereitet, die als Schnittstelle für die Wissensübertragung zwischen Materialwissenschaft und Informatik diente. Insbesondere wurden in diesem Zusammenhang relevante Anwendungsfälle (engl. use cases) definiert. Während in der ersten Projekthälfte der Fokus auf die Entwicklung eines für alle Teilkassen der smarten Materialien gültigen OBDMA-Systems gelegt wurde, befasste sich der die zweite Projekthälfte damit, das vom Herstellungsprozess abhängige Materialverhalten zu integrieren. Für die vier Teilklassen der smarten Materialien wurden Tandems gebildet, die jeweils einen Partnerin aus den Materialwissenschaften für die Materialcharakterisierung und eine*n aus den Ingenieurwissenschaften für die Materialmodellierung bis zur Bauteilebene umfassen. Die Entwicklung aus informations-technischer Sicht wurde von der Universität zu Lübeck (UzL) vorgenommen. Über die industriellen Partner zu den Teilklassen der smarten Materialien hinaus wurde das Projekt von einem material-übergreifenden Endanwender begleitet.
Auf Basis des bestehenden OBDA-Paradigmas wurde ein sogenanntes OBDMA-System für die smarten Materialien entwickelt, das einen kombinierten Zugriff sowohl auf Materialdaten als auch auf Wandlercharakteristika über Modelle als nutzerdefinierte Funktionen (engl. user defined functions, UDFs) ermöglicht. Es stellte sich heraus, dass hierdurch die notwendige Datenbankgröße reduziert werden kann und die Datenverarbeitung gut nachvollziehbar und flexibel gestaltbar ist. Mit dem OBDMA-System wurde eine effiziente Struktur etabliert, die sich einfach ergänzen und auf andere Materialien übertragen lässt. Um eine nachhaltige, modulare und mit anderen Systemen und Plattformen kompatible Lösung zu entwickeln, wurde zur Beschreibung der erforderlichen ontologischen Artefakte, in denen das Materialwissen abgebildet wird, auf bewährte W3C-Standards und Open-Source-Software zurückgegriffen. Wesentliche Anforderungen von Seiten der industriellen Partner waren eine einfache Bedienung und die Möglichkeit der Systemvalidierung. Da die zur Anfrage genutzte Sprache SPARQL Anwendern kaum vertraut ist, wurde über den Antrag hinaus eine einfache Bedienoberfläche erstellt. Für die Systemvalidierung wurde eine Testmöglichkeit mit Hilfe der Sprache SHACL entwickelt. Dabei werden Bedingungen formuliert, die für eine Überprüfung des Systems genutzt werden. Die Projektergebnisse wurden auf verschiedenen Konferenzen präsentiert und in Journalen publiziert. Das entwickelte OBDMA-System ist über GitHub als Demonstrator frei zugänglich.
