Assurer la mise en réseau numérique des systèmes de production et l'optimisation des exigences spécifiques aux matériaux, nous devons mesurer, analyser et reproduire les changements dans les propriétés des matériaux dans un processus dans lequel des « jumeaux numériques » de matériaux sont créés. L'espace de données sur les matériaux développé par les chercheurs de Fraunhofer a jeté les bases de ce processus.

Lorsqu'une pièce finie sort de la ligne de production, c'est l'une des premières questions toujours posées :« Ce composant a-t-il les propriétés que je souhaite ? Souvent, même les plus infimes variations dans l'environnement de production suffisent à modifier les propriétés matérielles d'une pièce et à remettre en question sa fonctionnalité. Les fabricants évitent cela en inspectant méticuleusement les échantillons tout au long du processus de production. Décomposer les échantillons en leurs pièces composites et les mesurer séparément est un processus extrêmement long. « Le résultat du processus de test des échantillons se divise en un éventail de sous-ensembles différents, chacun avec ses propres résultats de mesure spécifiques, " explique le Dr Christoph Schweizer, Responsable de l'Evaluation des Matériaux, Unité commerciale Lifetime Concepts à l'Institut Fraunhofer de mécanique des matériaux IWM à Fribourg. « Alors que les experts peuvent garder une vue d'ensemble des interrelations complexes dans leur tête, jusqu'à présent, il n'y avait aucun moyen de prendre la diversité des données résultantes et de les représenter dans un format numérique cohérent."

Un jumeau numérique pour chaque matériau

Maintenant, pour la première fois, des chercheurs du Fraunhofer IWM ont développé une preuve de concept démontrant qu'il est possible de représenter numériquement de nombreux cycles de traitement de matériaux de ce type avec un espace de données de matériaux pour les éprouvettes produites à l'aide de la fabrication additive. "Le concept d'espace de données nous permet d'intégrer tout type d'informations matérielles dans un réseau numérique - un outil vraiment précieux, notamment dans le cadre de l'Industrie 4.0, ", explique Schweizer. "Nous voulons utiliser l'espace de données sur les matériaux pour générer automatiquement un jumeau numérique de chaque matériau qui reflétera l'état actuel de l'objet physique examiné."

L'avantage de l'espace de données sur les matériaux est qu'il offre une vue d'ensemble de tous les paramètres pertinents en un coup d'œil, alors qu'auparavant, les données sur les différents paramètres des matériaux étaient dispersées dans de nombreux référentiels de données dans de nombreux formats différents. Mais la vraie promesse est plus loin. "Dans les années à venir, l'espace de données sur les matériaux a le potentiel de devenir le centre de commande de la production. Chaque fois que la qualité des composants n'est pas à la hauteur de la norme attendue, vous pouvez le comparer avec les informations sur les composants précédents stockés dans l'espace de données matériaux pour déterminer si le composant actuel peut effectivement être utilisé ou s'il doit être rejeté, " dit Schweizer. À l'avenir, ces résultats pourraient être automatiquement intégrés dans les processus décisionnels industriels :lorsque la qualité des composants descend en dessous de la norme requise, la production s'arrête automatiquement.

Un framework de matériaux basé sur une ontologie

La création de l'espace de données – et la gestion de la diversité des données de matériaux – appelle un modèle d'information correspondant. "Dans ce cas, le modèle reflète le monde matériel naturel, dans lesquels les états et propriétés des matériaux sont affectés à des catégories définies, " explique le Dr Adham Hashibon, chercheur en procédés de fabrication au Fraunhofer IWM. Les chercheurs s'appuient sur un cadre basé sur une ontologie de logique et de hiérarchie fixes. La meilleure façon d'y penser est en termes de réseau social, comme Facebook. Chaque personne sur Facebook est un nœud dans le réseau. Et à son tour, ces nœuds ont leurs propres associations, par exemple, goûts musicaux. "Ce que nous faisons, c'est créer des relations sémantiques entre les objets matériels individuels et leurs étapes de traitement associées, " dit Hashibon. Ensuite, il y a aussi des interrelations entre ces communautés. Ce qui serait une amitié sur Facebook est représenté dans l'espace de données des matériaux par des détails sur la séquence chronologique des étapes de production ou de travail, par exemple "sortir du processus de fabrication additive" ou "ce laser fait partie du processus d'impression 3D".

Le nouveau démonstrateur de composants métalliques fabriqués de manière additive (mentionné plus haut) a la capacité de générer des échantillons, caractériser les matériaux qu'ils contiennent, effectuer une analyse ultérieure des données et déterminer les propriétés des matériaux. Grâce à la logique qui sous-tend le modèle, les utilisateurs peuvent effectuer des requêtes extrêmement complexes sur l'espace de données qui ne seraient tout simplement pas possibles avec le même degré de flexibilité dans le cas d'une base de données conventionnelle. Par ses travaux pionniers sur les espaces de données numérisées, le Fraunhofer IWM apporte une contribution significative aux initiatives européennes sur la modélisation des matériaux dans le cadre du Conseil européen de modélisation des matériaux, ainsi qu'à la stratégie de numérisation du Land allemand de Bade-Wurtemberg. A moyen terme, les chercheurs ont l'intention de convertir toutes les fonctions d'administration des données utilisées par le Fraunhofer IWM au modèle d'espace de données. Ils recherchent actuellement des partenaires de collaboration et des utilisateurs pilotes pour cette application et d'autres, qui partageront ensuite la chance de façonner de nouveaux développements de matériaux innovants.