Digitale Zwillinge und Apps in der Composites-Fertigung: Wie Software den Leichtbau verändert

Materialverfolgung per App: vom Rohgewebe bis zum fertigen Bauteil

Faserverbundwerkstoffe erfordern eine komplexere Rückverfolgbarkeit. Prepregs haben eine eingestellte Topfzeit von meist 20 bis 40 Tagen bei Lagertemperatur von minus 18 °C. Geraten sie außerhalb dieser Kühlkette, so vermindert sich die spätere Zugfestigkeit des Bauteils messbar. Mobiles Testequipment mit angebundenen Temperatursensoren protokolliert jede Entnahme aus dem Tiefkühllager, jede Auftauzeit und jede Stunde, die die Verarbeitung dauert.

Hersteller von Composites wie das Schweizer Unternehmen Biontec setzen solche Systeme ein, um die Chargenhistorie einzelner Bauteile lückenlos zu dokumentieren. Für den Nachweis gegenüber Auditoren, etwa im Rahmen der EN 9100 für die Luftfahrt oder der ISO 13485 für Medizinprodukte, ist eine solche digitale Dokumentation heute Standard. Ein QR-Code auf dem Bauteil verweist auf einen Datensatz, der Rohmaterial, Aushärtezyklus, Prüfergebnisse und beteiligte Mitarbeitende zusammenführt.

Digitale Zwillinge: das Bauteil als Datenmodell

Der digitale Zwilling eines Composite-Bauteils umfasst weit mehr als nur eine CAD-Datei. Er verknüpft Geometriedaten mit Simulationsergebnissen aus der Struktur- und Strömungsanalyse, mit realen Messwerten aus dem Autoklaven und später mit Betriebsdaten aus dem Feld. Laut einer Marktanalyse von MarketsandMarkets soll der weltweite Markt für digitale Zwillinge von rund 24 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 auf etwa 155 Milliarden im Jahr 2030 wachsen — bei einer jährlichen Wachstumsrate von über 30 Prozent. Für App-Entwickler ergeben sich daraus handfeste Jobs. Sie bauen Schnittstellen zwischen Simulationswerkzeugen wie Ansys oder Altair, CAM-Systemen und ERP-Software. Sie visualisieren Faserorientierungen auf Tablets, so dass die Laminierer im Produktionsbereich gleich sehen, wie die jeweilige Lage aufzubringen ist. Und sie entwickeln Auswertungslogik, die Abweichungen zwischen Simulation und realem Aushärteverlauf erkennt. Ein Temperaturgradient von wenigen Kelvin über eine große Fläche kann genügend Eigenspannungen geben, so dass die Lebensdauer des Bauteils erheblich beeinträchtigt wird.

Qualitätssicherung, Wartung und Feldrückmeldung

Nach der Auslieferung endet die Rolle der Software nicht. Faserverbundbauteile in Windkraftanlagen, Rennrädern, Prothesen oder Drohnen werden im Betrieb belastet, und ihre Zustandsdaten fließen im Idealfall zurück in den digitalen Zwilling. Sensoren auf Basis von Dehnungsmessstreifen oder faseroptischen Systemen liefern Werte, die per Mobilfunk an eine zentrale Plattform gesendet werden. Wartungstechniker rufen diese Daten vor Ort über eine App ab, gleichen sie mit Referenzwerten ab und dokumentieren Sichtprüfungen mit Foto und Zeitstempel.

Für die Entwicklung solcher Anwendungen gelten hohe Anforderungen an Datenintegrität und Nachvollziehbarkeit. Die Norm ISO 25178 definiert Kennzahlen für Oberflächenbeschaffenheit, die sich per Kamera und Bildverarbeitung direkt auf dem Smartphone erfassen lassen. Kombiniert mit maschinellem Lernen erkennen entsprechende Apps Delaminationen, Lufteinschlüsse oder Faserverwerfungen mit einer Trefferquote, die in Studien der Fraunhofer-Gesellschaft bereits bei über 90 Prozent liegt, wie die Fraunhofer IGCV, Forschungsberichte zur Composites-Prüfung feststellt.

Softwareentwicklung und Materialwissenschaft im Tandem

Wer Apps für die Composites-Industrie programmiert, braucht ein Grundverständnis für Harzsysteme, Aushärtezyklen und Prüfnormen. Umgekehrt profitieren Materialingenieure davon, wenn sie sich mit Datenmodellen, REST-Schnittstellen und den Grenzen mobiler Endgeräte auskennen. Verzeichnisse mit spezialisierten App-Entwicklern helfen Fertigungsbetrieben, Partner mit Erfahrung im industriellen Umfeld zu finden. Für die kommenden Jahre ist absehbar, dass die Grenze zwischen Softwareprojekt und Materialentwicklung weiter durchlässiger werden wird. Treibende Kräfte sind regulatorische Vorgaben, Nachhaltigkeitsziele und der Wunsch nach kürzeren Entwicklungszyklen.