Praktisch, quadratisch und universell anwendbar: Die Mathematik ist zu einer Technologie geworden, die ihren Nutzen in vielen Bereichen unter Beweis stellt. Davon ist auch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) überzeugt und fördert Vorhaben auf dem Gebiet «Mathematik für Innovationen in Industrie und Dienstleistung». Eingebettet ist diese Schwerpunktsetzung in die Hightech-Strategie 2020 der Bundesregierung. Die geförderten Projekte heißen beispielsweise OPAL, AniS und MUSIKO und werden gemeinsam mit mindestens einem Industriepartner und einer Hochschule bearbeitet. Die folgenden Beispiele zeigen, wie breit das Anwendungsspektrum der Mathematik ist – zerstörungsfreie Prüfmethoden mit Ultraschall gehören genauso dazu wie die hyperspektrale Bildverarbeitung oder die Optimierung von Verbundwerkstoffen oder Vlieslegungsprozessen.

Die Mikrostruktur vieler moderner Materialen, insbesondere von Leichtbauwerkstoffen, hat faserförmige oder flächige Komponenten, die zum einen die makroskopischen Materialeigenschaften maßgeblich beeinflussen, aber zum anderen mithilfe klassischer mikroskopischer Abbildungstechniken nur unzureichend charakterisiert werden können. Im Projekt AniS – Analyse niederdimensionaler Strukturen und dreidimensionaler Bilddaten – werden Methoden der konvexen Analysis, Variationsansätze und statistische Techniken für zensierte bzw. fehlende Daten mit mathematischer Bildverarbeitung verknüpft, um Probleme zu lösen, die die routinemäßige Verwendung dreidimensionaler Bilddaten in der Industrie behindern. Projektpartner sind TU Kaiserslautern, die Universitäten Heidelberg und Ulm sowie die Hochschule Darmstadt, auf Seiten der Industrie MANN+HUMMEL, Merck und BASF.

In Hypermath geht es um die Anwendung mathematischer Methoden für die hyperspektrale Bildverarbeitung. Hyperspektrale Bilder sind Bilder, in denen in jedem Pixel (oder Voxel) statt eines Grauwertes oder Farbwerten ein ganzes Spektrum an Werten enthalten ist. Zur Extraktion von interessanten Eigenschaften aus diesen Bildern werden Methoden aus der Signalverarbeitung und der Bildverarbeitung kombiniert und neue Methoden entwickelt. Kooperationspartner sind die Universitäten Bremen, Münster und Saarbrücken; auf der industriellen Seite u.a. das Süddeutsche Kunststoffzentrum KFE, die Dillinger Hüttenwerke und die Universitätskliniken Hamburg-Eppendorf und Münster.

Hauptziel des Projekts MUSIKO (MUltiskalenSImulation von Kompositen) ist es, neue numerische und messtechnische Methoden für die Multiskalensimulation und deren Validierung zu entwickeln. Die Ergebnisse dienen schlussendlich zur Modellierung und Simulation der vollständigen Prozesskette für faserverstärkte Verbundwerkstoffe. Speziell das inelastische Verhalten (z.B. bei einem Crash) von faserverstärkten Kunststoffen soll genauer und viel schneller vorhersagbar werden durch mehr Adaptivität bei den notwendigen Multiskalensimulationen und Messmethoden. Mit im MUSIKO-Boot sitzen die Firmen Bosch und LMS Deutschland.

Die effiziente Analyse hochdimensionaler Ultraschalldaten in der zerstörungsfreien Materialprüfung (ZeMat) erforscht das Fraunhofer ITWM gemeinsam mit den Universitäten Göttingen und Hamburg; assoziierter Industriepartner ist die Salzgitter-Mannesmann-Forschung GmbH in Duisburg. Diese Verbundinitiative zielt auf die Entwicklung neuer Ultraschallprüfverfahren zur Fehlerdetektion und -charakterisierung ab. Es werden neue mathematische Ansätze entwickelt, die die akquirierbaren Informationen aus den empfangenen Ultraschalldaten optimal nutzen und passende apriori Annahmen über Anzahl und mögliche Art der Defekte verwenden.

OPAL steht für Optimierung von Airlay-Prozessen, die beispielsweise bei der Herstellung moderner Leichtbauteile eine wesentliche Rolle spielen. Im Airlay-Prozess werden dazu aus einem faserbeladenen Luftstrahl hochporöse Strukturen auf einem Band generiert, die nach dem Stanzen als geformte Matten im Automobilbau, der Luftfahrtbranche und vielfältige technischen Bereichen eingesetzte werden. Ziel von OPAL ist ein neuer Airlay-Prozess, bei dem anstelle von Matten bereits aus der Ablage dem Formteil nahe kommende Konturen entstehen, was den Stanzabfall erheblich reduziert. Industriepartner sind der Vliesmaschinenbauer Autefa Solutions und die Ideal Automotive GmbH, ein Hersteller von Vliesstoffen.

Das Fraunhofer ITWM ist an insgesamt sieben Projekten beteiligt und erhält 1,5 Mio. Euro aus den Töpfen des BMBF; die Projekte laufen bis Juli 2016.

Weiterführende Links

• Originalmeldung von Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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