Fraunhofer ITWM: Tätigkeitsbericht 2024-2025

Tätigkeitsbericht 2024/2025 Mathematik für Industrie und Produktion

Titelbild Die Digitalisierung in Industrie und Produktion schreitet voran – und überall steckt Mathematik dahinter. Unser Titelbild zeigt unsere Forschenden Dr.-Ing. Shiva Mohammadzadeh und Dr. Stefan Duran aus der Abteilung »Materialcharakterisierung und -prüfung«. Sie sind spezialisiert auf das zerstörungsfreie und berührungs- lose Messen mit optischen Techniken. © FOTO-by-SOUSA

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Tätigkeitsbericht 2024/2025 Mathematik für Industrie und Produktion 1

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Editorial Mathematik für Industrie und Produktion Liebe Leserinnen und Leser, »wir leben in spannenden Zeiten«, dies hört man gegenwärtig sehr oft. Bestehende politische Ordnungen sind ins Wanken geraten. Genau wie andere Gegebenheiten, die den Menschen in Deutschland sicher und unerschütterlich erschienen. Deutschland, das Land der Wissenschaft und Technik, das mit seiner Innovationskraft so viele bedeutende Entwicklungen hervorgebracht hat, muss sich ein Stück weit neu erfinden. Wir wollen mit unserer angewandten Forschung dazu einen Beitrag leisten. Mathematik als Produktionsfaktor und Innovationsverstärker Am Fraunhofer ITWM haben wir mit der Mathematik ein Werkzeug an der Hand, das für Industrie und Produktion ganz wesentlich ist. Der Einsatz mathematischer Methoden fördert Innovationen und Wettbewerbsvorteile, die für Unternehmen auf einem zunehmend globalisierten Markt ent- scheidend sein können. Wir tragen mit unserer Expertise dazu bei, Prozesse zu optimieren, die Qualität von Produkten zu erhöhen und Kosten zu senken. Wie wir das tun, das wollen wir mit diesem Bericht zeigen. Deshalb fokussieren wir uns in diesem Jahr thematisch auf das Thema »Ma- thematik für die Industrie und Produktion«. Spezieller Blick auf die Fahrzeugindustrie Dabei richten wir einen besonderen Blick auf die Automobilindustrie. Oft heißt es, Deutschland gehe es wirtschaftlich gut, solange es dieser Branche gut gehe. Sie gilt als einer der bedeutendsten Wirtschaftszweige, der erheblich zum Bruttosozialprodukt Deutschlands beiträgt. Zahlreiche Arbeitsplätze in den Produktionsstätten von Fahrzeugen, aber auch bei Zulieferern sowie in For- schung und Entwicklung, sind an diese Branche gekoppelt. Ein ganzer Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« widmet sich an unserem Institut dieser Branche, aber auch weitere Abteilungen unseres Instituts arbeiten mit und für die Fahrzeugindustrie. Wir stellen vor, was unsere Forschenden dieser Branche bieten können. Online immer aktuell informiert Natürlich arbeiten wir am Fraunhofer ITWM für viele weitere Branchen – sei es Maschinenbau, die chemische Industrie, der Bereich Energie, die Textilindustrie, der Gesundheitssektor, Mikro- elektronik, die Computerindustrie oder der Finanzsektor. Wie vielfältig Mathematik einsetzbar ist, zeigen wir ebenfalls auf den folgenden Seiten. Diese können aber nur einen Auszug unserer Projekte und Aktivitäten abbilden. Umfangreich und aktuell über unsere Forschungsarbeit informieren wir Sie auf unserer Webseite, aber auch über unsere Social-Media-Kanäle. 2

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» Wir leisten mit angewandter Forschung einen Beitrag zu Deutschlands Innovations- kraft.« Prof. Dr. Anita Schöbel, Institutsleiterin des Fraunhofer ITWM Wir stellen uns neu auf Ein kleiner Ausblick auf die Zukunft: Um auch weiterhin effektiv und zielgerichtet zu arbeiten, befassen wir uns momentan mit einer internen Strukturreform. Denn in den fast 30 Jahren unseres Bestehens sind wir massiv gewachsen, so dass wir mit Blick auf das große Ganze aktuell genau hinschauen: Wo schaffen wir Synergien zwischen bestehenden Abteilungen? Wie rücken wir die Menschen näher zusammen, die an verwandten Aufgaben arbeiten? Die Antworten auf diese Frage müssen nun in eine neue Struktur überführt werden. Wir kündigen daher bereits heute an, dass im nächsten Bericht unsere Bereiche mit neuen Namen erscheinen wer- den und sich in der nächsten Zeit auch viel auf unserer Webseite verändern wird. In dieser Publi- kation verwenden wir, da er auf das Jahr 2024 blickt, noch die zu diesem Zeitpunkt aktuellen Abteilungsnamen. Ich wünsche Ihnen eine aufschlussreiche und gewinnbringende Lektüre! Bei Fragen stehen unsere Ansprechpartnerinnen und -partner zu den einzelnen Themen Ihnen gerne zur Verfügung! Herzliche Grüße Prof. Dr. Anita Schöbel Institutsleiterin des Fraunhofer ITWM Einen umfassenden Überblick über unsere weiteren Forschungsaktivitäten für Industrie und Produktion gibt es online. www.itwm.fraunhofer.de/anwendungsfelder 3

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Inhalt Inhalt 4

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Inhalt Das Institut im Profil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Das Institut in Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Kooperationen und Spin-Offs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Ehrungen und Preise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Aus der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Nachwuchsförderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Mathematik für Industrie und Produktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 »Mathematik ist die Sprache von Naturwissenschaft und Technik« . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Branchenblick: Was wir der Fahrzeugindustrie bieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Versuchseinrichtungen für die Fahrzeugindustrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Zerstörungsfreier Blick ins Innere – Terahertz prüft Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Das Optimum rausholen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Für bessere Qualitätskontrollen – Oberflächeninspektion für Holzplatten . . . . . . . . . . . . 28 Kosten reduzieren durch vorausschauende Instandhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Mehr Effizienz, Qualität und Nachhaltigkeit für die Produktion von Batterien . . . . . . . . . 30 Textilindustrie: Simulation des Spinnprozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Gitterfreie Rechensoftware – komplexe Prozesse zeitsparend abbilden . . . . . . . . . . . . . . 34 Wir sind das Fraunhofer ITWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Abteilung »Bildverarbeitung« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Abteilung »Finanzmathematik« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Bereich »High Performance Computing« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Abteilung »Materialcharakterisierung und -prüfung« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Bereich »Optimierung« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Abteilung »Strömungs- und Materialsimulation« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Abteilung »Systemanalyse, Prognose und Regelung« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Abteilung »Transportvorgänge« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Impressum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 5

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Das Institut im Profil Das Institut im Profil Mathematik ist entscheidend für das Gestalten und Optimieren von Produkten und Prozessen. Sie bildet die Grundlage für das Erstellen digitaler Modelle und deren effizientes Umsetzen in Software. Am Fraunhofer ITWM setzen wir Mathematik als »Enabling Technology« für eine Vielzahl wirtschaftlich relevanter Technologie- felder ein. Unser Ansporn: eine Brücke zwischen der realen und der virtuellen Welt zu schlagen und die Hochschulmathematik praktisch anzuwenden. Die enge Zusammenarbeit mit dem Fachbereich »Mathematik« der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität (RPTU) Kaiserslautern-Landau ist dabei von besonderer Bedeutung. Unsere Expertise in Modellierung und Simulation findet in zahlreichen Branchen Anwendung und verschafft unseren Partnern entscheidende Wettbewerbsvorteile auf dem Markt. Durch unsere innovativen Ansätze helfen wir der Industrie und Produktion, ihre Prozesse zu optimieren und Produkte effizienter zu gestalten. Branchen – für wen arbeiten wir? Die Kompetenzen unserer Abteilungen und das breite Spektrum ihrer Anwendungsfelder finden Einsatz in zahlreichen Branchen. Verfahrenstechnik, Maschinen- und Anlagenbau Fahrzeugindustrie und Zulieferer Medizin und Medizintechnik Energie- und Rohstoffwirtschaft Technische Textilien Informationstechnologie Finanzwirtschaft 41,4 39,7 23 % 26 % 36,1 16 % 41 % 36 % 30 % 34,0 21 % 37 % 42 % 43 % 41 % 44 % 2021 2022 2023 2024 Betriebshaushalt in Millionen Euro Grundfinanzierung und Fraunhofer-interne Programme Öffentliche Hand Industrie 500 400 131 55 2 51 300 200 130 53 3 58 132 60 3 63 100 56 4 68 100 247 261 266 259 2021 2022 2023 2024 Mitarbeitende Stud. Hilfskräfte Promovierende Auszubildende Servicebereiche Wissenschaft 40 35 30 25 20 15 10 5 6

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Kuratorium Prof. Dr. Nicole Bäuerle Karlsruher Institut für Technologie KIT Prof. Dr. Peter Benner Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme Dr. Holger Beruda Procter & Gamble Service GmbH Dr. Andreas Gerhardt Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit Rheinland-Pfalz Dr. Christoph Großmann BASF SE Andreas Klüter Empolis Information Management GmbH Dr. Edeltraud Leibrock Roland Berger Holding GmbH & Co. KGaA Dr. Christoph March Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt Stefanie Nauel Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Landwirtschaft und Weinbau Rheinland-Pfalz Prof. Dr. Iris Pigeot Leibniz-Institut für Präventions- forschung und Epidemiologie Prof. Dr. Arnd Poetzsch-Heffter Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau (Vorsitzender) Prof. Dr. h.c. Gerhard Stahl Talanx AG Dr. Christof Weber Daimler AG (Stand Juli 2025) 7

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Das Institut in Zahlen Das Institut in Zahlen Industrieaufträge Regionale Firmen (näher als 150 km) Überregionale Firmen Internationale Firmen Klein- und mittelständische Unternehmen Andere 23% 39 % 33 % 28 % 77 % Lehren An 7 Universitäten und Hochschulen leisteten 18 Mitarbeitende – darunter 4 Professorinnen und Professoren – insgesamt 242 Semesterwochenstunden. 8 Forschen 16,8 Mio € Industrieaufträge, 170 industrielle Auftraggeber, 316 Industrie- projekte Qualifizieren und Publizieren 25 Dissertationen, 32 Masterarbeiten, und 168 Publikationen

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Vernetzen 2 Fraunhofer-Verbünde 14 Allianzen, Netzwerke, Forschungsbereiche Präsentieren An 220 Messen und Veranstaltungen waren wir mit eigenem Auftritt als Aussteller, mit Vorträgen und Postern oder als Anbieter von Workshops beteiligt. Rechnen Mehr als 25 000 Computer-Cores sorgen für die nötige Rechenleistung. International Das Fraunhofer ITWM beschäftigt Mitarbeitende aus der ganzen Welt: 31 aus Europa (außer Deutschland), 50 aus Asien, 5 aus Afrika, 6 Amerika, 1 aus Australien Fachrichtungen und Promotions grade Mathematik Informatik Physik Ingenieurwesen Sonstige Promoviert Habilitiert 5 % 13 % 14 % 54 % 14 % 4 % 61% 9

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Unser Netzwerk Kooperationen und Spin-Offs Vernetzung innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft Ein großes Netzwerk und kluge Köpfe sind entscheidend für den Erfolg von Projekten. Unsere spezifischen mathematischen Kompetenzen machen uns zu einem gefragten und geschätzten Kooperationspartner innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft. Wir sind Mitglied im Verbund für Informations- und Kommunikationstechnologie IUK, haben Gaststatus beim Verbund MATERIALS und sind in verschiedenen Allianzen vertreten: Automobilproduktion Aviation and Space Batterien Bau Big Data und Künstliche Intelligenz Chemie Energie Ernährungswirtschaft Verkehr Fraunhofer-Chalmers Research Centre for Industrial Mathematics Einer unserer wichtigsten internationalen Partner ist das 2001 von Fraunhofer und der Chalmers-Universität in Göteborg gegründete »Fraunhofer-Chalmers Research Centre for Industrial Mathematics«, kurz FCC. 2024 arbeiteten dort 55 Beschäftigte an Themen wie schnellen Algorithmen, Multiphysik- und Echtzeitsimulation, Roboterbahnplanung, Bio- informatik und -statistik sowie Data Mining. Anwendungsbereiche sind zum Beispiel die virtuelle Produkt- und Prozessentwicklung. Der Haushalt betrug rund 6,4 Millionen Euro. © FCC Chalmers www.fcc.chalmers.se Leistungszentrum Simulations- und Software-basierte Innovation Forschung und Wissenschaft zusammenzuführen, das ist die Mission des Leistungszentrums Simulations- und Software-basierte Innovation. Im Leistungszentrum bündeln wir mit anderen Forschungsinstituten aus Kaiserslautern unsere Expertise und bringen gemeinsam mit Koopera- tionsunternehmen aus der Wirtschaft wissenschaftliche Ergebnisse schnell in die Anwendung. www.leistungszentrum-simulation-software.de 10

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Felix-Klein-Zentrum für Mathematik Das Felix-Klein-Zentrum für Mathematik (FKZM) ist eine institutionelle Verbindung zwischen dem Fachbereich »Mathematik« der RPTU Kaiserslautern-Landau und dem Fraunhofer ITWM. Schwerpunkt ist die Nachwuchsförde- rung. Diese gestaltet sich in Form von Model- lierungswochen für Schulen oder Stipendien und einem Mentoren-Programm für Mathe- matik-Studierende aus. www.felix-klein-zentrum.de Spin-Offs Der erfolgreiche Forschungstransfer unseres Instituts zeigt sich auch in den inzwischen sieben Ausgründungen, die wir seit 2009 auf den Weg gebracht haben. Bei neuen Entwicklungen sind sie weiterhin wichtige Partner unseres Instituts. fleXstructures – spezifische Engineering- Projekte und Dienstleistungen für die Simulation flexibler Bauteile Math2Market – umfangreicher Software- service, wie zum Beispiel GeoDict®, eine innovative Simulationssoftware für digitale Materialforschung und -entwicklung Produktinformationsstelle Altersvorsorge PIA – neutrale Stelle für die Chancen- Risiko- Klassifizierung geförderter Altersvorsorge- produkte Sharp Reflections – Big-Data-Rechen- technologien für die Zukunft der Seismik ThinkParQ – schnelle und skalierbare Lösungen für alle leistungsorientierten Umgebungen wie HPC, KI und Deep Learning Wendeware AG – Software-Ökosystem für die Energiewende UNEEC Systems – Vertrieb der hocheffi- zienten Prozessortechnologie STX (Stencil- und Tensor-Beschleuniger) www.itwm.fraunhofer.de/netzwerke © BIC Kaiserslautern 11

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Highlights 2024 Ehrungen und Preise Eine kleine Auswahl besonderer Momente, die das Jahr 2024 am Fraunhofer ITWM geprägt haben: Sie sind ein Auszug unserer Forschungsaktivitäten und wollen einen Einblick in unsere vielfältige Arbeit rund um die angewandte Mathematik geben. Prof. Dr. Anita Schöbel wird Vorsit- zende der Hauptkommission Unsere Institutsleiterin Prof. Dr. Anita Schöbel ist seit Dezember 2024 Vorsitzende der Haupt- kommission (HK) der Fraunhofer-Gesellschaft. Die HK besteht aus elf Mitgliedern des Wissen- schaftlich-Technischen Rats (WTR) und nimmt die Zuständigkeiten des WTR wahr. Der WTR ist ein unternehmensinternes Beratungsorgan. Ihm gehören die Institutsleitungen und pro Institut eine vom wissenschaftlichen und technischen Personal gewählte Vertretung an. Der WTR berät den Vorstand und die übrigen Organe bei Fragen von grundsätzlicher Bedeutung. MESHFREE erhält Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2024 Der Joseph-von-Fraunhofer-Preis geht 2024 zum sechsten Mal an unser Institut: Ob im Automotive- Bereich oder in der Produktion: Simulationen und Digitale Zwillinge sind für viele Unternehmen unverzichtbar. Weil hochdynamische Prozesse mit herkömmlicher Software oft nicht zufrieden- stellend abgebildet werden können, haben unsere Forschenden aus der Abteilung »Transportvor- gänge« mit dem Tool MESHFREE eine Lösung entwickelt, die ohne starres Rechengitter arbeitet und in der Lage ist, komplexe Abläufe mit großer Zeitersparnis und damit kostengünstig zu simulieren. Mehr dazu auf Seite 34! 12 © Fraunhofer-Gesellschaft

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Platz Eins erneut verteidigt Mit 28 von insgesamt 30 Punkten belegt unser Leistungszentrum 2024 zum dritten Mal in Folge den ersten Platz im Ranking der 21 Leistungszentren der Fraunhofer-Gesellschaft. Es zeigt: die enge Zusammenarbeit zwischen universitärer und außeruniversitärer Forschung führt in Kaisers- lautern zu herausragenden Ergebnissen. Jedes Jahr bewertet eine interne Kommission der Fraunhofer-Gesellschaft bei allen Leistungszentren die Qualität und Ambition der strategischen und operativen Planungen, die tatsächlich erzielten Ergebnisse und Maßnahmen sowie ein selbstgewähltes Transferhighlight, das als herausragendes Beispiel den Impact des Leistungszen- trums verdeutlicht. Projekt »KIDAGO« gewinnt Fraunhofer-Alumni-Award 2024 Das Projekt »KIDAGO – Automatisierung von Gesundheitsabrechnungen« erhält den Fraunhofer- Alumni-Award »TECHNOLOGY4DEVELOPMENT«. Das Team, bestehend aus Forschenden der Abteilungen »Bildverarbeitung« und »Finanzmathematik«, wird mit einem Stipendium von 10.000 Euro unterstützt. Unser Forschungsteam entwickelt im Projekt ein hybrides System, das mithilfe von Künstlicher Intelligenz (KI), Bildverarbeitung und OCR (Optical Character Recogni- tion) handschriftliche medizinische Dokumente digitalisiert. Das Akronym steht für »KI-basierte Daten-Analyse für Gesundheitsabrechnungs-Optimierung in Subsahara-Afrika«. © Fraunhofer-Gesellschaft © Fraunhofer-Gesellschaft Paper zur Entwicklung von Exoskeletten Das Paper »Multibody Dynamics and Optimal Control for Optimizing Spinal Exoskeleton Design and Support« von Monika Harant aus dem Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« zählt zu den Top 10 der 2023 am häufigsten heruntergeladenen Artikel. Doktorand Jun Liu erhält Best Paper Award Für sein Paper »Prediction Error-based Model Predictive Control for Resource Allocation of 5G Ultra-reliable Low-latency Communication« hat unser Doktorand Jun Liu aus der Abteilung »Systemanalyse, Prognose und Regelung« im April des vergangenen Jahres auf der FICC- Konferenz in Berlin den Best Paper Award er- halten. 13

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Highlights 2024 Aus der Forschung Rheinland-Pfalz fördert das Projekt »eQuality« Bei der Herstellung von Produkten gilt es, selbst die kleinsten Defekte sicher und schnell zu ent- decken, am besten automatisiert. Wie dieser Prozess dank Künstlicher Intelligenz (KI) verbessert werden kann, untersuchen unsere Forschenden im Projekt »eQuality«, gefördert vom Ministe- rium für Wissenschaft und Gesundheit des Landes Rheinland-Pfalz. Im Projekt entwickeln wir eine digitale Fehlerbibliothek, die Unternehmen aus der Produktion bei der Inspektion mit KI und beim standardisierten Erfassen von Defekten unterstützt. Sie soll virtuelle Prüfplanungspro- zesse ermöglichen, anwendungsrelevante Fehler erkennen und realistische Trainingsdatensätze für die KI generieren. Auch Grenzfälle werden dabei berücksichtigt. Forschende präsentieren Webplatt- form »resiLIR« Einschneidende Ereignisse und herausfordern- de Lebensumstände stellen eine enorme Be- lastung für die psychische Gesundheit dar. Menschen mit hoher Resilienz sind besser auf Stress und Schicksalsschläge vorbereitet. Doch kann diese psychische Widerstandskraft er- lernt werden? Forschende unseres Instituts haben gemeinsam mit dem Leibniz-Institut für Resilienzforschung LIR im Projekt »APPWAG« die frei zugängliche Webanwendung »resiLIR« ent wickelt, mit der Nutzerinnen und Nutzer online ihre persönli- che Resilienz bewerten lassen und trainieren können. Das Projekt wird gefördert von der Europäischen Union aus dem Europäischen Fonds für regio- nale Entwicklung sowie durch das Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit des Landes Rheinland-Pfalz. 14

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Projektabschluss des EU-Projektes »ALMA« E-Mobilität und Leichtbau sind zwei entschei- dende Bausteine der modernen Fahrzeugent- wicklung, um die Energiewende voranzutreiben. Sie standen im EU-Projekt »ALMA – Advanced Light Materials and Processes for the Eco-Design of Electric Vehicle« im Mittelpunkt. Dabei haben neun europäische Organisationen daran gearbeitet, energieeffizientere und nachhaltigere Fahr- zeuge zu entwickeln. Unternehmen aus Forschung und Industrie optimierten die Effizienz und Reichweite von Elektrofahrzeugen, u. a. indem das Gewicht des Gesamtfahrzeugs reduziert wird. Unser ITWM-Team unterstützte mit mathematischer Simulationsexpertise. Abstecken der Quanten-Grenzen: Ergebnisse des Projekts »Angewandtes Quantencomputing« Im April 2024 endete das von der rheinland- pfälzischen Landesregierung geförderte Pro- jekt »Angewandtes Quantencomputing« (An- QuC). Beim Abschlusstreffen waren sich alle Beteiligten einig: In der Projektlaufzeit wurden bahnbrechende Algorithmen und Methoden für ein breites Anwendungsspektrum in Che- mie, Finanzmathematik, Bildverarbeitung so- wie Strömungs- und Materialsimulation entwi- ckelt. Neben neuen Algorithmen im Bereich des Quanten-Maschinellen-Lernens wurden Kodierungs- und Dekodierungstechniken verbessert und gründliche Benchmarks von Quanten- hardware und -algorithmen etabliert. Am Fraunhofer ITWM sind zudem drei Doktorarbeiten zum Thema Quantenforschung im Rahmen des Projekts abgeschlossen worden. Studie zur Aktienrente in Deutschland Gemeinsam mit dem Beratungsunternehmen teckpro untersucht Prof. Dr. Ralf Korn, Mitglied unseres Scientific Boards, den Vorschlag der Regierungskoalition zur Stabilisierung des Renten- systems. Die Studie zeigt, dass für den Erhalt des derzeitigen gesamten Leistungsniveaus der gesetzlichen Alterssicherung ein Gesamtkapital von mehreren Billionen Euro notwendig ist. © istockphoto 15

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Highlights 2024 Nachwuchsförderung Promotion mit Anwendung Der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) und dem Fraunhofer ITWM ist es gelungen, ein Graduiertenkolleg nach Kaiserslautern zu holen! Das inter- disziplinäre Programm »MIMO – Mathematics of Interdisciplinary Multiobjective Optimization« bietet Promovierenden die Möglichkeit, Mathematik und Ingenieurwissenschaften zu verbinden. Promovieren in Frankreich und Deutschland In den vergangenen 13 Jahren haben bereits sechs Doktorandinnen und Doktoranden der RPTU in Kaiserslautern und unseres Institutes im Rahmen des Deutsch-Französischen Graduiertenkolleg einen Teil ihres Promotionsstudiums in Frankreich absolviert – genauer am Centre de Morphologie Mathématique de MINES Paris (CMM). 2024 waren zwei Doktorand:innen für den Praxisteil in Frankreich zu Gast. Femtec-Exkursion: Ein Tag am Fraunhofer-Zentrum in Kaiserslautern Am 12.03.2024 besuchten 31 herausragende MINT-Studentinnen von Universitäten aus ganz Deutschland das Fraunhofer-Zentrum in Kaiserslautern. Die Stipendiatinnen des Femtec-Netzwerks, die meisten von ihnen mit internationalem Background, lernten bei einem abwechslungsreichen Programm beide Fraunhofer-Institute am Standort Kaiserslautern besser kennen. Vorbereitung auf die Endrunde: Eine Woche Mathematik-Camp Eine Woche des Lernens und Wettbewerbs erlebten 36 mathematische Talente aus Rheinland-Pfalz. Die Schülerinnen und Schüler haben am Mathematik-Camp am Fachbereich »Mathematik« der RPTU in Kaiserslautern teilgenommen. Die Abschlussfeier fand an unserem Institut statt. 16

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Landeswettbewerb Mathematik kürt 27 junge Talente 27 Schülerinnen und Schüler aus Rheinland-Pfalz haben erfolgreich am Landeswettbewerb Mathematik teilgenommen und sich gegen 72 weitere durchgesetzt. Den Abschluss des Wett- bewerbs bildete die Preisverleihung an unserem Institut. Von der klassischen in die Quanten-Welt Im Projekt »Quanten-Initiative Rheinland-Pfalz« (QUIP) veranstalteten wir im vergangenen Jahr die »QUIP International Winter School on Quantum Machine Learning«. Studierende und Nach- wuchs-Forschende aus aller Welt sowie die Industrie kamen zusammen, um die neuesten Ent- wicklungen, Herausforderungen und Anwendungen auf diesem Fachgebiet zu erörtern. Bundesfinale der Mathematik-Olympiade 2027 in Kaiserslautern Wir freuen uns: Der Beirat der bundesweiten Mathematikwettbewerbe hat entschieden, die Bundesrunde der 66. Mathematik-Olympiade an die RPTU nach Kaiserslautern zu vergeben. Die Veranstaltung findet 2027 statt, das Fraunhofer ITWM ist als Kooperationspartner dabei. »Frau N. Hofer« – 42 Wissenschaftlerinnen im Buch-Porträt Das Buch »Forscherinnen im Fokus – Wir schaffen Veränderung« zeigt außergewöhnliche Wissenschaftlerinnen und ihre persönlichen Erfolgsgeschichten mit Schwerpunkt Künstliche Intelligenz. ›Frau N. Hofer‹, so der Kurztitel, inspiriert Frauen, die Möglichkeiten in der MINT- Forschung zu entdecken und sich für angewandte Forschung zu begeistern. 17

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Mathematik für Industrie und Produktion 18 © FOTO-by-SOUSA

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Mathematik für Industrie und Produktion Unsere moderne, industrialisierte Welt, ohne Mathematik? Unvorstellbar. Denn Mathematik steckt fast überall mit drin. An unserem Institut arbeiten rund 500 Menschen, die angewandte Mathematik in die Umsetzung bringen. Sie ist ein inter- disziplinäres Feld, das mathematische Methoden und Modelle zum Lösen von Frage- stellungen zur Effizienzsteigerung, Kostenreduktion oder Qualitätsverbesserung einsetzt. Damit ist Mathematik ein wichtiger Motor für die Wirtschaft. Das Arbeiten in der Industrie hat sich in den vergangenen Jahren stark verändert. Produktions- prozesse werden digitalisiert, der Einsatz von automatisierten Maschinen und Robotern hat zu- genommen. Ein geringerer Energieverbrauch ist überall gefragt, um Kosten zu sparen, aber auch aus Nachhaltigkeitsgründen. Das beeinflusst auch die Anforderungen an die Mitarbeiten- den: Neben handwerklichem Geschick wird technisches Verständnis und ein routinierter Um- gang mit neuen Technologien vorausgesetzt. Wir am Fraunhofer ITWM entwickeln, oft gemeinsam mit Partnern aus der Industrie, maßge- schneiderte Lösungen. Diese sollen Unternehmen voranbringen, aber auch Mitarbeitenden konkrete Werkzeuge für ein besseres Arbeiten an die Hand geben. Was bietet das Fraunhofer ITWM für Industrie und Produktion? Datenanalyse und Machine Learning Mit dem Aufkommen von Big Data spielt die Daten- analyse eine zentrale Rolle. Machine-Learning-Algo- rithmen, die auf mathematischen Modellen basieren, helfen Unternehmen, Muster in großen Datensätzen zu erkennen und Analysen durchzuführen. Simulation Simulationstechniken helfen dabei, komplexe Systeme zu modellieren und deren Verhalten unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen. Dies ist besonders nützlich in der Fertigung, um Engpässe zu identifizieren, die Produk- tionsplanung effizienter zu gestalten oder Produktions- fehler zu vermeiden. Optimierung Mathematische Optimierung wird verwendet, um Ressour- cen effizient zu nutzen. Unternehmen setzen Optimie- rungsalgorithmen ein, um Produktionsprozesse zu verbes- sern, Materialkosten zu minimieren und Lieferketten zu optimieren. Aber auch in der Personaleinsatzplanung kommt die Optimierung zum Einsatz. Statistik Statistische Methoden sind entscheidend für Qualitäts- kontrolle und Prozessverbesserung. Unternehmen ver- wenden statistische Verfahren, um Daten zu analysieren, Trends zu erkennen und Entscheidungen auf Basis von Fakten zu treffen. Risiko-Analyse Mathematische Modelle werden verwendet, um Risiken zu bewerten und Strategien zur Risikominderung zu ent- wickeln. Dies ist besonders in der Finanz- und Versiche- rungsbranche von Bedeutung, findet aber auch Anwen- dung in der Produktionsplanung. 19

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Mathematik für Industrie und Produktion »Mathematik ist die Sprache von Naturwissenschaft und Technik« Was leistet die Mathematik für Industrie und Produktion? Antworten auf diese Frage wollen wir in diesem Bericht geben. Dazu haben wir mit Dr. Klaus Dreßler gesprochen, der seit vielen Jahren unseren Bereich »Mathematik für die Fahrzeug- entwicklung« leitet. Mathematik ist für viele Menschen vor allem Theorie. Wie bringt man Mathematik in die Industrie? Das ist eine Grundsatzfrage, die uns seit der Gründung unseres Instituts begleitet. Mathe- matik ist die Sprache von Naturwissenschaft und Technik. Mathematik ist bei allen techni- schen Entwicklungsprozessen essenziell – in der Produktentwicklung, die heute überwie- gend virtuell stattfindet, in der Produktabsiche- rung, der Produktionsplanung und der dazu gehörigen Qualitätssicherung. Wie sieht das in der Praxis aus, an welchen Themenfeldern arbeitet Ihr Bereich? Wir ermöglichen die simulationsgestützte, virtuelle Entwicklung von Fahrzeugen, Syste- men und Anlagen. Schwerpunkte bei den Fahr zeugen sind die Reifen, Kabelsätze und die Nutzungsvariabilität der Fahrzeuge. Ein Forschungsfeld sind beispielsweise unsere digitalen Menschmodelle: Die Körpergröße von Menschen variiert, aber ein Fahrzeug muss von möglichst vielen problemlos und sicher genutzt werden können. Außerdem unterstützen wir die Entwicklung qualitäts- sichernder Inspektionslösungen. Statistik ist ein Feld, unter dem sich viele etwas vorstellen können. Wie kommt beispielsweise Statistik zum Einsatz in der Fahrzeugindustrie? Statistik ist besonders bedeutend am Anfang und am Ende der Entwicklungs- und Absiche- rungsprozesse. Am Anfang, wenn ein Fahrzeug entwickelt wird, muss modelliert und quantifi- ziert werden, was ein Fahrzeug in seinem Fahr- zeugleben alles mitmacht – was kommt zum Beispiel im Laufe von 300 000 Kilometern wie häufig vor? Dabei ist die Nutzungsart, also fährt eine Pendlerin oder ein Paketdienstfahrer, sowie die Geografie variabel. Das ist Statistik! Und daraus leiten sich alle Bemessungsgrundlagen für das Fahrzeug ab. Am Ende des Entwicklungs- prozesses sichert man die Fahrzeuge und ihre Komponenten. Dafür werden Test- und Validie- rungsszenarien entworfen und durchlaufen, die sicherstellen, dass ein Fahrzeug den Anforde- rungen genügt. Auch das ist Statistik. Kann Mathematik Fehler in der Produktion verhindern? Sie kann wesentlich dazu beitragen, dass in der Produktion möglichst wenig Fehler passieren. Beispielsweise indem wir Montagevorgänge mittels digitaler Menschmodelle simulieren und danach optimieren. Mathematik kann durch sogenannte »Condition Monitoring«-Prozesse dazu beitragen, dass man geringste Abweichun- gen in der Prozessführung frühzeitig erkennt und korrigiert, bevor diese Prozessabweichungen zu Produktionsfehlern führen. Die Mathematik im »Condition Monitoring« nennt man heute oft Künstliche Intelligenz (KI). Bildverarbeitungs- gestützte Inspektionslösungen, auch mit mathe- matischen KI-Algorithmen, dienen dazu, Fehler zu detektieren und Folgefehler zu vermeiden. »Mathematik kann Fehler in der Produktion verhindern.« 20

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» Es reicht heute nicht mehr, mathematisch gut ausgebildete Ingenieurinnen und Ingenieure zu haben, es kommt auf eine gute interdisziplinäre Zusammen- arbeit an.« Dr. Klaus Dreßler, Bereichsleiter »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« Gibt es Trends oder Entwicklungen in der mathematischen Anwendung, die Sie spannend finden? Kontakt Dr. Klaus Dreßler Bereichsleiter »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« Telefon +49 631 31600-4466 klaus.dressler@itwm.fraunhofer.de Durch die seit langem stark steigende Verfügbar- keit von Daten ergeben sich immer mehr Mög- lichkeiten für die datenbasierte Modellierung – Machine Learning, KI, Predictive Maintenance – in allen technischen Bereichen. Um aber etwas vorhersagen und entscheiden zu können, muss man aber nach wie vor die Physik verstehen. Dadurch entstehen ständig neue Chancen, aber auch Herausforderungen an die sogenannte hybride mathematische Modellierung. So bleibt es auch weiterhin spannend für uns. 21 Wie wichtig ist die mathematische Ausbildung in den Ingenieurswissen- schaften für die Industrie? Sehr wichtig! Wie schon gesagt, Mathematik ist die Sprache der Technik. Es reicht aber heu- te nicht mehr, mathematisch gut ausgebildete Ingenieurinnen und Ingenieure in der Industrie zu haben, es kommt auf eine gute interdiszip- linäre Zusammenarbeit mit Menschen an, die einen mathematischen oder informationswis- senschaftlichen Hintergrund haben. Was müssen Mathematikerinnen und Mathematiker mitbringen, wenn Sie an unser Institut kommen? Sie müssen sehr gut in ihrem Fach sein. In unserem Bereich setzen wir auch ein Interesse an Physik und Technik voraus. Und sie müssen offen sein für das interdisziplinäre Arbeiten. Insbesondere müssen sie darauf eingestellt zu sein, Problemstellungen aus der »echten Welt« zu bearbeiten. Hier sehen wir oft, dass im universitären Bereich anders gearbeitet wird. In der Industrie sind die Probleme nicht immer »methodisch sauber« zu fassen. Mit Mathe- matik können wir Strukturen formal abbilden. Da haben wir bei uns Menschen mit mathe- matischem Wissen und Können vor Ort, mit denen wir insbesondere dadurch einen Mehr- wert generieren, wie ein Problem verstanden wird. Ein Ingenieursinstitut würde nicht so tief in die Analyse gehen, wie wir es hier tun. www.itwm.fraunhofer.de/mf

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Mathematik für Industrie und Produktion Branchenblick: Was wir der Fahrzeugindustrie bieten © freepik Digitale Umgebungsdaten Wie muss ein Fahrzeug konstruiert sein, damit es in verschiedenster Weise an unterschiedli- chen Orten eingesetzt werden kann? Wie werden bestimmte Fahrzeugteile belastet? Wie wirken sich Umgebungsbedingungen auf Assistenzsysteme aus? Tests, die Antworten auf Fragen wie diese geben, werden heute überwiegend virtuell durchgeführt. Die Simula tion ermöglicht es, einen Test beliebig oft mit verschiedenen Parametern zu wieder- holen. Digitale Umgebungsdaten, die Auf- schluss über die Bedingungen geben, unter denen ein Fahrzeug genutzt wird, spielen bei Simulationen eine große Rolle: Bergige oder eher flache Landschaften, Stadtverkehr oder weitläufige Strecken – sie müssen alle bei der Planung und der statistischen Auswertung von Tests berücksichtigt werden. Am Fraunhofer ITWM können wir auf unterschiedliche digitale Umgebungsdaten zurückgreifen und so Bau- maschinen, Nutzfahrzeuge oder Lastkraftwagen auf ihre Betriebsfestigkeit überprüfen. www.itwm.fraunhofer.de/umgebungsdaten Lastdaten und Betriebsfestigkeit Bei Fragen rund um Zuverlässigkeit und Be- triebsfestigkeit werden die Eigenschaften der Systeme und Bauteile sowie die Lastdaten be- nötigt. Um eine kundenspezifische Auslegung zu ermöglichen, ermitteln unsere Forschenden die im Feld auftretenden Beanspruchungen und deren Varianz. Dies erfolgt durch eine ge- eignete Mischung aus direkter Lastmessung und Simulation in ausgewählten Zuständen, allgemeiner Beobachtung des Kundenverhal- tens und statistischer Hochrechnung von Teil- daten. Das bieten wir an: Daten erheben, simulieren und auswerten Betriebsfestigkeit mit statistischen Methoden ermitteln Datensimulation und Belastungstests www.itwm.fraunhofer.de/lastdaten Dynamik und Systemsimulation In der System- und Fahrzeugentwicklung ist es entscheidend, die physikalischen Systemeigen- schaften frühzeitig und in verschiedenen Pha- sen des Entwicklungsprozesses rechnerisch zu simulieren, um Konstruktionsstände zu bewer- ten, zu verbessern und abzusichern. Immer wichtiger wird die Möglichkeit der hybriden und interaktiven Simulation, um elektronische Steuergeräte und den Fahrer realistisch in die Berechnung einzubeziehen. Daran arbeiten wir: Weiterentwicklung und Anwendung von Methoden in der Systemsimulation mechatronischer Systeme Verkehrssimulation 22

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Regelung und optimale Steuerung techni- scher Systeme Datenbasierte Mathematik, insbesondere Datenanalyse und Maschinelles Lernen Simulation gekoppelter physikalischer Systeme (Co-Simulation) Wir beschäftigen uns dabei insbesondere mit echtzeitfähigen Verfahren, aber auch mit Methoden, die im Rahmen einer virtuellen Messkampagne das Fahrzeugverhalten in be- liebigen Regionen oder Märkten der Welt simulieren (VMC® Simulation). www.itwm.fraunhofer.de/dynamik-system-simulation Menschmodelle und Mensch-Maschine-Interaktion Zahlreiche High-End-Produkte werden nach wie vor – und absehbar auch in naher Zukunft – von Menschen gefertigt. Überall da, wo Ge- schicklichkeit, Intelligenz und Erfahrung für eine hohe Produktqualität unverzichtbar sind, sind Menschen im Einsatz. Die Digitalisierung des Produktentstehungs- prozesses erfordert Simulationswerkzeuge. Diese sollten menschliche Arbeitstätigkeit so gut abbilden, dass man damit den Einfluss des »Faktors Mensch« auf die Produktqualität ab- bilden und die Produktqualität sichern kann. Die ergonomische Gestaltung von Arbeits- plätzen ist gleichermaßen wichtig, unterstützt Arbeitskräfte bei der Erhaltung ihrer Gesund- heit und kommt letztlich ebenfalls einer ho- hen Produktqualität zugute. www.itwm.fraunhofer.de/Menschmodelle Kabel, Schläuche und flexible Strukturen Die virtuelle Montageplanung erfordert eine schnelle und physikalisch korrekte Beschrei- bung des Verhaltens von Kabeln und Schläu- chen, wie sie beispielsweise im Motorraum eines Fahrzeugs verlegt oder als Schlauchpa- kete (»dress packs«) an Industrierobotern montiert sind. Für die Montagesimulation mit IPS Cable Simulation haben wir spezielle nichtlineare Strukturmodelle entwickelt. Mit ihnen berechnen wir die Verformung von Kabeln und Schläuchen realitätsnah und interaktiv. Für den praktischen Einsatz der IPS- Software ist die Bedatung der Simulationsmo- delle wichtig. Die von uns entwickelte Mess- maschine MeSOMICS® bietet hierfür die optimale Lösung. www.itwm.fraunhofer.de/kabel-schlaeuche Reifenmodelle CDTire Reifen zu simulieren ist herausfordernd, denn sie verhalten sich komplex und nicht linear. CDTire unterstützt als Bestandteil moderner MKS-Programme Entwicklungsingenieurinnen und -ingenieure in fast allen Analyseszenarien. Besonderes Augenmerk auf die Gürteldynamik und Interaktion mit 3D-Fahrbahnoberflächen erlaubt eine gute Vorhersagegenauigkeit – sowohl der transienten Amplituden als auch im Frequenzbereich. CDTire bietet als Software- tool eine Familie von Reifenmodellen mit unterschiedlicher Modellierung von Gürtel, Seitenwand und Lauffläche, um für verschie- dene Anwendungen eine optimale Mischung aus Genauigkeit und rechnerischem Aufwand anzubieten. www.itwm.fraunhofer.de/cdtire 23

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Mathematik für Industrie und Produktion Versuchseinrichtungen für die Fahrzeugindustrie Das Technikum des Fraunhofer ITWM beheimatet technische Versuchseinrichtungen, die zur Bedatung unserer Simulationsmodelle ausgelegt sind. Außerdem entwickeln unsere Forschenden dort Mess- und Simulationstechniken, die in der Fahrzeugindus- trie eingesetzt werden. Für die interaktive Fahrsimulation stehen im Technikum drei Labore zur Verfügung: Die größte Anlage ist der roboterbasierte Fahrsimulator RODOS®, in dem Serien-Fahrzeugkabinen durch einen Roboterarm bewegt werden, um eine realistische Bewegungsrückmeldung mit der Haptik des realen Fahrzeugs zu kombinieren. Zudem gibt es einen statischen Fahrsimulator für die inter- aktive Simulation von PKW. Vulnerable Verkehrsteilnehmer wie Fußgänger können im speziell ausgestatteten Virtual Reality-Labor in die Simulation integriert werden. Eine Verschaltung der drei Labore ermöglicht die Untersuchung menschlicher Interaktionen in hochkomplexen Ver- kehrssituationen. Die MeSOMICS®-Messmaschine wird im Technikum gefertigt und weiterentwickelt. MeSOMICS® ist ein automatisiertes System zur Bestimmung von Parametersätzen für Kabel und Schläuche, die in der Software IPS Cale Simulation direkt verwendet werden können. Die Messung der effektiven Kabelsteifigkeiten ist dank optischer Überwachung äußerst robust und liefert inner- halb weniger Minuten automatisiert Ergebnisse. Mit unserem 3D-Messfahrzeug REDAR können wir Umgebungsdaten mittels Kameras und Laserscanner erfassen. Die hochgenauen, realistischen virtuellen Umgebungen, die wir durch Sensorfusion daraus erzeugen können, werden in der Industrie zur virtuellen Absicherung von Fahrassistenzsystemen oder der interaktiven Fahrsimulation genutzt. Aktuell wird das Technikum um ein Reifenlabor zur Untersuchung von Reifenemission erweitert. Die dort verorteten Prüfstände ermöglichen künftig die Bedatung und Validierung von Simulations- modellen zur Reifenemission hinsichtlich Abrieb, Lärm und Luftverschmutzung – und damit optimale Voraussetzung für ein zukunftsträchtiges Forschungsthema. www.itwm.fraunhofer.de/technikum 24

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Zerstörungsfreier Blick ins Innere – Terahertz prüft Halbleiter Halbleiter sind das Herzstück moderner Technologien – ob im Smartphone, im Auto, in Solaranlagen oder Hochleistungscomputern. Damit sie zuverlässig funktionieren, müssen sie schon während der Produktion genau geprüft werden – idealerweise schnell und ohne sie dabei zu berühren. Im Projekt »THz-SEMICON« (Terahertz- Semiconductor Inspection) entwickeln wir gemeinsam mit unseren Partnern ein zerstörungsfreies Prüfsystem für die Halbleiterindustrie. »Mithilfe unserer Terahertz-Zeitbereichsspektros- kopie (THz-TDS) können wir dünne Schichten von Halbleitermaterialien hochpräzise und in kürzester Zeit vermessen,« erklärt Joshua Hennig aus der Abteilung »Materialcharakterisierung und -prüfung«. Dabei sendet die Technologie ultrakurze Impulse durch die feinen Schichten. Die reflektierten Signale liefern detaillierte In- formationen über den inneren Aufbau – ganz ohne Berührung. Größere Wafer, immer dünnere Schichten, neues Material So lassen sich selbst hauchdünne Schichten aus modernen Materialien wie Siliziumcarbid oder Galliumnitrid zuverlässig auf Schichtdicke, elektrischen Widerstand oder Ladungsträger- dichte prüfen. Ein großer Vorteil für die Halb- leiterbranche, die unter hohem Kostendruck steht und gleichzeitig immer leistungsfähigere und komplexere Bauelemente entwickelt. Während klassische Messmethoden direkten Kontakt zur Probe erfordern – mit dem Risiko von Beschädigungen oder Verunreinigungen – arbeitet die Terahertz-Technologie vollkom- men berührungslos und erhöht zudem auch die Messgeschwindigkeit: Selbst große Halb- leiterwafer mit Durchmessern bis zu 450 Milli- metern werden so innerhalb weniger Minuten vollständig geprüft. Das Projekt »THz-SEMICON« wird im Förder- programms »Zentrales Innovationsprogramm Kontakt © freepik Mittelstand« (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Produktion im Takt halten Das Projektziel: ein voll integriertes Prüfsystem, das kleinste Abweichungen und Defekte erkennt, ohne die Produktionslinie auszubremsen. So trägt »THz-SEMICON« zukünftig dazu bei, dass unsere Smartphones, Solarmodule oder Com- puterchips noch zuverlässiger, leistungsfähiger und im besten Falle nachhaltiger werden. Dipl.-Phys. Joshua Hennig Abteilung »Material charakterisierung und -prüfung« Telefon +49 631 31600-4168 joshua.hennig@itwm.fraunhofer.de www.itwm.fraunhofer.de/semicon © istockphoto 25

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Mathematik für Industrie und Produktion Das Optimum rausholen Ein Teilgebiet der angewandten Mathematik ist die mathematische Optimierung. Nach ihr ist bei uns ein ganzer Bereich benannt. Seine Expertise: Das Lösen von Optimierungsproblemen, wie sie sich in der Industrie, insbesondere der Produktion, stellen. Ob chemische Industrie, Maschinenbau, Energiewirtschaft, Gesundheitswesen, Produktionsplanung, Machine Learning oder Supply-Chain-Management – Optimie- rungsbedarf gibt es überall. Ein Einblick in einige aktuelle Projekte. Produktionsnetzwerke über Abteilungs- und Unternehmensgrenzen hinweg Die Abteilung »Optimierung – Operations Research« entwickelt Lösungen für komplexe Planungs- aufgaben in Produktion, Logistik und für dienstleistende Unternehmen. Diese sorgen dafür, dass Ressourcen effizient eingesetzt und Abläufe verbessert werden. Produktionsprozesse erstrecken sich oft über verschiedene Abteilungen und Standorte hinweg oder schließen sogar andere Unternehmen ein. Damit in solchen Fällen alles reibungslos läuft, entwickeln die Forschenden Software-Lösungen, die komplexe Produktionsnetzwerke koordinieren. Ein Beispiel für den Einsatz von Produktionsnetzwerken ist die Pharmaindustrie: Arzneimittel- hersteller vergeben Teile ihrer Produktion an spezialisierte Unternehmen (Contract Management Organizations, CMO). Durch eine gute Planung werden Produktionsmengen, Produktausprä- gungen und das Zeitmanagement der zusammenarbeitenden Unternehmen koordiniert. »Wenn es um die zuverlässige Versorgung mit lebenswichtigen Medikamenten geht, sollte man nichts dem Zufall überlassen«, sagt Dr. Heiner Ackermann. »Unsere Software-Lösungen sind optimal auf die Bedürfnisse des jeweiligen Auftraggebers zugeschnitten. Mit Mathematik zur gerechteren Personalplanung Wer die Dienstplanung in einem Krankenhaus verantwortet, der sorgt dafür, dass Kranke jeder- zeit durch medizinisches Fachpersonal versorgt werden. Auch an Wochenenden und Feiertagen. »Diese Dienste sind oft weniger beliebt als andere, aber sie müssen besetzt werden«, so Ackermann. Für die Einsatzplanung des ärztlichen Personals der Klinik für Anästhesiologie der Universitätsklinik Heidelberg entwickelt ein Team daher eine maßgeschneiderte Software-Lösung auf der Grund- lage mathematischer Modelle und Optimierungsalgorithmen. »Der Anspruch ist es, die individuellen Wünsche der Mitarbeitenden in der Dienstplanung zu be- rücksichtigen und eine Plattform zu schaffen, die die bislang händische Planung automatisiert und dabei für eine rollierende Fairness sorgt«, erklärt Ackermann. Bislang nimmt dieser Prozess viel Zeit hochqualifizierten Personals in Anspruch. Ziel ist es, den manuellen Planungsaufwand deutlich zu reduzieren. »Das ist ein spannender Einsatz von Mathematik, die hier für mehr Ge- rechtigkeit sorgen kann, weil die Planung datenbasiert durchgeführt wird. Wichtig ist aber auch: Sie ersetzt nicht den Dialog zwischen den Menschen, die miteinander arbeiten und sich letztlich einig sein müssen.« www.itwm.fraunhofer.de/produktionsplanung Kontakt Dr. Heiner Ackermann Abteilungsleiter »Optimierung – Operations Research« Telefon +49 631 31600-4517 heiner.ackermann@itwm.fraunhofer.de 26

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Die Expertise unserer For- schenden ist in zahlreichen Projekten der chemischen In- © Fraunhofer-Gesellschaft dustrie und der Pharmazeutik gefragt. Mathematische Methode erstmals auf Chemie übertragen Sei es das Design einer technischen Anlage oder die Frage nach einer optimalen Steuerungsstra- tegie eines bestimmten Arbeitsschritts, fast niemals sind solche Fragen isoliert zu beantworten. Sie müssen im Kontext vieler verschränkter Prozesse und Abläufe betrachtet werden. In der Ver- fahrens- und Prozesstechnik liegt der Fokus an unserem Institut in der Abteilung »Optimierung – Technische Prozesse« besonders in den Branchen und Anwendungsfeldern der Chemie, Pharmazie und Biotechnologie. Ein aktuelles Kooperationsprojekt mit der BASF SE widmet sich der Optimierung von Gesamtver- fahren in der chemischen Industrie. »Eine zentrale Frage, die uns immer wieder beschäftigt: Wie berücksichtigt man Unsicherheiten beim Prozessdesign und in der Betriebsführung?«, sagt Prof. Dr. Michael Bortz. »Die Methoden zu einer solchen Einschätzung sind in der Mathematik bekannt: Man unterscheidet zwischen »Here-and-Now«- und »Wait-and-See«-Variablen, die Entschei- dungen zur Prozessgestaltung oder auch zum tatsächlichen Betrieb beschreiben.« Hinzu kommt, dass es typischerweise konkurrierende Ziele in nahezu jedem Prozess gibt – wie etwa Wirtschaft- lichkeit, Nachhaltigkeit oder Qualität. Dies führt dies zu mehrkriteriellen, zweistufigen Optimie- rungsproblemen. Erstmals wenden unsere Forschenden in dem Projekt diese mathematischen Konzepte für die Chemie an: Gemeinsam mit der BASF SE wurden die Methoden für deren Fließbildsimulator Che- masim verfügbar gemacht, um auf Unsicherheiten im Betriebsablauf besser reagieren zu können. Optimierung von Gesamtverfahren in der chemischen Industrie In einem weiteren Projekt geht es nicht um die konkrete Betriebsführung, hier setzen unsere Forschenden früher an und unterstützen bei der Entscheidung: Welche Apparate und Anlagen werden zur Trennung von Stoffgemischen benötigt? Ausgangspunkt der Überlegungen sind hier bestimmte Eigenschaften eines Stoffgemischs, die genutzt werden sollen. Die Mathematik liegt in der Beschreibung der Stoffeigenschaften: »Das ist mindestens so viel Physik und Mathematik wie Chemie«, sagt Bortz. Um aus einem Stoffgemisch bestimmte Stoffe zu extrahieren, müssen unterschiedliche Siedepunkte berücksichtigt werden. »Wir erstellen eine Software, die Ingeni- eur:innen im Design komplexer Trennprozesse unterstützt. Dazu wird vorher die Topologie des Phasendiagramms erfasst und darauf basierend Apparateverschaltungen vorgeschlagen.« www.itwm.fraunhofer.de/verfahrenstechnik-chemie Kontakt Prof. Dr. Michael Bortz Abteilungsleiter »Optimierung – Technische Prozesse« Telefon +49 631 31600-4432 michael.bortz@itwm.fraunhofer.de 27

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Mathematik für Industrie und Produktion Für bessere Qualitätskontrollen – Ober- flächeninspektion für Holzplatten Bei den meisten Industrieprodukten spielt die Qualität der Oberflächen eine ent- scheidende Rolle: In der Abteilung »Bildverarbeitung« werden neue Methoden entwickelt, um das Erkennen von Fehlern auf Oberflächen in der Produktion zu automatisieren. ??? Ein benutzungsdefiniertes Tool ermöglicht die detaillierte Dar- stellung von Auffälligkeiten. Kontakt Dr. Henrike Stephani Stellvertretende Abteilungsleiterin »Bildverarbeitung« Telefon +49 631 31600-4365 henrike.stephani@itwm.fraunhofer.de Ein Anwendungsbeispiel aus der Forschungs- praxis ist das Inline-Inspektionssystem für Re- galplatten. Es soll in der Produktion von Holz- platten zukünftig die manuelle Inspektion ersetzen. Dabei nutzen unsere Forschenden verschiedene Bildaufnahme- und Bildverarbei- tungstechniken. So stellen sie eine hohe Er- kennungsrate von Defekten sicher und werden gleichzeitig den gestiegenen Produktionsan- forderungen und Forderungen an Nachvollzieh- barkeit von Qualitätsentscheidungen gerecht. »Unsere Technologie ermöglicht es, Oberflächen in Echtzeit zu analysieren und sofortige Rück- meldungen an die Produktion zu geben«, erklärt Ansprechpartnerin Dr. Henrike Stephani. »Dies reduziert nicht nur Ausschuss, sondern spart auch Zeit und Kosten für die Hersteller. Damit erhöht sich auch die Wettbewerbsfähigkeit.« Maschinelles Lernen kommt zum Einsatz Die Forschenden nutzen hybride Methoden, die klassische Bildverarbeitung mit Künstlicher Intelligenz (KI) kombinieren und ermöglichen durch diese Kombination einen stabilen indus- triellen Einsatz von aktuellen KI-Methoden. So können selbst kleinste Unregelmäßigkeiten si- cher erkannt werden, die für das menschliche Auge kaum sichtbar sind. »Wir setzen auf eine KI-gestützte Analyse, die sich kontinuierlich weiterentwickelt und an die spezifischen Anfor- derungen der Kunden anpasst«, so Stephani weiter. Dies stellt sicher, dass die Holzplatten nicht nur ästhetisch ansprechend, sondern auch funktional einwandfrei sind. Einblick in den umfangreichen Fehler- katalog Im Falle der Regalplatten bestehen die Produkt- varianten aus einfarbigen Paneelen sowie Holz- dekor. Die Platten haben unterschiedliche Größen. Der Fehlerkatalog umfasst zahlreiche typische Fehler, zu diesen gehören Kratzer, Löcher, Verfärbungen, Leimüberschüsse oder Linien. Insbesondere für die holzartigen Deko- re mit unregelmäßigen Mustern ihrer Ober- flächen bietet es sich an, mit einem Deep- Learning-Algorithmus zu arbeiten. Das am Fraunhofer ITWM entwickelte System erreicht hohe Präzisionswerte für verschiedene Defekt- kategorien. www.itwm.fraunhofer.de/holzplatten-ki 28

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Kosten reduzieren durch vorausschauende Instandhaltung Außerplanmäßige Reparaturen sind dreimal so teuer und aufwändig wie geplante Instandhaltungsmaßnahmen. Maschinenausfälle verursachen vermeidbare Opportu- nitätskosten sowie unnötigen Ausschuss. Eine vorausschauende Instandhaltungspla- nung (Predictive Maintenance) vermeidet diese Probleme. Am Fraunhofer ITWM gibt es durch zahlreiche bereits umgesetzte Systeme eine hohe Exper- tise, um Produktionslinien in der Instandhal- tung und Qualitätsüberwachung effizienter und kostenoptimal zu betreiben. Auf die Ma- schine angepasste Lösungen helfen zahlrei- chen Unternehmen dabei, die Möglichkeiten der Digitalisierung für sich zu nutzen und sie in die industrielle Praxis zu überführen. ERKENNEN von Fehlern und Analyse der Qualität WA R U M W ANN DIAGNOSE der Fehlerursache mit modernen KI-Methoden PROGNOSE der nächsten bedarfs- orientierten Wartung mittels KI O B BEWERTUNG der Gesamtkosten mit Markt- und Kostenmodellen W A S ERFASSEN von Daten (z. B. Bilddaten, mech. Daten, Terahertz) Das leistet »Predictive Maintenance« Die Module umfassen ausleihbare Messsyste- Produktionsausfall und Ausschuss durch un- geplante Stillstände vermeiden Nötige Ausfallzeiten rechtzeitig zu produk- tionsfreien Zeiten planen Ersatzteile, Werkzeuge und Experten zur schnellen Instandsetzung parat haben Geringere manuelle Aufwände durch digita- lisierte Inspektionen Effektivere und zuverlässigere Anlagen »Predictive Maintenance ermöglicht es, un- nötige Reparaturen, Folgeschäden und da- durch entstehenden Stress zu vermeiden«, erklärt Benjamin Adrian. »Die kontinuierliche Überwachung von Maschinen hilft nicht nur, deren Lebensdauer zu verlängern, sondern auch die Qualität der produzierten Waren zu sichern. Wenn Maschinen reibungslos laufen, hat das direkte Auswirkungen auf die Produkt- qualität. Darüber hinaus wird die Arbeitssitua- tion der beteiligten Mitarbeitenden erheblich verbessert.« me, das Erheben bzw. die Analyse von Daten, die Erstellung von Zustandsmonitoren, RUL- Prognosen, Soll-Ist-Vergleichen und das kauf- männische Erstellen von Markt- und Kosten- modellen, sowie eine kombinierte automatisierte Qualitätsanalyse. Durch »Condition Monitoring« beispielsweise wird der Betriebszustand von Maschinen digi- tal überwacht. Intelligente Algorithmen wer- ten die gesammelten Daten aus, die präzise Vorhersagen über den Wartungsbedarf liefern. Dies ermöglicht eine bedarfsorientierte War- tung anstelle von festen Intervallen. Modularer Einstieg möglich Die Forschenden am Fraunhofer ITWM unter- stützen Unternehmen dabei, die Effektivität von Anlagen zu steigern. Dabei greifen sie auf vorhandene Module zurück und passen sie auf die Anforderungen des Kunden an. www.itwm.fraunhofer.de/cmpm Kontakt Dr. Benjamin Adrian Geschäftsfeldkoordinator »Condition Monitoring und Predictive Maintenance« Telefon +49 631 31600-4943 benjamin.adrian@itwm.fraunhofer.de 29

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Mathematik für Industrie und Produktion Mehr Effizienz, Qualität und Nachhaltig- keit für die Produktion von Batterien Die Nachfrage nach leistungsfähigen Energiespeichern wächst, genauso wie das Bestreben nach Unabhängigkeit von internationalen Märkten. Daher arbeiten wir am Fraunhofer ITWM daran, mit unseren digitalen Methoden die Qualität und Effizienz der Batteriezellfertigung zu optimieren – insbesondere im Hinblick auf die Elektromobilität. An unserem Institut entwickeln wir Software- Tools, mit denen wir auch die Produktionspro- zesse von Lithium-Ionen-Zellen und Batterie- packs verbessern und die Entwicklung neuer Batterietechnologien vorantreiben können. Abteilungsübergreifend bringen im Projekt »DiBaZ« unsere Forschenden ihre Expertise ein. Ein Ziel ist es, einen Digitalen Zwilling für alle Prozessschritte der Batteriefertigung zu entwi- ckeln. Wir können umfassende Modelle anbie- ten, die Prozesse aus der Batterieproduktion simulieren, eine zerstörungsfreie Qualitätskon- trolle ermöglichen sowie Energiemanagement mit prädiktiver Regelung beinhalten. Simulation einzelner Prozessschritte der Batterieproduktion Die Produktion von Batterien besteht aus einer Reihe komplexer Prozesse, die von der Elektro- denfertigung über die Zellassemblierung bis hin zur Modul- und Packmontage reichen. Um diese Produktionsprozesse zu optimieren, haben wir unsere Simulationstechniken weiterentwickelt und können diese für die wesentlichen Prozesse der Zellproduktion einsetzen. Dazu gehört das Mischen der sogenannten Elektrodenslurries, einer Mischung aus granularen Ausgangsstoffen und Lösungsmittel, für die beiden Elektroden- schichten, sowie die Trocknung, Kalandrierung und die Elektrolytbefüllung von Zellen. Auch beim Ausschäumen von Batteriemodulen führen die Simulationen unserer Software zu mehr Effizienz. Elektrochemische Simulation zur Zell- auslegung, Analyse und Performance- vorhersage Mit unserer Software BEST führen wir die phy- sikbasierte, dreidimensionale Simulation von Lithium-Ionen-Batterien durch. »Unser Simula- tionstool BEST ist ganz vielfältig einsetzbar: Zum Beispiel können wir damit die Zellleistung prognostizieren, die Zelle sowohl auf mikrosko- pischer Elektrodenebene sowie auf makrosko- pischer Zellebene virtuell designen. Wir können Ladestrategien optimieren oder Alterungs- und Degradationsphänomene untersuchen,« er- klärt Jochen Zausch, Teamleiter »Elektrochemie und Batterien«. Qualitätskontrolle durch zerstörungs- freie Prüfung Für die optimale Leistung von Batterien muss die Beschichtung der Batteriefolie hohe Anfor- derungen an Dicke und Homogenität erfüllen. Die kontinuierliche Überwachung dieser Mate- rialparameter ist entscheidend für die Produkt- qualität. Um sie inline bereits während der Produktion zu überwachen, haben unsere For- schenden unsere Terahertz-Messtechnik weiter- entwickelt. Die Messungen werden inline an ein- und mehrlagigen Beschichtungen an verschiedenen Stellen im Nass- oder Trockenprozess durchge- führt. »Terahertz ist immer berührungslos und 30

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Im Projekt »DiBaZ« (Digitale Methoden zur Produktion und Anwendung von Batteriezellen) ent- wickeln wir abteilungsübergreifend einen Digitalen Zwilling für alle Prozessschritte der Batterie- fertigung – von der Elektrodenfertigung über die Qualitätskontrolle bis hin zum Energiemanage- ment der Produktion. zerstörungsfrei, ist geeignet für die Anoden- und Kathodenbeschichtung und ist unbedenklich für die Gesundheit – aufwendige Strahlenschutz- vorkehrungen sind also nicht notwendig«, er- läutert Dr. Joachim Jonuscheit, stellvertretender Abteilungsleiter »Materialcharakterisierung und -prüfung«, die Vorteile der Dickenmessung von Beschichtungen mit Terahertz-Technologie. Energiemanagement und prädiktive Regelung Auch um den Energieeinsatz vorausschauend zu steuern, haben wir für verschiedene Ab- schnitte der Batteriefertigung Digitale Zwillin- ge entwickelt. Diese Modelle simulieren das Verhalten der Maschinen und ermöglichen präzise Vorhersagen zum Energiebedarf. Be- sonders im Formierungsprozess stimmt unsere prädiktive Regelung die Lade- und Entladezyk- len optimal aufeinander ab – entsprechend der gewünschten Verbrauchskurve. So lassen sich Lastspitzen gezielt vermeiden oder in Zeiten mit hohem Anteil erneuerbarer Energien verlagern. Auch Photovoltaikanlagen und Energiespeicher können wir flexibel einbinden. Fraunhofer-Allianz Batterien: Lösungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette In der Fraunhofer-Allianz Batterien vereinen wir mit Expertinnen und Experten von 25 an- deren Fraunhofer-Instituten unsere Kompeten- zen im Bereich der Batterietechnologie. Ziel dabei ist der schnelle Transfer wissenschaftli- cher Erkenntnisse in die Industrie und damit in den Markt. Dafür erarbeiten die Mitgliedsinsti- tute der Fraunhofer-Allianz Batterien im direk- ten Kundenauftrag oder in geförderten Pro- jekten zusammen mit der Industrie technische und konzeptionelle Lösungen entlang der ge- samten Wertschöpfungskette der Energiespei- cher – von der Materialentwicklung bis zur Systemintegration mobiler und stationärer elektrochemischer Speichersysteme. www.itwm.fraunhofer.de/DiBaZ Kontakt Dr. Jochen Zausch Teamleiter »Elektrochemie und Batterien« in der Abteilung »Strömungs- und Materialsimulation« Telefon +49 631 31600-4688 jochen.zausch@itwm.fraunhofer.de 31

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Mathematik für Industrie und Produktion Textilindustrie: Simulation des Spinnprozesses Der Maschinenbau ist ein Grundpfeiler der deutschen Wirtschaft und spielt eine entscheidende Rolle in der Förderung von Innovation und technologischer Ent- wicklung in vielen Branchen. Besonders die Textilbranche steht vor der Herausfor- derung, sich kontinuierlich an die Anforderungen der Globalisierung, Nachhaltig- keit und an den rasanten Fortschritt der Digitalisierung anzupassen. Digitale Simulationen sind dabei unverzichtbare Werkzeuge, um Produktionsprozesse zu optimieren, Designalternativen zu testen und die Effizienz zu steigern. Ein zentrales Ziel von VISPI (Virtuelles Spinnen) ist es, die Flexibilität der Textilproduktion zu erhöhen. Die Fähigkeit, schnell auf Marktver- änderungen zu reagieren, ist auch für diese Branche entscheidend. Das virtuelle Spinnen ermöglicht es Unternehmen, den Einfluss ver- schiedener Prozesseinstellungen zu testen, ohne dass dafür physische Prototypen erstellt werden müssen. »Wir möchten den Herstellern helfen, ihre Produktentwicklung zu beschleunigen und gleichzeitig Kosten zu senken«, erklärt Dr. Walter Arne, der die Software mitentwickelt. Tests ohne physische Prototypen VISPI nutzt modernste digitale Technologien, um den Spinnprozess virtuell zu simulieren. Dadurch können die Eigenschaften von Fasern bereits in der Planungsphase digital abgebildet VISPI optimiert Spinnprozesse vor der eigentlichen Produktion 32 © DITF

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Eine optimierte Anordnung der Lochpositionen verbessert die Durchströmung und somit die Abkühlung der Filamente erheblich. und analysiert werden. Die Simulation des Spinnvorgangs erlaubt es auch, den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Quali- tät der Fasern zu untersuchen. »Durch die vir- tuelle Simulation können wir den Spinnprozes- ses optimieren, noch bevor die eigentliche Produktion beginnt«, so Arne. Diese Herange- hensweise kann die Zeit bis zur Markteinfüh- rung neuer Textilprodukte signifikant verkür- zen und gleichzeitig die Qualität bestehender Spinnprozesse deutlich verbessern. Software-Tool »cashocs« ermöglicht Optimierung von Spinndüsen Beim Herstellungsprozess synthetischer Fasern wird die Polymerschmelze durch feine Düsen gepresst, so zu Fasern versponnen und dann durch Kaltluftströmung ausgehärtet. VISPI simuliert ab der Spinndüse bis zur ersten Ga- lette und berücksichtigt auch die Zufuhr des Luftstroms zum Kühlen der Fasern. »Wir simu- lieren am Fraunhofer ITWM aber nicht nur ver- schiedene Spinnverfahren, sondern konnten kürzlich auch ein neues Tool zur Designopti- mierung von Düsen in unsere Untersuchungen integrieren«, berichtet Arne. Gemeint ist die Software-Lösung cashocs, die im Rahmen der Doktorarbeit seines Kollegen Dr. Sebastian Blauth entstanden ist. Mit cashocs wird die Düse selbst, aus der die Fasern herauskom- men, optimiert. Dafür wird die Luftströmung um die Fasern detailliert simuliert und deren Anordnung mit mathematischen Optimie- rungsmethoden verbessert. »Für die Produkt- qualität ist eine gleichmäßige Kühlung der Fa- sern wichtig, damit alle Fäden möglichst einheitliche Eigenschaften aufweisen«, erklärt Blauth. Durch die Optimierung mit cashocs entstehen zum Beispiel Gassen in der Faseranordnung, durch welche die Kühlluft auch die oft schlecht gekühlten hinteren Fäden erreichen kann. Die Optimierung verändert dazu die Anordnung der Fäden, sodass alle die effektivste Kühlung an der richtigen Stelle erhalten – dafür müssen die Austrittsstellen in der Düse an anderen Positionen gebohrt werden. »Die Optimierung mit cashocs gibt klare Handlungsempfehlungen, die recht einfach umzusetzen sind und eine große Auswirkung auf die Qualität des Spinn- prozesses haben.« www.itwm.fraunhofer.de/vispi Kontakt Dr. Walter Arne Abteilung »Transportvorgänge« Telefon +49 631 31600-4347 walter.arne@itwm.fraunhofer.de Kontakt Dr. Sebastian Blauth Abteilung »Transportvorgänge« Telefon +49 631 31600-4968 sebastian.blauth@itwm.fraunhofer.de 33

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Mathematik für Industrie und Produktion Gitterfreie Rechensoftware – komplexe Prozesse zeitsparend abbilden Ob im Automotive-Bereich oder in der Produktion: Simulationen und Digitale Zwil- linge sind für viele Unternehmen unverzichtbar. Weil hochdynamische Prozesse mit herkömmlicher Software oft nicht zufriedenstellend abgebildet werden können, haben Forschende unseres Instituts mit dem Tool MESHFREE eine Lösung entwickelt, die ohne starres Rechengitter arbeitet und in der Lage ist, komplexe Abläufe mit großer Zeitersparnis und damit kostengünstig zu simulieren. Dafür wurden sie mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2024 ausgezeichnet. Starre Vorgaben passen selten zu agilen Pro- zessen – was für Organisationen zutrifft, gilt auch für Simulationsmethoden. Sollen kom- plexe Vorgänge wie zum Beispiel Aquaplaning oder die Zerspanung von Metall virtuell abge- bildet werden, lassen sich vorab nicht alle Be- wegungen der Komponenten vorhersehen und in einem passenden Rechengitter, wie es für Simulationen üblicherweise verwendet wird, anlegen. teilweise erstmals, besonders komplexe und dynamische Situationen in der Simulation zu zeigen. Sämtliche seither erzielten Forschungs- ergebnisse flossen in das Software-Tool MESHFREE ein. Das Resultat ist ein Simulations- Tool mit einem echten Alleinstellungsmerkmal: Weltweit macht kein anderes Simulationswerk- zeug die Generalisierte Finite-Differenzen- Methode (GFDM) industriell nutzbar. MESHFREE ersetzt den realen Versuch Flexible Methode für dynamische Prozesse Vor dieser Herausforderung stand vor über 20 Jahren eine Forschungsgruppe am Fraunhofer ITWM. »Unsere allererste Aufgabe im Projekt- team bestand darin, die Entfaltung eines Airbags während des Fahrzeug-Crashs zu simulieren«, berichtet Dr. Jörg Kuhnert, bereits damals Teil der Gruppe. »Bis auf real durchgeführte, kos- tenintensive Crashtests gab es damals keine Möglichkeit, die Sicherheit von Neuentwick- lungen in diesem Bereich schnell zu überprüfen.« Denn: Je mehr Objekte sich in einer Situation bewegen und miteinander interagieren, desto schwieriger ist es, sie unter vertretbarem Auf- wand mit klassischen Simulationsmethoden zuverlässig abzubilden. Basierend auf der Dissertation von Jörg Kuhnert entwickelte das Team – seit dem Jahr 2012 auch unter Mitarbeit von Dr. Isabel Michel im Schwer- punkt Freistrahlturbinen – daher den innovati- ven gitterfreien Ansatz. Dieser ermöglicht es Klassischerweise kommt bei Simulationen die Finite-Elemente-Methode zum Einsatz: Inge- nieurinnen und Ingenieure konstruieren dafür ein Gitternetz passend für die jeweilige Geo- metrie und berechnen darauf aufbauend die Veränderungen in jedem einzelnen Element. Bereits das Aufsetzen der Gitterstruktur ist sehr zeitaufwändig; auch während der Simula- tion muss sie immer wieder angepasst werden. Die Software MESHFREE kombiniert dagegen die GFDM zur Lösung der Erhaltungsgleichun- gen für Masse, Impuls und Energie mit effizi- enten Algorithmen zur Lösung linearer Glei- chungssysteme, die vom Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rech- nen SCAI mitentwickelt wurden – ein gewalti- ger Vorteil, denn die verwendete numerische Punktewolke ist dazu in der Lage, sich flexibel an bewegliche Geometrien anzupassen. Auf- wändige Nachkorrekturen im Rechengitter entfallen. Kontakt Dr. Jörg Kuhnert Stellvertretender Abteilungsleiter »Transportvorgänge« Telefon +49 631 31600-4448 joerg.kuhnert@itwm.fraunhofer.de 34

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Von Automotive bis Verfahrenstechnik – und darüber hinaus Die ausgezeichnete Methodik lässt sich für eine große Bandbreite von Anwendungen einsetzen. Ein Schwerpunkt liegt aktuell im Automotive- Bereich: Neben der Airbag-Simulation konnten die Forschenden ihre Industriepartner bislang unter anderem mit Modellierungen von Was- serdurchfahrten oder des Verhaltens von Fahr- zeugen auf Sand oder Kies unterstützen. In der Verfahrenstechnik half MESHFREE Unter- nehmen dabei, die Prozessparameter bei der Verarbeitung von Glasschmelze sowie der Her- stellung von Kunststoffteilen zu optimieren. Grundsätzlich lässt sich die Methode überall dort nutzen, wo Messungen oder Versuche ersetzt werden sollen oder nur schlecht bis gar nicht funktionieren. Isabel Michel fasst zusam- men: »Wir sind nicht fixiert auf die klassischen Anwendungsfälle der numerischen Strömungs- mechanik. MESHFREE kann viel mehr: Das Tool ist bewusst generisch gehalten.« Die Software besitzt also großes Potenzial, in Zukunft noch in vielen weiteren Anwendungsfeldern Kosten, Zeit und Material zu sparen. Joseph-von-Fraunhofer-Preis Für ihre Entwicklung, die reale Versuche ersetzen kann, erhielten Dr. Jörg Kuhnert und Dr. Isabel Michel den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2024. Seit 1978 verleiht die Fraunhofer-Gesellschaft jährlich Preise für herausragende wissenschaft- liche Leistungen ihrer Mitarbeitenden, die an- wendungsnahe Probleme lösen. 2024 wurden drei Preise mit jeweils 50 000 Euro an Gruppen mit Forschenden aus unterschiedlichen Instituten vergeben. www.itwm.fraunhofer.de/meshfree © FOTO-by-SOUSA Kontakt Dr. Isabel Michel Abteilung »Transportvorgänge« Telefon +49 631 31600-4667 isabel.michel@itwm.fraunhofer.de 35

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Die Abteilungen und Bereiche des Fraunhofer ITWM Wir sind das Fraunhofer ITWM Abteilung »Bildverarbeitung« Mathematische Modelle und Bildanalysealgorithmen für die Industrie Die Abteilung »Bildverarbeitung« entwickelt mathematische Modelle und Bildanalysealgorithmen und setzt diese in industrietaugliche Software um, vorwiegend für anspruchsvolle Oberflächen- prüfungen in der Produktion und für die Analyse von Mikrostrukturen. Die dafür benötigte Software für Bildverarbeitung und -analyse und Systemintegration ist selbst entwickelt. Einige Software-Produkte werden seit mehr als 15 Jahren gepflegt und vermarktet. Der verfügbare Methodenpark wird ständig erweitert und verbessert. Seit 2016 werden auch domänenspezifische Machine-Learning-Algorithmen entwickelt sowie Methoden, sie nachvollziehbar, effizient und konsistent zu trainieren. Optische und lichtmikros- kopische Bilder werden im eigenen Labor generiert, 3D-Bilder und Zeitreihen von 3D-Bildern mithilfe des Computertomografen der Abteilung. Die wissenschaftlichen Grundlagen umfassen mathematische Morphologie, diskrete Geometrie und Topologie, stochastische Geometrie, Computergrafik und Quantencomputing. www.itwm.fraunhofer.de/bv 36

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Abteilung »Finanzmathematik« Methodenkompetenz in Finanzmathematik, Stochastik und Data Science Die Abteilung »Finanzmathematik« konzentriert sich auf die Geschäftsfelder »Lebensversicherung«, »Abrechnungsprüfung« und »Flexible Lasten in der Energiewirtschaft«. Ihre Anwendungen reichen hierbei von der Klassifizierung von Altersvorsorgeprodukten über die Unterstützung digitaler Geschäftsprozesse bis hin zu Risiko-Controlling im Energiesektor. Die Geschäftsfelder werden durch einen flexiblen Baukasten von Forschungsschwerpunkten gestärkt. Aktuell umfasst dieser unter anderem die Bausteine Finanz- und Versicherungsmathematik, Statistik, Machine Learning, Data Science, Stochastische Simulation, Zeitreihenanalyse und Quantencom- puting. Neben langjährigen Forschungsschwerpunkten ist insbesondere im noch jungen Forschungs- bereich Quantencomputing ein starkes Netz an Partnern und Kooperationen, national wie inter- national entstanden. Zusätzlich umfasst die Abteilung die Nachwuchsforschungsgruppe »Entscheidungsunterstützung für betriebswirtschaftliche Prozesse mit Hilfe neuer KI-Methoden«. www.itwm.fraunhofer.de/fm Bereich »High Performance Computing« Innovation, Disruption und ganzheitliches Denken in der Welt des verteilten Rechnens Simulationen und Berechnungen sind die Grundlage für viele industrielle und wissenschaftliche Anwendungen. Immer größere Anforderungen lassen die Komplexität der Hardware und Soft- ware kontinuierlich wachsen. Diese Entwicklung bedarf neuer Methoden und Lösungen für das Höchstleistungsrechnen und bilden die wissenschaftliche Grundlage der Abteilung. Dabei spielt die Verteilung von Daten und die Kommunikation von Recheneinheiten eine wichti- ge Rolle, um effizient und performant hochparallele Rechnungen auszuführen. Effizienz spielt auch eine zentrale Rolle bei der Entwicklung neuer Prozessor- und Systemarchitekturen, bei der Entwicklung von Werkzeugen und Anwendungen für das Quantum- und Neuromorphic Com- puting, beim Finden von optimierten Modellen für die künstliche Intelligenz sowie bei der Steue- rung von Energieflüssen im Bereich der Erneuerbaren Energien. Die Abteilung ist darüber hinaus zentraler Ansprechpartner für die Optimierung von Algorithmen in unterschiedlichen Domänen und im speziellen im Bereich der seismischen Datenverarbeitung. www.itwm.fraunhofer.de/hpc 37

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Die Abteilungen und Bereiche des Fraunhofer ITWM Abteilung »Materialcharakterisierung und -prüfung« Durchblick mit Millimeter-, Terahertz- und optischen Wellen Die Abteilung MC entwickelt und baut industrietaugliche Systeme zur zerstörungsfreien Prüfung mittels elektromagnetischer Wellen im Spektralbereich vom sichtbaren Licht bis hin zu Radarfre- quenzen. Dabei werden die notwendigen Laserquellen, Elektronikschaltkreise, Emitter und Detek- toren vor allem im Terahertz- und Radar-Bereich teilweise selbst entwickelt und verbessert. Die notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen umfassen lithographisches Know-how (2D und 3D Strukturierung), vertiefte Kenntnisse der linearen und nichtlinearen Optik, der Laserphysik und der Quantenoptik. International führend ist die Abteilung in der Entwicklung modellbasierter Auswertealgorithmen für die Schichtdickenmessung und die Tomographie mit a priori Informationen, die die zuverlässi- ge Detektion von Defekten im Volumen erlauben. Mit der Realisierung des Prinzips der Messung mit undetektierten Photonen im Terahertz-Bereich hat die Abteilung wissenschaftliches Neuland betreten, das es perspektivisch erlaubt, auf die Detektion von Terahertz-Wellen generell zu ver- zichten. Mit der Entwicklung des ersten Laser-basierten optischen FMCW-Radars gelingt zudem erstmal die Dickenmessung der Kathoden- und Anodenschichten in der Batteriefertigung. www.itwm.fraunhofer.de/mc Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« Simulationsgestützte Entwicklung und Produktionsoptimierung Der Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« (MF) gliedert sich in die zwei Abteilungen »Dynamik, Lasten und Umgebungsdaten« (DLU) und »Mathematik für die digitale Fabrik« (MDF) sowie die Projektgruppe Reifensimulation und die Querschnittseinheit MF-Technikum, die sich um die Versuchs- und Messtechnik kümmert. In der Abteilung »DLU« werden Methoden und Werkzeuge zur Systemsimulation unter Einbe- ziehung von Umgebungsdaten und Nutzungsvariabilität entwickelt. Es werden insbesondere die Fahrzeugentwicklungsattribute Betriebsfestigkeit, Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und ADAS/ AD sowie die Entwicklung nachhaltiger Mobilitätslösungen adressiert. Passend dazu gibt es im Bereich Forschung und Entwicklung zur Fahrzeug-Umwelt-Mensch-Interaktion und zur Model- lierung und Simulation von Reifen. Die Abteilung »MDF« bündelt die Aktivitäten zur Entwicklung von Softwaretools für die virtuelle Produktentwicklung und -entstehung. www.itwm.fraunhofer.de/mf 38

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Bereich »Optimierung« Interaktive Entscheidungsunterstützung auf Basis von Modellen und Daten Der Bereich »Optimierung« umfasst die drei Abteilungen »Optimierung in den Life Sciences« (OPT-LS), »Optimierung – Operations Research« (OPT-OR) und »Optimierung – Technische Pro- zesse« (OPT-TP). OPT-LS entwickelt und erbringt für verschiedene Anwendungsfelder aus Medizin, Gesundheits- und Sozialwesen, Medizin- und Bioverfahrentechnik innovative und individuell ge- staltete mathematisch-methodische Ansätze sowie Software-Lösungen und Leistungen. OPT-OR entwickelt individuelle (Software-)Lösungen für strategische, taktische und organisato- rische Fragestellungen in der Produktions- und Ablaufplanung mit dem erklärten Ziel, Entschei- denden aus Industrie und Gesellschaft Werkzeuge zum Abwägen zwischen konfliktbehafteten Planungszielen zu ermöglichen. OPT-TP beschäftigt sich mit der multikriteriellen Entscheidungsunterstützung auf Grundlage von Modellierung, Simulation und Optimierung technischer Prozesse in unterschiedlichen Industrien der produzierenden Wirtschaft. www.itwm.fraunhofer.de/opt Abteilung »Strömungs- und Materialsimulation« Industriell einsetzbare Multiskalensimulation und kundenspezifische Softwarelösungen Die Abteilung SMS entwickelt Modelle, effiziente Lösungsverfahren und Software für industrielle Probleme der Strömungs- und Festkörpermechanik, der Wärmeleitung und der Elektrochemie, einschließlich Fluid-Struktur-Interaktion, Reaktion-Konvektion-Diffusion und multiphysikalischer Aufgaben, in heterogenen Medien. Damit bietet die Abteilung SMS kompetente Forschungs- und Entwicklungsunterstützung beim Modellieren, Simulieren und Optimieren der Produktion, der Funktion und des Einsatzverhaltens von porösen Werkstoffen und Verbundmaterialien. Sie erstellt simulationsbasierte digitale Zwil- linge bis auf die Materialebene, um ihre Produktionsprozesse (Infiltration, Aufschäumen, Ver- pressen, u.v.m.) und Ihre Produktentwicklung (z. B. Filter, Batterien, Textilien, Leichtbauteile) nachhaltig zu verbessern sowie Rohstoff- und Energiebilanzen quantitativ mitzubewerten. www.itwm.fraunhofer.de/sms 39

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Die Abteilungen und Bereiche des Fraunhofer ITWM Abteilung »Systemanalyse, Prognose und Regelung« Analyse und Vorhersage von komplexem System- und Prozessverhalten Die Abteilung »SYS« entwickelt mathematische Methoden zum ressourcenoptimierten Echtzeit- betrieb von Komponenten, Antrieben und Anlagen. Anwendungsgebiete sind die Energiebranche sowie industrielle Produktionsanlagen im Anlagen- und Maschinenbau. Die wissenschaftlichen Fragestellungen umschließen die Entwicklung echtzeittauglicher, multivariater Signalanalysever- fahren und ML-Algorithmen insbesondere tiefe Neuronale Netze sowie deren Hardware-Anbin- dung und Integration zur Zustandsüberwachung und prädiktiven Instandhaltung. Darüber hinaus entwickelt die SYS modell- und datenbasierte Methoden zur prädiktiven Regelung von Antrieben und Produktionsanlagen mit den Zielgrößen Qualität, Quantität und Ressourcen- einsatz. Wissenschaftliche Herausforderungen liegen hierbei in geringer Datenverfügbarkeit, Daten- und Informationslücken und komplexer Prozessvielfalt. www.itwm.fraunhofer.de/sys Abteilung »Transportvorgänge« Mathematische Modellierung, Simulation und Optimierung von Transport vorgängen Kernkompetenz der Abteilung »Transportvorgänge« ist die mathematische Modellierung komplexer industrieller Problemstellungen und die Entwicklung effizienter Algorithmen zu ihrer numerischen Lösung. Die Problemstellungen sind im technisch-naturwissenschaftlichen Kontext (Strömungs- dynamik, Wärme- und Strahlungstransport, Strukturmechanik etc.) angesiedelt und führen aus mathematischer Sicht auf Differentialgleichungen, die in vielen Fällen als Transportgleichungen zu charakterisieren sind. Die Abteilung verfolgt seit Jahren kontinuierlich zwei wissenschaftliche Schwerpunkte mit starken Alleinstellungsmerkmalen: die mathematische Modellierung, Simula- tion und Optimierung der Dynamik von Fäden, Fasern und Filamenten und die Entwicklung des gitterfreien kontinuumsmechanischen Simulators MESHFREE. Darüber hinaus werden immer wieder neue Forschungsthemen mit universitären Partnern aufgegriffen. Ein Beispiel ist die transiente Simulation, Optimierung und Regelung von Energie- und Versor- gungsnetzen. Ein wichtiges Zukunftsthema mit bereits erheblichem Kompetenzaufbau ist die strömungsdynamische Shape-Optimierung. www.itwm.fraunhofer.de/tv 40

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Impressum Anschrift der Redaktion Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM Team Kommunikation Fraunhofer-Platz 1 67663 Kaiserslautern presse@itwm.fraunhofer.de www.itwm.fraunhofer.de Redaktion Ilka Blauth, Swenja Broschart, Eva Fröhlich, Esther Packullat Grafikdesign und Layout Gesa Ermel Fotografie Gesa Ermel, Fraunhofer ITWM Bei Abdruck ist die Einwilligung der Redaktion erforderlich. © Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM Kaiserlautern 2025 42

Kontakt Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM Fraunhofer-Platz 1 67663 Kaiserslautern Telefon +49(0)6 31/3 16 00-0 E-Mail www.itwm.fraunhofer.de info@itwm.fraunhofer.de

Editorial

Inhalt

Das Institut im Profil

Das Institut in Zahlen

Kooperationen und Spin-Offs

Ehrungen und Preise

Aus der Forschung

Nachwuchsförderung

Mathematik für Industrie und Produktion

»Mathematik ist die Sprache von Naturwissenschaft und Technik«

Branchenblick: Was wir der Fahrzeugindustrie bieten

Versuchseinrichtungen für die Fahrzeugindustrie

Zerstörungsfreier Blick ins Innere – Terahertz prüft Halbleiter

Das Optimum rausholen

Für bessere Qualitätskontrollen – Oberflächeninspektion für Holzplatten

Kosten reduzieren durch vorausschauende Instandhaltung

Mehr Effizienz, Qualität und Nachhaltigkeit für die Produktion von Batterien

Textilindustrie: Simulation des Spinnprozesses

Gitterfreie Rechensoftware – komplexe Prozesse zeitsparend abbilden

Wir sind das Fraunhofer ITWM – Abteilung »Bildverarbeitung«

Abteilung »Finanzmathematik« und Bereich »High Performance Computing«

Abteilung »Materialcharakterisierung und -prüfung« und Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung«

Bereich »Optimierung« und Abteilung »Strömungs- und Materialsimulation«

Abteilung »Systemanalyse, Prognose und Regelung« und Abteilung »Transportvorgänge«

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