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Das hochaktuelle Thema der Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien ('Digitalisierung von Materialien') wird in den Projekten Innovationsplattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) und Materials-open-Lab (Mat-o-Lab, matolab.org) adressiert. In diesem Beitrag werden die Weiterentwicklungen in diesen Projekten hinsichtlich der Speicherung von Zugversuchsdaten gemäß einer normenkonformen (DIN EN ISO 6892-1:2019-11) ontologischen Repräsentation vorgestellt. Das umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verknüpfung von Ontologie und Daten. Letztendlich können die entsprechenden Daten in einem Triple Store abgelegt und abgefragt werden.
Mit der Digitalisierung von Materialien und Prozessen ist ein Paradigmenwechsel in der Materialentwicklung, -gestaltung und -optimierung verbunden, welcher gleichermaßen vielseitige Möglichkeiten eröffnet und eine große Herausforderung darstellt. Insbesondere sind bei den Digitalisierungsbestrebungen die Qualitätssicherung von Prozessen und Ausgabedaten sowie die Interoperabilität zwischen Anwendungen nach FAIR-Prinzipien (Findability, Accessibility, Interoperability, Reusability) sicherzustellen. Dies umfasst die Speicherung, Verarbeitung und Abfrage von Daten in möglichst standardisierter Form, wobei entsprechend auch Normungs- und Standardisierungsgremien beteiligt werden müssen. Um der Herausforderung gerecht zu werden, Materialdaten für alle Beteiligten konsistent zu kontextualisieren, müssen alle notwendigen Informationen zum Zustand des Materials inklusive produktions- und anwendungsbedingter Veränderungen über eine einheitliche, maschinenlesbare Beschreibung verfügbar gemacht werden. Hierfür sollen Ontologien genutzt werden, da sie maschinenverständliche und -interpretierbare Wissensrepräsentationen durch semantische Konzeptualisierungen ermöglichen, die für das Datenmanagement und die Digitalisierung im Bereich der Materialwissenschaften benötigt werden.
Dieses hochaktuelle Thema der Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien wird in den Projekten Innovationsplattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) und Materials-open-Lab (Mat-o-Lab, matolab.org) adressiert. Diese beiden unter der Beteiligung der Bundeanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführten Projekte wurden auf der 39. Vortrags- und Diskussionstagung „Werkstoffprüfung“ (2021) grundlegend vorgestellt. In dieser Präsentation sollen die Weiterentwicklungen hinsichtlich der Speicherung von Zugversuchsdaten gemäß einer normenkonformen ontologischen Repräsentation vorgestellt werden. Das umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verknüpfung von Ontologie und Daten. Letztendlich können die entsprechenden Daten in einem Triple Store abgelegt und abgefragt werden.
Die übliche Standardisierung von mechanischen Prüfverfahren im Bereich der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik dient als solide Grundlage für die Ontologieentwicklung. Daher wurde der Zugversuch von Metallen bei Raumtemperatur nach DIN EN ISO Norm 6892-1:2019-11 als einer der ersten Anwendungsfälle in den genannten Projekten ausgewählt. Die Betrachtung und Beschreibung des Zugversuchs beinhaltet sowohl dessen ontologische Darstellung als auch eine exemplarische Datengenerierung. Die semantische Verbindung von Ontologie und Daten führt zu Interoperabilität und einer verbesserten Abfragefähigkeit.
Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) wird als Werkstoff für Rohre und Behälter für den Transport und zur Lagerung von Gefahrgütern verwendet. Für die Beurteilung und technische Freigabe dieser Materialien ist insbesondere das Verständnis des Schädigungsmechanismus des langsamen, umgebungsbedingten Spannungsrisses (engl.: „environmental stress cracking“, ESC) essentiell. ESC tritt bei relativ geringen auf einen Werkstoff einwirkenden mechanischen Spannungen auf. An lokalen Fehlstellen (z.B. Defekte, Inhomogenitäten, Kerben) beginnend wächst ein Riss langsam durch das Material und führt nach gewisser Zeit zu einem charakteristischen, pseudo-spröden Bruch. Dabei wird das Risswachstum durch äußere Medieneinwirkung zusätzlich entscheidend beeinflusst. Dieses langsame Risswachstum wird als Hauptursache für das plötzliche und unerwartete Versagen von Polymerwerkstoffen angesehen.
Eine etablierte Prüfmethode zur Bewertung des Materialverhaltens gegenüber dieses Schädigungsmechanismus ist der Full-Notch Creep Test (FNCT), der für PE-HD Behältermaterialien üblicherweise unter Verwendung von wässrigen Netzmittellösungen (Arkopal N 100) durchgeführt wird. Die aus dem FNCT erhaltene Standzeit dient dabei als Bewertungskriterium für verschiedene PE-HD-Werkstoffe. In einer Studie wurden neben einer typischen Arkopal-N-100-Netzmittellösung praktisch relevante, organische Flüssigkeiten wie Biodiesel und Diesel als Testmedien verwendet, um deren Einfluss auf das ESC-Verhalten von PE-HD-Behältermaterialien zu charakterisieren. Neben der klassischen Standzeit-Auswertung erfolgte eine erweiterte Bruchflächenanalyse mittels Licht- (LM), Laserscanning- (LSM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM). Insbesondere die LSM erlaubt eine schnelle und einfache Unterscheidung pseudo-spröder und duktiler Bruchbilder, die zur Beurteilung der Repräsentativität des FNCT für das dem Spannungsriss zugrundeliegenden langsamen Risswachstum von Bedeutung ist.
Due to the diversity of materials and the processes associated with their production and use, the complexity of the lifecycles of materials and the multitude of academic and industrial researchers participating in generation of data for material design impose a huge challenge. The topical goal of digitalizing materials and processes can only be adequately addressed by consolidating the efforts of all stakeholders in this field. There are many scattered activities, but there is a demand for an elimination of redundancies as well as an advance in acceptance and a common basis in the digitalization of materials. Furthermore, data analysis methods play an important role in both, the experimental and simulation-based digital description of materials, but they have been poorly structured so far.
Therefore, the two joint projects Platform Material Digital (PMD, materialdigital.de) and Materials open Laboratory (Mat-o-Lab, matolab.de) aim to contribute to a standardized description of data processing methods in materials research. Besides stimulating the formation of a collaborative community in this respect, their main technical goals are the quality assurance of the processes and the output data, the acquisition and definition of their accuracy as well as the interoperability between applications. In this regard, data management in accordance with the FAIR (findability, accessibility, interoperability, reuseability) principles is addressed. There is a common agreement in the scientific community following current discussions that data is supposed to be conform to these principles. This includes storage, processing and querying of data in a preferably standardized form.
To meet the challenge to contextualize material data in a way that is consistent with all stakeholders, all necessary information on the condition of the material including production and application-related changes have to be made available via a uniform, machine-readable description. For this purpose, ontologies are to be used since they allow for machine-understandable knowledge representations and conceptualizations that are needed for data management and the digitalization in the field of materials science.
As first efforts in PMD and Mat-o-Lab, application ontologies are created to explicitly describe processes and test methods. Thereby, the well-known tensile test of metals at room temperature was described ontologically in accordance with the respective ISO standard 6892-1:2019-11.
The efforts in creating this tensile test application ontology are shown in this presentation. Especially, the path of ontology development based on standards to be pursued is focused, which is in accordance with the generic recommendations for ontology development and which is supposed to be exemplary for the creation of other application ontologies.
Data analysis methods play an important role in both the experimental and simulation-based digital description of materials but have so far been poorly structured. The platform Material Digital (PMD) should contribute to a standardized description of data processing methods in materials research. The goal is the quality assurance of the processes and the output data, the acquisition and definition of their accuracy as well as the interoperability between applications.
Therefore, application ontologies are created to explicitly describe processes and test methods. In this presentation, the first efforts in creating a tensile test application ontology in accordance with the ISO standard 6892-1:2019-11 are shown. Especially, the path of ontology development to be pursued based on standards was focused.
Data analysis methods play an important role in both the experimental and simulation-based digital description of materials but have so far been poorly structured. The platform Material Digital (PMD) is supposed to contribute to a standardized description of data processing methods in materials research. The goal is the quality assurance of the processes and the output data, the acquisition and definition of their accuracy as well as the interoperability between applications.
Therefore, application ontologies are created to explicitly describe processes and test methods. In this presentation, the first efforts within the joint project PMD in creating a tensile test application ontology in accordance with the ISO standard 6892-1:2019-11 are shown. Especially, the path of ontology development to be pursued based on standards was focused. Furthermore, the presentation includes a live demonstration of queries possibly performed to query data that was uploaded in the PMD triple store.
Tensile Test Ontology (TTO)
(2023)
This is the stable version 2.0.1 of the PMD ontology module of the tensile test (Tensile Test Ontology - TTO) as developed on the basis of the 2019 standard ISO 6892-1: Metallic materials - Tensile Testing - Part 1: Method of test at room temperature.
The TTO was developed in the frame of the PMD project. The TTO provides conceptualizations valid for the description of tensile test and corresponding data in accordance with the respective standard. By using TTO for storing tensile test data, all data will be well structured and based on a common vocabulary agreed on by an expert group (generation of FAIR data) which will lead to enhanced data interoperability. This comprises several data categories such as primary data, secondary data and metadata. Data will be human and machine readable. The usage of TTO facilitates data retrieval and downstream usage. Due to a close connection to the mid-level PMD core ontology (PMDco), the interoperability of tensile test data is enhanced and data querying in combination with other aspects and data within the broad field of material science and engineering (MSE) is facilitated.
The TTO class structure forms a comprehensible and semantic layer for unified storage of data generated in a tensile test including the possibility to record data from analysis, re-evaluation and re-use. Furthermore, extensive metadata allows to assess data quality and reproduce experiments. Following the open world assumption, object properties are deliberately low restrictive and sparse.
Knowledge representation in the materials science and engineering (MSE) domain is a vast and multi-faceted challenge: Overlap, ambiguity, and inconsistency in terminology are common. Invariant and variant knowledge are difficult to align cross-domain. Generic top-level semantic terminology often is too abstract, while MSE domain terminology often is too specific.
In this presentation, an approach how to maintain a comprehensive and intuitive MSE-centric terminology composing a mid-level ontology–the PMD core ontology (PMDco)–via MSE community-based curation procedures is shown.
The PMDco is designed in direct support of the FAIR principles to address immediate needs of the global experts community and their requirements. The illustrated findings show how the PMDco bridges semantic gaps between high-level, MSE-specific, and other science domain semantics, how the PMDco lowers development and integration thresholds, and how to fuel it from real-world data sources ranging from manually conducted experiments and simulations as well as continuously automated industrial applications.
Knowledge representation in the materials science and engineering (MSE) domain is a vast and multi-faceted challenge: Overlap, ambiguity, and inconsistency in terminology are common. Invariant and variant knowledge are difficult to align cross-domain. Generic top-level semantic terminology often is too abstract, while MSE domain terminology often is too specific.
In this poster presentation, an approach how to maintain a comprehensive and intuitive MSE-centric terminology composing a mid-level ontology–the PMD core ontology (PMDco)–via MSE community-based curation procedures is shown.
The PMDco is designed in direct support of the FAIR principles to address immediate needs of the global experts community and their requirements. The illustrated findings show how the PMDco bridges semantic gaps between high-level, MSE-specific, and other science domain semantics, how the PMDco lowers development and integration thresholds, and how to fuel it from real-world data sources ranging from manually conducted experiments and simulations as well as continuously automated industrial applications.
This is an interactive workshop of the Plattform MaterialDigital (PMD) on Semantic Web technologies (SWT) where we delve into the world of ontology development and data structuring in the field of materials science and engineering (MSE). This workshop is designed to equip participants with essential skills in categorizing classes within ontologies, with a special emphasis on the PMD Core Ontology (PMDco). Discover the immense value of ontologies for MSE data reproducibility and reuse and harness the power of PMDco to foster your data management practices.
In this workshop, you will explore the intricacies of class categorization when developing ontologies in the MSE domain. Through interactive discussions and hands-on exercises, you will learn effective techniques for structuring and organizing ontologies to enhance data retrieval and analysis. You will gain valuable insights into best practices and considerations for class categorization, aiming at optimal data organization and management within your MSE projects.
One of the highlights of this workshop is the introduction to PMDco, a mid-level ontology in the field of MSE developed community-driven in the frame of the project PMD. Learn about PMDco, its underlying concepts, and its application in detail. Discover how PMDco provides a comprehensive framework for MSE data representation, enabling seamless integration and interoperability across different systems and platforms. In addition to exploring PMDco, this workshop will illustrate the benefits of data interoperability and SWT with respect to leveraging the full potential of MSE data.