»Es gibt zwar Datenbanken, die Produktentwickler*innen für die Recherche heranziehen können. Doch die liefern oft keine brauchbaren Ergebnisse, weil sie den genauen Anwendungsfall im Unternehmen nicht berücksichtigen.« 

Charlotte Schmidt, Fraunhofer IPA

Im Juni 2025 hat ein Forschungsteam des Fraunhofer IPA die Entwicklung eines KI-unterstützten Tools zur Materialsubstitution bekannt gegeben. Das Ziel der Entwicklung bestand darin, mithilfe von Künstlicher Intelligenz Alternativen zu finden, um benötigte Roh- oder Werkstoffe zu ersetzen. Bislang galten Suchprozesse in Bezug auf Materialsubstitution als aufwändig und oft auch ergebnislos.

Das Fraunhofer IPA ist mit annähernd 1.200 Mitarbeitenden eines der größten Institute der Fraunhofer-Gesellschaft. Es ist verantwortlich für die Entwicklung, Erprobung und Umsetzung von Methoden, Komponenten und Geräten bis hin zu kompletten Maschinen und Anlagen zur Steigerung der Effizienz in der Produktion.

Die Heinz und Heide Dürr Stiftung hat 2012 gemeinsam mit der Karl Schlecht Stiftung und dem Fraunhofer IPA das EEP (Institut für Energieeffizienz in der Produktion) gegründet. Neben der Beratung und Aufklärung von Gesellschaft, Politik und Unternehmen zählen auch die Forschung und Lehre im Bereich der Energieeffizienz in der Produktion zu den Aufgaben des Instituts.

Das aktuelle Forschungsprojekt des Fraunhofer IPA befasst sich mit einem wichtigen Baustein energieeffizienter und nachhaltiger Produktion. Um die Suche nach Material- und Rohstoffalternativen, die oft personalintensiv ist, zu erleichtern und durch detaillierte Anforderungsbeschreibungen passgenauer zu gestalten, hat das Team um Charlotte Schmidt ein KI-unterstütztes Tool zur Materialsubstitution entwickelt.

Über eine Eingabemaske geben die Nutzer*innen einerseits spezifische Details zum Werkstoff/Rohstoff an, den sie ersetzen möchten, und nennen andererseits die erforderlichen Eigenschaften des alternativen Materials sowie relevante Kontextinformationen zum gewünschten Materialeinsatz. Die KI-Recherche identifiziert anschließend in der Datenbank verfügbare Informationen und schlägt geeignete alternative Materialien vor.

Nach einer umfassenden Bewertung der vorgeschlagenen Substitute, in der rechtliche, ökologische, soziale Aspekte sowie die Versorgungssicherheit berücksichtigt werden, prüfen die Wissenschaftler*innen im engen Austausch mit dem jeweiligen Unternehmen, wie genau die vorgeschlagenen Materialien die spezifischen Anforderungen erfüllen.

Getestet wurde die KI am Beispiel von Kobalt, das in Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommt und somit eine bedeutende Rolle bei der Energiewende spielt. Kobalt zählt jedoch aus mehreren Gründen zu den kritischen Rohstoffen: Es ist selten – sein Anteil an der gesamten Erdkruste beträgt lediglich 0,004 Prozent – und knapp die Hälfte der Vorkommen lagert auf dem Staatsgebiet der Demokratischen Republik Kongo. In den Bergwerken des zentralafrikanischen Landes sind die Arbeitsbedingungen häufig schlecht und die Umweltschäden beim Erzabbau groß.

Das KI-unterstützte Materialsubstitutionstool schlägt als Alternative unter anderem Eisen vor. Dies ist zunächst keine Neuheit, zeigt aber, dass die KI-Anbindung bei der Suche nach alternativen Materialien vielversprechend ist. Der am Ende des Prozesses erstellte Bericht, in dem die geeignetsten Substitute sowie die Bewertung der verschiedenen Kriterien dargestellt werden, bietet sowohl Wissenschaftler*innen als auch Unternehmen eine fundierte Entscheidungsgrundlage für das weitere Vorgehen.

Weitere Details zum Forschungsprojekt finden Sie hier.