1 Einführung in die HEW Datenbank

Diese Werkstoffdatenbank wurde aus den Lehrprojekten "Geschichte und Praxis der Materialforschung" und "Geschichte und Praxis von Forschungstechnologien" heraus entwickelt, welche gemeinsam von Natur- und Geisteswissenschaftlern: einerseits von Fakultäten der Natur- und einschlägiger Technikwissenschaften (insb. Physik, Chemie und Materialwissenschaften und Flugzeugbau) sowie Mitgliedern der Materialprüfungsanstalt (MPA), andererseits von der Geschichte der Naturwissenschaften und Technik (GNT) umgesetzt wurde. Diese Lehreinheiten waren Bestandteil des "Qualitätspakt Lehre - Individualität und Kooperation im Stuttgarter Studium (QuaLIKiSS)". Mit Auslaufen dieses Formates, wurden die für die Lehre eruierten Werkstoffkennwerte, Bearbeitungs- und Produktionsprozesse sowie die darin eingebunden Akteure und Netzwerkverbindungen für eine Darstellung, durch den Leiter des Lehrprojektes an der Abteilung GNT, für diese Datenbank konzeptionell aufbereitet.

Diese Basisdaten werden nun kontinuierlich erweitert. Anhand dieser Daten soll gezeigt werden, wie sich die Vernetzungen zwischen Daten zu historischen Ereignissen und die Entwicklung von Werkstoffen oder Produkten analysieren lässt.

Dieses Vorhaben wird im Rahmen des gemeinsamen Bund-Länder- Programms für bessere Studienbedingungen und mehr Qualität in der Lehre vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 01PL16005 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

Neben den klassischen interaktiven Abfragen nach einem Suchwert und der Ausgabe relevanter Ergebnisse gibt es drei wesentlich komplexere Varianten der Datenselektion und letztlich derer Darstellung und Analyse.

Transiente Daten für Objekte können neben skalaren Größen auch Vektorgrößen beinhalten. Nicht immer liegen Vektorgrößen zeitlicher Daten vor. Beispielsweise bei der Definition eines Erfindungsjahres. Im Gegensatz hierzu können Zeitverläufe, wie beispielsweise bei preislichen Entwicklungen eine Rolle spielen. Wie diese Daten in einem Zeitstrahl oder sinnvollerweise auch als Diagramm eines Zeitverlaufes dargestellt werden können ist eine Anforderung an diese Datenbank.
Nachbarschaftliche Beziehungen sind die Basis für eine mögliche Vernetzungsanalyse. Aus der Zusammensetzung von Produkten oder Werkstoffen lassen sich beispielsweise nachbarschaftliche Abhängigkeiten ableiten. Die Kombinationsmöglichkeiten hierfür sind vielfältig, bis hin zur Definition einer rekursiven Verschachtelungstiefe.
Definition von Ähnlichkeiten: analog zu nachbarschaftlichen Verbindungen lässt sich schwer definieren welches Objekt welc HEW ähnlich ist und somit als Nachbar in Frage kommen könnte. Beispiel: Es gibt einen Werkstoff Stahl mit Eigenschaften X, einen Stahl mit Eigenschaften Y, einen mit Z. Alle bestehen aus chemischen Elementen deren Verteilung eine Ähnlichkeit, bzw. eine Nachbarschaft definieren kann. Beispiel 2: Die Ähnlichkeit kann auch über eine Festigkeit oder Duktilität definiert werden. So kommt als Ersatz für X eher Y in Frage wenn Z hier weiter entfernt ist. Vor diesem Hintergrund lassen sich Verbindungen und Kräfte zwischen ihnen definieren und einer Analyse und Visualisierung zuführen.

1.1 Was erwartet mich hier:

Als Historiker interessiert mich, welche historischen Randbedingungen (beispielsweise Kriege) möglicherweise zu Innovationen und neuen Produkten geführt haben. Hier wäre eine zeitliche Häufung von Produkten zu verzeichnen, die einen gewissen Wert besitzen. Besonders interessant ist die Begrifflichkeit „Wert“ in diesem Beispiel. Hier lassen sich rein monetäre Werte von volkswirtschaftlichen Interessen unterscheiden, was in Zeiten von Kriegen, in denen letztlich Geld kaum eine Rolle spielt, zu anderen Innovationstreibern führt als in Friedenszeiten.
Als Betriebswirtschaftler könnte die Definition eines Produktwertes (nicht Preis) interessant sein und auch anhand darauf basierender Nachfolgeprodukte beschrieben werden. Wenn ein Produkt viele Nachfolger hat, könnte der Wert oder ggf. der Innovationsgehalt hoch sein. (bspw. Entwicklung mp3, Entwicklung Stahl statt Eisen). Es wäre demnach möglich anhand der Vernetzung und historischen Entwicklung von Produkten hieraus zu lernen und neue Produkte zu generieren.
Als Volkswirtschaftler könnte man anhand solcher Bewertungen Innovationstreiber identifizieren und ggf. die wirklichen Akteure dahinter benennen. Ob Wernher von Braun wirklich der Vater der Raumfahrt ist, ließe sich ggf. mit Fakten zu den Einzelentwicklern der notwendigen Produkte beschreiben. Vielleicht verdient Foucault hier eher die Ehre.
Als Ingenieur hätte ich gern Auskunft über den Energiebedarf für einen bestimmten Fertigungsprozess. Hier vor allem ob dieser sich seit der Erfindung reduziert hat. Oder ob es beispielsweise Alternativen hierzu gibt. (Das heißt auch Verfahren, nicht nur Stoffe müssen auf Ähnlichkeiten hin untersuchbar sein). Dieser Ähnlichkeitsbegriff ist aber schwammig und ein Wissenschaftsgebiet für sich selbst.

1.2 Was erwarte ich als Laie von der Datenbank? (Standardsuche)

Als Laie erwarte ich etwas geführtes, bei dem ich mich durchklicken kann und Möglichkeiten für den nächsten Klick vorgegeben bekomme. Ich kenne mich mit der Struktur der Datensammlung nicht aus und möchte so schnell und einfach wie möglich ein ansprechendes Ergebnis. Die Standardabfrage ist hierfür die richtige Oberfläche.

Mit nur einem Suchbegriff erhalte ich in der Regel ein ansprechendes Ergebnis. Dies gelingt mit einer Vorselektion relevanter Sucheinstellungen. So werden beispielsweise alle Datenbanken von „Stoffe“ bis „Produkte“ nach „Namen“ oder „Beschreibungen“ durchsucht.
Die Suche erfolgt dabei schwammig. Es ist also wahrscheinlich ein Ergebnis zu erhalten, obwohl der Begriff möglicherweise nicht exakt geschrieben ist.
Ich erhalte als Ergebnis eine detaillierte Listendarstellung welche mehrdimensionale Daten enthält. Die Ausgaben sind strukturiert und je nach Kategorie separiert. Die Ausgabe von Beziehungen wird auf die Ebene der Vorgänger reduziert.
Eine Zusammenfassung zu globalen Ergebnissen in Form eines komplexen Zeitstrahls rundet die Darstellung ab.

1.3 Was erwarte ich als Experte von der Datenbank? Expertensuche

Ich kenne mich ein wenig mit der Struktur der Datenbank aus und kenne den hierarchischen Aufbau der Datentabellen. Ich weiß also, dass die Suche nach „Stoffen“ wie „Wasser“ auch die Vorgängerelemente, in diesem Fall chemische „Elemente“ beinhaltet und die Beziehung hierzu darstellt. In dieser Form lassen sich jedem Eintrag Beziehungen zu Vorgängern zuordnen und hieraus Stammbäume definieren.

Ich erwarte als Experte eine geführte Eingabe der Daten mit der Möglichkeit viele Suchkriterien selbst festlegen zu können. Es besteht die Möglichkeit zwei Suchbegriffe semantisch mit „UND“ oder „ODER“ zu Verknüpfen. Dabei lässt sich die Kategorie für jeden Begriff frei wählen und für alles eine „scharfe“ bzw. „unscharfe“ Suche erzwingen.
Der Suchumfang lässt sich durch Vorselektion begrenzen. Es macht beispielsweise Sinn nur in „Werkstoffen“ oder in „Personen“ zu suchen, wenn man sich dessen sicher ist. Ist ein Eintrag wie beispielsweise „Lehm“ unklar lässt sich hierfür natürlich auch die Suche auf „Stoffe“, „Rohstoffe“, oder „Werkstoffe“ erweitern. Die Filtermöglichkeit ermöglicht eine zeitliche Eingrenzung der Abfrage. Ist ein zeitbasierter Filter ausgewählt werden nur Einträge mit transienten Daten berücksichtigt.
Die Ergebnisdarstellung lässt sich reduzieren. Hierbei wird in „globale“ und „detaillierte“ Ergebnisse unterschieden. Die Darstellungen werden strukturiert ausgegeben und lassen sich durch einfaches Ein- und Ausklappen verändern.

1.4 Was erwarte ich als SQL Profi von der Datenbank? (Volltextsuche)

Ich kenne mich gut mit Datenbanken und „SQL“ aus. Dann hilft dieses Werkzeug dabei nahezu beliebige Abfragen zu generieren. Es lassen sich Tabellen miteinander verknüpfen, Suchanfragen beliebig filtern oder Ausgaben entsprechend als Tabelle vorbelegen.

Die Ausgaben erfolgen in der Regel in tabellarischer Form. Aber auch Listenansichten sind möglich und die Ausgaben sind so definiert, dass in der Regel jedes Ergebnis in irgendeiner Form dargestellt werden kann.
Zeitstrahlen, Netzwerkansichten oder Epochenbeschreibungen werden in der Regel möglich sein. Die Inhalte sind allerdings deutlich von der Selektion abhängig.

1.5 Grundstruktur der Datenbank

Kern des Datenbankprojektes ist die transiente (zeitliche) und auch räumliche (nachbarschaftliche Abhängigkeiten) Verknüpfung von Werkstoffdaten. Der Hintergrund dessen ist die Definition von Innovationstreibern und die historische Analyse dieser Innovationen. Für eine ganzheitliche Betrachtung dieser Art sind Verbindungen zwischen den Objekten essentiell.

Es wurde daher ein Bottom-Up-Ansatz wie folgt implementiert:

1.5.1 ELEMENT

Basis jeder Entwicklung auf diesem Gebiet sind chemische ELEMENTE. In diesem Kontext sprechen wir wirklich von chemischen Bestandteilen, die im Periodensystem systematisiert sind. Hier lassen sich Basiseigenschaften sowie transiente Daten zu geschichtlichen Entwicklungen, bspw. Entdeckungsjahr, oder Akteure (Entdecker) definieren.

1.5.2 STOFFE

Die Kombination der Elemente zu Stoffen lässt sich in dieser Ebene darstellen. Stoffe können natürlich vorkommen, wie „Wasser“ oder „Eisen“ wobei letzteres aus nur einem Element „FE“ und Wasser natürlich aus „H“ und „O“ besteht. Die Verhältnisse der Bestandteile 1:2 lassen sich hinterlegen und beschreiben somit eine gewisse Wichtung der Grundbestandteile.

1.5.3 ROHSTOFFE

Rohstoffe bestehen aus „Stoffen“ und „Elementen“ mit entsprechenden Anteilen. Rohstoffe können aber auch aus anderen Rohstoffen bestehen. So lassen sich die Strukturen hierarchisch aufbauen und Selbstreferenzierungen ermöglichen.

1.5.4 WERKSTOFFE

Werkstoffe, Verbundwerkstoffe, Bauteile, Baugruppen, Produkte, Produktgruppen etc. bauen sich in gleicher Weise auf. Dabei werden jeweils die Vorgängereigenschaften mit vererbt. Selbstreferenzierungen sind ebenfalls möglich. Prinzipiell ist somit die Analyse eines Produktes bis hin zu seinen chemischen Bestandteilen möglich. Die konsequente Vererbung der Eigenschaften mit den jeweiligen Anteilen ermöglicht die Analyse der Entwicklung von Preis, Energiebedarf etc.

1.5.5 VERFAHREN

Die Kombination der Elemente zu Werkstoffen erfolgt durch entsprechende Verfahren. Wir können diese auch Herstellungsverfahren oder offensichtlicher als Element-Kombinationsverfahren, VERBUND-ELEMENTE-VERFAHREN Für Stahl haben wir hierfür verschiedene Hochofenverfahren zur Auswahl. Je nach Kombination der Elemente entstehen verschiedene Werkstoffe. Hier lassen sich wieder transiente Effekte integrieren. Wie beispielsweise die Erfindung des Edelstahls. Für Kunststoffe ist das ähnlich. Es gibt unterschiedliche Verfahren, aus denen unterschiedliche Werkstoffe entstehen können (Beispiele: Kettenpolymerisation, Polyaddition, Polykondensation, Prepolymeren, etc.).

1.6 Detailstrukturen der Datenbank

Alle Bestandteile können unabhängig davon noch in Klassen eingeteilt werden oder eine Vielzahl von Eigenschaften haben. Ersteres benennen wir mit Werkstoffgruppen. Diese Einordnung ist für die DB-Anwendung nur eine Randinformation, bzw. eine Eigenschaft des Werkstoffes und keine hierarchische Einordnung wie üblich. (Für Kunststoffe wäre ein Beispiel die Einteilung in: Thermoplast, Duroplast, Elastomere) Eine weitere Klassifizierung lässt sich nach chemischen Eigenschaften wie folgt definieren: natürliche makromolekulare Stoffe, Derivate von natürlichen makromolekularen, synthetische makromolekulare Stoffe, Derivate von synthetischen Polymeren
Wesentlicher sind aber die Eigenschaften der Werkstoffe. Sie reichen von historischen Eigenschaften (Erfinder, Erfindungsjahr) über mechanische Eigenschaften, chemische Eigenschaften, ökologische Eigenschaften (C02 und Co.), wirtschaftlichen Eigenschaften (Preis und Co).
Hier wäre beispielsweise eine Abfrage denkbar, die eine Energiebilanz für einen Werkstoff die Kosten entgegenstellt oder, falls diese Daten transient eingepflegt werden, eine Preisentwicklung für einen Werkstoff, bzw. eine Entwicklung des CO2 Ausstoßes, oder aber auch eine Bewertung nach Festigkeit und Energieaufwand

Mit diesen zwei zusätzlichen Ebenen haben wir beispielsweise einen erweiterten Werkstoffbegriff definiert. Ebene 4 und 5 sind nachfolgend quasi fakultativ. Wir gelangen nun zur Definition eines Produktes.

1.6.1 VERFAHREN

Die Kombination erfolgt wieder durch Herstellungsverfahren oder Produktionsverfahren, besser: PRODUKTE-VERFAHREN. Hier kommen Tätigkeiten ins Spiel wie Schweißen, Bohren, Lackieren, Erodieren, Mischen.
Diese Verfahren können natürlich wieder klassifiziert werden wie Schweißverfahren, Mischverfahren, Klebverfahren, Fügeverfahren. Sie können Erfinder haben oder transiente Eigenschaften wie Preise, Mengen etc.
In die Produktionsverfahren können ELEMENTE, WERKSTOFFE, und auch andere PRODUKTE einfließen. Produkte können somit auch als Kombination von Produkten betrachtet werden.

1.6.2 PRODUKT

Die Kombination von „Werkstoffen“, „Verbundwerkstoffen“ oder von Einzelelementen wie „Stoffe“, „Rohstoffe“, oder andere „Produkte“ führt zur Erzeugung von Produkten. Dieses hat erneut Eigenschaften wie Preis und Co. Es besteht aus 4 verschiedenen Arten von Vorgängerelementen die beliebig kombiniert werden können. Es wäre denkbar zumindest einen prozentualen Anteil je Stoff als Eigenschaft zu hinterlegen. Andere Eigenschaften sind natürlich sinnvoll, wie Erfinderjahr, Erfinder, Hersteller, Produktionsmenge pro Jahr etc.