Optimierung bezeichnet in der Werkstofftechnik den systematischen, meist mathematisch fundierten Ansatz, Werkstoffzustände, Bauteilgeometrien oder Prozessführungen so zu wählen, dass definierte Zielfunktionen (z.B. Festigkeit, Gewicht, Kosten, Lebensdauer) unter Nebenbedingungen bestmöglich erfüllt werden.

Zentrale Elemente sind die Zielfunktion(en), häufig in Form einer Mehrziel- bzw. Mehrobjektoptimierung (z.B. Maximierung der Ermüdungsfestigkeit bei gleichzeitiger Minimierung der Masse), sowie die Nebenbedingungen, etwa fertigungstechnische Restriktionen, Werkstoffgrenzen oder normative Vorgaben. Hieraus ergeben sich hochdimensionale Optimierungsprobleme, in denen Design‑, Material- und Prozessparameter gekoppelt auftreten.

In der Werkstoff- und Prozessentwicklung werden unterschiedliche Optimierungsparadigmen eingesetzt: Gradientengestützte Methoden für stetige Designräume, evolutionäre Algorithmen und andere heuristische Verfahren für nichtkonvexe Probleme, sowie probabilistische Ansätze wie Bayes-Optimierung zur effizienten Suche in teuren, experiment- oder simulationsbasierten Designräumen.

Spezialisierte Formen sind u.a. die Topologieoptimierung zur strukturellen Auslegung, die Mikrostrukturoptimierung zur gezielten Einstellung der Gefügearchitektur und die Prozessparameteroptimierung zur Robustheits- und Qualitätssteigerung in Fertigungsprozessen (z.B. Additive Fertigung, Wärmebehandlung). Moderne Optimierungsstrategien sind häufig eng mit numerischer Simulation, Unsicherheitsquantifizierung und datengetriebenen Modellen gekoppelt und bilden das Rückgrat der virtuellen Material- und Prozessentwicklung.