Forschungsschwerpunkte des Institut für Bau- und Landmaschinentechnik (Bild: Phillip Müller)

Forschung am Institut für Bau- und Landmaschinentechnik

Sowohl in der Land- und Forstwirtschaft als auch in der Bauwirtschaft steht die Wirtschaftlichkeit im Mittelpunkt und schränkt dadurch die Gestaltungsmöglichkeiten häufig stark ein. Gleichzeitig rücken Nachhaltigkeitsaspekte immer mehr in den Fokus: Gesellschaft und Politik fordern zunehmend eine Reduktion der Treibhausgasemissionen sowie einen schonenden Umgang mit Ressourcen. Auch im Bereich der Mobilen Arbeitsmaschinen ist daher die Steigerung der Effizienz von der Produktion der Fahrzeuge, Werkzeuge und Geräte über den Einsatz bis über die Außerbetriebnahme und Verwertung notwendig.

Die Weiterenwicklung in den Branchen der Mobilen Arbeitsmaschinen wird in den nächsten Jahrzehnten maßgeblich durch die Entwicklung von "Vernetzten autonomen Maschinensystemen", "Energieeffiziente Arbeitsprozesse verknüpft mit energieeffizienten Maschinenfunktionen" und "Assistenzsysteme bei Arbeitsprozessen und Maschinenfunktionen für mobile Arbeitsmaschinen" bestimmt. Gleichzeitig spielen die "zirkuläre Wertschöpfung in der Entwicklung und Fertigung"  sowie "Betreibermodelle als Gesamtlösung für Dienstleistungskonzepte (bspw. Pay-per-Use)" zunehmend eine wichtige Rolle.

Die TH Köln und das Institut für Bau- und Landmaschinentechnik gestalten diese Bereiche weiterhin maßgeblich und zukunftsweisend durch praxisnahe, angewandte Forschung sowie durch intensive Verknüpfung von Forschung und Lehre mit.

Forschungsschwerpunkte am Institut für Bau- und Landmaschinentechnik

Vernetzte autonome Maschinensysteme bei Arbeitsprozessen von mobilen Arbeitsmaschinen

Mehr Produktivität, bessere Energieeffizienz und höchste Sicherheitsstandards sind im Zuge der Industrie 4.0 die wesentlichen Anforderungen an mobile Arbeitsmaschinen. Die extremen und wechselnden Wetterbedingungen sowie Stöße und Schmutz stellen Entwickler und Anwender von Beginn an vor enorme Herausforderungen: neben einer größtmöglichen Robustheit müssen mobile Arbeitsmaschinen auch einfach und sicher in der Anwendung sein. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, bedarf es einer ganzheitlichen Betrachtung und Optimierung aller an der Wertschöpfung beteiligten Akteure und Prozesse. Die Steigerung von Produktivität und Effizienz unter gleichzeitiger Beachtung von immer strenger werden gesetzlichen Rahmenbedingungen hinsichtlich Umweltschutz und Arbeitsbelastung erfordert neue, innovative Lösungen auch aus den Bereichen Digitalisierung und Vernetzung. Automatisierungsprozesse sind bereits heute Bestandteil vieler Mobiler Arbeitsmaschinen: Zukünftig werden Bau- und Landmaschinen (teil-) autonom agieren und miteinander vernetzt sein. Cloudbasierte Datenverarbeitung, -verwaltung und -austausch finden genauso ihren Weg in mobile Arbeitsmaschinen wie auf künstlicher Intelligenz basierende automatisierte Arbeitsfunktionen. Ziel dabei ist es, die Anwendung zu erleichtern und gleichzeitig die Produktivität zu steigern.

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EnGie-Hacker: Im finalen Test hat sich gezeigt, dass durch den Hybrid-Antrieb im Vergleich zu einem herkömmlichen Modell 20 Prozent Diesel gespart werden kann (Bild: TH Köln)

Energieeffiziente Arbeitsprozesse verknüpft mit energieeffizienten Maschinenfunktionen

Was bei Haushaltsgeräten wie Kühlschränken und Waschmaschinen und PKW heute schon Standard ist, könnten zukünftig auch bei mobilen Arbeitsmaschinen verstärkt gefordert werden: Energieeffizienzausweise als Nachweis für die Verbesserung der Energieffizienz. Das Institut für Bau- und Landmaschinentechnik hat sich unter anderem zum Ziel gesetzt, eine umfassende Methodik, welche die Energieeffizienz von mobilen Arbeitsmaschinen bewertet, zu entwickeln und die daraus gewonnenen Erkenntnisse in die Entwicklung von energieffizienten Arbeitsprozessen und Maschinenfunktionen einfließen zu lassen. Notwendig ist dies, da gerade mobile Arbeitsmaschinen im Gegensatz zu PKW oder Haushaltsgeräten häufig mit verschiedenen Anbaugeräten bestückt sind und somit für unterschiedlichste Anwendungszwecke ausgerüstet werden können. Bearbeitet werden in der Regel inhomogene Materialien (z.B. Boden, Mähgut, Schnittgut, Baustoffe, Ernteprodukte, etc.) unter zum Teil stark variierenden Arbeitsbedingungen. Für eine höhere Gesamteffizienz sind daher verschiedene Aspekte von der Effizienz einzelner Arbeitsschritte und Maschinen bis hin zu Prozess- und Ressourceneffizienz zu optimieren.

Neben der Steigerung von Maschinen-, Prozess- und Anwendereffizienz beschäftigt sich das IBL ebenfalls mit alternativen Antriebskonzepten, Elektrifizierung und dem Einsatz von Biofuels. Ein im Rahmen des Forschungsprojektes EnGie-Hacker auf Hybrid-Antrieb umgerüsteter Holzhacker konnte im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen 20 % Kraftstoff einsparen und gleichzeitig eine gesteigerte Arbeitsleistung vorweisen.

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Assistenzsysteme bei Arbeitsprozessen und Maschinenfunktionen für mobile Arbeitsmaschinen

Voraussetzung zur Entwicklung moderner mobiler Arbeitsmaschinen wie zum Beispiel Bau- und Landmaschinen ist die Kenntnis der maschinenbaulichen Maschinenfunktionen mit ihren Abhängigkeiten von betriebs- und konstruktionstechnischen Parametern. Aufgrund dieser Kenntnisse ist es möglich, Grundfunktionen mobiler Arbeitsmaschinen und ihrer Werkzeuge mit Prozessdaten zu kombinieren und zu verknüpfen, sodass neben einer Steigerung der Prozesseffizienz auch die Autonomisierung und Automatisierung über Assistenzsysteme möglich wird.

Mobile Arbeitsmaschinen kennzeichnen sich zukünftig u.a. durch

• Assistenzsysteme und Subsysteme, die zunehmend Überwachungs- und Einstellaufgaben übernehmen. Dabei werden neben dem Gesamtprozess auch Teilprozesse optimiert, weshalb aufgrund der hohen Komplexität und eventueller Wechselwirkungen zwischen Teilprozessen und Subsystemen selbstlernende Systeme und künstliche Intelligenz zum Einsatz kommen
• Diagnostik zur Zustandsüberwachung (condition monitoring): Damit eine mobile Arbeitsmaschine wirtschaftlich genutzt werden kann, müssen die Ausfallzeiten möglichst klein und die Einsatzzeit möglichst hoch sein. Sich noch in der Entwicklung befindende Systeme zur Online-Überwachung des Maschinenzustandes zum Schutz vor ungeplantem Maschinenausfall können zukünftig u.a. auch durch die Verknüpfung von Maschine, Anwender und Servicepartner dazu beitragen, die Ausfallzeiten zu minimieren.
• Vorausschauende Wartungsstrategien (predictive maintenance) erlaubt Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen in Abhängigkeit von Nutzungsart und -umfang selbstständig anhand von Zustandsgrößen zu planen. Planung und Abwicklung geschehen automatisiert abgestimmt mit dem Servicepartner in einsatzfreien Zeitfenstern und somit ohne Einbußen bei der Einsatzdauer. Auch diese Entwicklung soll durch entsprechende Forschungsarbeiten bis zur Anwendungsreife mitentwickelt werden.
• Develompent by Data: Aus der Datenbasis zu Einsatzverhalten, Maschinenzustand, regionalen Spezifika uvm. kann durch Aufbereitung und Analyse der Daten (Big Data) die Weiterentwicklung von mobilen Arbeitsmaschinen aufgrund einer umfangreichen und breiten Datenbasis optimiert werden.
• Mensch-Maschine-Schnittstelle: Anwender mobiler Arbeitsmaschinen müssen intuitiv über Prozesse und deren Kenngrößen informiert werden. Bei der Arbeitsplatzgestaltung muss daher nicht nur auf die Fahrzeug- und Maschinenkategorie eingegangen werden, sondern auch auf den Grad der Automatisierung und Autonomisierung sowie die Nutzungsart. Virtuelle Terminals und Head-Up-Displays finden zunehmend Verwendung in mobilen Arbeitsmaschinen. Ergänzend dazu sind Schulungssysteme zur Bedienungseinweisung in komplexe Maschinensysteme in die künftige Entwicklung der Arbeitsplätze ebenfalls miteinzubeziehen.
• Sicherheitsüberwachung sowie Datensicherheit und Übertragungssicherheit: Bei automatisierten Abläufen sind Überwachungen notwendig, um die Maschinenfunktion und Prozesssicherheit zu gewährleisten. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass gesammelte Prozessdaten nicht an Dritte gelangen.

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Punktgenaue Düngerapplikation bei der Maisaussaat (PuDaMa): Max Bouten erklärt die Technik zur Düngeapplikation an der eigens für die Feldversuche umgerüsteten Einzelkorndrillmaschine (Bild: Thilo Schmülgen)

Zirkuläre Wertschöpfung in der Entwicklung und Fertigung - Betreibermodelle als Gesamtlösung für Dienstleistungskonzepte (bspw. Pay-Per-Use)

Die Herstellung und Verwertung der Maschinen ist künftig im Rahmen des "Life-Cycle-Assessement" für Mobile Arbeitsmaschinen zu betrachten. Eine bessere Verwertungsmöglichkeit der abgenutzten und außer Dienst gestellten Maschinen kann bspw. durch Konzepte wie "Cradle-to-cradle" bereits bei der Produktgestaltung die Basis sein. Bei der Auswahl der Materialien wird beispielsweise nicht mehr nur auf Stabilität, Langlebigkeit, Gewicht und Produktionskosten geachtet, sondern auch auf die Möglichkeiten Bauteile und Materialien zu recyclen. Neue Vermarktungs- und Nutzungsstrategien wie z.B. "Pay-per-use" sowie neue Dienstleistungskonzepte werden zukünftig eine höhere Rolle spielen.

Konstruktion, Materialauswahl und neuartige Vermarktungsstrategien tragen zum Erreichen des Zieles der zirkulären Wertschöpfung bei. Dem Kreislaufgedanken folgt auch die Technik zur Kaskadennutzung von (Roh-) Stoffen und Materialien. Mineralische, metallische oder organische, biogene Stoffe werden in Arbeitsprozessen von mobilen Arbeitsmaschinen verarbeitet. Ziel ist es dabei, die eingesetzten Ressourcen möglichst effizient zu nutzen. So konnte im Rahmen des Forschungsprojektes PUDAMA (Punktgenaue Düngerapplikation bei der Maisaussaat) trotz einer Reduktion der Unterfußdüngung um 25 % ein gleichbleibender Maisertrag und damit insgesamt eine höhere Ressourcennutzungseffizienz erzielt werden.