Drohnen in der Industrie 4.0

Potenziale und zukünftige Anwendungsgebiete


Hausarbeit, 2019

32 Seiten


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1.0 Problemstellung und Fokus der Arbeit
1.1 Definition von Industrie 4.0 und Drohnen
1.2 Vision in der Smart Factory
1.3 Innovationsmarkt Drohne

2.0 Technische Grundlagen von Drohnen
2.1 Leistungsparameter und Ausstattung
2.2 Drohnen und Informationstechnik

3.0 Spezielle Anwendungen in der Industrie
3.1 Einsatz im Visual- und Analytical Monitoring
3.2 Automation in der Luft
3.3 Transport und Logistik
3.4 Praxisbeispiel anhand der Firma ZF

4.0 Erwartungen und Ausblick auf die Marktentwicklungen
4.1 Vorteile und Kosten des Drohneneinsatzes
4.2 Zukunftsvision der Industrie 4.0

5.0 Gesetzeslage zum Betrieb von Drohnen
5.1 Rechtliche Regelungen und Vorschriften

6.0 Fazit

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: DJI M200

Abbildung 2: Technik des Quadrocopter

Abbildung 3: Gimbal für die Montage mehrere Kameras an einer Drohne

Abbildung 4: Inspektion einer Hochfackel mit einer HT-8 C 180

Abbildung 5: Drohnen in der Intralogistik

Abbildung 6: Linde „Flybox“

Abbildung 7: Wachstumsprognose bis 2030

Abbildung 8: Kostenvergleich für Drohnen

1.0 Problemstellung und Fokus der Arbeit

Durch den gewerblichen Einsatz von kommerziellen Drohnen im industriellen Bereich, betritt eine komplett neuartige Technik den Markt. Während in der Vergangenheit Drohnen vorbehaltlich ihres Einsatzes in der Unterhaltungsbranche und somit in Konsummärkten dienten, wächst gegenwärtig die Anwendermöglichkeit der autonomen Flugroboter im industriellen Sektor stark an. Wachstumsmärkte der Technik werden zukünftig geprägt durch die Entwicklung der Industrie 4.0, welche ein Vorreiter bei der Entwicklung, aber auch den Anwendermöglichkeiten sein wird.[1] Durch die zunehmende Automatisierung und Digitalisierung der Produktionsabläufe und die Verknüpfung von Kommunikativen Systemen in der Industrie 4.0, ist der Einsatz von autonomen Systemen die sich kontinuierlich weiterentwickeln ein prägnantes Thema, speziell um die Wettbewerbsfähigkeit und Effizienz im eigenen Unternehmen fortlaufend zu verbessern und auszubauen.[2]

Zielsetzung

Die folgende Studienarbeit beschäftigt sich mit den Potenzialen die durch den Einsatz der neuen Technologie „Flug-Drohne“ in der Industrie entstehen, insbesondere in welchen zukünftigen Anwendungsgebieten sie ihre Einsatzmöglichkeiten findet.

Ziel dieser Arbeit ist es einen umfangreichen Überblick über Art und Weise des Einsatzraumes zu bekommen und Vorteile der Integration von Flug-Coptern in die Industrie von Morgen aufzuzeigen.

Herangehensweise

Im Laufe dieser Arbeit werden Grundbegriffe der Drohne sowie der Industrie 4.0 erläutert, der Aufbau und die Leistungsparameter werden vorgestellt und entstehende Zusammenhänge mit der Infrastruktur dargestellt. Es werden Anwendungsszenarien sowie Praxisbeispiele für die vierte industrielle Revolution verdeutlicht. Darüber hinaus werden technische und gesetzliche Hürden betrachtet und einen Überblick über die Marktentwicklung sowie Vorteile des Einsatzes der autonomen Flugroboter vorgestellt. Abschließend wird noch ein Resümee des behandelten Themas gezogen.

1.1 Definition von Industrie 4.0 und Drohnen

Die Bezeichnung Industrie 4.0 die sich immer mehr in den Produktionsstätten der größenübergreifenden Unternehmen verbreitet, wird auch als die Digitalisierung der industriellen Produktion bezeichnet. Der zunehmende Einsatz von digitalen Technologien und die Vernetzung dieser Systeme ist nur ein Beispiel der industriellen Entwicklung, dass sich in den verschiedenen Sektoren wie Fahrzeugbau, Maschinenbau aber auch beim Transportwesen in prägender Form ausgestaltet.

Die Vernetzung und Selbststeuerung sind ein wesentlicher Aspekt dieser Technologie. Bauteile, Roboter oder Maschinen werden in ferner Zukunft immer mehr mit eigenständigen Sensoren ausgestattet, sodass eine unabhängige Kommunikation zwischen den Maschinen permanent abläuft.

Die Kommunikation verläuft jedoch nicht nur innerhalb des jeweiligen Firmengeländes, sie geht weit darüber hinaus und verknüpft sich mit weiteren Systemen um die Produktion, Vertrieb, Entwicklung und den Kunden in die vernetzte Welt der Digitalisierung einzubeziehen.

Die Intelligenten Steuerungen der Maschinen und Produktionsanlagen arbeiten selbstständig an Abläufen, um somit eigenständig z.B. einen Warenmangel zu erkennen und den Lieferanten über einen Bedarf zu informieren. Die Fabriken der Zukunft werden somit immer mehr automatisiert und es findet eine dezentrale Selbstoptimierung statt.[3]

Die Produktion wird stärker mit den Informations- und Kommunikationstechniken vernetzt, was die technische Grundlage der Industrie 4.0 bildet.

Mit dieser selbstorgansierten Produktion soll ermöglicht werden, das Mensch, Maschine, Anlage und Produkte sowie die Logistik mehr kooperieren und miteinander kommunizieren. Durch dieses Zusammenspiel der einzelnen Systeme soll nicht nur ein einzelner Produktionsschritt optimiert werden, sondern es wird versucht die ganze Wertschöpfungskette eines Produktes mit einzubeziehen und zu nutzen.[4]

Als Drohnen werden alle unbemannten Luftfahrzeuge bezeichnet, die entweder von einem Menschen ferngesteuert oder von einem externen Computersystem teil- oder vollautonom kontrolliert werden. Sogenannte Flugdrohnen werden auch als „Unmanned Aerial Vehicle“ (UAV) bezeichnet. Diese finden momentan im wirtschaftlichen, privaten, und militärischen, aber auch im industriellen Bereich ihren Einsatz. Sie werden auch häufig als singulare Maschinen bezeichnet, da sie lediglich mit einem Kontroll-System verbunden sind.

Die Hauptmerkmale oder Funktionen einer Drohne im wirtschaftlichen wie auch im privaten Bereich, sind die Steuerung mittels Fernbedienung oder Smartphone. Mittlerweile sind auch Anbauteile verschiedenster Art möglich. Durch die Ausstattung einer Kamera in verschiedenen Auflösungsvarianten liefert sie Video- und Bildmaterial auf das Display des jeweiligen Steuerungssystems. Dies ermöglicht eine Bedienung über das Sichtfeld und sogar darüber hinaus.

Durch seine verbauten Rotoren ermöglicht es der Drohne in der Luft zu verharren und anspruchsvolle Manöver zu bewältigen.[5]

Abb.1: DJI M200, Quelle: Computer-Bild, URL: https://www.computerbild.de/artikel/cb-News-Sport-DJI-M200-Industrie-Drohne-17432137.html, Veröffentlicht am 26.03.19 (Abb. 1 wurde von der Redaktion aus urheberrechtlichen Gründen entfernt).

1.2 Vision in der Smart Factory

Automatisierte Fabriken werden auch als „Smart Factory“ bezeichnet und symbolisieren die autonome Vernetzung der Produktionsprozesse und deren eigenständiges Handeln.[6] Die Vernetzung und Digitalisierung von Produkten und Maschinen durch das Internet bilden den Kern der „Smart Factory“.[7]

Die Grundlage dafür liefern Cyber-Physische-Systeme (CPS) die eine Produktionsumgebung zur Verfügung stellen, die auch ohne menschliches Eingreifen agiert. Die Produktionsumgebung soll sich selbst organisieren, dazu zählen Fertigungsanlagen und Logistiksysteme. Diese Vernetzung zwischen Mensch und Maschine liefert die jeweiligen Informationen für die Smart-Factory.

Die Informationen dienen zur Steuerung der Produktionsabläufe um das gewünschte Ergebnis umzusetzen. Diese Kommunikationsgrundlage basiert auf dem „Internet of Things“ (IoT) welches die drahtlose Kommunikation zwischen Produkten und Anlagen liefert und davon autonom Tätigkeiten ableitet und durchführt.

Innerhalb der Factory muss eine interne und externe Vernetzung geschaffen werden, damit die Fertigungsanlagen die Produktionsabläufe schnell und flexibel anpassen und ein autonomer Ablauf gewährleistet werden kann. Zur Vermittlung dieser Informationen benötigen die CPS, Schnittstellen zwischen der Hardware und der Factory.

Für diese Schnittstellen werden Sensor, Prozessor und Funktechnik verwendet, die Datenmengen erfassen und auf einem Big-Data Umfeld implementieren, was eine schnelle Zugriffszeit und performante Datenverarbeitung ermöglicht.[8] Durch den Einsatz in moderne Technologien ist somit auch der Einsatz von Drohnen in den Werkshallen der Smart Factories heute schon Realität geworden um schnell und zuverlässig Aufträge zu erledigen.[9]

1.3 Innovationsmarkt Drohne

Das Hamburger Beratungsunternehmen „Drone Industry Insights DRONEII“ listete in seiner „Drone Market Environment Logo List 2016“, 711 Unternehmen die sich mit dem Thema Drohnen beschäftigen.[10]

- 210 Plattformhersteller
- 143 Serviceanbieter
- 12 Hersteller von Komponenten und Systemen
- 69 Universitäten und Instituten
- 53 Software Hersteller
- 7 Anwendungsvereinigungen und Netzwerke usw.

Nur ein Jahr später enthielt diese Liste bereits 1000 Unternehmen.[11] Der bisherige Marktführer DJI aus China begann zunächst mit Spielzeugdrohnen, die sich daraufhin im Bereich funktionaler Film- und Fotofunktionen weiterentwickelten.

Da mit dem gewerblichen Anwender aus dem öffentlichen Sektor nicht das gewünschte Ergebnis erzielt wurde, fokussierten sich die Hersteller immer mehr auf den Bereich der Industriedrohnen. Die Spezifikationen für den Industriebereich wurden immer stärker ausgeweitet, um somit den Anforderungen von witterungsbeständigen Drohnen mit langen Flugzeiten, schweren Nutzlasten sowie schnellem Aufbau gerecht zu werden. Dadurch wird der Markt für Drohnen ständig erweitert, da er sich durch die Dynamik und Anforderungen der Kunden stetig weiterentwickelt.

Nach ersten Prognosen der Europäischen Kommission entstehen durch diesen Markt etwa 150.000 neue Arbeitsplätze, hinzukommen Arbeitsplätze für Industriedrohnen sowie für Drohnenpiloten. Durch immer höhere Erwartungen und Anforderungen der Anwender sorgt dies für einen ständigen Innovationsschub in dieser Branche. Nach Schätzungen des statistischen Bundesamtes wurden 2017 weltweit bereits über 3,5 Millionen kommerzielle Drohnen verkauft.[12]

2.0 Technische Grundlagen von Drohnen

Der Aufbau von Drohnen und die verwendete Technik besteht nur aus wesentlichen Komponenten, die sich nur geringfügig von denen eines Helikopters unterscheiden. Eine Drohne, auch Copter genannt, besteht aus vier oder sechs Rotoren, die von einem oder mehreren Gleichstrommotoren angetrieben werden. Die dafür benötigte Energie zur Versorgung der Motoren kommt von unterschiedlichen Batterien oder Akkumulatoren. Um die Stabilität in der Luft und Manöver aller Art zu gewährleisten, befinden sich in einer Drohne mehrere Sensoren und ein sogenannter „Flight Controller“ auf den im weiteren Verlauf noch näher eingegangen wird.

Motor und Rotoren sind ein wesentlicher Bestandteil des Flugroboters. Um das Flugverhalten des Objektes zu beeinflussen, ist es möglich die Motoren mit unterschiedlicher Drehzahl zu steuern. Über diese Einstellung der Geschwindigkeit der Rotoren ist es somit möglich die unterschiedlichen Richtungen anzusteuern. Der Abstand der Rotoren sollte identisch zueinander sein, damit ein entstehender Hebelarm vermieden wird. Ebenso sollte der Schwerpunkt des Objektes sich in der Mitte befinden. Die Drehrichtung zweier gegenüberliegende Rotoren ist immer gleich, die anderen beiden Rotoren rotieren in entgegengesetzter Richtung um erzeugte Drehmomente aufzuheben.

Der „ Flight Controller “ ist für die Stabilität in der Luft verantwortlich, er verwendet die ermittelten Daten aus den Sensoren (MEMS) um die Drehzahlen der einzelnen Rotoren anzupassen. MEMS steht für „Micro Electro Mechanical Sytem“, diese Sensoren erfassen die Daten, werten sie aus und korrigieren die Flugbahn. Um die Drehbewegungen zu bestimmen wird das sogenannte Gyroskop benötigt, welches die Ausrichtung der Drohne bestimmt.[13]

Um die benötigte Energie bereitzustellen, werden Lithium-Polymer Akkus verwendet. Diese liefern eine Kapazität von 2000-16000 mAh, welche jedoch von der Tragfähigkeit der Drohne bestimmt wird.

Über den GPS-Sensor wird garantiert, dass die Drohne nicht nur über eine Fernsteuerung gesteuert werden kann, sondern auch selbstständig über vorprogrammierte Strecken. Des Weiteren lässt sich mit diesem Bauteil die Lage des Quadrocopters erfassen.

Ein weiteres wichtiges Segment ist der Barometer, welcher zuständig ist um die Höhe des Flugobjektes zu ermitteln. Durch Kombination dieser beiden Bauteile ist es möglich vorgegebene Wegpunkte zu folgen oder abzufliegen.

Damit alle Bauteile angeordnet werden, ist das Gestell von wesentlicher Bedeutung, die Anordnung bestimmt nicht nur das Flugverhalten, dass Gewicht des Gestells ist ebenso relevant für die Leistung der Motoren sowie für die Anfälligkeit gegenüber Luftwiderständen.[14]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Technik des Quadrocopter, Quelle: Bosch, URL: https://www.faz.net/aktuell/technik-motor/technik/so-funktioniert-eine-drohne-13994459/infografik-die-technik-des-13994256.html, Veröffentlicht am 10.01.2016

2.1 Leistungsparameter und Ausstattung

Je nach Einsatz der Industriedrohnen spielen wichtige Parameter eine Rolle, um den optimalen Nutzen für die jeweiligen Bedingungen zu schaffen. Wichtige Indikatoren sind Nutzlasten, Flugzeiten, Sicherheitsparameter sowie Anbaumöglichkeiten. Je nach Industrieanwendung wird somit eine Spezifikation geschaffen, um die jeweiligen technischen Merkmale aufeinander abzustimmen und unter Berücksichtigung des wirtschaftlichen Faktors die optimale Lösung zu realisieren.

Die Flugzeit gehört zu den wichtigsten Parametern in diesem Industriezweig, sie ist abhängig vom Gewicht, seiner Energieversorgung sowie der Steuerung, Nutzlast und den Motoren. Weitere wichtige Entscheidungsparameter sind die Witterungsverhältnisse sowie die Flughöhe und somit der entstehende Aufwand, den die Drohne erbringen muss um ihre Stabilität zu gewährleisten. Bei Quadrocoptern mit einem Abfluggewicht von maximal 10 kg und einer Zuladung von 1 kg liegt die Zeit zwischen 7 und 45 Minuten, falls keine Anbauteile wie z.B. Kameras vorhanden sind.[15]

Das Abfluggewicht ist abhängig von Anbauten, Zuladung und Energieträgern, des Weiteren ist es auch für rechtliche Aspekte ein wichtiges Kriterium, da bereits bei einem Abfluggewicht von zwei Kilogramm ein Kenntnisnachweis erforderlich ist.[16]

Die Zuladung bei Industriedrohnen ohne Kamera oder Gimbal Systemen liegt momentan im Bereich zwischen ein bis zwei Kilogramm. In der Automation sind jedoch oftmals höhere Nutzlasten von Nöten, abhängig für die Last ist die Größe der Propeller.

Die Energieversorgung erfolgt bisher im größten Teil von Lithium-Polymer und Lithium-Ionen-Batterien, bei Industriedrohnen ist das Li-Po-Akkupaar das führende Design. Diese sind gut zu transportieren, schnell aufladbar sowie preislich erschwinglich. Die Ladezeit beträgt pro Akku zwischen 20 und 30 Minuten und wird von einigen Anbietern bereits als Serviceleistung angeboten.

Für die Funkreichweite und Steuerung sind die Frequenzen und Stärken von wesentlicher Bedeutung. Hier wird zwischen der Reichweite der Steuerung und der zur Übertragung des Bild- und Videomaterials zurückzulegende Strecke unterschieden. Für diese Übertragung wird oftmals eine Frequenz von 2,4 GHz oder 5,8 GHz auf dem ISM-Band verwendet. Diese ist abhängig von der jeweiligen Anwendung. Die Funkreichweite wird von der Ausrichtung der Antennen sowie von externen Störfaktoren wie z.B. elektronischen Komponenten beeinflusst. Die Übertragung auf dem Bildschirm erfolgt im Live View Modus, dass bedeutet das die Bilder oder Videos in Echtzeit dargestellt werden.[17]

[...]


[1] Vgl. Die Industrie Drohne

[2] Vgl. IT-Production (2017)

[3] Vgl. WFB-Bremen (2018)

[4] Vgl. Plattform-I40 (2016)

[5] Vgl. Wirtschaftslexikon-Gabler (2019)

[6] Vgl. WFB-Bremen (2018a)

[7] Vgl. MediaDaimler

[8] Vgl. Bigdata-Insider (2017)

[9] Vgl. IT-Daily (2018)

[10] DRONEII (2017)

[11] Vgl. DRONEII (2018)

[12] Vgl. Statista (2018)

[13] Vgl. FAZ (2016)

[14] Vgl. Drohne-kaufen.net

[15] Vgl. DRONEII (2017a)

[16] Vgl. Drohnen (2017)

[17] Vgl. Die Industrie Drohne (2018)

Ende der Leseprobe aus 32 Seiten

Details

Titel
Drohnen in der Industrie 4.0
Untertitel
Potenziale und zukünftige Anwendungsgebiete
Hochschule
Hochschule Mannheim
Autor
Jahr
2019
Seiten
32
Katalognummer
V511514
ISBN (eBook)
9783346083364
ISBN (Buch)
9783346083371
Sprache
Deutsch
Schlagworte
potenziale, anwendungsgebiete, drohnen, industrie
Arbeit zitieren
Tobias Kressl (Autor:in), 2019, Drohnen in der Industrie 4.0, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/511514

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