Allgemeine Entwicklung

Die Ausgangssituation für die Landwirte stellt sich im Vergleich zum Vorjahr leicht verbessert dar ist aber noch lange nicht auf dem Niveau wie vor 2019. Gestiegene Erzeugerpreise bei Getreide, Milch, Rindern und Schweinen beeinflussen die Stimmungslage positiv. Die gestiegenen Kosten für Energie und Betriebsmittel sorgen allerdings für einen verhaltenen Blick in die Zukunft. Laut des Konjunktur- und Investitionsbarometers Agrar von Dezember 2022 planen 18% der Landwirte bis zum Erntebeginn 2023 neue Maschinen und Geräte anzuschaffen [1; 2].

Nachdem im Vorjahr durch die in Deutschland produzierenden Landtechnikhersteller ein Rekordumsatz von 10,5 Mrd. € erreicht wurde ist die Landtechnikindustrie im Jahr 2022 gezeichnet von den Einschränkungen des Ukrainekriegs. Es wird vom VDMA, nach einer Korrektur der Prognose Mitte des Jahres, mit einer Umsatzsteigerung des Maschinen- und Anlagenbaus von 1% gerechnet [3]. Im ähnlichen Rahmen bewegen sich, trotz des Einbruchs bzw. Wegfalls der Absatzmärkte in Russland und der Ukraine, die Prognosen für die Landtechnik [4]. Durch gestörte Lieferketten und die generelle Kostenentwicklung ist allerdings mit Rückgängen der Gewinne zu rechnen [5; 6].

Bestimmendes Thema in der Landwirtschaft ist die EU-Agrarreform. Die bisherigen Cross Compliance und Greeningauflagen werden darin unter der "erweiterten Konditionalität" zusammengefasst und zum Teil verschärft [7]. Trotz der erneuten Verlängerung der EU Zulassung von Glyphosat ist ein Verbot, welches auch von der Bundesregierung als Ziel ausgegeben wurde, nur noch eine Frage der Zeit [8; 9]. Zudem sollen im Rahmen der "Sustainable Use Regulation" (SUR), einer geplanten EU-Verordnung zum nachhaltigen Einsatz von Pflanzenschutzmitteln die Ziele der Farm to Fork-Strategie verbindlich festgelegt werden. Die Aufwandmengen von Pflanzenschutzmitteln sollen bis zum Jahr 2030 um 50% reduziert werden [10]. Im Bereich der Bodenbearbeitung ist daher aufgrund des prognostizierten Mehraufwands zur mechanischen Beikrautregulierung mit einem zukünftig weiterhin wachsenden Markt zu rechnen.

Grundbodenbearbeitung

Im vergangenen Jahr ist im Bereich der Grundbodenbearbeitung von neuen Aufsatteldrehpflügen der 300-370 kW Klasse von Pöttinger und Amazone berichtet worden. Aktuelle Entwicklungen setzen diesen Trend in den niedrigeren Leistungsklassen fort. Pöttinger stellt den Anbaudrehpflug Servo 4000 mit 4-6 Pflugscharen vor, an dem konstruktive Änderungen an Rahmen, Anbaubock und Verstelleinrichtung vorgenommen wurden. Die Vorderfurchen- und Arbeitsbreite werden über Koppelstangen, wie in Bild 1 zu sehen, eingestellt [11].

Amazone erweitert sein Programm um den Teres 300 Anbauvolldrehpflug mit 4-6 Pflugscharen [12]. Im Vergleich zum Cayros erfolgt die Verstellung der Vorderfurchenbreite beim Terres über einen Koppelmechanismus und nicht über einen Gleitschlitten. Lemken ersetzt die Baureihe der leichten Anbaudrehpflüge EurOpal und VariOpal durch den Juwel 6 mit wahlweise 3-5 Pflugscharen [13]. Das von Grubbern und Pflügen aus höheren Klassen bekannte iQblue connect System ermöglicht die Verstellung von Betriebsparameter im Prozess und hält nun auch ab Werk Einzug in der leichten Baureihe des Herstellers.

Bild 1: Servomatic Einstellzentrum von Pöttinger [14]

Figure 1: Servomatic control center from Pöttinger [14]

Passive Bodenbearbeitungsgeräte sind nicht dafür bekannt, im Fokus der Automatisierung oder der Digitalisierung zu stehen. Doch die Einführung von Datenübertragungssystemen bietet neben der Möglichkeit, Steuerungssignale an das Gerät zu senden auch die Option, Prozessdaten, wie z.B. die Ist-Arbeitsbreite oder die Ist-Arbeitstiefe des Anbaugerätes, auszutauschen. Die Daten können innerhalb von Farm Management- und Informationssystemen (FMIS) mit anderen Daten, wie z.B. Dieselverbrauch und Zeitbedarf, zu umfassend beschreibenden Datensätzen des Arbeitsganges, zusammengeführt werden. Hier kann ein Mehrwert entstehen, dass u.a. Prozesskostenauswertungen auf Basis von Real-Daten erstellt oder über Jahre hinweg Maschinenvergleiche automatisiert durchgeführt werden können. Oftmals ist die fehlende Verfügbarkeit und Interoperabilität von Maschinendaten eine Hürde für die praktische Anwendung auf landwirtschaftlichen Betrieben [15].

Konservierende Boden- und Stoppelbearbeitung

Geräte mit Zinkenwerkzeugen

Auch der Grubber-Markt ist grundsätzlich geprägt von Modellpflege und Weiterentwicklung bestehender Geräte. Väderstad erweitert das Produktportfolio angebauter Schwergrubber um den Cultus HD mit wahlweise 4,25 m und 5,25 m Arbeitsbreite [16]. Für den Straßentransport wird der Rahmen um 90° um die Längsachse geklappt. Der Cultus HD reiht sich in die Klasse der 3-balkigen Grubber ein.

Neuere Grundlagenuntersuchungen an und mit Zinkenwerkzeugen beschäftigen sich mit der Abhängigkeit der Geometrie auf den Zugkraftbedarf und dessen Variabilität unter Labor- und Praxisbedingungen [17; 18]. Ein weiterer Forschungszweig ist die Verwendung der diskreten Elemente Methode zur virtuellen Werkzeuganalyse und -entwicklung [19]. Hier wird untersucht, wie Simulationsmodelle verschiedenste Böden abbilden können. Mit Hilfe eines neu entwickelten Messgerätes zur effizienten Parameterkalibrierung konnten bereits gute Ergebnisse erzielt werden [20].

Geräte mit Scheibenwerkzeugen

Das Institut für Bau- und Landmaschinentechnik der TH Köln stellt in einer Pressemitteilung [21] ein neuartiges Gerätesystem zur ultraflachen Stoppel-, Bodenbearbeitung und Strohkonditionierung vor. Die multifunktionalen Werkzeuge schneiden und zerkleinern Ernterückstände und arbeiten diese ganzflächig in einer Zieltiefe von 2 cm ein, siehe Bild 2. Das soll die Strohrotte begünstigen und möglichst viele Samen zum Keimen anregen. Das Konzept verspricht, im Vergleich zu anderen ultraflach arbeitenden Geräten, deutlich kleiner und leichter sein. Zusammen mit der Soil2seed GmbH & Co. KG und der Saphir Maschinenbau GmbH wird an dem Projekt gearbeitet - erste Feldtest scheinen vielversprechend zu sein.

Bild 2: Neuartiges Bodenbearbeitungsgerätesystem "Grinder" für energiesparende Strohkonditionierung und ultraflache Bodenbearbeitung [21]

Figure 2: New soil tillage implement system "grinder" for energy saving straw conditioning and ultra-shallow tillage [21]

Einen ähnlichen Anwendungsfall hat die 2017 auf der Agritechnica vorgestellte CrossCutter Disc von Väderstad. Eine gewellte Scheibe mit polygonal verlaufender Schnittkannte ermöglicht eine höhere Wirkbreite bei geringen Arbeitstiefen als einfache Scheiben. Seit 2022 wird die überarbeitete Variante CrossCutter Disc Aggressive für schwere Böden mit hohem Eindringwiderstand angeboten. Durch eine angepasste Schneidenform sollen Ernterückstände noch intensiver zerkleinert und die Arbeitstiefe von 3…5 cm sichergestellt werden [22].

Kombinierte Bodenbearbeitung

Die Konditionierung von organischen Material, wie z.B. Ernteresten, Maisstoppel oder Zwischenfrüchte, stellt hohe Anforderungen an die Prozesssicherheit von Geräte. Ziel ist das Zerschneiden und Auffasern der Organik, um eine möglichst schnelle Rotte einzuleiten und damit die Übertragung von Pilzkrankheiten einzudämmen. Gleichzeitig soll das Material oberflächennah eingemischt werden. Typischerweise werden Werkzeugzonen mit Messerwalzen, Scheiben oder Zinkenfeldern und mit Nachlaufwalzen oder Striegeln kombiniert. Verschiedene Hersteller erweiterten Ihr Angebot als Gerätelösungen (Bild 3) [23; 24] oder bieten Trägergeräte mit konfigurierbaren Werkzeuggruppen an [25].

Bild 3 : Amazone Cobra 7000-tx mit einer Kombination aus vorlaufender Messerwalze, Zinkenwerkzeugen und Nachlaufwalze [23]

Figure 3 Amazone Cobra 7000-tx with a combination of leading knife roller, tine tools and trailing roller [23]

Verfahrenskombinationen

Ein Kooperationsprojekt der Müthing GmbH & Co. KG, Güttler GmbH, FH Südwestfalen, TU Dresden und der TH Köln beschäftigte sich mit der Entwicklung eines modularen Biomasseaufbereitungs- und Bodenvermischungssystems. Hauptziel des Projektes war die Kombination von Mulchtechnik und flacher Bodenbearbeitung mit variabler Einmischintensität des gemulchten Materials sowie die pflanzenbauliche Untersuchung der Rottevorgänge von gemulchten Ernteresten. Im Gegensatz zu Verwendung beider Geräte als Front-Heck-Kombination sollte die Einmischintensität durch variable Ablage des Mulchmaterials beeinflusst werden. Im Fall der geringen Einmischung soll die Schicht aus gemulchten Ernteresten als Erosions- und Verdunstungsschutz zur Verfügung stehen.

Es wurde eine Mulcher-Versuchsmaschine mit variabler Ablageklappe und Dreipunktschnittstelle zur Kopplung einer Bodenbearbeitungseinheit entworfen. Angepasst an die Anforderungen durch das vorgelagerte Mulchgerät wurde ein kompakter 3-balkiger Versuchsgrubber mit vergrößertem Zinken- und Balkenabstand konstruiert, welcher über die Dreipunktschnittstelle am Mulcher angebracht werden kann. Die Gesamtmaschine dient als Versuchsplattform zur Durchführung pflanzenbaulicher Untersuchungen. Ergebnisse von Feldtests zeigen eine die Variation der Einmischintensität, die durch Öffnen oder Schließen der Auswurfklappe erzielt wird. Je nach Maschineneinstellung konnte der Bodenbedeckungsgrad im Bereich von 50-95% variiert werden [26; 27].

Bild 4: Funktionsprinzip (links) und Feldtest (rechts) des Kombimulchers [26]

Figure 4: Functional principle (left) and field test (right) of the combi-mulcher [26]

Hochautomatisierte Systeme in der Bodenbearbeitung - Technik und Forschung

Der Einsatz und die Verbreitung von Automatisierungs- und Robotiklösungen setzt sich im gesamten Agrarsektor nach wie vor fort. Dazu zählen Wein-, Obst- Garten- und Feldbau im gleichen Maße wie der Bereich der landwirtschaftlichen Tierhaltung. Zwar wird für den gesamten Bereich mit einem etwas geringeren Wachstum als in den Vorjahren gerechnet, von einer Trendwende kann aber nicht ausgegangen werden [28].

Die Bodenbearbeitung ist nach wie vor der Bereich in der landwirtschaftlichen Feldbearbeitung mit dem höchsten Bedarf an Zugleistung [29], damit können hier viele der bekannten Robotiklösungen nicht oder nur sehr eingeschränkt zur Anwendung kommen [30]. Lag in der Vergangenheit oft der Fokus auf der Entwicklung neuer Robotik- und hochautomatisierte Maschinenkonzepte [31 - 33], schaut man aktuell in der Bodenbearbeitung zunehmend auf die Automatisierung und Robustheit des Arbeitsprozesses. Wie in [34] und [35] beschrieben, kommen sowohl auf den Bediener als auch auf die Technik neue Aufgaben zu (Bild 5), die es so noch nicht gibt. Hier ist im Besonderen die Überwachung der hochautomatisierten Maschinen und die Kontrolle und Steuerung sowohl des Arbeitsergebnisses als auch der am Arbeitsprozess beteiligten Werkzeuge von Interesse.

Bild 5: FMIS (Farm Management Information Systeme) definieren eine neue Kontrollhierarchie im landwirtschaftlichen Betrieb und setzen Maschinen als "Aktoren" im Regelkreis des Pflanzenwachstumsprozesses ein [34]

Figure 5: Farm Management Information Systems define a new control hierarchy in farm operation and employ machines as “actuators” in the plant growth process control cycle [34]

Auf der Ebene des Arbeitsprozesses und dessen automatisierter Beurteilung und Steuerung wurden in den zurückliegenden Jahren bereits viele Lösungsansätze untersucht und veröffentlicht [35 - 40]. Die Konzepte und einzelne Versuchsmuster wurden oft von Forschungseinrichtungen entwickelt und finden bislang keinen nachhaltigen Einzug in industrielle Lösungen. Die Gründe hierfür liegen zum einen in der fehlenden Möglichkeit von Bestandstechnik aktiv und automatisiert den Arbeitsprozess auf Basis von Daten nachträglich angebauter Sensoren zu variieren, bspw. Veränderung der Drehzahl, des Eingriffswinkels oder der Arbeitstiefe. Zum anderen war bislang die Notwendigkeit nicht gegeben die Arbeitsgeräte mit Systemen zur automatisierten Erkennung des Zustandes der Einzelwerkzeuge oder einer Blockade des Arbeitsbereiches auszustatten, da diese Informationen vom Bediener des Zugfahrzeuges kontinuierlich während des Prozesses erfasst und beurteilt werden. Mit zunehmenden Grad der Automatisierung entfernt sich der Bediener immer weiter von der Maschine, was die Notwendigkeit der Entwicklung und Implementierung geeigneter Sensor-, Auswerte- und Aktuatorsysteme nach sich zieht [41 - 43].

Durch die zunehmende kontinuierliche Verbreitung von Automatisierungs- und Robotiklösungen am Markt, müssen sich auch die Hersteller von Zugfahrzeugen und Geräten der Herausforderung eines selbstständigen automatisierten Arbeitsprozesses stellen. Dies spiegelt sich u. a. auch in Untersuchungen bei LEMKEN [44] und John Deere wieder [45].

Letztere haben sich beispielsweise mit der sensorbasierten Erkennung des Bedeckungsgrades während des Arbeitsprozesses beschäftig. Als Sensor dient dabei ein Kamerasystem, welches in der Front und im Heck des Traktors montiert wurde. Über mehrere Versuchsperioden hinweg wurden Daten mit konventionellen Anbaugeräten beim Stoppelsturz aufgenommen und nachfolgend zum Training der KI‑Algorithmen genutzt. Damit kann das Arbeitsergebnis auf Grundlage von Prozessparametern erfasst, beurteilt und mit gezielter Manipulation von beeinflusst und optimiert werden. Ziel ist es, ein gleichbleibend gutes Arbeitsergebnis sicherzustellen, auch wenn die Maschinen automatisiert ihre Arbeitsaufgabe erfüllen [45; 46].

Die Überwachung des Arbeitsprozesses und der damit verbundenen Werkzeuge der Bodenbearbeitung steht bei den Untersuchungen von LEMKEN im Mittelpunkt. Es wird im Besonderen die Blockade des Werkzeugfeldes sowie die Beschädigung und der Verlust von Einzelwerkzeugen betrachtet (Bild 6). Darüber hinaus soll das Arbeitsergebnis mit Hilfe eines LiDAR-Systems überwacht werden. Im Gegensatz zu [45] wird dabei die Rauigkeit der bearbeiteten Fläche analysiert und bewertet. Je nach eingesetztem Werkzeug kann diese gezielt über Werkzeugdrehzahl, Geschwindigkeit, Arbeitstiefe u.a. verändert und optimiert werden [36; 44].

Für die Störungsbeurteilung wurde zunächst der Anwendungsfall Grubber näher untersucht. Es wurden ja nach Art der Störung unterschiedliche kontaktbehaftete und kontaktlose Sensoren untersucht. Letztlich wurde auch hier ein optisches System bestehend aus mehreren Kameras in einem Testaufbau umgesetzt [44].

Bild 6: Beispiele für Störungen an Bodenbearbeitungswerkzeugen; links: Blockade des Werkzeugfeldes; rechts: Identifikation von Verschlissenen oder Beschädigten Einzelwerkzeugen [44]

Figure 6: Examples for disturbances on tillage tools; left: blockage of the Tools; right: identification of the damaged and worn tools [44]

Wie eingangs erwähnt ist aktuell eine Zurückhaltung von Start-Up’s, Industrie und Forschung bei der Veröffentlichung neuer Maschinenkonzepte für den Bereich der Bodenbearbeitung eingetreten. Bekannte Konzepte wie selbstfahrende Traktoren, autonome Triebköpfe, Geräteträger und U-Rahmenkonzepte sind bekannt und wurden teilweise in am Markt verfügbare Lösungen überführt. Dabei hat sich gegenüber dem Konzept unterschiedlich große Änderungen ergeben, bzw. wurden teilweise neue Lösungen veröffentlicht.

Einer der bekanntesten Akteure in diesem Bereich ist AgXeed aus den Niederlanden. Bereits 2020 veröffentlichte AgXeed die erste Version seines AgBot’s mit Gleisband und einer Motorleistung von ca. 115 kW [32]. Der für einen Feldroboter sehr leistungsstarke und dabei wendige Triebkopf verfügt beispielsweise über Standard-3Punkt-Koppelpunkte im Front und Heck und erreicht damit eine hohe Kompatibilität zu Bestandstechnik (Bild 7 links). Darüber hinaus hat AgXeed bereits zwei weitere Varianten mit Radfahrwerk und geringerer Leistung vorgestellt, die ebenfalls auf Standardschnittstellen setzen und sowohl für die leichtere Bodenbearbeitung als auch für Aussaat, Pflege und dem Einsatz im Wein- und Obstbau geeignet sind (Bild 7 rechts). Für das Modell mit Gleisbandfahrwerk ist die Auslieferung ab dem Frühjahr 2023 vorgesehene. Termine für die beiden anderen Varianten sind bislang noch nicht bekannt [47; 48].

Bild 7: AgBot‘s“ von AgXeed im Feldeinsatz; links: AgBot 5.115T2 mit AMAZONE Doppelmesserwalze und Cenio 3000 Super [49]; rechts: AgBot 2.055W4 mit LEMKEN Zirkon [50]

Figure 7: AgXeed "AgBot's" during field operation; left: AgBot 5.115T2 with AMAZONE cutting rollers and Cenio 3000 Super [49]; right: AgBot 2.055W4 with LEMKEN Zirkon [50]

Zusammenfassung

Hersteller von Bodenbearbeitungsgeräten veröffentlichten 2022 eine Reihe von Weiterentwicklungen bereits bestehender Seriengeräte. Sowohl Geräte zur konventionellen, also auch der konservierenden Bodenbearbeitung haben ihren Platz im Produktportfolio. Neueste Entwicklungen beschäftigen sich neben der exakten und ultraflachen Bearbeitung auch mit der Bodenbedeckung als Verdunstungs- und Erosionsschutz. Zudem stellen neue Maschinenkonzepte durch Automatisierung und Kombination von Verfahren einen Trend dar, der auch beim Endanwender zunehmend Einzug hält. Darüber hinaus kommt der Landwirtschaft und speziell der Bodenbearbeitung eine immer größere Bedeutung bei der Vermeidung und der Reduktion von Treibhausgasen zu. In diesem Bereich gilt es für die Zukunft geeignete Verfahren zur Bindung von Treibhausgasen im Boden zu evaluieren und in Anwendung zu bringen [51].

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[41]   Huuskonen, J.; Oksanen, T.: Augmented Reality for Supervising Multirobot System in Agricultural Field Operation. IFAC-PapersOnLine 52 (2019) H. 30, S. 367-372.

[42]   Lorenz, S.: Machine operation task analysis – A deeper look into the shift of task profiles within operating agricultural cyber-physical production systems. DOI: 10.51202/9783181023952-473. In: LAND.TECHNIK AgEng 2022 The Forum for Agricultural Engineering Innovations, VDI-Berichte, Düsseldorf: VDI Verlag 2022, S. 473-484.

[43]   Ruckelshausen, A.: Robotik und Sensortechnik. Informatik Spektrum (2023).

[44]   Röttgermann, S.; Podann, G.; IJsselmuiden, J.; Tamminga, F.; van de Westeringh, N.; Jayaraj, K.; Matos, D.; Albrecht, D.: Disturbance Input Detection and Performance Monitoring for Smart Agricultural Implements. DOI: 10.51202/9783181024065-141. In: AgEng LAND.TECHNIK 2022, VDI-Berichte, Düsseldorf: VDI Verlag 2022, S. 141-148.

[45]   Schmidt, M.: AI-Based Tillage Job Quality Assessment for Advanced Machine Automation in Agriculture. DOI: 10.51202/9783181024065-567. In: AgEng LAND.TECHNIK 2022, VDI-Berichte, Düsseldorf: VDI Verlag 2022, S. 567-572.

[46]   Martin Schmidt: Beschreibung der Arbeitsaufgabe mit einer Traktor-Anbaugeräte-Kombination als Basis für die Automatisierung in der Landtechnik. LANDTECHNIK 75 (2020) H. 3, S. 161-174.

[47]   Göggerle, T.: AgXeed: Jetzt kommt der autonome Traktor auch mit Rädern statt Raupen. 2022, URL: https://​www.agrarheute.com​/​technik/​traktoren/​agxeed-​kommt-​autonome-​traktor-​raedern-​statt-​raupen-​594259, Zugriff am: 2023-01-17.

[48]   N.N.: Homepage AgXeed - We provide autonomy. URL: https://​www.agxeed.com​/​, Zugriff am: 2023-01-24.

[49]   KG, AMAZONEN-WERKE H. DREYER SE & Co: AMAZONE beteiligt sich am Start-up AgXeed. 2021, URL: https://​amazone.net​/​de/​service-​support/​fuer-​medien/​pressemeldungen/​aktuell/​amazone-​beteiligt-​sich-​am-​start-​up-​agxeed-​1091918, Zugriff am: 2023-01-17.

[50]   N.N.: Die Serco Landtechnik AG wird mit AgXeed zum Feldroboter-Spezialisten. URL: https://​www.diegruene.ch​/​artikel/​landtechnik/​die-​serco-​landtechnik-​ag-​ist-​eine-​feldroboterspezialistin-​435036, Zugriff am: 2023-01-17.

[51]   Michel, J.: EU geht ersten Schritt: Humusaufbau soll sich für Landwirte auszahlen. agrarheute (2022).

Autorendaten

Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Herlitzius ist Inhaber der Professur für Agrarsystemtechnik und Direktor des Instituts für Naturstofftechnik in der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. Dipl.-Ing. Martin Hengst, Dipl.-Ing. Sören Geißler und Dipl.-Ing. Stefan Schwede sind wissenschaftliche Mitarbeiter der Professur für Agrarsystemtechnik, Institut für Naturstofftechnik, Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden.