Lebensrettende Drohnen – konstruiert mit CAD-Software

Geboren wurde die Idee lebensrettender Flugdrohnen, die medizinische Güter in bislang unzugängliche Gebiete transportieren, während eines Besuchs in Tansania. Ein Forscher des Ifakara Health Institute zeigte Keenan Wryobek die lange Liste von Fällen, in denen Ärzten des Landes wichtige Medikamente für die Behandlung ihrer Patienten fehlten.

Wryobek, der später Zipline International Inc. mitgründete, erfuhr so aus erster Hand, dass die Versorgung mit Medizinprodukten in Tansania auch nicht annähernd mit der Situation in den USA vergleichbar ist, und dass fehlende Blutkonserven in Tansania zum Tod von Patienten führen. Selbst so gängige Medikamente wie topische Antibiotika für Patienten mit Schnittwunden sind dort oft nicht verfügbar.

Besonders das Schicksal eines Jugendlichen bewegte Wyrobek sehr: Eine kleinere Schnittwunde am Arm des jungen Mannes infizierte sich nach einigen Tagen, da er das benötigte Antibiotikum nicht rechtzeitig erhielt. Bei sofortiger Behandlung wäre die Wunde in kürzester Zeit verheilt. So aber breitete sich die Infektion weiter aus, bis schließlich ein Teil des Arms amputiert werden musste.

„Mit einer Blutspende kann der Arzt einer Frau, die bei der Geburt ihres Kindes viel Blut verloren hat, relativ leicht helfen“, sagt Wryobek, mittlerweile Leiter Produkt und Engineering bei Zipline. „Aber wenn er nicht über die benötigte Blutkonserve verfügt, dann ist so was tödlich.“

„In meiner beruflichen Laufbahn habe ich an einigen recht wichtigen Projekten gearbeitet, deren Skalierung nie richtig gelang. Es gab aber auch etliche Projekte, die völlig unbedeutend waren, sich aber dennoch wie verrückt verkauften. Was ich suchte, war ein sinnvolles Produkt, das sich skalieren lässt“, sagt Wryobek.

2016 war es soweit: Zipline entwickelte und produzierte zuverlässige Drohnen mit hoher Reichweite und Präzision und baute mit ihnen in Ruanda, einem Binnenland in Ostafrika, ein Liefersystem für medizinische Güter auf.

„Unser erstes Flug-Logistik-System wurde zugleich das erste ausschließlich mit Drohnen betriebene Zustellsystem der Welt“, sagt Zipline CEO Keller Rinaudo. „Und es rettet in Ruanda täglich Menschenleben!“ Seitdem der Service in Ruanda an den Start gegangen ist, haben die Flugdrohnen von Zipline schon mehr als 7.000 Flüge absolviert dabei über 13.000 Blutkonserven ausgeliefert, darunter tausende auf lebensrettender Mission.

Mit über 100 Stundenkilometern kommen die Medizinprodukte schneller ans Ziel als mit jedem anderen Verkehrsmittel – und das ganz ohne Pilot an Bord. Die Drohnen haben einen Service-Radius von 80 Kilometern und können bis zu 1,75 Kilo Last aufnehmen. Nach weniger als 30 Minuten landen die bestellten Medikamente an einem Fallschirm sanft im festgelegten Gebiet, das der Größe mehrerer Parkplätze entspricht.

„Die Herausforderung für uns ist, ein Flugzeug herzustellen, das bei jedem Wetter zuverlässig seine Flugstrecke absolviert und dabei auch mit unvorhergesehenen Widrigkeiten klarkommt“, so Wryobek.

Ohne Digitalisierung geht bei Zipline nichts, wenn es an die Konstruktion der Flugdrohnen geht. In den Anfangsjahren setzte das Unternehmen ein preisgünstiges System für Computer-aided-Design (CAD) ein. Doch schnell wurden die Einschränkungen spürbar, als es um die Umsetzung in die Praxis ging. Die Ingenieure brauchten eine Lösung mit zusätzlicher Funktionalität, mit der bestimmte Aufgaben automatisiert und die Interaktion mit der CAD-Datenbank möglich wurde. Außerdem sollte die neue Lösung spezielle Add-ons umfassen.

„Ich habe alles darangesetzt, Zipline von NX zu überzeugen“, erinnert sich Scott Parker, Maschinenbauingenieur bei Zipline. „Bei Flugobjekten wie den unsrigen ist es zum Beispiel sehr wichtig, dass jedes Bauteil zum Rest passt. Mit dem früheren CAD-System brauchten wir Stunden für die erforderlichen Prüfungen. Mit NX lädt man die Daten einfach hoch. Alles ist schnell und Fehler sind ausgeschlossen.“

Als das Team von drei Ingenieuren zu einem neunköpfigen Team anwuchs, „mussten gleichzeitig mehrere Leute an der Drohne arbeiten“, sagt Paul Perry, Maschinenbauingenieur bei Zipline.

„Das Flugzeug bring viele Disziplinen zusammen: Elektrotechnik, Maschinenbau, Fertigungstechnik und natürlich Luftfahrttechnik”, sagt Wryobek. „NX ist ein leistungsfähiges Tool, das alle diese Disziplinen vereint.“

Mit der CAD-Software können die Ingenieure von Zipline auch ermitteln, an welchen Stellen des Flugzeugs hochwertiges Material aus der Luftfahrt eingesetzt werden muss und an welchen Stellen mit Plastik oder Schaumstoff die gleiche strukturelle Integrität und die gleiche mechanische Funktion erzielt werden kann – zu deutlich niedrigeren Kosten und bei geringerem Gewicht.

Angesichts des hohen Gewichts der auszuliefernden Medizinprodukte sind Gewichtsprüfungen sehr wichtig. Jedes Kilogramm weniger erhöht die Reichweite des Flugzeugs um fünf Prozent. Mit NX Journal kann Zipline eine spezifische Bottom-up-Stückliste erstellen, die eine detaillierte Aufsummierung der Einzelmassen und damit eine Optimierung der Drohne ermöglicht. Das Gewicht lässt sich mit einer schnellen Dicken- oder Belastungsanalyse reduzieren, sodass Zipline weniger Iterationen und Prüfstunden benötigt, um das anvisierte Gewicht zu erreichen.

„Bei der Optimierung der Drohne stehen konstruktive und thermische Aspekte im Vordergrund“, erklärt Perry. „Da das Gewicht die wichtigste Variable für uns ist, beschäftigen wir uns vor allem mit konstruktiven Verbesserungen. So können wir das Gewicht ohne Einbußen bei Steifigkeit und Festigkeit reduzieren.“

Bevor die Drohne in die Produktion geht, durchläuft sie mehrere Simulationen. Bei diesen virtuellen Testflügen kann Zipline beispielsweise die Wärmecharakteristik des Akkus oder das thermische Verhalten der Drohne im tropischen Ruanda simulieren. 

Die Flugzeugdrohnen von Zipline sind so designt, dass sie ohne großen Aufwand gebaut werden können. „Wir vereinfachen die Montage“, sagt Sam Chaknova, Maschinenbauingenieur bei Zipline, „Die Drohnen müssen zudem sehr leicht zu warten sein. Nur so ist eine Wartung vor Ort möglich, damit die Drohnen kontinuierlich einsatzbereit sind, um Leben zu retten.“

Sein Kollege Jeremy Schwartz, Roboteringenieur bei Zipline, ergänzt: „Wenn eine unserer Drohnen in Ruanda abhebt, dann liefert sie Blut für jemanden, der es dringend benötigt. Hier in Kalifornien ermöglichen wir das mit unseren Prüfungen. Was für eine wunderbare Vorstellung, dass unsere Drohne tatsächlich das Leben eines Menschen rettet!“

März 2019