De voordelen plukken:het gebruik van composieten neemt toe in landbouwmachines

Hoewel het niet het eerste transportsegment is dat de meeste mensen beschouwen als een groeiende markt voor composieten, zou landbouwapparatuur dat misschien moeten zijn en op termijn zal dat ook gebeuren. Immers, naarmate de menselijke populaties over de hele planeet toenemen, zullen er meer middelen nodig zijn om de planten en het vee te laten groeien om ons te voeden. Ondanks een eeuw van gruwelijke oorlogen en enkele belangrijke internationale plagen, slaagde de menselijke bevolking erin om in de 20e eeuw met 400 procent te groeien. De wereldbevolking van vandaag is 7,6 miljard mensen, en de Verenigde Naties (New York, N.Y., V.S.) voorspellen dat er tegen 2030 nog een miljard bij zal komen, tegen 2050 nog een, en dat tegen 2100 de wereldbevolking 11,2 miljard zal zijn. Naarmate de landbouw groeit, zal ook de markt voor apparatuur groeien.

Momenteel is de landbouwmachinesindustrie geografisch gefragmenteerd, met slechts een paar wereldwijde OEM's die bouwen met de hoogste productievolumes in de sector - en deze zijn over het algemeen nog steeds lagere volumes dan zelfs de zware vrachtwagenindustrie. Echter, een constellatie van trends - waaronder ruilverkaveling in Amerika, strengere brandstofefficiëntie- en emissienormen voor dieselaangedreven voertuigen in veel regio's, de complexe kwestie van gewichtsvermindering, grotere belangstelling voor het gebruik van ontwerpdifferentiatie als marketinginstrument, en veranderingen in de manier waarop OEM's van achterwaarts geïntegreerde machines nog steeds in metalen zitten - hebben ertoe geleid dat meer en grotere componenten zijn geconverteerd naar composieten met behulp van een breder scala aan materialen en processen. Nu die trends aan kracht winnen, is het niet moeilijk om je een tijd voor te stellen waarin landbouwapparatuur een belangrijke markt voor composieten zou kunnen worden.

Vervoer — maar dan anders

Een van de eerste dingen die u moet begrijpen over de markt voor landbouwmachines, is hoe groot maar gefragmenteerd deze is, en hoe dat van invloed is op het soort apparatuur dat in elke regio wordt geproduceerd en gebruikt.

"Regionaliteit is een interessante factor in deze markt", legt Deavron Farmer uit, global key accountmanager/landbouwmarktmanager, LyondellBasell Engineered Composites (Houston, Texas, VS). “Dankzij de consolidatie in de afgelopen vijf decennia zijn de grootste boerderijen in Noord- en Zuid-Amerika [met name in de VS, Canada, Argentinië en Brazilië] tienduizenden, zo niet honderdduizenden hectares groot, vaak met aaneengesloten velden. . Gezien de omvang van deze velden en de neiging tot monocropping [het planten van afzonderlijke gewassen op een enorm areaal], is de apparatuur groter en meer modulair geworden, zodat boeren steeds grotere stukken land efficiënt kunnen bedienen.” Hij voegt eraan toe dat dat niet per se het geval is in Europa, waar de boerderijen kleiner zijn gebleven en de apparatuur de juiste afmetingen heeft.

Aan de andere kant zijn er in ontwikkelingslanden andere drijfveren in het spel. "Kosten - die overal een probleem zijn - zijn een bijzonder gevoelige kwestie in ontwikkelingsregio's, waar apparatuur zoals een tractor ook kan dienen als gezinsvervoer naar de stad", voegt Farmer toe. "Hoewel boeren daar misschien oudere apparatuur gebruiken, escaleert de verandering zo snel dat boeren in ontwikkelingslanden misschien hele generaties apparatuur overslaan die tientallen jaren nodig had om zich in andere regio's te ontwikkelen - zoals gebeurde met consumentenelektronica." Gezien hoe geografisch gefragmenteerd de markt voor landbouwmachines is, zijn er minder kansen voor wereldwijde OEM's zoals John Deere (Deere &Co., Moline, Illinois, VS), Case New Holland (CNH Global NV, Amsterdam, Nederland) en AGCO (AGCO Corp., Duluth, Ga., VS) om wereldmodellen te creëren die het delen van onderdelen en het verlagen van kosten mogelijk maken, zoals in andere transportsegmenten wordt gedaan. Dit betekent dat wereldwijde inkoopovereenkomsten minder gebruikelijk zijn, dus fabrikanten, gieters en materiaalleveranciers moeten zich kwalificeren in elke regio waar ze willen verkopen.

Een ander verschil in deze markt is dat landbouwmachines ontworpen zijn om een ​​lange levensduur te hebben. Autofabrikanten streven tegenwoordig naar een gebruiksduur van tien jaar. Fabrikanten van commerciële vrachtwagens testen en garanderen 482.803 kilometer voor zware servicevoertuigen en 1,9 miljoen kilometer voor langeafstandsvrachtwagens - waarvan het laatste doel in slechts vijf jaar kan worden bereikt - terwijl dumptrucks, betonmixers en dergelijke gedurende meerdere decennia.

Maar zelfs in Noord-Amerika is het niets om te zien dat nog in gebruik zijnde landbouwmachines van 40, 50 of 60 jaar oud zijn. De markt voor gebruikte apparatuur is zeer actief en als gevolg daarvan zijn landbouwmachines ontworpen om lang mee te gaan. Dat wordt bemoeilijkt door het feit dat de meeste landbouwmachines hun hele leven buiten doorbrengen, constant blootgesteld aan hitte, kou, wind, vocht en UV-straling, terwijl ze worden blootgesteld aan steen, grind en stof tijdens het gebruik. De materialen die op dergelijke apparatuur worden gebruikt, moeten niet alleen corrosie- en deukbestendig zijn en goede weerseigenschappen hebben, maar ze moeten ook chemische en thermische stabiliteit bieden.

Deze machines worden routinematig blootgesteld aan alles, van koolwaterstofbrandstoffen en smeermiddelen tot meststoffen en pesticiden, waarvan vele gechloreerd of gedispergeerd zijn in lipidebases. En net als bij auto's en vrachtwagens neemt de hitte rond de motorruimte toe als gevolg van nieuwe regelgeving voor uitlaatemissies. Voeg daarbij het feit dat landbouwers lange dagen opgesloten in tractorcabines doorbrengen, wat de vraag verhoogt om lawaai, trillingen en hardheid (NVH) te verminderen en het bestuurderscomfort te verhogen. Al met al is dat een hele opgave voor elke groep materialen.

Lagere productievolumes kunnen composieten echter minder kosteneffectief maken dan traditionele materialen. Met uitzondering van kleine zitmaaiers, die in auto-achtige volumes van 350.000 per jaar kunnen worden geproduceerd, wordt de meeste apparatuur geproduceerd in de orde van grootte van enkele honderden tot enkele tientallen duizenden per jaar. Dat komt deels omdat er veel aanpassingsopties beschikbaar zijn in het nieuwe machinesegment en deels omdat een deel van de nieuwste apparatuur wordt ontworpen in grotere maten en met nieuwe functies die kosten en complexiteit toevoegen. Afhankelijk van het type uitrusting en het model kan het net zo duur zijn als de aanschaf van een nieuwe auto of zelfs een nieuw huis. De hoge kapitaalinvestering die nodig is om in de landbouw te komen en te blijven, is zelfs een van de grootste belemmeringen geworden die nieuwe boeren ervan weerhoudt om in de industrie te stappen.

Bovendien kan het lichtgewicht dat composieten bieden ten opzichte van traditionele materialen een voordeel zijn, maar gewichtsvermindering in landbouwapparatuur is een complexe kwestie. Enerzijds kan een hoog voertuiggewicht leiden tot bodemverdichting, wat de plantengroei belemmert. In bepaalde toepassingen, zoals spuitboomarmen die worden gebruikt om water en chemicaliën op velden aan te brengen, is lichtgewicht een echt voordeel. Om steeds grotere velden efficiënt te kunnen bedienen, zijn de giekarmen steeds langer geworden, waardoor er minder passages nodig zijn om een ​​veld te bestrijken. Dat betekent echter op zijn beurt dat er grotere steunconstructies nodig zijn om te voorkomen dat de armen over zulke lange overspanningen, die aan elke kant van het voertuig meer dan 15 meter kunnen bedragen, doorbuigen. Pogingen om het gewicht te verminderen — door over te schakelen van aluminium naar composieten — kunnen OEM's en boeren echt voordeel opleveren.

Aan de andere kant is lichtgewicht niet altijd gunstig, vooral als het de stabiliteit van het voertuig beïnvloedt. Voorzware maaidorsers hebben bijvoorbeeld gewicht aan de achterkant van het voertuig nodig om de achterwielen tijdens het gebruik op de grond te houden. Vandaar, distributie van gewicht is de sleutel tot het waarborgen van veiligheid en efficiëntie. Al deze factoren zorgen ervoor dat het gewicht gecompliceerd is als het gaat om landbouwmachines, en de vermindering ervan heeft lang niet de buzz die het doet in vrachtwagens, bussen en personenauto's.

Veel materialen, veel processen

Gezien de grote verscheidenheid aan afmetingen en productievolumes in landbouwmachines — van zitmaaiers en compact-utility tractoren (CUT's) tot hoosbuien en maaidorsers — wordt een verscheidenheid aan open- en gesloten-matrijsprocessen gebruikt om de meeste thermohardende composietonderdelen in dit segment te produceren , hoewel versterkte thermoplasten terrein beginnen te winnen in specifieke toepassingen. Verrassend genoeg is een van de nieuwste materialen die in landbouwmachines worden gebruikt, autoclaaf-geharde koolstofvezelversterkte epoxy prepreg voor spuitboomarmen van ruimtevaartkwaliteit. In aluminium of staal hebben deze armen zoveel draagconstructie nodig dat er praktische grenzen zijn aan hoe lang ze kunnen zijn. Door echter over te stappen op hoogwaardige, lichtgewicht koolstofvezelcomposieten, kan niet alleen de ondersteuningsstructuur worden verminderd of geëlimineerd, maar kunnen gieken ook langer worden gemaakt. 3D-printen wint ook terrein in dit segment - meestal voor gereedschappen en montagemateriaal, maar ook om sommige onderdelen op productievoertuigen te produceren.

Omdat uiterlijk, pasvorm en afwerking, evenals de consistentie van onderdelen, belangrijker worden voor OEM's en klanten, zowel voor productdifferentiatie als visuele branding, onderzoeken fabrikanten van apparatuur de bekende voordelen van kunststoffen en composieten om ontwerpvrijheid, consolidatie van onderdelen en hoge esthetiek. Kleur is een ander veelgebruikt aspect van visuele branding in dit segment via verf, gelcoat en gepigmenteerd polymeer. Sommige OEM's combineren zelfs verschillende laktexturen op hetzelfde carrosseriepaneel (bijvoorbeeld licht gestippeld plus glans) om slijtageplekken te verbergen en toch een aangename uitstraling te krijgen. Lopende werkzaamheden binnen de leveranciers zijn op zoek naar manieren om de duurzaamheid van verven en coatings te verlengen en om beide technologieën te elimineren ten gunste van films en in kleur gegoten (MIC) materialen met een hogere UV-stabiliteit.

Vergroening van composieten

Duurzaamheid - van verbeteringen in brandstofefficiëntie tot het gebruik van gerecyclede en plantaardige polymeren - is net zo belangrijk en wenselijk in de landbouw als in andere transportsegmenten. Interessant is dat biogebaseerde monomeren hier veel gemakkelijker te verkopen bleken dan in de auto-industrie. "Het is gewoon logisch voor onze klanten in de agrarische gemeenschap", legt Jay Olson uit, materiaaltechniek en technologiemanager bij John Deere, evenals merkeigenaar/raadsvoorzitter en bestuurslid van de PLASTICS Industry Association (Washington, DC, ONS). "Ze gebruiken onze apparatuur om maïs en soja te verbouwen en die grondstoffen worden vervolgens gebruikt om polymeren te maken die worden gegoten in componenten voor nieuwe apparatuur die we voor diezelfde klanten produceren."

Momenteel zijn de meest voorkomende plantaardige producten die worden gebruikt in thermohardende landbouwcomposieten soja en maïs die in onverzadigde polyesterharsen worden verwerkt voor sheet molding compound (SMC) en bulk molding compound (BMC). Rond 2000 introduceerde Ashland LLC (Columbus, Ohio, VS) Envirez 1807 biogebaseerde onverzadigde polyester (UP) hars aan compounders die het op hun beurt omzetten in SMC en het verkopen aan gieters voor onderdelen die naar de markt voor landbouwmachines gaan — voornamelijk voor gebruik in zijwandpanelen van grote maaidorsers. Het bedrijf beweert dat Envirez de eerste commercieel verkrijgbare UP-hars was die een aanzienlijk deel (18 procent) van graan afgeleid monomeer uit maïs of soja bevatte. Het polymeer wordt niet gekatalyseerd geleverd en biedt naar verluidt een uniforme verdikkingsrespons, goede overschilderbaarheid en goede oppervlakte-eigenschappen bij lage uithardingstemperatuur in SMC. Het is ook minder gevoelig voor prijsschommelingen dan polymeren die zijn afgeleid van aardoliegrondstoffen.

Een ander groen SMC-product dat de kosten en milieubelasting van verf elimineert, is een weerbestendige, structurele UP-hars die voor het eerst werd gebruikt voor zichtbare oppervlakken op ophaaldozen en nu te zien op nabehandelingsdieselpanelen (ATD) op John Deere 8000-tractoren. Arotran 805 is een UV-stabiele, in kleur gegoten (MIC) zwarte kwaliteit die gezamenlijk is ontwikkeld door Ashland en leverancier van additieven Chromaflo Technologies LLC (Ashtabula, Ohio, VS) en is geperst door Ashley Industrial Molding (Ashley, Ind. , ONS). Wanneer het wordt samengesteld tot SMC en wordt gebruikt in toepassingen zoals de ATD-panelen, helpt het de esthetiek op lange termijn te behouden, wat helpt bij het ondersteunen van hogere inruilwaarde voor tractoren.

Op de CAMX-show van 2018 werd door LyondellBasell Engineered Composites een nieuwe generatie SMC geïntroduceerd, gericht op landbouwmachines, bouw/constructie en de elektrische/elektronische markten. "Als industrie weten we dat thermohardende composieten beperkingen hebben met betrekking tot recycling aan het einde van hun levensduur", legt Mike Gruskiewicz uit, directeur technologie voor de Amerikaanse regio, LyondellBasell Engineered Composites. “Terwijl we blijven werken aan recycling, zien we veel voordelen in het opnemen van hernieuwbare en gerecyclede inhoud in de productie van SMC, en zo bijdragen aan de circulaire economie aan de voorkant van de levenscyclus. Toen we op zoek gingen naar groene oplossingen, stelden we ons als doel om geen compromissen te sluiten op het gebied van prestaties, vormbaarheid en esthetiek in vergelijking met op petroleum gebaseerde SMC's."

Het bedrijf biedt twee nieuwe duurzame SMC-producten aan, die beide brandvertragende prestaties bieden. "Premi-Glas 7001-kwaliteit produceert overschilderbare oppervlakteprofielen van klasse A, waardoor motorkappen een esthetiek krijgen die vergelijkbaar is met die van fijne auto's, en het brandvertragende aspect toevoegen voor de zware agrarische omgeving, en Premi-Glas 3501 biedt ingegoten kleur en is bedoeld voor onderdelen zoals elektrische behuizingen, beugels en behuizingen, en cabinecomponenten”, legt Gruskiewicz uit. Bovendien bevat 3501 gerecycled thermoplast om zijn duurzaamheidsvoetafdruk te versterken. In beide gevallen wordt het propyleenglycolmonomeer van de hars geproduceerd met behulp van soja of maïs en zou het eigenschappen opleveren die identiek zijn aan monomeren die zijn gemaakt van traditionele aardolieproducten. De klasse 3501 omvat postindustriële recyclaat (PIR) polyethyleentereftalaat (rPET), dat chemisch is verteerd om tereftaalzuur op te leveren en vervolgens terug heeft gereageerd in de polyesterhars. Hoewel er nog geen commerciële toepassingen zijn aangekondigd, zegt Gruskiewicz dat de soort 7001 al wordt getest voor motorkappen, maaidorserdeuren en carrosseriepanelen. "Een ander interessant gebied voor SMC zijn kleppendeksels voor grote dieselmotoren en oliecarters [pannen]", voegt hij eraan toe. “Vergeleken met vergelijkbare onderdelen van personenauto's die zijn omgebouwd van SMC naar thermoplasten, zien we veel zwaardere bedrijfsomstandigheden in ag. Op grotere motoren zijn bijvoorbeeld stijvere materialen nodig vanwege de grote overspanningen over die grotere eenheden.”

Ontmoeting van verpletterende ladingen

Een uitdaging in de sector van landbouwmachines is dat composieten hun mechanische prestaties moeten behouden onder belastingen van meer dan 9.000 kilogram. Zo heeft Tier-1-vormer Plastics Unlimited (Preston, Iowa, VS) een vormtechnologie ontwikkeld die toolless engineered composites (TEC) wordt genoemd en die is gebruikt om deurkleppen van 1,5 bij 2,1 meter te produceren die kunnen kan ladingen tot 9.072 kg dragen, voor grote maaidorsers met nominale wanden van 6,4 tot 12,7 millimeter dik. TEC combineert de hoge esthetiek en duurzaamheid van thermoplasten met de sterkte, taaiheid en maatvastheid van composieten om een ​​structuur te produceren met een Klasse A-oppervlak en een B-zijde die bijdragen aan een hoge stijfheid en sterkte-gewichtsverhouding. Het uiterlijk van de A-zijde wordt geproduceerd door een plaat MIC acrylonitril-butadieenstyreen (ABS) warm te vormen, die vervolgens wordt gebruikt voor de helft van de B-zijde van het onderdeel, hoewel voor deze grotere, complexere structuren een tweede composietgereedschap wordt gebruikt tijdens het vormingsproces. De laatste is een composiet in vacuümzakken geproduceerd met behulp van UP-hars doordrenkt met gestikte lagen van gehakte glasvezelkernen. Zowel metalen beugels als grote ribben (geproduceerd in hard polyurethaanschuim) kunnen tijdens het leggen in het composiet worden gestoken.

Het resultaat is een UV-gestabiliseerd, corrosiebestendig onderdeel met ontwerpflexibiliteit en hoge slagvastheid dat bestand is tegen afbrokkelen en barsten tegen een redelijke prijs. De A-zijde (thermoplastische laag) kan zorgen voor een korrelig of glanzend oppervlak (de laatste in effen kleuren of heldere patronen, waaronder metallic, chroom, hout, camouflage en zelfs een koolstofgaas). Deze thermoplastische laag zou een uitstekende beelddiepte bieden en is veel duurzamer dan geverfde of met gel gecoate SMC, waardoor kleine oppervlaktekrassen kunnen worden weggepolijst. De niet-verschijnende B-kant (composietlaag) is gepigmenteerd en glad. Afgezien van de hoogwaardige graan-uitbreidingsdeuren op maaidorsers, wordt het TEC-proces ook gebruikt om spatborden, zijschermen, motorkappen en voor- en achterbehuizingen te vormen voor een verscheidenheid aan kleinere recreatievoertuigen en landbouwmachines.

Wat is de toekomst van landbouwmachines? In 2016 toonde Case New Holland (CNH) op de Farm Progress Show in Boone, Iowa, VS, de eerste volledig autonome tractorconcepten in de sector die kan planten, sproeien en oogsten, en waar mensen niet langer voertuigen aan boord bedienen, maar de bestuurderloze apparatuur op afstand bedienen en bewaken via een tablet terwijl de tractor vooraf uitgestippelde geleidingsroutes aflegt. Uitgerust met camera's aan boord die realtime beelden en geavanceerde obstakeldetectie bieden, kunnen deze drone-tractoren bestuurders waarschuwen voor obstakels en andere problemen, zodat de bestuurder de beste route kan selecteren om problemen te vermijden of op te lossen. Er wordt gezegd dat de software van het systeem automatisch de meest efficiënte veldpas in kaart brengt om boeren te helpen optimaal gebruik te maken van smalle weersvensters of de klok rond te werken wanneer dat nodig is om de productiviteit te verhogen, terwijl gegevens worden verzameld om huidige gewassen te volgen en toekomstige gewassen beter te plannen. CNH zegt dat deze technologie boeren in veel delen van de wereld zal helpen die tijdens piekseizoenen moeite hebben om geschoolde arbeidskrachten te vinden. Tussenapparatuur zal waarschijnlijk machines met een cabine combineren met traditionele rijcapaciteiten en een zekere mate van automatisering.

"De landbouw is niet veranderd van zijn fundamentele doelen om de wereld te voeden, van brandstof te voorzien en te kleden", voegt Olson toe. "De technologie - inclusief alle aspecten van biotechnologie en de materialen die nodig zijn voor intelligente systeemoplossingen - is echter in een stroomversnelling geraakt om de productiviteitsuitdagingen van het voeden van een snelgroeiende bevolking het hoofd te bieden. Boeren zijn altijd rentmeesters van het land geweest, dus duurzaamheid van natuurlijke hulpbronnen is de sleutel tot ons succes als industrie, gemeenschap en wereld.”