Composiet boomarmen verlengen sproeierbereik, verhogen efficiëntie

Tegemoetkomen aan landbouwvraag. Een groeiende composiettoepassing in de landbouwmachineriemarkt is boomarmen voor zelfvoortstuwende sproeiertoestellen, gebruikt om vloeibare chemicaliën op gewassen aan te brengen. Bron | Deere & Co.

Naarmate aaneengesloten landbouwpercelen in gebieden zoals Noord-Amerika, Argentinië en Brazilië groter geworden zijn door consolidatie, en als niet-ploegen landbouw toeneemt in bepaalde geografische gebieden, willen boeren sproeiersystemen met langere boomarmen om het aantal passages te verminderen dat nodig is om steeds grotere velden te bedekken. Dit vermindert ook bodemverdichting, wat de productiviteit en opbrengsten verhoogt.

Als reactie op deze behoefte, gebruikte de Argentijnse tak van King Marine S.A. (Valencia, Spanje), wiens kerneigen bedrijf, ironisch genoeg, het fabriceren van composiet bootonderdelen was met luchtvaartgraad koolstofvezel-versterkt plastic (CFRP), zijn composietexpertise in andere markten om nieuwe sproeier boomarmen te ontwikkelen voor zelfvoortstuwende sproeiertoestellen. In gebruik vouwen de boomarmen uit en strekken zich loodrecht op de hoofdas van tractoren uit en stellen boeren in staat om vloeibare chemicaliën (bijv. insecticiden, herbiciden en meststoffen) op gewassen aan te brengen. Na gebruik vouwen ze terug en bersten langs tractorlichamen om verwarringen met hekpalen te vermijden en boeren toe te staan op wegen te rijden.

De grenzen van metaal. Traditioneel geproduceerd in staal, hadden sproeier boomarmen hun praktische structurele en breedtegrenzen bereikt door de grote ondersteuningsstructuren die vereist waren om armen te voorkomen van buigen onder torsie- en vermoeidheidsbelasting. Bron | Deere & Co

Booms zijn lang geproduceerd in staal, maar naarmate de lengte toename, waren grotere ondersteuningsstructuren vereist om armen te voorkomen van buigen onder torsie- en vermoeidheidsbelasting en tijdens onbedoelde impacten met hekken, bomen en andere structuren. (Hoge vermoeidheidsbelasting is waarom booms nooit overgingen op aluminium.) Op hun beurt, noodzakten langere booms met grotere ondersteuningsstructuren boeren om grotere tractors te kopen om zwaardere sproeiertoestellen en grotere tanks met grotere volumes vloeistoffen te dragen; echter, in het oplossen van één probleem, leidt het zwaardere toestel tot verhoogde bodemverdichting en, als resultaat, verminderde gewasopbrengsten. Bovendien corroderen veel landbouwchemicaliën metalen, en langere booms vereisen meer ingewikkelde vouwmechanismen voor boomopslag. Uiteindelijk bereikten staalbooms een praktische limiet van ongeveer 36 meter (120 voet) zij-aan-zij. Toch wilde de markt – met name in Amerika – langere booms.

Recessie biedt kansen

De Grote Recessie van 2008 was catastrofaal voor zowel individuen als bedrijven. Twintig jaar oud, familie-eigendom King Marine, dat productiefaciliteiten heeft in Picassent, Spanje, en Campana, Argentinië, ging 2008 met een bloeiend bedrijf dat CFRP componenten produceerde – met name masten – voor high-performance jachten.

"Dat was toen de wereldwijde economische recessie begon, en de luxe marinemarkt een enorme klap onderging," herinnert Natalia Dacko, Europees administratiechef en interne audit bij King Marine. "Onze verkopen daalden dramatisch, en we stoppen met boten bouwen. We waren in crisismodus omdat ons bedrijf in gevaar was. We hadden een groot personeel van technici, ingenieurs en specialisten – allen experts in koolstofvezel [composieten]. De grote vraag was, 'Wat gaan we nu doen?'" King Composite S.L. werd opgericht om non-marine CFRP toepassingen te verkennen.

Langer dan ooit. Composiet booms hebben de mogelijkheid om uit te vouwen en uit te strekken voor gemakkelijk gebruik. Bron | Deere & Co.

Een onverwachte oplossing voor de zorgen van het bedrijf kwam in 2009 van een Argentijnse wiens eigen bedrijf landbouwsproeiersystemen produceerde. De man was gefrustreerd over problemen die zijn metalen booms plaagden. "Hij zei dat hij graag zou willen dat booms lichter, langer, vrij van vermoeiding, corrosievrij en gemakkelijk te repareren zijn," herinnert Dacko. Hoewel King Composite geen eerdere landbouwmachinerie-ervaring had, bouwde een team een CFRP-prototype, en de Argentijnse compagnie was er dol op, wat King Composite's groeiende business met landbouwmachinerie OEM's in Argentinië op gang bracht. King Composites zou uiteindelijk hernoemd worden tot King Agro SL.

Naarmate het bedrijf in composiet sproeierbooms groeide, werd King Agro bekend om zijn innovatieve en kwalitatieve producten. Na een paar jaar werd haar succes opgemerkt door een landbouwmachinerieleider die zijn eigen sproeierboomstrijden vocht. Engineering teamleden van Deere & Co. (Moline, Illinois, VS) ontmoetten King Agro in 2015 om kansen te bespreken, en spoedig produceerde en distribueerde King Agro CFRP booms voor het John Deere merk.

Nieuwe generaties, nieuwe permutaties

"We begonnen met King Agro's ontwerpen en aanbevelingen, plus wat Deere had ontwikkeld, en vonden dat ze prima toepasbaar waren," legt Phillip Ferree, King Agro general manager, uit. "Eerst maakte ons gezamenlijke team enkele wijzigingen om betrouwbaarheid en duurzaamheid te verbeteren voor de Zuid-Amerikaanse markt en lanceerde die producten in 2015. Gelijktijdig begonnen we met het ontwerpen van tweede-generatie producten voor Noord-Amerika en Europa. Om aan lokale regulaties te voldoen, hadden we andere functionaliteit nodig in dingen zoals duurzaamheid en impact, wat het vertalen van metalen specificaties in composietontwerpen vereiste." Die producten gecommercialiseerd in 2017.

"Tijdens onze eerste vergadering, besteedden we drie uur aan het bespreken van verschillende kenmerken van sproeiers in Noord- en Zuid-Amerika," herinnert Thomas Bartlett, Deere sproeier product engineering supervisor. "Niet alleen gebruiken ze verschillende vouwpatronen – er zijn 20 verschillende manieren om deze systemen te vouwen afhankelijk van markt en regulaties – maar boerderijomstandigheden zijn ook anders. In Brazilië gebruiken ze niet-ploegen landbouw. In Noord-Amerika is het meer beperkt ploegen met andere landbouwpraktijken en meer regulatie. Europa heeft verdere verschillen en veel kleinere boerderijen. Ze houden hun chemicaliën gecentraliseerd, dus sproeiers worden naar het depot gebracht voor bijvullen in plaats van chemicaliën naar de velden te brengen voor bijvullen zoals we in Amerika doen." Daarnaast, in sommige geografische gebieden liep de plumbing vloeistoffen van de tank naar de mondstukken door de armen, maar in andere locaties, liep de plumbing onder de armen. Nog een andere uitdaging was hoe lang de booms uit te strekken, aangezien het toevoegen van nog een meter hier of daar niet noodzakelijk een werkbare oplossing zou bieden. In plaats daarvan moesten ingenieurs overwegen hoe gewassen in elke geografische regio geplant waren en de afstanden tussen en binnen rijen.

Opgevouwen voor gemakkelijke opslag. Boomarmen bersten in om reizen tussen velden en toestelopslag te faciliteren. Bron | Deere & Co.

De booms hebben meerdere composiet buisstructuren met vierkante doorsnedes die, op hun beurt, verbonden zijn via speciale "einden" die verbinden met de vloeistofafleveringssystemen. Speciaal ontworpen features gevormd in de hoofstructuren voorzien componenten van de vereiste functionaliteit om hydraulisch open/dicht te doen en vloeistoffen onder hoge druk te transporteren. "Met de hydraulica, waren we in staat om veel features te integreren die we nodig hadden dus we konden dingen samenvoegen en een meer eenvoudig ontwerp creëren," voegt Bartlett toe. Deere vereist dat booms deploy/stow in minder dan 1 minuut en dat vloeistof afgeleverd wordt binnen twee seconden na het starten van de pomp.

Alle composieten gebruiken een epoxy matrix en zijn vacuümgezakken en autoklaafgehard. Een combinatie van koolstof- en glasversterking wordt gebruikt afhankelijk van of componenten hogere sterkte of hogere impact nodig hebben. Meeste van de koolstofvezel is 24K tow maar in een verscheidenheid aan formaten, variërend van unidirectioneel tot twill weefsel voor externe uiterlaaglagen met clear-coat afwerking. In gewichten en locaties waar hydraulica interageren, waar meer sterkte en stijfheid nodig zijn, worden zwaardere structuren met meer lagen gebruikt. Afhankelijk van model en markt, variëren productievolumes van 100 tot 1.000 systemen per jaar. King Agro schat dat in 2017 de totale wereldwijde markt voor zelfvoortstuwende sproeiers 14.000 eenheden/jaar was.

"Gaand in dit programma, waren onze doelen om booms uit te strekken tot 40 meter maar met 30% lagere massa, aangezien gewicht heel belangrijk was," merkt Jonathan Nelson, Deere composiet sproeierboom ontwerpingenieur, op. "Als je een grote massa aan de voor- of achterkant van een machine ophangt, vecht je tegen inertie, dus het is veel moeilijker om belasting tussen voor- en achteras te balanceren. We wilden ook corrosieweerstand verbeteren, maar ook galvanische corrosie in de aanwezigheid van koolstofvezel moesten we overwegen. Een andere eis was voor hogere impact omdat je gewoon nooit een sproeier ziet die iets niet geraakt heeft. We namen gestandaardiseerde testen ontwikkeld voor metalen over die het aanrijden van booms in hekpalen voor diverse honderden cycli omvatten. Werkbelasting en vermoeiding op onderdelen zijn verrassend hoog, aangezien toestellen reizen met 24-30 kilometer per uur [15-19 mijl per uur] en plumbing sproeidrukken van 276-414 KPa [40-60 psi] ziet."

Lichter, beter, sneller

Na drie jaar bleek de samenwerking zo vruchtbaar dat in 2018 Deere King Agro overnam, wat nu booms bouwt bij zijn faciliteiten en ze verzendt naar John Deere fabrieken in Des Moines, Iowa, VS, en Horst, Nederland, voor finale montage. De deal stelt naar verluidt King Agro in staat om zijn merknaam, handelsmerk en commerciële relaties te behouden.

De voordelen van lichtere booms. Lichtere booms betekenen betere brandstofeconomie, lager onderhoud, groter werkbereik, langere levensduur, lagere exploitatiekosten, gemakkelijkere veldreparatie en betere efficiëntie met minder machinereispaden voor grotere oogstopbrengst. Bron | Deere & Co.

Conversie naar composieten heeft booms in staat gesteld om verder te reiken dan 36 meter (120 voet) tot 40 meter (132 voet). Vergeleken met staal, is CFRP zes keer sterker, 5,5 keer lichter, biedt hogere impact en corrodeert niet. Lichtere booms betekenen betere brandstofeconomie, lager onderhoud, groter werkbereik, langere levensduur, lagere exploitatiekosten en betere efficiëntie met minder machinereispaden voor grotere oogstopbrengst. Een ander voordeel is herstelbaarheid. "Onze dealers kunnen een catastrofale falen nemen, het component in het midden doorsnijden, wat hars toevoegen, klemmen en laten harden en ze zijn goed om te gaan," voegt Nelson toe. "Het is eigenlijk makkelijker te repareren dan staal lassen."

"Het beste deel is de klantvoordelen," voegt Bartlett toe. "Met koolstofvezelproducten kunnen ze productiever zijn. Ze kunnen breder gaan zonder gewichtsstraf, meer hectaren bedekken, minder bodemverdichting ervaren, en de reductie in gronddruk beïnvloedt opbrengst positief."

Ferree stemt toe: "Vanuit een ontwerppunt, stellen composieten ons in staat om dingen te doen die we niet konden met huidige materialen, die aan hun structurele en breedtegrenzen waren," legt hij uit. "We hebben een solide overgang gehad van onze staalaanbiedingen naar onze premium CFRP aanbiedingen – met name in Amerika – omdat we hogere productiviteit brengen, wat in dit segment grotere breedte is. Lichtere, bredere booms kunnen geïnstalleerd worden op kleinere, minder dure tractors. Of meer vloeistof kan gedragen worden op een gegeven tractor terwijl dezelfde massa behouden blijft. Op beide manieren wordt de belastingbalans tussen voor- en achteras verbeterd en het zwaartepunt dichter bij het centrum van de machine, wat de rit voor de operator verbetert."

"We zien toepassingen voor koolstofvezel in andere producten," voorspelt Aaron Wetzel, vice president, Deere ag & turf crop care platform. "In de komende jaren zullen we extra kansen verkennen waar het lichte gewicht en sterker-dan-staal mogelijkheden extra waarde zullen toevoegen aan onze producten voor onze klanten."