Vraag naar langere spuitboomarmen maakt composieten in landbouwmachines mogelijk

Voldoen aan de landbouwvraag. Een groeiende toepassing van composieten op de markt voor landbouwmachines zijn boomarmen voor zelfrijdende spuitapparatuur, die worden gebruikt om vloeibare chemicaliën op gewassen aan te brengen. Bron | Deere &Co.

Aangezien aangrenzende landbouwpercelen in gebieden zoals Noord-Amerika, Argentinië en Brazilië groter zijn geworden dankzij consolidatie, en aangezien de landbouw zonder grondbewerking in bepaalde regio's toeneemt, willen landbouwers spuitsystemen met langere boomarmen om het aantal passages te verminderen dat nodig is om steeds meer grotere velden. Dit vermindert ook bodemverdichting, waardoor de productiviteit en gewasopbrengsten toenemen.

Als reactie op deze behoefte heeft de Argentijnse tak van King Marine SA (Valencia, Spanje), wiens kernactiviteit ironisch genoeg bestond in het vervaardigen van composiet bootonderdelen met behulp van koolstofvezelversterkte kunststof (CFRP) van luchtvaartkwaliteit, zijn expertise op het gebied van composieten in andere markten gebruikt het ontwikkelen van nieuwe spuitboomarmen voor zelfrijdende spuitapparatuur. Tijdens gebruik ontvouwen de giekarmen zich en strekken ze zich loodrecht uit op de hoofdas van tractoren en stellen boeren in staat om vloeibare chemicaliën (bijvoorbeeld insecticiden, herbiciden en meststoffen) op gewassen aan te brengen. Na gebruik worden ze weer opgevouwen en langs de carrosserieën van tractoren opgeborgen om te voorkomen dat ze in de war raken met hekpalen en om boeren in staat te stellen op de weg te rijden.

De grenzen van metaal. Traditioneel geproduceerd in staal, hadden spuitboomarmen hun praktische structurele en breedtelimieten bereikt vanwege de grote ondersteunende structuren die nodig zijn om te voorkomen dat de armen buigen onder torsie- en vermoeidheidsbelastingen. Bron | Deere &Co

Gieken worden al lang in staal geproduceerd, maar naarmate de lengte groter werd, waren grotere steunconstructies nodig om te voorkomen dat de armen buigen onder torsie- en vermoeiingsbelastingen en tijdens onbedoelde botsingen met hekken, bomen en andere constructies. (Hoge vermoeidheidsbelastingen zijn de reden waarom gieken nooit zijn overgegaan op aluminium.) Door langere gieken met grotere ondersteuningsstructuren moesten boeren op hun beurt grotere tractoren kopen om zwaardere spuitapparatuur te vervoeren en grotere tanks met grotere hoeveelheden vloeistoffen; bij het oplossen van één probleem leidt de zwaardere uitrusting echter tot een grotere bodemverdichting en als gevolg daarvan tot lagere gewasopbrengsten. Bovendien corroderen veel landbouwchemicaliën metalen, en langere gieken vereisen meer uitgebreide vouwmechanismen voor het opbergen van de giek. Uiteindelijk bereikten stalen gieken een praktische limiet van ongeveer 36 meter (120 voet) zij-aan-zij. Toch wilde de markt — vooral in Amerika — langere hausses.

Recessie biedt kansen

De Grote Recessie van 2008 was catastrofaal voor zowel particulieren als bedrijven. Het twintigjarige familiebedrijf King Marine, dat productiefaciliteiten heeft in Picassent, Spanje en Campana, Argentinië, begon 2008 met een bloeiende onderneming die CFRP-componenten, met name masten, produceert voor hoogwaardige jachten.

"Toen begon de wereldwijde economische recessie en kreeg de luxe maritieme markt een enorme klap", herinnert Natalia Dacko, hoofd van de Europese administratie en interne audit bij King Marine zich. “Onze verkoop daalde dramatisch en we stopten met het bouwen van boten. We zaten in crisismodus omdat ons bedrijf in gevaar was. We hadden een grote staf van technici, ingenieurs en specialisten - die allemaal experts waren in koolstofvezel [composieten]. De grote vraag was:‘Wat gaan we nu doen?’” King Composite S.L. is gemaakt om niet-mariene CFRP-toepassingen te verkennen.

Langer dan ooit. Composietgieken kunnen worden uitgevouwen en uitgeschoven voor eenvoudig gebruik. Bron | Deere &Co.

Een onverwachte oplossing voor de zorgen van het bedrijf kwam in 2009 van een Argentijn wiens eigen bedrijf landbouwspuitsystemen produceerde. De man was gefrustreerd over problemen met zijn metalen gieken. "Hij vertelde ons dat hij graag zou willen dat de gieken lichter, langer, vrij van vermoeidheid, corrosiebestendig en gemakkelijk te repareren zijn", herinnert Dacko zich. Hoewel King Composite geen eerdere ervaring met landbouwmachines had, bouwde een team een ​​CFRP-prototype en het Argentijnse bedrijf vond het geweldig, waardoor King Composite's groeiende bedrijf met OEM's voor landbouwmachines in Argentinië een nieuwe impuls kreeg. King Composites zou uiteindelijk worden omgedoopt tot King Agro SL.

Naarmate de activiteiten in composiet spuitbomen groeiden, werd King Agro bekend om zijn innovatieve en hoogwaardige producten. Na een paar jaar werd het succes opgemerkt door een leider in landbouwmachines die de strijd aanging met zijn eigen veldspuiten. Leden van het engineeringteam van Deere &Co. (Moline, Illinois, VS) ontmoetten King Agro in 2015 om de mogelijkheden te bespreken, en al snel produceerde en distribueerde King Agro CFRP-gieken voor het merk John Deere.

Nieuwe generaties, nieuwe permutaties

"We begonnen met de ontwerpen en aanbevelingen van King Agro, plus wat Deere had ontwikkeld, en ontdekten dat ze behoorlijk toepasbaar waren", legt Phillip Ferree, algemeen directeur van King Agro, uit. “Eerst heeft ons gezamenlijke team enkele wijzigingen aangebracht om de betrouwbaarheid en duurzaamheid voor de Zuid-Amerikaanse markt te verbeteren en deze producten in 2015 op de markt te hebben gebracht. Tegelijkertijd zijn we begonnen met het ontwerpen van producten van de tweede generatie voor Noord-Amerika en Europa. Om aan de lokale regelgeving te voldoen, hadden we verschillende functionaliteiten nodig op het gebied van duurzaamheid en impact, waarvoor we metaalspecificaties moesten vertalen naar composietontwerpen.” Die producten werden in 2017 op de markt gebracht.

"Tijdens onze eerste ontmoeting hebben we drie uur besteed aan het bespreken van verschillende kenmerken van veldspuiten in Noord- en Zuid-Amerika", herinnert Thomas Bartlett, supervisor productengineering van Deere spuitmachines. "Ze gebruiken niet alleen verschillende vouwpatronen - er zijn 20 verschillende manieren om deze systemen te vouwen, afhankelijk van de markt en regelgeving - maar de landbouwomstandigheden zijn ook anders. In Brazilië gebruiken ze no-till farming. In Noord-Amerika is het beperkter tot met verschillende landbouwpraktijken en meer regelgeving. Europa kent nog meer verschillen en veel kleinere bedrijven. Ze houden hun chemicaliën gecentraliseerd, zodat sproeiers naar het depot worden gebracht om te worden bijgevuld in plaats van chemicaliën naar de velden te brengen om te worden bijgevuld, zoals we in Amerika doen.” Bovendien voerden leidingen in sommige regio's vloeistoffen van de tank naar sproeiers door de armen, maar op andere locaties liepen leidingen onder de armen. Nog een andere uitdaging was hoe lang de gieken moesten worden uitgeschoven, omdat het toevoegen van een extra meter hier of daar niet per se een werkbare oplossing zou zijn. In plaats daarvan moesten ingenieurs nadenken over hoe gewassen in elke regio werden geplant en wat de afstanden tussen en binnen rijen waren.

Opgevouwen voor eenvoudig opbergen. Giekarmen kunnen worden opgeborgen om het reizen tussen velden en opslag van apparatuur te vergemakkelijken. Bron | Deere &Co.

De gieken hebben meerdere samengestelde buisvormige constructies met vierkante doorsneden die op hun beurt zijn verbonden via speciale "uiteinden" die aansluiten op de vloeistoftoevoersystemen. Speciaal ontworpen functies die in de hoofdstructuren zijn gegoten, bieden componenten de vereiste functionaliteit om hydraulisch te openen/sluiten en vloeistoffen onder hoge druk te transporteren. "Met de hydrauliek konden we veel functies integreren die we nodig hadden, zodat we dingen konden samenstellen en een meer simplistisch ontwerp konden creëren", voegt Bartlett toe. Deere vereist dat de gieken in minder dan 1 minuut worden ingezet/opgeborgen en dat vloeistof binnen twee seconden na het starten van de pomp wordt geleverd.

Alle composieten maken gebruik van een epoxymatrix en worden vacuüm verpakt en in de autoclaaf uitgehard. Er wordt een combinatie van koolstof- en glasversterking gebruikt, afhankelijk van of componenten een hogere sterkte of een hogere impact nodig hebben. Het grootste deel van de koolstofvezel is 24K-sleepkabel, maar in verschillende formaten, variërend van unidirectioneel tot keperbinding voor externe uiterlijklagen met een blanke lakafwerking. In verbindingen en locaties waar hydrauliek op elkaar inwerkt, waar meer sterkte en stijfheid nodig zijn, worden zwaardere constructies met meer lagen gebruikt. Afhankelijk van het model en de markt variëren de productievolumes van 100 tot 1.000 systemen per jaar. King Agro schat dat de totale wereldmarkt voor zelfrijdende veldspuiten in 2017 14.000 eenheden/jaar bedroeg.

"Toen we aan dit programma begonnen, was ons doel om de bomen uit te breiden tot 40 meter, maar met een 30% lagere massa, aangezien gewicht erg belangrijk was", merkt Jonathan Nelson op, ontwerpingenieur voor composietspuitbomen bij Deere. “Als je een grote massa aan de voor- of achterkant van een machine hangt, vecht je tegen traagheid, dus het is een stuk moeilijker om de lasten tussen de voor- en achterassen te balanceren. We wilden ook de corrosieweerstand verbeteren, maar moesten ook rekening houden met galvanische corrosie in aanwezigheid van koolstofvezel. Een andere vereiste was een hogere impact omdat je gewoon nooit een veldspuit ziet die niet iets heeft geraakt . We hebben gestandaardiseerde tests uitgevoerd die zijn ontwikkeld voor metalen, waarbij gieken honderden cycli in afrasteringspalen moeten worden gedraaid.” De werkbelasting en vermoeidheid van onderdelen zijn verrassend hoog, aangezien apparatuur 24-30 kilometer per uur [15-19 mijl per uur] rijdt en sanitair een spuitdruk van 276-414 KPa [40-60 psi] heeft.

Lichter, beter, sneller

Na drie jaar bleek de samenwerking zo vruchtbaar dat Deere in 2018 King Agro overnam, die nu gieken bouwt in zijn faciliteiten en deze naar John Deere-fabrieken in Des Moines, Iowa, VS, en Horst, Nederland, verzendt voor eindmontage. Naar verluidt stelt de deal King Agro in staat om zijn merknaam, handelsmerk en commerciële relaties te behouden.

De voordelen van lichtere gieken. Lichtere gieken betekenen een lager brandstofverbruik, minder onderhoud, grotere werkbreedte, langere levensduur, lagere bedrijfskosten, gemakkelijker herstel op het veld en betere efficiëntie met minder machinesporen voor een groter oogstvolume. Bron | Deere &Co.

Door over te schakelen op composieten konden gieken verder dan 36 meter (120 voet) tot 40 meter (132 voet) reiken. Vergeleken met staal is CFRP zes keer sterker, 5,5 keer lichter, heeft het meer impact en corrodeert het niet. Lichtere gieken betekenen een lager brandstofverbruik, minder onderhoud, grotere werkbreedte, langere levensduur, lagere bedrijfskosten en meer efficiëntie met minder machinesporen voor een groter oogstvolume. Een ander voordeel is de herstelbaarheid. "Onze dealers kunnen een catastrofale storing opvangen, het onderdeel doormidden snijden, wat hars toevoegen, het vastklemmen en laten uitharden en ze zijn klaar om te gaan", voegt Nelson toe. "Het is eigenlijk gemakkelijker te repareren dan staal te lassen."

"Het beste deel zijn de voordelen voor de klant", voegt Bartlett toe. “Met koolstofvezelproducten kunnen ze productiever zijn. Ze kunnen breder gaan zonder gewichtsverlies, meer hectares beslaan, minder bodemverdichting ervaren en de vermindering van de bodemdruk heeft een positief effect op de opbrengst.”

Ferree is het ermee eens:"Vanuit een ontwerpstandpunt stellen composieten ons in staat om dingen te doen die we niet konden doen met de huidige materialen, die aan hun structurele en breedtelimieten waren", legt hij uit. "We hebben een solide overgang gehad van ons staalaanbod naar ons premium CFRP-aanbod - met name in Amerika - omdat we een hogere productiviteit bieden, die in dit segment groter is. Lichtere, bredere gieken kunnen op kleinere, goedkopere tractoren worden geïnstalleerd. Of er kan meer vloeistof op een bepaalde tractor worden vervoerd met behoud van dezelfde massa. Hoe dan ook, de laadbalans tussen de voor- en achteras is verbeterd en het zwaartepunt ligt dichter bij het midden van de machine, wat het rijcomfort voor de machinist verbetert.”

"We zien toepassingen voor koolstofvezel in andere producten", voorspelt Aaron Wetzel, vice-president van het Deere ag &turf crop care-platform. "In de komende jaren zullen we aanvullende mogelijkheden onderzoeken waarbij het lichte gewicht en de sterker dan staal-capaciteiten een toegevoegde waarde aan onze producten zullen toevoegen voor onze klanten."