Hoe composietmaterialen landbouwmachines revolutioneren

Hoewel het niet het eerste transportsegment is waar de meeste mensen aan denken als groeiende markt voor composieten, zou landbouwmachinerie dat wellicht moeten zijn en zal dat in de loop van de tijd ook worden. Immers, naarmens de menselijke bevolking over de planeet toeneemt, zullen meer bronnen nodig zijn om de planten en vee te kweken die ons voeden. Ondertussen een eeuw van gruwelijke oorlogen en enkele significante internationale pestepidemieën, wisten de menselijke bevolkingen toch met 400 procent te groeien tijdens de 20e eeuw. De huidige wereldbevolking is 7,6 miljard, en de Verenigde Naties (New York, NY, VS) projecteert dat er nog een miljard wordt bijgekomen tegen 2030, nog een tegen 2050, en dat de wereldbevolking tegen 2100 11,2 miljard zal zijn. Naarmens de landbouw groeit, zal de uitrustingsmarkt ook groeien.

Momenteel is de landbouwmachinerie-industrie geografisch gefragmenteerd, met slechts een paar wereldwijde OEM's die de hoogste productievolumes bouwen - en deze zijn doorgaans nog steeds lager dan zelfs de zware vrachtwagenindustrie. Echter, een sterrenbeeld van trends - waaronder grondconsolidatie in Amerika, strengere brandstofefficiëntie- en emissienormen voor diesel-aangedreven voertuigen in veel geografische gebieden, het complexe gewichtsreductie-issue, groter belangstelling voor ontwerpdifferentiatie als marketinginstrument, en veranderingen in hoe achterwaarts-geïntegreerde machine-OEM's nog steeds in metalen zitten - heeft geleid tot meer en grotere componenten die omgezet worden naar composieten met een bredere reeks materialen en processen. Naarmate die trends aan trek krijgen, is het niet moeilijk te verwegen een tijd waarop landbouwmachines een grote markt voor composieten kunnen worden.

Transport - maar anders

Een van de eerste dingen om te begrijpen over de landbouwmachineriemarkt is hoe groot maar gefragmenteerd hij is, en hoe dat de soort apparatuur beïnvloedt die in elk gebied geproduceerd en gebruikt wordt.

"Regionaliteit is een interessante factor in deze markt", legt Deavron Farmer uit, wereldwijde key account manager/landbouwmarktondernemer, LyondellBasell Engineered Composites (Houston, Texas, VS). "Dankzij consolidatie de afgelopen vijf decennia, neigen de grootste boerderijen in Amerika [vooral in de VS, Canada, Argentinië en Brazilië] ertoe tienduizenden, zo niet honderdduizenden, acres groot te zijn, vaak met aanliggende velden. Gegeven de grootte van deze velden en de neiging tot monocultuur [het planten van één gewas onder enorme hectarage], is de apparatuur groter en modulaire geworden zodat boeren steeds grotere landgebieden efficiënt kunnen bewerken." Hij voegt toe dat dat niet noodzakelijk het geval is in Europa, waar boerderijen kleiner zijn gebleven en apparatuur passend is gedimensioneerd.

Aan de andere kant, in ontwikkelingslanden, spelen andere drijfveren. "Kosten - wat overal een kwestie is - is een extra gevoelige kwestie in ontwikkelingsgebieden, waar apparatuur als een tractor ook kan dienen als gezinsvervoer naar de stad", voegt Farmer toe. "Hoewel boeren daar misschien oudere apparatuur gebruiken, versnelt verandering zo snel dat boeren in ontwikkelende naties misschien wel gehele generaties apparatuur overslaan die in andere gebieden decennia namen om te evolueren - zoals gebeurde met consumentenelektronica." Gegeven hoe geografisch gefragmenteerd de landbouwmachineriemarkt is, zijn er minder kansen voor wereldwijde OEM's zoals John Deere (Deere & Co., Moline, IL, VS), Case New Holland (CNH Global NV, Amsterdam, Nederland) en AGCO (AGCO Corp., Duluth, GA, VS) om werelmodellen te creëren die delen van onderdelen en kostenreductie mogelijk maken zoals in andere transportsegmenten. Dit betekent dat wereldwijde inkoopovereenkomsten minder algemeen zijn, dus fabricanten, vormgevers en materialenleveranciers moeten zich in elke regio kwalificeren waar ze verkopen willen.

Een ander verschil in deze markt is dat landbouwapparatuur ontworpen is om een lange levensduur te hebben. Autofabrikanten richten zich tegenwoordig op een gebruiksduur van een decennium. Commerciële vrachtwagenfabrikanten testen en garanderen voor 482.803 kilometer voor zware-dienst voertuigen en 1,9 miljoen kilometer voor langafstand vrachtwagens - het laatstgenoemde doel kan in slechts vijf jaar bereikt worden - terwijl stortwagens, betonmixers en dergelijke decennialang kunnen opereren.

Echter, zelfs in Noord-Amerika is het niets om landbouwapparatuur nog steeds in gebruik te zien die 40, 50 of 60 jaar oud is. De gebruikte-apparatuurmarkt is zeer actief en, als gevolg, zijn boermachines ontworpen om lang te functioneren. Dat wordt gecompliceerd door het feit dat de meeste landbouwapparatuur zijn hele leven buiten doorbrengt, constant blootgesteld aan hitte, kou, wind, vocht en UV-straling terwijl het onderworpen is aan steen, grind en stofinslag tijdens de operatie. Niet alleen moeten de materialen die op dergelijke apparatuur gebruikt worden corrosie- en deukbestendig zijn en goede weerbestendigheidseigenschappen hebben, ze moeten ook chemische en thermische stabiliteit bieden.

Deze machines worden routinematig blootgesteld aan alles van koolwaterstofbrandstoffen en smerstoffen tot kunstmest en bestrijdingsmiddelen, veelvuldig gechloreerd of gedispergeerd in lipide basen. En zoals auto's en vrachtwagens, neemt de hitte rond de motorkamer toe door nieuwe uitlaatgasregelgeving. Tel daarbij op dat boeren lange dagen doorbrengen in traktorkabines, wat de vraag verhoogt om lawaai, trillingen en hardheid (NVH) te verminderen en de operatorcomfort te verhogen. Alles bij elkaar, dat is een hoge eis voor elke groep materialen.

Lagere productievolumes kunnen composieten minder kosteneffectief maken dan traditionele materialen. Met uitzondering van kleine ride-on grasmaaiers, die in autovolumes van 350.000 per jaar geproduceerd kunnen worden, wordt de meeste apparatuur geproduceerd in de orde van een paar honderd tot de lage tienduizenden per jaar. Dat komt deels door de veel beschikbare aanpassingsopties in het nieuwe machine-segment en deels omdat sommige van de nieuwste apparatuur in grotere formaten en met nieuwe functies wordt ontworpen die kosten en complexiteit toevoegen. Afhankelijk van type apparatuur en model, kan het zo duur zijn als het kopen van een nieuwe auto of zelfs een nieuw huis. In feite is de hoge kapitaalinvestering die nodig is om in de landbouw te komen en te blijven een van de grootste barrières die nieuwe boeren tegenhouden om in de industrie te komen.

Bovendien kan de gewichtsreductie die composieten bieden ten opzichte van traditionele materialen een voordeel zijn - maar gewichtsreductie in landbouwapparatuur is een complex kwestie. Aan de ene kant kan hoog voertuiggewicht leiden tot bodemverdichting, wat plantengroei belemmert. In bepaalde toepassingen, zoals sproeiboomarmen gebruikt om water en chemicaliën op velden aan te brengen, is gewichtsreductie een echt voordeel. Om steeds grotere velden efficiënt te bedienen, zijn boomarmen steeds langer geworden, wat het aantal passes vermindert dat nodig is om een veld af te dekken. Dat betekent echter dat grotere ondersteuningsstructuren nodig zijn om de armen te voorkomen dat ze over zulke lange spannen doorbuigen - wat 15 meter per zijde van het voertuig kan overschrijden. Inspanningen om gewicht te verminderen - door over te stappen van aluminium naar composieten - kunnen een echt voordeel bieden aan OEM's en boeren.

Aan de andere kant is gewichtsreductie niet altijd gunstig - vooral als het de voertuigstabiliteit beïnvloedt. Voorste-zware maïsmachines hebben bijvoorbeeld gewicht aan de achterkant van het voertuig nodig om de achterwielen tijdens de operatie op de grond te houden. Daarom is verdeling van gewicht cruciaal om veiligheid en efficiëntie te waarborgen. Al deze factoren betekenen dat gewicht gecompliceerd is bij landbouwapparatuur, en de reductie ervan heeft niet zo'n buzz als in vrachtwagens, bussen en personenauto's.

Veel materialen, veel processen

Gegeven de reeks aan grootte en productievolumes in landbouwapparatuur - van ride-on grasmaaiers en compacte-utility tractoren (CUTs) tot pressen en maïsmachines - worden diverse open- en gesloten vormprocessen gebruikt om voornamelijk thermohardende composietonderdelen in dit segment te produceren, hoewel versterkte thermoplastieken beginnen terrein te winnen in specifieke toepassingen. Verrassend is dat een van de nieuwste materialen die in landbouwapparatuur worden gebruikt, luchtvaartkwaliteit, autoclave-geharde koolstofvezelversterkte epoxy prepreg is voor sproeiboomarmen. In aluminium of staal vereisen deze armen zoveel ondersteuningsstructuur dat er praktische limieten zijn aan hoe lang ze kunnen zijn. Echter, door over te stappen op hoogpresterende, lichte koolstofvezelcomposieten, kan niet alleen de ondersteuningsstructuur worden verminderd of geëlimineerd, maar kunnen de booms ook langer gemaakt worden. 3D-printen wint ook terrein in dit segment - voornamelijk voor gereedschappen en montagefixaturen, maar ook om sommige onderdelen op productievoertuigen te produceren.

Naarmate uiterlijk, pasvorm en afwerking, evenals onderdeelconsistentie, belangrijker worden voor OEM's en klanten, zowel voor productdifferentiatie als visuele branding, verkennen apparatenfabrikanten de bekende voordelen van kunststoffen en composieten om ontwerpvrijheid, onderdeelsconsolidatie en hoge esthetiek te faciliteren. Kleur is een ander veelgebruikt aspect van visuele branding in dit segment via verf, gelcoat en gepigmenteerd polymer. Feitelijk combineren sommige OEM's verschillende verftexturen op hetzelfde karosseriepaneel (bijv. lichte stippling plus gloss) om krabbesporen in slijtgebieden te verbergen terwijl nog een aangename uitstraling wordt bereikt. Lopend werk aan de leveranciersbasis zoekt manieren om de duurzaamheid van verven en coatingen te verlengen en beide technologieën te elimineren ten gunste van films en in-kleur-gegoten (MIC) materialen met hogere UV-stabiliteit.

Vergroening van agri-composieten

Duurzaamheid - van verbeteringen in brandstofefficiëntie tot het gebruik van gerecyclde en plant-gebaseerde polymeren - is net zo belangrijk en gewenst in de landbouw als in andere transportsegmenten. Interessant genoeg bleken bio-gebaseerde monomeren hier een veel makkelijkere verkoop te zijn dan in de auto-industrie. "Het maakt gewoon zin voor onze klanten in de landbouwwijck", legt Jay Olson uit, materialen engineering & technology manager bij John Deere, evenals merkhouder/raadvoorzitter en ambtenaar in het bestuur van de PLASTICS Industry Association (Washington, DC, VS). "Ze gebruiken onze apparatuur om maïs en soja te kweken en die producten worden vervolgens gebruikt om polymeren te maken die in componenten voor nieuwe apparatuur worden gegoten die we voor diezelfde klanten produceren."

Momenteel zijn de meest voorkomende plantaardige producten die in thermohardende landbouwcomposieten worden gebruikt, soja en maïs die in onverzadigde polyesterharsen voor sheet molding compound (SMC) en bulk molding compound (BMC) terechtkomen. Rond 2000 introduceerde Ashland LLC (Columbus, Ohio, VS) Envirez 1807 bio-gebaseerde onverzadigde polyester (UP) hars aan compounders die het omzetten in SMC en verkopen aan vormgevers voor onderdelen die in de landbouwmachineriemarkt gaan - voornamelijk voor gebruik in grote maïsmachine zijwandpanelen. Het bedrijf claimt dat Envirez de eerste commercieel beschikbare UP-hars was die een significant deel (18 procent) graan-gebaseerde monomeer uit maïs of soja bevatte. Het polymer wordt ongekatalyseerd geleverd en zou uniforme verdikkingsrespons, goede verfbearheid en goede oppervlakte-eigenschappen bij lage uithardingstemperatuur in SMC bieden. Het is ook minder gevoelig voor prijsfluctuaties dan polymeren afgeleid van petroleum-feedstocks.

Een ander groen SMC-product dat de kosten en milieubelasting van verf elimineert, is een weerbestendige, structurele UP-hars die eerst gebruikt werd voor zichtbare oppervlakken op pick-up laadbakken en nu voorkomt op after-treatment diesel (ATD) panelen op John Deere 8000 tractoren. Arotran 805 is een UV-stabiele, in-kleur-gegoten (MIC) zwarte graad die gezamenlijk ontwikkeld werd door Ashland en additiefleverancier Chromaflo Technologies LLC (Ashtabula, Ohio, VS) en gecomprimeer vormgegeven door Ashley Industrial Molding (Ashley, Ind., VS). Wanneer gecomponeerd in SMC en gebruikt in toepassingen zoals de ATD-panelen, helpt het de esthetiek langdurig te behouden, wat hogere herverkoopwaarden voor tractoren ondersteunt.

Een nieuwe generatie SMC gericht op landbouwapparatuur alsmede bouw/constructie en de elektrische/elektronische markten werd geïntroduceerd op de CAMX 2018-beurs door LyondellBasell Engineered Composites. "Als industrie weten we dat thermohardende composieten beperkingen hebben wat betreft end-of-life recycling", legt Mike Gruskiewicz uit, technologie-directeur voor de VS-regio, LyondellBasell Engineered Composites. "Naarmate we doorwerken aan recycling, zien we veel voordelen in het incorporeren van hernieuwbare en gerecyclde inhoud in de vervaardiging van SMC, wat bijdraagt aan de circulaire economie aan de voorkant van de levenscyclus. Toen we begonnen te zoeken naar groene oplossingen, stelden we een doel van nul compromissen wat betreft prestaties, vormbaarheid en esthetiek vergeleken met petroleum-gebaseerde SMCs."

Het bedrijf biedt twee nieuwe duurzame SMC-producten aan, die beide brandvertragende prestaties bieden. "Premi-Glas 7001 graad produceert klasse A verfbare oppervlakteprofielen, waardoor traktorkappen esthetiek bereiken die vergelijkbaar is met luxe auto's, en de brandvertragende aspect voor de zware landbouwomgeving toevoegt, en Premi-Glas 3501 biedt in-kleur-gegoten en is bedoeld voor onderdelen zoals elektrische behuizingen, beugels en huizen, en kabinecomponenten", legt Gruskiewicz uit. Bovendien bevat 3501 gerecyclde thermoplastische inhoud om de duurzaamheidsvoetafdruk te versterken. In beide gevallen wordt de propylene-glycol monomeer van de hars geproduceerd met behulp van soja of maïs en levert naar bewering eigenschappen op die identiek zijn aan monomeren gecreëerd uit traditionele petroleumproducten. De 3501 graad bevat post-industriële recyclaat (PIR) polyethyleentereftalaat (rPET), dat chemisch is verteerd om tereftalaanzuur op te leveren en vervolgens weer in de polyesterhars is gereageerd. Hoewel nog geen commerciële toepassingen zijn aangekondigd, zegt Gruskiewicz dat de 7001 graad al bemonsterd wordt voor traktorkappen, maïsmachinedeuren en karosseriepanelen. "Nog een spannend gebied voor SMC betreft klepklepdeksels voor grote dieselmotoren en oliekarters [bakken]", voegt hij toe. "Vergeleken met vergelijkbare onderdelen op personenauto's die van SMC naar thermoplastieken zijn geconverteerd, zien we veel zwaardere bedrijfsomstandigheden in de landbouw. Bijvoorbeeld, op grotere motoren zijn stijvere materialen vereist vanwege de grote spannen over die grotere eenheden."

Weerstand bieden aan knelbelasting

Een uitdaging in de landbouwmachinerie-industrie is dat composieten mechanische prestaties moeten behouden onder belasting die 9.000 kilogram kan overschrijden. Bijvoorbeeld, Tier-1 vormgever Plastics Unlimited (Preston, Iowa, VS) heeft een vormtechnologie ontwikkeld genaamd tooless engineered composites (TEC), die gebruikt is om 1,5 bij 2,1 meter deuropeningen/korrelverlengdeuren te produceren die belasting tot 9.072 kg kunnen dragen, voor grote maïsmachines met nominale wanden van 6,4 tot 12,7 millimeter dik. TEC combineert de hoge esthetiek en duurzaamheid van thermoplastieken met de sterkte, toughness en dimensionele stabiliteit van composieten om een structuur te produceren met een klasse A oppervlak en een B-zijd die een hoge stijfheid en sterkte-gewichtverhouding bijdraagt. De uiterlijke A-zijde wordt geproduceerd door een blad MIC acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) te thermovormen, wat vervolgens vorm wordt voor de helft van de B-zijde van het onderdeel, hoewel voor deze grotere, complexere structuren een tweede composietvorm wordt gebruikt tijdens het vormproces. De laatste is een vacuüm-gezakken composiet geproduceerd met UP-hars geïmpregneerd in gestichte lagen van gehakte glasvezelkernen. Zowel metalen beugels als grote ribben (geproduceerd in rigide polyurethaanschuim) kunnen tijdens de oplage in het composiet worden geïnsereerd.

Het resultaat is een UV-gestabiliseerd, corrosiebestendig onderdeel dat ontwerpflexibiliteit en hoge inslagsterkte biedt die scheuringen en barstingen tegen een redelijke kosten weerstaat. De A-zijde (thermoplastische laag) kan een gegraineerde of glanzende oppervlakte bieden (de laatste in volle kleuren of helder over patronen, waaronder metallic, chroom, hout, camouflage en zelfs koolstofmesh). Deze thermoplastische laag biedt naar bewering uitstekende diepgang van beeld en is veel duurzamer dan geverfde of gelcoated SMC, waardoor kleine oppervlaktekrabbels uitgepoetst kunnen worden. De niet-uiterlijke B-zijde (composietlaag) is gepigmenteerd en glad. Naast de hoge-prestatie korrelverlengdeuren op maïsmachines, wordt het TEC-proces ook gebruikt om kotvleugels, zijschilderingen, kapppen en voor- en achterbehuizingen voor een verscheidenheid aan kleinere recreatieve voertuigen en boerderijtypen apparatuur te vormgeven.

Wat is de toekomst van landbouwapparatuur? In 2016 op de Farm Progress Show in Boone, Iowa, VS, toonde Case New Holland (CNH) de eerste volledig autonoome tractorconcepten van de industrie die kunnen zaaien, sproeien en oogsten, en waar mensen de voertuigen niet meer aan boord bedienen, maar de bestuurloze apparatuur op afstand controleren en monitoren via tablet terwijl de tractor vooraf gemappte routes volgt. Uitgerust met boordcameras die real-time beelden leveren en geavanceerde obstakeldetectie, kunnen deze drone-tractors operators waarschuwen voor obstakels en andere problemen, zodat de operator de beste route kan selecteren om problemen te vermijden of op te lossen. De software van het systeem plant volgens bewering automatisch de meest efficiënte in-field pass om boeren te helpen optimaal te profiteren van smalle weervensters of door te werken om de klok heen wanneer nodig om de productiviteit te verhogen, terwijl tegelijkertijd data wordt verzameld om huidige gewassen te monitoren en toekomstige beter te plannen. CNH zegt dat deze technologie boeren in veel delen van de wereld zal helpen die worstelen om gespecialiseerde arbeid te vinden tijdens piekseizoenen.

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