La demanda de brazos de pulverización más largos permite utilizar materiales compuestos en equipos agrícolas

Satisfacer la demanda agrícola. Una aplicación de compuestos cada vez mayor en el mercado de equipos agrícolas son los brazos articulados para equipos de pulverización autopropulsados, que se utilizan para aplicar productos químicos líquidos a los cultivos. Fuente | Deere &Co.

A medida que los campos agrícolas contiguos en áreas como América del Norte, Argentina y Brasil han crecido más gracias a la consolidación, y a medida que aumenta la agricultura sin labranza en ciertas geografías, los agricultores quieren sistemas de aspersión con brazos de pluma más largos para reducir el número de pasadas necesarias para cubrir cada vez más. campos más grandes. Esto también reduce la compactación del suelo, aumentando la productividad y el rendimiento de los cultivos.

En respuesta a esta necesidad, la rama argentina de King Marine SA (Valencia, España), cuyo negocio principal, irónicamente, era fabricar piezas compuestas para barcos utilizando plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) de grado aeroespacial, utilizó su experiencia en compuestos en otros mercados. para desarrollar nuevos brazos de pulverización para equipos de pulverización autopropulsados. En uso, los brazos de la pluma se despliegan y se extienden perpendicularmente al eje principal de los tractores y permiten a los agricultores aplicar productos químicos líquidos (por ejemplo, insecticidas, herbicidas y fertilizantes) a los cultivos. Después de su uso, se pliegan y se guardan a lo largo de la carrocería del tractor para evitar que se enreden con los postes de la cerca y permitir que los agricultores conduzcan por las carreteras.

Los límites del metal. Tradicionalmente producidos en acero, los brazos del pulverizador habían alcanzado sus límites estructurales y de ancho prácticos debido a las grandes estructuras de soporte necesarias para evitar que los brazos se doblen bajo cargas de torsión y fatiga. Fuente | Deere &Co

Las plumas se han producido durante mucho tiempo en acero, pero a medida que aumentaba la longitud, se requirieron estructuras de soporte más grandes para evitar que los brazos se doblaran bajo cargas de torsión y fatiga y durante impactos no deseados con cercas, árboles y otras estructuras. (Las altas cargas de fatiga son la razón por la cual las plumas nunca pasaron a ser de aluminio). A su vez, las plumas más largas con estructuras de soporte más grandes requerían que los agricultores compraran tractores más grandes para transportar equipos de pulverización más pesados ​​y tanques más grandes que contengan mayores volúmenes de líquidos; sin embargo, al resolver un problema, el equipo más pesado conduce a una mayor compactación del suelo y, como resultado, reduce los rendimientos de los cultivos. Además, muchos productos químicos agrícolas corroen los metales y las plumas más largas requieren mecanismos de plegado más elaborados para su estiba. Finalmente, las plumas de acero alcanzaron un límite práctico de aproximadamente 36 metros (120 pies) de lado a lado. Aún así, el mercado, particularmente en las Américas, quería auges más prolongados.

La recesión ofrece oportunidades

La Gran Recesión de 2008 fue catastrófica tanto para las personas como para las empresas. King Marine, de veinte años de edad, de propiedad familiar, que tiene instalaciones de fabricación en Picassent, España, y Campana, Argentina, entró en 2008 con un negocio en auge que produce componentes CFRP, en particular mástiles, para yates de alto rendimiento.

“Fue entonces cuando comenzó la recesión económica mundial y el mercado marino de lujo sufrió un gran impacto”, recuerda Natalia Dacko, jefa de administración europea y auditoría interna de King Marine. “Nuestras ventas cayeron drásticamente y dejamos de construir barcos. Estábamos en modo de crisis porque nuestra empresa estaba en peligro. Contamos con una gran plantilla de técnicos, ingenieros y especialistas, todos ellos expertos en fibra de carbono [compuestos]. La gran pregunta era, '¿Qué vamos a hacer ahora?' ”King Composite S.L. fue creado para explorar aplicaciones CFRP no marinas.

Más que nunca. Las plumas compuestas tienen la capacidad de desplegarse y extenderse para facilitar su uso. Fuente | Deere &Co.

Una solución inesperada a las preocupaciones de la empresa vino en 2009 de un argentino cuya propia empresa fabricaba sistemas de pulverización agrícola. El hombre estaba frustrado por los problemas que plagaban sus barreras de metal. “Nos dijo que le gustaría que las plumas fueran más ligeras, más largas, sin fatiga, a prueba de corrosión y fáciles de reparar”, recuerda Dacko. Aunque King Composite no tenía experiencia previa en equipos agrícolas, un equipo construyó un prototipo de CFRP y a la empresa argentina le encantó, lo que puso en marcha el creciente negocio de King Composite con fabricantes de equipos originales para equipos agrícolas en Argentina. King Composites eventualmente pasaría a llamarse King Agro SL.

A medida que crecía el negocio de los pulverizadores compuestos, King Agro se hizo conocido por sus productos innovadores y de calidad. Después de unos años, un líder de equipos agrícolas notó su éxito en sus propias batallas con el brazo de pulverización. Los miembros del equipo de ingeniería de Deere &Co. (Moline, Ill., EE. UU.) Se reunieron con King Agro en 2015 para discutir oportunidades, y pronto King Agro estaba produciendo y distribuyendo plumas de CFRP para la marca John Deere.

Nuevas generaciones, nuevas permutaciones

“Comenzamos con los diseños y recomendaciones de King Agro, además de lo que Deere había desarrollado, y descubrimos que eran bastante aplicables”, explica Phillip Ferree, gerente general de King Agro. “Primero, nuestro equipo conjunto hizo algunos cambios para mejorar la confiabilidad y durabilidad para el mercado sudamericano y lanzó esos productos en 2015. Al mismo tiempo, comenzamos a diseñar productos de segunda generación para América del Norte y Europa. Para cumplir con las regulaciones locales, necesitábamos una funcionalidad diferente en cosas como durabilidad e impacto, lo que requería traducir las especificaciones del metal en diseños compuestos ". Estos productos se comercializaron en 2017.

“Durante nuestra primera reunión, pasamos tres horas discutiendo las diferentes características de los rociadores en América del Norte y del Sur”, recuerda Thomas Bartlett, supervisor de ingeniería de productos de rociadores de Deere. “No solo utilizan diferentes patrones de plegado, hay 20 formas diferentes de plegar estos sistemas según el mercado y las regulaciones, sino que las condiciones agrícolas también son diferentes. En Brasil, utilizan la agricultura sin labranza. En América del Norte, la labranza es más limitada con diferentes prácticas agrícolas y más regulaciones. Europa tiene más diferencias y granjas mucho más pequeñas. Mantienen sus productos químicos centralizados, por lo que los rociadores se llevan al depósito para recargas en lugar de llevar los productos químicos a los campos para recargarlos como hacemos en las Américas ”. Además, en algunas geografías, la plomería transportaba líquidos desde el tanque hasta las boquillas a través de los brazos, pero en otros lugares, la plomería corría por debajo de los brazos. Otro desafío más fue cuánto tiempo extender los brazos, ya que agregar otro medidor aquí o allá no proporcionaría necesariamente una solución viable. En cambio, los ingenieros tuvieron que considerar cómo se plantaron los cultivos en cada geografía y las distancias entre y dentro de las hileras.

Doblado para un fácil almacenamiento. Los brazos de la pluma se guardan para facilitar el desplazamiento entre los campos y el almacenamiento de equipos. Fuente | Deere &Co.

Los brazos cuentan con múltiples estructuras tubulares compuestas con secciones transversales cuadradas que, a su vez, están conectadas a través de "extremos" especiales que se conectan a los sistemas de suministro de fluidos. Las características de diseño especial moldeadas en las estructuras principales proporcionan componentes con la funcionalidad requerida para abrir / cerrar hidráulicamente y transportar fluidos a altas presiones. “Con el sistema hidráulico, pudimos integrar muchas características que necesitábamos para poder unir las cosas y crear un diseño más simplista en general”, agrega Bartlett. Deere requiere que las plumas se desplieguen / guarden en menos de 1 minuto y que el fluido se entregue dentro de los dos segundos posteriores al arranque de la bomba.

Todos los compuestos utilizan una matriz epoxi y se envasan al vacío y se curan en autoclave. Se utiliza una combinación de refuerzo de carbono y vidrio dependiendo de si los componentes necesitan mayor resistencia o mayor impacto. La mayor parte de la fibra de carbono es de arrastre 24K, pero en una variedad de formatos, que van desde tejido unidireccional hasta tejido de sarga para capas de apariencia externa con acabado transparente. En juntas y ubicaciones donde interactúa la hidráulica, donde se necesita más resistencia y rigidez, se utilizan estructuras más pesadas con más capas. Según el modelo y el mercado, los volúmenes de producción oscilan entre 100 y 1000 sistemas al año. King Agro estima que en 2017, el mercado global total de pulverizadores autopropulsados ​​fue de 14.000 unidades / año.

“Al entrar en este programa, nuestros objetivos eran extender los brazos a 40 metros pero con una masa un 30% menor, ya que el peso era muy importante”, señala Jonathan Nelson, ingeniero de diseño de brazos de pulverización de materiales compuestos de Deere. “Cuando cuelga una gran masa de la parte delantera o trasera de una máquina, está luchando contra la inercia, por lo que es mucho más difícil equilibrar las cargas entre los ejes delantero y trasero. También queríamos mejorar la resistencia a la corrosión, pero también teníamos que considerar la corrosión galvánica en presencia de fibra de carbono. Otro requisito era un mayor impacto porque nunca se ve un pulverizador que no haya golpeado algo . Realizamos pruebas estandarizadas desarrolladas para metales que implican colocar barreras en postes de cerca durante varios cientos de ciclos ". Las cargas de trabajo y la fatiga en las piezas son sorprendentemente altas, ya que el equipo viaja a 24-30 kilómetros por hora [15-19 millas por hora] y la plomería ve presiones de pulverización de 276-414 KPa [40-60 psi].

Más ligero, mejor, más rápido

Después de tres años, la colaboración resultó tan fructífera que en 2018, Deere adquirió King Agro, que ahora construye barreras en sus instalaciones y las envía a las fábricas de John Deere en Des Moines, Iowa, EE. UU., Y Horst, Países Bajos, para su ensamblaje final. Según se informa, el acuerdo permite a King Agro conservar su marca, marca registrada y relaciones comerciales.

Los beneficios de las barreras más ligeras. Las plumas más livianas significan una mejor economía de combustible, menor mantenimiento, mayor ancho de trabajo, mayor vida útil, menores costos de operación, facilidad de reparación en el campo y mejor eficiencia con menos recorridos de la máquina para un mayor volumen de cosecha. Fuente | Deere &Co.

La conversión a materiales compuestos ha permitido que las barreras se extiendan más allá de los 36 metros (120 pies) hasta los 40 metros (132 pies). En comparación con el acero, el CFRP es seis veces más resistente, 5,5 veces más ligero, proporciona un mayor impacto y no se corroe. Las plumas más livianas significan una mejor economía de combustible, menor mantenimiento, mayor ancho de trabajo, mayor vida útil, menores costos operativos y mejor eficiencia con menos recorridos de la máquina para un mayor volumen de cosecha. Otro beneficio es la capacidad de reparación. “Nuestros distribuidores pueden aceptar una falla catastrófica, cortar el componente por la mitad, agregar un poco de resina, sujetarlo y dejarlo curar y están listos para comenzar”, agrega Nelson. "En realidad, es más fácil de arreglar que soldar acero".

“La mejor parte son los beneficios para el cliente”, agrega Bartlett. “Con productos de fibra de carbono, pueden ser más productivos. Pueden ensancharse sin una penalización de peso, cubrir más acres, experimentar menos compactación del suelo y la reducción de la presión del suelo afecta positivamente el rendimiento ”.

Ferree está de acuerdo:"Desde el punto de vista del diseño, los compuestos nos permiten hacer cosas que no podríamos hacer con los materiales actuales, que estaban en sus límites estructurales y de ancho", explica. “Hemos tenido una transición sólida de nuestras ofertas de acero a nuestras ofertas de CFRP premium, particularmente en las Américas, porque brindamos una mayor productividad, que en este segmento es de mayor ancho. Se pueden instalar plumas más ligeras y anchas en tractores más pequeños y menos costosos. O bien, se puede transportar más líquido en un tractor dado manteniendo la misma masa. De cualquier manera, se mejora el equilibrio de carga entre los ejes delantero y trasero y el centro de masa está más cerca del centro de la máquina, lo que mejora la conducción para el operador ".

“Vemos aplicaciones para la fibra de carbono en otros productos”, predice Aaron Wetzel, vicepresidente de la plataforma de cuidado de cultivos agrícolas y de césped Deere. "En los próximos años, exploraremos oportunidades adicionales en las que el peso ligero y las capacidades más fuertes que el acero agregarán valor adicional a nuestros productos para nuestros clientes".