Brazos de lanza compuestos amplían el alcance del pulverizador, aumentando la eficiencia

 

Satisfaciendo la demanda agrícola. Una aplicación de compuestos en crecimiento en el mercado de equipos agrícolas son los brazos de lanza para equipos de pulverización autopropulsados, usados para aplicar químicos líquidos a cultivos. Fuente | Deere & Co.

 

A medida que los campos agrícolas contiguos en áreas como Norteamérica, Argentina y Brasil han crecido gracias a la consolidación, y la siembra directa aumenta en ciertas geografías, los agricultores quieren sistemas de pulverización con brazos de lanza más largos para reducir el número de pasadas necesarias para cubrir campos cada vez más grandes. Esto también reduce la compactación del suelo, aumentando la productividad y los rendimientos de los cultivos.

En respuesta a esta necesidad, el brazo argentino de King Marine S.A. (Valencia, España), cuyo negocio principal, irónicamente, era la fabricación de piezas compuestas para barcos usando plástico reforzado con fibra de carbono (PRFC) de grado aeroespacial, usó su experiencia en compuestos en otros mercados para desarrollar nuevos brazos de lanza para equipos de pulverización autopropulsados. En uso, los brazos de lanza se despliegan y extienden perpendicular al eje principal de los tractores y permiten a los agricultores aplicar químicos líquidos (p. ej., insecticidas, herbicidas y fertilizantes) a los cultivos. Después del uso, se pliegan y guardan a lo largo de los cuerpos de los tractores para evitar enredos con postes de valla y permitir a los agricultores circular por carreteras.

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

Los brazos se han producido durante mucho tiempo en acero, pero a medida que la longitud aumentaba, se requerían estructuras de soporte más grandes para evitar que los brazos se doblaran bajo cargas torsionales y de fatiga y durante impactos no intencionados con vallas, árboles y otras estructuras. (Las altas cargas de fatiga son por lo que los brazos nunca transitaron al aluminio). A su vez, brazos más largos con estructuras de soporte más grandes necesitaban que los agricultores compraran tractores más grandes para transportar equipos de pulverización más pesados y tanques más grandes con mayores volúmenes de líquidos; sin embargo, al resolver un problema, el equipo más pesado conduce a una mayor compactación del suelo y, como resultado, a menores rendimientos de cultivos. Además, muchos químicos agrícolas corroen los metales, y los brazos más largos requieren mecanismos de plegado más elaborados para el almacenamiento. Eventualmente, los brazos de acero alcanzaron un límite práctico de aproximadamente 36 metros (120 pies) de lado a lado. Aun así, el mercado —particularmente en las Américas— quería brazos más largos.

 

La recesión brinda oportunidades

La Gran Recesión de 2008 fue catastrófica tanto para individuos como para empresas. King Marine, familiar de veinte años, que tiene instalaciones de fabricación en Picassent, España, y Campana, Argentina, entró en 2008 con un negocio en auge produciendo componentes PRFC —particularmente mástiles— para yates de alto rendimiento.

«Fue cuando empezó la recesión económica mundial, y el mercado marino de lujo sufrió un gran golpe», recuerda Natalia Dacko, jefa de administración europea y auditoría interna en King Marine. «Nuestras ventas cayerón drásticamente, y dejamos de construir barcos. Estábamos en modo de crisis porque nuestra empresa estaba en peligro. Teníamos un gran personal de técnicos, ingenieros y especialistas —todos expertos en compuestos de fibra de carbono. La gran pregunta era, '¿Qué vamos a hacer ahora?'». Se creó King Composite S.L. para explorar aplicaciones de PRFC no marinas.

 

Más largos que nunca. Los brazos compuestos cuentan con la capacidad de desplegarse y extenderse para fácil uso. Fuente | Deere & Co.

 

 

Una solución inesperada a las preocupaciones de la empresa llegó en 2009 de un argentino cuya propia empresa fabricaba sistemas de pulverización agrícola. El hombre estaba frustrado por los problemas que aquejaban a sus brazos metálicos. «Nos dijo que le gustaría que los brazos fueran más ligeros, más largos, libres de 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 PRFC, y la empresa argentina lo adoró, lanzando el creciente negocio de King Composite con OEMs de equipos agrícolas en Argentina. King Composites eventualmente fue renombrado King Agro SL.

A medida que el negocio en brazos de lanza compuestos crecía, King Agro se hizo conocido por sus productos innovadores y de calidad. Después de unos años, su éxito fue notado por un líder de equipos agrícolas luchando sus propias batallas con brazos de lanza. 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 brazos PRFC para la marca John Deere.

 

Nuevas generaciones, nuevas permutaciones

«Empezamos con los diseños y recomendaciones de King Agro, más lo que Deere había desarrollado, y encontramos que eran bastante aplicables», explica Phillip Ferree, gerente general de King Agro. «Primero, nuestro equipo conjunto hizo algunos cambios para mejorar la fiabilidad y durabilidad para el mercado sudamericano y lanzó esos productos en 2015. Simultáneamente, empezamos a diseñar productos de segunda generación para Norteamérica y Europa. Para cumplir regulaciones locales, necesitábamos diferente funcionalidad en cosas como durabilidad e impacto, lo que requería traducir especificaciones de metal a diseños compuestos». Esos productos se comercializaron en 2017.

«Durante nuestra primera reunión, pasamos tres horas solo discutiendo diferentes características de pulverizadores en Norte y Sudamérica», recuerda Thomas Bartlett, supervisor de ingeniería de producto de pulverizadores de Deere. «No solo usan diferentes patrones de plegado —hay 20 formas diferentes de plegar estos sistemas dependiendo del mercado y regulaciones— sino que las condiciones de cultivo también son diferentes. En Brasil, usan siembra directa. En Norteamérica, es laboreo limitado con diferentes prácticas agrícolas y más regulación. Europa tiene más diferencias y granjas mucho más pequeñas. Mantienen sus químicos centralizados, así que los pulverizadores se llevan al depósito para recargas en lugar de llevar químicos a los campos para recargas como hacemos en las Américas». Además, en algunas geografías la fontanería transportaba líquidos del tanque a boquillas a través de los brazos, pero en otras ubicaciones, la fontanería corría debajo de los brazos. Otro desafío era cuánto extender los brazos, ya que añadir un metro aquí o allá no necesariamente proporcionaría una solución viable. En su lugar, los ingenieros tuvieron que considerar cómo se plantaban los cultivos en cada geografía y las distancias entre y dentro de hileras.

 

Plegados para fácil almacenamiento. Los brazos de lanza se pliegan para facilitar el viaje entre campos y almacenamiento de equipos. Fuente | Deere & Co.

Los brazos cuentan con múltiples estructuras tubulares compuestas con secciones transversales cuadradas que, a su vez, se conectan mediante «extremos» especiales que se conectan a los sistemas de suministro de fluidos. Características especialmente diseñadas moldeadas en las estructuras principales proporcionan a los componentes la funcionalidad requerida para abrir/cerrar hidráulicamente y transportar fluidos bajo altas presiones. «Con la hidráulica, pudimos integrar muchas características que necesitábamos para poder juntar cosas y crear un diseño general más simplista», añade Bartlett. Deere requiere que los brazos se desplieguen/plieguen en menos de 1 minuto y que el fluido se entregue dentro de dos segundos de arrancar la bomba.

Todos los compuestos usan una matriz epoxi y se embolsan al vacío y curan en autoclave. Se usa 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 24K tow pero en una variedad de formatos, que van desde unidireccional hasta tejido de sarga para capas externas de apariencia con acabado transparente. En uniones y ubicaciones donde la hidráulica interactúa, donde se necesita más resistencia y rigidez, se usan estructuras más pesadas con más capas. Dependiendo del modelo y mercado, los volúmenes de producción varían de 100 a 1.000 sistemas anualmente. King Agro estima que en 2017, el mercado global total para pulverizadores autopropulsados era de 14.000 unidades/año.

«Al entrar en este programa, nuestros objetivos eran extender los brazos a 40 metros pero con un 30% menos de masa, ya que el peso era muy importante», señala Jonathan Nelson, ingeniero de diseño de brazos de lanza compuestos de Deere. «Cuando cuelgas una gran masa del frente o trasero de una máquina, estás luchando contra la inercia, así que es mucho más difícil equilibrar cargas entre 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 mayor impacto porque simplemente nunca ves un pulverizador que no haya golpeado algo. Llevamos pruebas estandarizadas desarrolladas para metales que implican lanzar brazos contra postes de valla durante varios cientos de ciclos». Las cargas de trabajo y 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 fontanería ve presiones de pulverización de 276-414 KPa [40-60 psi].

 

Más ligeros, mejores, más rápidos

Después de tres años, la colaboración resultó tan fructífera que en 2018, Deere adquirió King Agro, que ahora construye brazos en sus instalaciones y los envía a fábricas de John Deere en Des Moines, Iowa, EE. UU., y Horst, Países Bajos, para montaje final. El acuerdo supuestamente permite a King Agro retener su nombre de marca, marca comercial y relaciones comerciales.

Los beneficios de brazos más ligeros. Brazos más ligeros significan mejor economía de combustible, menor mantenimiento, mayor ancho de trabajo, mayor vida útil, menores costes operativos, reparabilidad en campo más fácil y mejor eficiencia con menos rastros de máquina para mayor volumen de cosecha. Fuente | Deere & Co.

La conversión a compuestos ha permitido que los brazos se extiendan más allá de 36 metros (120 pies) a 40 metros (132 pies). Comparado con el acero, el PRFC es seis veces más fuerte, 5,5 veces más ligero, proporciona mayor impacto y no se corroe. Brazos más ligeros significan mejor economía de combustible, menor mantenimiento, mayor ancho de trabajo, mayor vida útil, menores costes operativos y mejor eficiencia con menos rastros de máquina para mayor volumen de cosecha. Otro beneficio es la reparabilidad. «Nuestros distribuidores pueden tomar una falla catastrófica, cortar el componente a la mitad, añadir algo de resina, apretar y dejar curar y están listos para ir», añade Nelson. «En realidad es más fácil de arreglar que soldar acero».

«La mejor parte son los beneficios para el cliente», añade Bartlett. «Con productos de fibra de carbono, pueden ser más productivos. Pueden ir más anchos sin penalización de peso, cubrir más acres, experimentar menos compactación del suelo, y la reducción en la presión del suelo afecta positivamente el rendimiento».

Ferree está de acuerdo: «Desde un punto de vista de diseño, los compuestos nos permiten hacer cosas que no podíamos hacer con 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 premium de PRFC —particularmente en las Américas— porque traemos mayor productividad, que en este segmento es mayor ancho. Brazos más ligeros y anchos pueden instalarse en tractores más pequeños y menos costosos. O, más líquido puede transportarse en un tractor dado manteniendo la misma masa. De cualquier manera, el equilibrio de carga entre ejes delantero y trasero mejora y el centro de masa está más cerca del centro de la máquina, mejorando la conducción para el operador».

«Vemos aplicaciones para fibra de carbono en otros productos», predice Aaron Wetzel, vicepresidente, plataforma de cuidado de cultivos ag & turf de Deere. «En los próximos años, exploraremos oportunidades adicionales donde el peso ligero y capacidades más fuertes que el acero añadirán valor adicional a nuestros productos para nuestros clientes».