Cosechando los beneficios:Crece el uso de composites en equipos agrícolas

Si bien no es el primer segmento de transporte en el que la mayoría de la gente piensa como un mercado en crecimiento para materiales compuestos, tal vez el equipo agrícola debería serlo y, con el tiempo, lo será. Después de todo, a medida que las poblaciones humanas aumenten en todo el planeta, se necesitarán más recursos para cultivar las plantas y el ganado que nos alimenten. A pesar de un siglo de guerras horribles y algunas plagas internacionales importantes, las poblaciones humanas lograron crecer un 400 por ciento durante el siglo XX. La población mundial actual es de 7,6 mil millones, y las Naciones Unidas (Nueva York, N.Y., EE. UU.) Proyecta que se agregarán otros mil millones para 2030, otro más para 2050, y que para 2100, la población mundial será de 11,2 mil millones. A medida que crece la agricultura, también crecerá el mercado de equipos.

Actualmente, la industria de equipos agrícolas está geográficamente fragmentada, con solo unos pocos OEM globales construyendo los volúmenes de producción más altos de la industria, y estos son generalmente volúmenes aún más bajos que incluso la industria de camiones pesados. Sin embargo, una constelación de tendencias, incluida la consolidación de terrenos en las Américas, estándares más estrictos de eficiencia de combustible y emisiones para vehículos con motor diésel en muchas geografías, el complejo tema de la reducción de peso, un mayor interés en el uso de la diferenciación del diseño como herramienta de marketing, y Los cambios en la forma en que los fabricantes de equipos originales (OEM) de maquinaria integrada hacia atrás todavía están en los metales, ha llevado a que más y más componentes se conviertan en compuestos utilizando una gama más amplia de materiales y procesos. A medida que esas tendencias ganan terreno, no es difícil imaginar un momento en el que los equipos agrícolas podrían convertirse en un mercado importante para los compuestos.

Transporte, pero diferente

Una de las primeras cosas que hay que entender sobre el mercado de equipos agrícolas es lo grande pero fragmentado que es y cómo eso afecta el tipo de equipo producido y utilizado en cada región.

“La regionalidad es un factor interesante en este mercado”, explica Deavron Farmer, gerente global de cuentas clave / gerente de mercado agrícola, LyondellBasell Engineered Composites (Houston, Texas, EE. UU.). “Gracias a la consolidación durante las últimas cinco décadas, las fincas más grandes de América [particularmente en los EE. UU., Canadá, Argentina y Brasil] tienden a tener decenas de miles, si no cientos de miles, de acres de tamaño, a menudo con campos contiguos . Dado el tamaño de estos campos y la tendencia hacia el monocultivo [plantando cultivos individuales en una superficie enorme], el equipo se ha vuelto más grande y más modular para que los agricultores puedan atender de manera eficiente extensiones de tierra cada vez más grandes ". Agrega que ese no es necesariamente el caso en Europa, donde las granjas se han mantenido más pequeñas y el equipo tiene el tamaño adecuado.

Por otro lado, en los países en desarrollo, están en juego otros factores. “El costo, que es un problema en todas partes, es un tema especialmente delicado en las regiones en desarrollo, donde equipos como un tractor también pueden servir como transporte familiar a la ciudad”, agrega Farmer. "Aunque los agricultores pueden usar equipos de estilo antiguo, el cambio se está intensificando tan rápidamente que los agricultores de los países en desarrollo pueden superar generaciones enteras de equipos que tardaron décadas en evolucionar en otras regiones, como sucedió con la electrónica de consumo". Dado lo fragmentado geográficamente que está el mercado de equipos agrícolas, hay menos oportunidades para los OEM globales como John Deere (Deere &Co., Moline, Ill., EE. UU.), Case New Holland (CNH Global NV, Amsterdam, Países Bajos) y AGCO (AGCO Corp., Duluth, Ga., EE. UU.) Para crear modelos mundiales que permitan compartir partes y reducir costos como se hace en otros segmentos de transporte. Esto significa que los acuerdos de compra globales son menos comunes, por lo que los fabricantes, moldeadores y proveedores de materiales deben calificar en cada región donde desean realizar ventas.

Otra diferencia en este mercado es que los equipos agrícolas están diseñados para tener una vida útil prolongada. Los fabricantes de automóviles en estos días apuntan a una vida útil de una década. Los fabricantes de camiones comerciales prueban y garantizan 482,803 kilómetros para vehículos de servicio severo y 1,9 millones de kilómetros para camiones de largo recorrido, el último objetivo del cual podría lograrse en tan solo cinco años, mientras que los camiones volquete, hormigoneras y similares pueden operar durante varias décadas.

Sin embargo, incluso en América del Norte, no hay nada que ver en el uso de equipos agrícolas de 40, 50 o 60 años. El mercado de equipos usados ​​es muy activo y, como consecuencia, las máquinas agrícolas están diseñadas para funcionar durante mucho tiempo. Eso se complica por el hecho de que la mayoría de los equipos agrícolas pasan toda su vida al aire libre, constantemente expuestos al calor, el frío, el viento, la humedad y la radiación ultravioleta mientras están sujetos a impactos de piedras, grava y polvo durante la operación. Los materiales utilizados en dichos equipos no solo deben ser resistentes a la corrosión y a las abolladuras y tener buenas características de intemperie, sino que también deben proporcionar estabilidad química y térmica.

Estas máquinas están expuestas habitualmente a todo, desde combustibles y lubricantes de hidrocarburos hasta fertilizantes y pesticidas, muchos de los cuales están clorados o dispersos en bases lipídicas. Y al igual que los automóviles y camiones, el calor alrededor del compartimiento del motor está aumentando debido a las nuevas regulaciones sobre emisiones del tubo de escape. Agregue a eso el hecho de que los agricultores pasan largos días encerrados en las cabinas de los tractores, lo que aumenta la demanda para reducir el ruido, la vibración y la dureza (NVH) y para aumentar la comodidad del operador. En general, es una tarea difícil para cualquier grupo de materiales.

Sin embargo, los volúmenes de producción más bajos pueden hacer que los compuestos sean menos rentables que los materiales tradicionales. Con la excepción de las cortadoras de césped pequeñas, que pueden producirse en volúmenes similares a los de un automóvil de 350.000 al año, la mayoría de los equipos se producen en el orden de unos pocos cientos a unas pocas decenas de miles al año. Eso se debe en parte a que hay muchas opciones de personalización disponibles en el segmento de maquinaria nueva y en parte a que algunos de los equipos más nuevos se están diseñando en tamaños más grandes y con nuevas características que añaden costos y complejidad. Dependiendo del tipo de equipo y modelo, puede ser tan costoso como comprar un auto nuevo o incluso una casa nueva. De hecho, la alta inversión de capital necesaria para ingresar y permanecer en la agricultura se ha convertido en una de las mayores barreras que impiden que nuevos agricultores ingresen a la industria.

Además, el peso ligero que ofrecen los materiales compuestos sobre los materiales tradicionales puede ser un beneficio, pero la reducción de peso en los equipos agrícolas es un tema complejo. Por un lado, el elevado peso del vehículo puede provocar la compactación del suelo, lo que obstaculiza el crecimiento de las plantas. En determinadas aplicaciones, como los brazos de pulverización utilizados para aplicar agua y productos químicos en los campos, el aligeramiento es un beneficio real. Para dar servicio de manera eficiente a campos cada vez más grandes, los brazos de la pluma se han vuelto cada vez más largos, lo que reduce la cantidad de pasadas necesarias para cubrir un campo. Sin embargo, eso, a su vez, significa que se requieren estructuras de soporte más grandes para evitar que los brazos se hundan en tramos tan largos, que pueden exceder los 15 metros a cada lado del vehículo. Los esfuerzos para reducir el peso, al cambiar del aluminio a los compuestos, pueden brindar un beneficio real a los fabricantes de equipos originales y los agricultores.

Por otro lado, el peso ligero no siempre es beneficioso, especialmente si afecta la estabilidad del vehículo. Las cosechadoras de peso pesado, por ejemplo, necesitan peso en la parte trasera del vehículo para mantener las ruedas traseras en el suelo durante el funcionamiento. Por lo tanto, distribución de peso es clave para garantizar la seguridad y la eficiencia. Todos estos factores hacen que el peso sea complicado cuando se trata de equipos agrícolas, y su reducción no tiene el mismo efecto que en los camiones, autobuses y vehículos de pasajeros.

Muchos materiales, muchos procesos

Dada la variedad de tamaños y volúmenes de producción que se observan en los equipos agrícolas, desde cortadoras de césped y tractores compactos utilitarios (CUT) hasta aparadores y cosechadoras, se utilizan una variedad de procesos de molde abierto y cerrado para producir principalmente piezas de compuestos termoendurecibles en este segmento. , aunque los termoplásticos reforzados están empezando a ganar terreno en aplicaciones específicas. Sorprendentemente, uno de los materiales más nuevos que se utilizan en equipos agrícolas es el preimpregnado epoxi reforzado con fibra de carbono curado en autoclave de grado aeroespacial para brazos de pulverización. En aluminio o acero, estos brazos requieren tanta estructura de soporte que existen límites prácticos en cuanto a su longitud. Sin embargo, al convertir a compuestos de fibra de carbono livianos y de alto rendimiento, no solo se puede reducir o eliminar la estructura de soporte, sino que se pueden alargar los brazos. La impresión 3D también está ganando terreno en este segmento, principalmente para herramientas y accesorios de montaje, pero también para producir algunas piezas en vehículos de producción.

A medida que el ajuste y el acabado de la apariencia, así como la consistencia de las piezas, se vuelven más importantes para los OEM y los clientes, tanto para la diferenciación de productos como para la marca visual, los fabricantes de equipos están explorando los conocidos beneficios de los plásticos y compuestos para facilitar la libertad de diseño, la consolidación de piezas y la alta calidad. estética. El color es otro aspecto muy utilizado de la marca visual en este segmento a través de pintura, gelcoat y polímero pigmentado. De hecho, algunos fabricantes de equipos originales combinan diferentes texturas de pintura en el mismo panel de la carrocería (por ejemplo, punteado claro más brillo) para ocultar las marcas de desgaste en las áreas de desgaste y, al mismo tiempo, lograr un aspecto agradable. El trabajo en curso entre la base de suministro consiste en buscar formas de extender la durabilidad de las pinturas y revestimientos y de eliminar ambas tecnologías a favor de películas y materiales moldeados en color (MIC) con mayor estabilidad a los rayos UV.

Residuos agrícolas ecológicos

La sostenibilidad, desde las mejoras en la eficiencia del combustible hasta el uso de polímeros reciclados y derivados de plantas, es tan importante y deseable en la agricultura como en otros segmentos del transporte. Curiosamente, los monómeros de base biológica resultaron ser mucho más fáciles de vender aquí que en la automoción. “Simplemente tiene sentido para nuestros clientes en la comunidad agrícola”, explica Jay Olson, gerente de ingeniería y tecnología de materiales en John Deere, así como propietario de la marca / presidente del consejo y oficial en la junta de PLASTICS Industry Association (Washington, DC, NOSOTROS). “Usan nuestro equipo para cultivar maíz y soja y luego esos productos básicos se utilizan para fabricar polímeros que se moldean en componentes para nuevos equipos que producimos para esos mismos clientes”.

Actualmente, los productos vegetales más comunes que se utilizan en los compuestos agrícolas termoendurecibles incluyen la soja y el maíz que se convierten en resinas de poliéster insaturadas para compuestos de moldeo en láminas (SMC) y compuestos de moldeo a granel (BMC). Alrededor de 2000, Ashland LLC (Columbus, Ohio, EE. UU.) Presentó la resina de poliéster insaturado (UP) de base biológica Envirez 1807 a los fabricantes de compuestos que, a su vez, la convierten en SMC y la venden a los moldeadores para piezas que van al mercado de equipos agrícolas. principalmente para uso en paneles de paredes laterales de cosechadoras grandes. La compañía afirma que Envirez fue la primera resina de UP disponible comercialmente que contenía una porción significativa (18 por ciento) de monómero derivado de granos de maíz o soja. El polímero se suministra sin catalizar y se dice que ofrece una respuesta de espesamiento uniforme, buena pintabilidad y buenas características de superficie a baja temperatura de curado en SMC. También es menos propenso a las fluctuaciones de precios que los polímeros derivados de las materias primas del petróleo.

Otro producto verde de SMC que elimina el costo y la carga ambiental de la pintura es una resina UP estructural resistente a la intemperie que se usa por primera vez para superficies visibles en cajas de recogida y ahora se incluye en los paneles de postratamiento diésel (ATD) de los tractores John Deere 8000. Arotran 805 es un grado negro moldeado en color (MIC) estable a los rayos UV que fue desarrollado conjuntamente por Ashland y el proveedor de aditivos Chromaflo Technologies LLC (Ashtabula, Ohio, EE. UU.) Y está moldeado por compresión por Ashley Industrial Moulding (Ashley, Ind. , NOSOTROS). Cuando se combina en SMC y se usa en aplicaciones como los paneles ATD, ayuda a mantener la estética a largo plazo, lo que ayuda a respaldar valores de reventa más altos para los tractores.

LyondellBasell Engineered Composites presentó en la feria CAMX 2018 un SMC de nueva generación dirigido a equipos agrícolas, así como a los mercados de edificios / construcción y eléctricos / electrónicos. “Como industria, sabemos que los compuestos termoendurecibles tienen limitaciones con respecto al reciclaje al final de su vida útil”, explica Mike Gruskiewicz, director de tecnología para la región de EE. UU., LyondellBasell Engineered Composites. “A medida que continuamos trabajando en el reciclaje, vemos muchos beneficios al incorporar contenido renovable y reciclado en la fabricación de SMC, contribuyendo así a la economía circular en la parte delantera del ciclo de vida. A medida que comenzamos a buscar soluciones ecológicas, nos propusimos un compromiso cero en términos de rendimiento, moldeabilidad y estética en comparación con los SMC a base de petróleo ”.

La empresa ofrece dos nuevos productos SMC sostenibles, ambos con un rendimiento retardante del fuego. “El grado Premi-Glas 7001 produce perfiles de superficie que se pueden pintar de Clase A, lo que permite que las capotas de los tractores logren una estética comparable a la de los automóviles finos y agreguen el aspecto retardante del fuego para el entorno agrícola severo, y Premi-Glas 3501 ofrece un color moldeado y está diseñado para para piezas como cajas eléctricas, soportes y carcasas, y componentes de la cabina ”, explica Gruskiewicz. Además, 3501 incorpora contenido termoplástico reciclado para reforzar su huella de sostenibilidad. En ambos casos, el monómero de propilenglicol de la resina se produce utilizando soja o maíz y se dice que produce propiedades idénticas a los monómeros creados a partir de productos tradicionales del petróleo. El grado 3501 incluye tereftalato de polietileno reciclado postindustrial (PIR) (rPET), que se ha digerido químicamente para producir ácido tereftálico y luego reaccionó de nuevo en la resina de poliéster. Aunque aún no se han anunciado aplicaciones comerciales, Gruskiewicz dice que el grado 7001 ya está siendo muestreado para capós de tractores, puertas de cosechadoras y paneles de carrocería. “Otra área interesante para SMC son las tapas de válvulas para motores diésel grandes, así como los cárteres [cárteres] de aceite”, añade. “En comparación con piezas similares en vehículos de pasajeros que se han convertido de SMC a termoplásticos, vemos condiciones de operación mucho más severas en agricultura. Por ejemplo, en motores más grandes, se requieren materiales más rígidos debido a las grandes luces en esas unidades más grandes ”.

Encuentros abrumadores

Un desafío en la industria de equipos agrícolas es que los materiales compuestos deben mantener un rendimiento mecánico bajo cargas que pueden superar los 9.000 kilogramos. Por ejemplo, el moldeador de nivel 1 Plastics Unlimited (Preston, Iowa, EE. UU.) Ha desarrollado una tecnología de moldeo llamada compuestos de ingeniería sin herramientas (TEC), que se ha utilizado para producir solapas de puerta de 1,5 por 2,1 metros / puertas de extensión de grano que pueden soportan cargas de hasta 9.072 kg, para cosechadoras grandes con paredes nominales de 6,4 a 12,7 milímetros de espesor. TEC combina la alta estética y durabilidad de los termoplásticos con la resistencia, tenacidad y estabilidad dimensional de los compuestos para producir una estructura con una superficie de Clase A y un lado B que aportan una alta rigidez y una relación resistencia / peso. El aspecto del lado A se obtiene termoconformando una lámina de MIC acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), que posteriormente se convierte en utillaje para la mitad del lado B de la pieza, aunque para estas estructuras más grandes y complejas se utiliza una segunda herramienta compuesta. durante el proceso de formación. Este último es un compuesto envasado al vacío producido con resina UP infundida en capas cosidas de núcleos de fibra de vidrio picados. Tanto los soportes metálicos como las nervaduras grandes (fabricadas en espuma rígida de poliuretano) se pueden insertar en el material compuesto durante el laminado.

El resultado es una pieza resistente a la corrosión y estabilizada a los rayos ultravioleta que ofrece flexibilidad de diseño y una alta resistencia al impacto que resiste el astillado y el agrietamiento a un costo razonable. El lado A (capa termoplástica) puede proporcionar una superficie granulada o brillante (esta última en colores sólidos o transparentes sobre patrones, que incluyen metalizado, cromo, madera, camuflaje e incluso una malla de carbono). Se dice que esta capa termoplástica ofrece una excelente profundidad de imagen y es mucho más duradera que el SMC pintado o recubierto de gel, lo que permite pulir pequeños arañazos en la superficie. El lado B sin apariencia (capa compuesta) está pigmentado y es suave. Además de las puertas de extensión de grano de alto rendimiento en las cosechadoras, el proceso TEC también se utiliza para moldear guardabarros, protectores laterales, capós y recintos delanteros y traseros para una variedad de vehículos recreativos más pequeños y equipos agrícolas.

¿Cuál es el futuro de los equipos agrícolas? En 2016, en el Farm Progress Show en Boone, Iowa, EE. UU., Case New Holland (CNH) mostró los primeros conceptos de tractores totalmente autónomos de la industria que pueden plantar, fumigar y cosechar, y donde los humanos ya no operan vehículos desde a bordo, sino que controlan y monitorean el equipo sin conductor de forma remota a través de una tableta mientras el tractor recorre rutas de guía previamente mapeadas. Equipados con cámaras a bordo que brindan vistas en tiempo real y detección avanzada de obstáculos, estos tractores de drones pueden alertar a los operadores sobre obstáculos y otros problemas, lo que permite al operador seleccionar la mejor ruta para evitar o solucionar problemas. Se dice que el software del sistema traza automáticamente el pase en el campo más eficiente para ayudar a los agricultores a aprovechar al máximo las ventanas climáticas estrechas o trabajar las 24 horas del día cuando sea necesario para aumentar la productividad, todo mientras recopila datos para monitorear los cultivos actuales y planificar mejor los futuros. CNH dice que esta tecnología ayudará a los agricultores en muchas partes del mundo que luchan por encontrar mano de obra calificada durante las temporadas pico de uso. Es probable que los equipos intermedios combinen máquinas con cabina con capacidades de conducción tradicionales y cierto nivel de automatización.

"La agricultura no ha cambiado de sus objetivos fundamentales de alimentar, alimentar y vestir al mundo", agrega Olson. “Sin embargo, la tecnología, incluidos todos los aspectos de la biotecnología y los materiales necesarios para las soluciones de sistemas inteligentes, se ha acelerado para enfrentar los desafíos de productividad de alimentar a una población en rápido crecimiento. Los agricultores siempre han sido administradores de la tierra, por lo que la sostenibilidad de los recursos naturales es clave para nuestro éxito como industria, comunidad y mundo ”.