Cómo los materiales compuestos están revolucionando el equipo agrícola

Aunque no es el primer segmento de transporte en el que la mayoría piensa como mercado creciente para compuestos, quizás el equipo agrícola debería serlo y, con el tiempo, lo será. Al fin y al cabo, a medida que las poblaciones humanas aumentan en el planeta, se necesitarán más recursos para cultivar las plantas y el ganado que nos alimentan. A pesar de un siglo de guerras horribles y algunas plagas internacionales significativas, las poblaciones humanas lograron crecer un 400 % durante el siglo XX. La población mundial actual es de 7.600 millones, y las Naciones Unidas (Nueva York, EE. UU.) proyectan que se añadirán otros 1.000 millones para 2030, otro más para 2050, y que para 2100 la población mundial será de 11.200 millones. A medida que crece la agricultura, el mercado de equipos también crecerá.

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 al tipo de equipo producido y utilizado en cada región.

"La regionalidad es un factor interesante en este mercado", explica Deavron Farmer, gestor global de cuentas clave/gestor de mercado agrícola, LyondellBasell Engineered Composites (Houston, Texas, EE. UU.). "Gracias a la consolidación en las últimas cinco décadas, las granjas más grandes en América [especialmente en EE. UU., Canadá, Argentina y Brasil] tienden a ser de 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 [cultivo de un solo cultivo bajo enormes extensiones], los equipos se han vuelto más grandes y modulares para que los agricultores puedan atender extensiones de tierra cada vez mayores de manera eficiente". Añade que no es necesariamente el caso en Europa, donde las granjas han permanecido más pequeñas y los equipos tienen el tamaño adecuado.

Por otro lado, en países en desarrollo, otros factores están en juego. "El coste —que es un problema en todas partes— es un tema especialmente sensible en regiones en desarrollo, donde un equipo como un tractor también puede servir como transporte familiar a la ciudad", añade Farmer. "Aunque los agricultores allí pueden usar equipos de estilo antiguo, el cambio se está acelerando tan rápidamente que los agricultores en naciones en desarrollo bien podrían saltarse generaciones enteras de equipos que tardaron décadas en evolucionar en otras regiones —como ocurrió con la electrónica de consumo". Dado lo geográficamente fragmentado que está el mercado de equipos agrícolas, hay menos oportunidades para que los OEM globales como John Deere (Deere & Co., Moline, Illinois, EE. UU.), Case New Holland (CNH Global NV, Ámsterdam, Países Bajos) y AGCO (AGCO Corp., Duluth, Georgia, EE. UU.) creen modelos mundiales que permitan compartir piezas y reducir costes como se hace en otros segmentos de transporte. Esto significa que los acuerdos de compra globales son menos comunes, por lo que fabricantes, moldeadores y proveedores de materiales deben calificarse en cada región donde deseen hacer ventas.

Otra diferencia en este mercado es que el equipo agrícola está diseñado para tener una vida larga. Los fabricantes de automóviles hoy en día apuntan a una vida útil de una década. Los fabricantes de camiones comerciales prueban y garantizan 482.803 km para vehículos de servicio severo y 1,9 millones de km para camiones de larga distancia —este último objetivo podría alcanzarse en tan solo cinco años— mientras que camiones de volteo, hormigoneras y similares pueden operar durante varias décadas.

Sin embargo, incluso en Norteamérica, no es nada ver equipos agrícolas aún en uso que tienen 40, 50 o 60 años. El mercado de equipos usados es muy activo y, como consecuencia, las máquinas agrícolas están diseñadas para operar 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 a calor, frío, viento, humedad y radiación UV mientras son sometidos a impactos de piedras, grava y polvo durante la operación. No solo deben los materiales usados en tales equipos ser resistentes a la corrosión y a los golpes y tener buenas características de intemperismo, sino que también deben proporcionar estabilidad química y térmica.

Estas máquinas están expuestas rutinariamente a todo, desde combustibles e hidrocarburos lubricantes hasta fertilizantes y pesticidas, muchos de los cuales son clorados o dispersos en bases lipídicas. Y como coches y camiones, el calor alrededor del compartimento del motor aumenta debido a nuevas regulaciones de emisiones de escape. Añádase a eso el hecho de que los agricultores pasan largas jornadas encerrados en cabinas de tractores, lo que aumenta la demanda de reducir ruido, vibración y dureza (NVH) y aumentar el confort del operador. En conjunto, es un pedido alto para cualquier grupo de materiales.

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

Además, la aligeración que ofrecen los compuestos sobre los materiales tradicionales puede ser un beneficio, pero la reducción de peso en equipos agrícolas es un tema complejo. Por un lado, el alto peso del vehículo puede provocar compactación del suelo, lo que frena el crecimiento de las plantas. En ciertas aplicaciones, como brazos de pulverizadores usados para aplicar agua y productos químicos a los campos, la aligeración es un beneficio real. Para atender eficientemente campos cada vez más grandes, los brazos de pulverización se han vuelto cada vez más largos, reduciendo el número 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 sobre tramos tan largos —que pueden superar los 15 metros a cada lado del vehículo. Los esfuerzos para reducir peso —cambiando de aluminio a compuestos— pueden proporcionar un beneficio real a OEM y agricultores.

Por otro lado, la aligeración no siempre es beneficiosa —especialmente si afecta la estabilidad del vehículo. Cosechadoras con mucho peso delantero, por ejemplo, necesitan peso en la parte trasera del vehículo para mantener las ruedas traseras en el suelo durante la operación. Por tanto, la distribución del peso es clave para garantizar seguridad y eficiencia. Todos estos factores significan que el peso es complicado cuando se trata de equipos agrícolas, y su reducción no tiene casi el revuelo que tiene en camiones, autobuses y vehículos de pasajeros.

Muchos materiales, muchos procesos

Dada la gama de tamaños y volúmenes de producción vistos en equipos agrícolas —desde cortadoras de césped montadas y tractores de utilidad compacta (CUT) hasta empacadoras y cosechadoras— se utilizan una variedad de procesos de moldeo abierto y cerrado para producir piezas compuestas mayoritariamente termofijas en este segmento, aunque los termoplásticos reforzados están comenzando a ganar terreno en aplicaciones específicas. Sorprendentemente, uno de los materiales más nuevos que se usan en equipos agrícolas es preimpregnado de fibra de carbono/epoxi de grado aeroespacial curado en autoclave para brazos de pulverizadores. En aluminio o acero, estos brazos requieren tanta estructura de soporte que hay límites prácticos a cuánto pueden medir. Sin embargo, al convertirse a compuestos de fibra de carbono de alto rendimiento y ligeros, no solo puede reducirse o eliminarse la estructura de soporte, sino que los brazos pueden hacerse más largos. La impresión 3D también está ganando terreno en este segmento —mayormente para herramientas y fijaciones de montaje, pero también para producir algunas piezas en vehículos de producción.

A medida que el ajuste y acabado de apariencia, así como la consistencia de piezas, se vuelven más importantes para OEM y clientes, tanto para diferenciación de producto como para imagen de marca visual, los fabricantes de equipos están explorando los conocidos beneficios de plásticos y compuestos para facilitar la libertad de diseño, consolidación de piezas y alta estética. El color es otro aspecto bien utilizado de la imagen de marca visual en este segmento mediante pintura, gel coat y polímero pigmentado. De hecho, algunos OEM combinan diferentes texturas de pintura en el mismo panel de carrocería (por ejemplo, punteado ligero más brillo) para ocultar marcas de desgaste en áreas de uso mientras logran una apariencia agradable. El trabajo continuo entre la base de suministro busca formas de extender la durabilidad de pinturas y recubrimientos y eliminar ambas tecnologías a favor de films y materiales de color moldeado (MIC) con mayor estabilidad UV.

Ecologizando los compuestos agrícolas

La sostenibilidad —desde mejoras en eficiencia de combustible hasta el uso de polímeros reciclados y derivados de plantas— es tan importante y deseable en la agricultura como en otros segmentos de transporte. Curiosamente, los monómeros basados en biológicos resultaron ser una venta mucho más fácil aquí que en automoción. "Simplemente tiene sentido para nuestros clientes en la comunidad agrícola", explica Jay Olson, gestor de ingeniería de materiales y tecnología en John Deere, así como propietario de marca/presidente del consejo y oficial en la junta de la Asociación de la Industria PLASTICS (Washington, DC, EE. UU.). "Usan nuestros equipos para cultivar maíz y soja y luego esos productos básicos se usan para hacer polímeros que se moldean en componentes para nuevos equipos que producimos para esos mismos clientes".

Actualmente, los productos vegetales más comunes usados en compuestos agrícolas termofijos incluyen soja y maíz que van a resinas de poliéster insaturado para compuesto de moldeo en lámina (SMC) y compuesto de moldeo en masa (BMC). Alrededor de 2000, Ashland LLC (Columbus, Ohio, EE. UU.) introdujo la resina de poliéster insaturado (UP) biobasada Envirez 1807 a compuestos que, a su vez, la convierten en SMC y la venden a moldeadores para piezas que van al mercado de equipos agrícolas —principalmente para uso en grandes paneles laterales de cosechadoras. La compañía afirma que Envirez fue la primera resina UP comercialmente disponible que contenía una porción significativa (18 %) de monómero derivado de grano de maíz o soja. El polímero se suministra sin catalizador y se dice que ofrece respuesta de espesamiento uniforme, buena pintabilidad y buenas características de superficie a baja temperatura de curado en SMC. También es menos propenso a fluctuaciones de precio que polímeros derivados de materias primas petroquímicas.

Otro producto SMC verde que elimina el coste y la carga ambiental de la pintura es una resina UP estructural, resistente a la intemperie, usada primero para superficies visibles en cajas de pick-up y ahora presente en paneles de post-tratamiento diésel (ATD) en tractores John Deere 8000. Arotran 805 es un grado negro UV-estable, de color moldeado (MIC), desarrollado conjuntamente por Ashland y el proveedor de aditivos Chromaflo Technologies LLC (Ashtabula, Ohio, EE. UU.) y moldeado por compresión por Ashley Industrial Molding (Ashley, Indiana, EE. UU.). Cuando se compone en SMC y se usa en aplicaciones como los paneles ATD, ayuda a mantener la estética a largo plazo, lo que apoya mayores valores de reventa para tractores.

Una nueva generación de SMC dirigida a equipos agrícolas, así como a construcción/edificación y mercados eléctricos/electrónicos, se introdujo en la feria CAMX 2018 por LyondellBasell Engineered Composites. "Como industria, sabemos que los compuestos termofijos 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 reciclaje, vemos muchos beneficios en incorporar contenido renovable y reciclado en la fabricación de SMC, contribuyendo así a la economía circular en el frente del ciclo de vida. Al empezar a buscar soluciones verdes, nos fijamos la meta de cero compromiso en términos de rendimiento, moldeabilidad y estética comparado con SMCs basados en petróleo".

La compañía ofrece dos nuevos productos SMC sostenibles, ambos con rendimiento ignífugo. "El grado Premi-Glas 7001 produce perfiles de superficie pintables Clase A, permitiendo que los capós de tractores logren estética comparable a automóviles finos, y añadiendo el aspecto ignífugo para el severo entorno agrícola, y Premi-Glas 3501 ofrece color moldeado y está destinado a piezas como recintos eléctricos, soportes y carcasas, y componentes de cabina", explica Gruskiewicz. Además, el 3501 incorpora contenido termoplástico reciclado para reforzar su huella de sostenibilidad. En ambos casos, el monómero de glicol propileno de la resina se produce usando soja o maíz y se dice que produce propiedades idénticas a monómeros creados a partir de productos petroquímicos tradicionales. El grado 3501 incluye reciclado post-industrial (PIR) tereftalato de polietileno (rPET), que ha sido digerido químicamente para producir ácido tereftálico y luego reaccionado de nuevo en la resina de poliéster. Aunque aún no se han anunciado aplicaciones comerciales, Gruskiewicz dice que el grado 7001 ya se está probando para capós de tractores, puertas de cosechadoras y paneles de carrocería. "Otra área emocionante para SMC involucra tapas de válvulas para grandes motores diésel así como cárteres de aceite [carter]", añade. "Comparado con piezas similares en vehículos de pasajeros que han pasado de SMC a termoplásticos, vemos condiciones operativas mucho más severas en ag. Por ejemplo, en motores más grandes, se requieren materiales más rígidos debido a las grandes luces a través de esas unidades más grandes".

Soportando cargas de aplastamiento

Un desafío en la industria de equipos agrícolas es que los compuestos deben mantener el 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 diseñados sin herramientas (TEC), que se ha usado para producir puertas de 1,5 por 2,1 metros / puertas de extensión de grano que pueden soportar cargas de hasta 9.072 kg, para grandes cosechadoras con paredes nominales de 6,4 a 12,7 milímetros de espesor. TEC combina la alta estética y durabilidad de termoplásticos con la resistencia, tenacidad y estabilidad dimensional de compuestos para producir una estructura con superficie Clase A y un lado B que aporta una alta relación rigidez-resistencia a peso. El lado A de apariencia se produce por termoformado de una lámina de ABS de color moldeado (MIC), que posteriormente se convierte en herramienta para la mitad del lado B de la pieza, aunque para estas estructuras más grandes y complejas, se usa una segunda herramienta compuesta durante el proceso de formado. Esta última es un compuesto envasado al vacío producido usando resina UP infundida en capas cosidas de núcleos de fibra de vidrio picada. Tanto herrajes metálicos como grandes nervios (producidos en espuma de poliuretano rígido) pueden insertarse en el compuesto durante el estratificado.

El resultado es una pieza estabilizada UV, resistente a la corrosión, que ofrece flexibilidad de diseño y alta resistencia al impacto que resiste astillado y agrietamiento a un coste razonable. El lado A (capa termoplástica) puede proporcionar una superficie granulada o brillante (esta última en colores sólidos o transparente sobre patrones, que incluyen metálico, cromo, madera, camuflaje e incluso malla de carbono). Se dice que esta capa termoplástica ofrece excelente profundidad de imagen y es mucho más duradera que SMC pintado o gel-coat, permitiendo que arañazos superficiales menores se pulan. El lado B no visible (capa compuesta) está pigmentado y liso. Además de las puertas de extensión de grano de alto rendimiento en cosechadoras, el proceso TEC también se usa para moldear guardabarros, protectores laterales, capós y recintos delanteros y traseros para una variedad de vehículos recreativos más pequeños y equipos tipo granja.

¿El futuro del equipo agrícola?

En 2016 en la Farm Progress Show en Boone, Iowa, EE. UU., Case New Holland (CNH) presentó los primeros conceptos de tractores totalmente autónomos de la industria que pueden plantar, pulverizar y cosechar, y donde los humanos ya no operan vehículos desde a bordo, sino que controlan y monitorean el equipo sin conductor remotamente vía tableta mientras el tractor recorre rutas pre-mapeadas. Equipados con cámaras a bordo que proporcionan vistas en tiempo real y detección avanzada de obstáculos, estos tractores dron pueden alertar a los operadores de obstáculos y otros problemas, permitiendo al operador seleccionar la mejor ruta para evitar o solucionar problemas. El software del sistema supuestamente traza automáticamente la pasada más eficiente en el campo para ayudar a los agricultores a aprovechar al máximo ventanas climáticas estrechas o trabajar las 24 horas cuando sea necesario para aumentar la productividad, todo mientras recopilan datos para monitorear cultivos actuales y planificar mejor los futuros. CNH dice que esta tecnología ayudará a agricultores en muchas partes del mundo que luchan por encontrar mano de obra calificada durante temporadas de uso pico. Equipos intermedios probablemente combinarán máquinas con cabina y capacidades de conducción tradicionales con algún nivel de automatización.

"La agricultura no ha cambiado desde sus objetivos fundamentales de alimentar, impulsar y vestir al mundo", añade Olson. "Sin embargo, la tecnología —incluyendo todos los aspectos de biotecnología y materiales necesarios para soluciones de sistemas inteligentes— se ha acelerado para enfrentar los desafíos de productividad de alimentar a una población que crece rápidamente. Los agricultores siempre han sido guardianes de la tierra, por lo que la sostenibilidad de los recursos naturales es clave para nuestro éxito como industria, comunidad y mundo".