Воспользуйтесь преимуществами:использование композитов в сельскохозяйственном оборудовании растет

Хотя это не первый транспортный сегмент, о котором многие думают как о растущем рынке композитных материалов, возможно, сельскохозяйственное оборудование должно стать и со временем появится. В конце концов, по мере увеличения населения планеты по всей планете потребуется больше ресурсов для выращивания растений и домашнего скота, чтобы прокормить нас. Несмотря на столетие ужасных войн и некоторых серьезных международных бедствий, человеческое население сумело вырасти на 400 процентов в течение 20 века. Сегодняшнее население мира составляет 7,6 миллиарда человек, и Организация Объединенных Наций (Нью-Йорк, Нью-Йорк, США) прогнозирует, что к 2030 году добавится еще один миллиард, к 2050 году - еще один, а к 2100 году население мира составит 11,2 миллиарда. По мере роста сельского хозяйства будет расти и рынок оборудования.

В настоящее время отрасль сельскохозяйственного оборудования географически фрагментирована, и лишь несколько мировых производителей оборудования работают с самыми высокими объемами производства в отрасли - и это, как правило, все еще более низкие объемы, чем даже отрасль тяжелых грузовиков. Тем не менее, созвездие тенденций, включая консолидацию земель в Северной и Южной Америке, более жесткие стандарты топливной эффективности и выбросов для дизельных транспортных средств во многих регионах, сложный вопрос снижения веса, больший интерес к использованию дифференциации дизайна в качестве маркетингового инструмента и изменения в том, как обратно интегрированные производители оборудования все еще работают с металлами, - привели к тому, что все больше и больше компонентов преобразуются в композиты с использованием более широкого набора материалов и процессов. По мере того, как эти тенденции набирают обороты, нетрудно представить себе время, когда сельскохозяйственное оборудование может стать основным рынком для композитов.

Транспорт - но другой

Первое, что нужно понять о рынке сельскохозяйственного оборудования, - насколько он большой, но фрагментированный и как это влияет на виды оборудования, производимого и используемого в каждом регионе.

«Региональность - интересный фактор на этом рынке», - объясняет Деаврон Фармер, глобальный менеджер по работе с ключевыми клиентами / менеджер по сельскохозяйственному рынку LyondellBasell Engineered Composites (Хьюстон, Техас, США). «Благодаря консолидации за последние пять десятилетий крупнейшие фермы в Северной и Южной Америке [особенно в США, Канаде, Аргентине и Бразилии], как правило, имеют площадь в десятки тысяч, если не сотни тысяч акров, часто с прилегающими полями. . Учитывая размер этих полей и тенденцию к выращиванию монокультур [посев отдельных культур на огромных площадях], оборудование стало больше и стало более модульным, чтобы фермеры могли эффективно обрабатывать все большие участки земли ». Он добавляет, что это не обязательно так в Европе, где фермы остались меньше, а оборудование подходящего размера.

С другой стороны, в развивающихся странах действуют другие движущие силы. «Стоимость - которая является проблемой повсюду - является особенно чувствительным вопросом в развивающихся регионах, где такое оборудование, как трактор, может также использоваться для перевозки семьи в город», - добавляет Фармер. «Хотя фермеры могут использовать устаревшее оборудование, изменения происходят так быстро, что фермеры в развивающихся странах могут перепрыгнуть через целые поколения оборудования, на развитие которого в других регионах потребовались десятилетия, как это произошло с бытовой электроникой». Учитывая, насколько географически сегментирован рынок сельскохозяйственного оборудования, существует меньше возможностей для глобальных OEM-производителей, таких как John Deere (Deere &Co., Молайн, Иллинойс, США), Case New Holland (CNH Global NV, Амстердам, Нидерланды) и AGCO (AGCO). Corp., Дулут, Джорджия, США) для создания моделей мира, которые позволяют разделять детали и сокращать затраты, как это делается в других транспортных сегментах. Это означает, что глобальные соглашения о закупках встречаются реже, поэтому производители, формовщики и поставщики материалов должны соответствовать требованиям в каждом регионе, где они хотят осуществлять продажи.

Еще одно отличие этого рынка заключается в том, что сельскохозяйственное оборудование рассчитано на долгий срок службы. В наши дни автопроизводители стремятся к десятилетнему сроку службы. Производители коммерческих грузовиков тестируют и дают гарантию на 482 803 км для автомобилей с тяжелыми условиями эксплуатации и 1,9 млн. Км для грузовиков для дальних перевозок - последняя цель которых может быть достигнута всего за пять лет - в то время как самосвалы, бетономешалки и т.п. могут работать в течение несколько десятилетий.

Однако даже в Северной Америке нельзя увидеть все еще используемое сельскохозяйственное оборудование возрастом 40, 50 или 60 лет. Рынок подержанной техники очень активен, и, как следствие, сельхозтехника рассчитана на длительную работу. Это осложняется тем фактом, что большая часть сельскохозяйственного оборудования проводит всю свою жизнь на открытом воздухе, постоянно подвергаясь воздействию тепла, холода, ветра, влаги и ультрафиолетового излучения, при этом подвергаясь воздействию камней, гравия и пыли во время работы. Материалы, используемые в таком оборудовании, должны быть не только устойчивыми к коррозии и вмятин, а также иметь хорошие погодные характеристики, но они также должны обеспечивать химическую и термическую стабильность.

Эти машины обычно подвергаются воздействию всего:от углеводородного топлива и смазочных материалов до удобрений и пестицидов, многие из которых хлорированы или диспергированы в липидных основаниях. Как и в случае с легковыми и грузовыми автомобилями, тепло вокруг моторного отсека увеличивается из-за новых правил по выбросам выхлопных газов. Добавьте к этому тот факт, что фермеры проводят долгие дни взаперти в кабинах тракторов, что увеличивает потребность в снижении шума, вибрации и резкости (NVH) и повышении комфорта оператора. В общем, это непростая задача для любой группы материалов.

Однако более низкие объемы производства могут сделать композиты менее рентабельными, чем традиционные материалы. За исключением небольших ездовых газонокосилок, которые могут производиться в объемах, аналогичных легковым автомобилям, 350 000 в год, большая часть оборудования производится от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч ежегодно. Отчасти это связано с тем, что в сегменте нового оборудования доступно множество вариантов настройки, а отчасти потому, что часть новейшего оборудования разрабатывается в более крупных размерах и с новыми функциями, которые увеличивают стоимость и сложность. В зависимости от типа оборудования и модели это может стоить столько же, сколько покупка новой машины или даже нового дома. Фактически, высокие капитальные вложения, необходимые для того, чтобы войти в сельское хозяйство и остаться в нем, стали одним из самых серьезных препятствий, мешающих новым фермерам попасть в эту отрасль.

Кроме того, облегчение, которое композиты предлагают по сравнению с традиционными материалами, может быть преимуществом, но снижение веса сельскохозяйственного оборудования - сложная проблема. С одной стороны, большой вес транспортного средства может привести к уплотнению почвы, что замедлит рост растений. В некоторых случаях, например в штангах опрыскивателей, используемых для полива воды и химикатов на полях, уменьшение веса является реальным преимуществом. Чтобы эффективно обрабатывать все большие поля, стрелы становились все длиннее и длиннее, что сокращало количество проходов, необходимых для покрытия поля. Однако это, в свою очередь, означает, что требуются более крупные опорные конструкции, чтобы рычаги не провисали на таких длинных пролетах, которые могут превышать 15 метров с каждой стороны транспортного средства. Усилия по снижению веса за счет перехода с алюминия на композиты могут принести реальную пользу производителям оборудования и фермерам.

С другой стороны, облегчение не всегда полезно, особенно если это влияет на устойчивость автомобиля. Например, комбайнам с тяжелой передней частью требуется вес в задней части машины, чтобы задние колеса удерживались на земле во время работы. Следовательно, распространение веса является ключом к обеспечению безопасности и эффективности. Все эти факторы означают, что вес сельскохозяйственного оборудования усложняется, и его уменьшение не вызывает такого шума, как грузовики, автобусы и легковые автомобили.

Много материалов, много процессов

Учитывая диапазон размеров и объемов производства сельскохозяйственного оборудования - от ездовых газонокосилок и компактных тракторов (CUT) до черпак и комбайнов - для производства в основном термореактивных композитных деталей в этом сегменте используются различные процессы с открытой и закрытой пресс-формой. , хотя армированные термопласты начинают получать все большее распространение в определенных областях применения. Удивительно, но одним из новейших материалов, используемых в сельскохозяйственном оборудовании, является отверждаемый в автоклаве эпоксидный препрег, армированный углеродным волокном, для стрелы опрыскивателя. Эти рычаги из алюминия или стали требуют такой большой опорной конструкции, что их длина практически не ограничена. Однако за счет преобразования в высокопроизводительные легкие композиты из углеродного волокна можно не только уменьшить или исключить опорную конструкцию, но и сделать стрелы более длинными. 3D-печать также набирает обороты в этом сегменте - в основном для инструментов и сборочного оборудования, но также для производства некоторых деталей на серийных автомобилях.

По мере того, как внешний вид и отделка, а также единообразие деталей становятся все более важными для OEM-производителей и клиентов, как для дифференциации продукции, так и для визуального брендинга, производители оборудования изучают хорошо известные преимущества пластмасс и композитов, чтобы облегчить свободу проектирования, объединить детали и эстетика. Цвет - еще один широко используемый аспект визуального брендинга в этом сегменте с помощью краски, гелькоута и пигментированного полимера. Фактически, некоторые производители оригинального оборудования комбинируют различные текстуры краски на одной и той же панели корпуса (например, светлая штриховка плюс глянец), чтобы скрыть потертости на участках износа, сохраняя при этом приятный вид. Среди поставщиков постоянно ведется работа по поиску способов продления срока службы красок и покрытий и отказа от обеих технологий в пользу пленок и литых цветных материалов (MIC) с более высокой устойчивостью к ультрафиолету.

Экологичность сельскохозяйственных композитов

Экологичность - от повышения эффективности использования топлива до использования переработанных полимеров и полимеров растительного происхождения - столь же важна и желательна в сельском хозяйстве, как и в других транспортных сегментах. Интересно, что мономеры на биологической основе здесь продать намного проще, чем в автомобилестроении. «Это имеет смысл для наших клиентов в фермерском сообществе», - объясняет Джей Олсон, менеджер по разработке материалов и технологиям John Deere, а также владелец бренда / председатель совета и член правления Ассоциации производителей пластмасс (Вашингтон, округ Колумбия, США). НАС). «Они используют наше оборудование для выращивания кукурузы и сои, а затем эти товары используются для производства полимеров, из которых формируются компоненты для нового оборудования, которое мы производим для тех же клиентов».

В настоящее время наиболее распространенными растительными продуктами, используемыми в термореактивных сельскохозяйственных композитах, являются соя и кукуруза, которые превращаются в ненасыщенные полиэфирные смолы для формования листов (SMC) и компаундов для массового формования (BMC). Примерно в 2000 году компания Ashland LLC (Колумбус, Огайо, США) представила био-ненасыщенную полиэфирную смолу Envirez 1807 (UP) производителям смесей, которые, в свою очередь, преобразовали ее в SMC и продали формовщикам для деталей, которые поступают на рынок сельскохозяйственного оборудования. в первую очередь для использования в панелях боковин больших комбайнов. Компания утверждает, что Envirez была первой коммерчески доступной смолой UP, содержащей значительную часть (18 процентов) мономера, полученного из зерна кукурузы или сои. Полимер поставляется без катализатора и, как утверждается, обеспечивает равномерную реакцию загустевания, хорошую окрашиваемость и хорошие характеристики поверхности при низкой температуре отверждения в SMC. Кроме того, они менее подвержены колебаниям цен, чем полимеры, полученные из нефтяного сырья.

Еще одним экологически чистым продуктом SMC, который устраняет затраты и нагрузку на окружающую среду, связанные с краской, является атмосферостойкая структурная смола UP, впервые использованная для видимых поверхностей на пикапах и теперь используется на панелях дизельного двигателя последующей обработки (ATD) на тракторах John Deere 8000. Arotran 805 - это устойчивый к УФ-излучению сорт черного цвета с формованием в цвете (MIC), который был совместно разработан Ashland и поставщиком добавок Chromaflo Technologies LLC (Аштабула, Огайо, США) и подвергается прессованию на заводе Ashley Industrial Molding (Эшли, Индиана). , НАС). При добавлении в SMC и использовании в таких приложениях, как панели ATD, он помогает сохранять эстетический вид в долгосрочной перспективе, что помогает поддерживать более высокую стоимость при перепродаже тракторов.

На выставке CAMX 2018 компания LyondellBasell Engineered Composites представила SMC нового поколения, предназначенное для сельскохозяйственного оборудования, а также для рынков строительства и электротехники / электроники. «Как представители отрасли, мы знаем, что термореактивные композиты имеют ограничения в отношении переработки по окончании срока службы», - объясняет Майк Грускевич, директор по технологиям в регионе США LyondellBasell Engineered Composites. «Продолжая работать над переработкой отходов, мы видим множество преимуществ от включения возобновляемых и переработанных материалов в производство SMC, тем самым внося свой вклад в экономику замкнутого цикла на начальном этапе жизненного цикла. Когда мы начали искать экологически чистые решения, мы поставили перед собой цель не допускать компромиссов с точки зрения производительности, пластичности и эстетики по сравнению с SMC на нефтяной основе ».

Компания предлагает два новых экологически чистых продукта SMC, оба из которых обладают огнестойкими характеристиками. «Марка Premi-Glas 7001 производит окрашиваемые поверхности класса А, позволяя придать капотам тракторов эстетику, сравнимую с прекрасными автомобилями, и добавляя огнестойкость для суровых сельскохозяйственных условий, а Premi-Glas 3501 предлагает литой цвет и предназначен для для таких деталей, как электрические шкафы, кронштейны и корпуса, а также компоненты кабины, - поясняет Грускевич. Кроме того, 3501 включает переработанный термопласт, чтобы усилить экологический след. В обоих случаях мономер пропиленгликоля смолы производится с использованием сои или кукурузы и, как утверждается, обладает свойствами, идентичными мономерам, созданным из традиционных нефтепродуктов. Марка 3501 включает постиндустриальный рециклат (PIR) полиэтилентерефталат (rPET), который был подвергнут химическому расщеплению с образованием терефталевой кислоты, а затем снова вступил в реакцию с полиэфирной смолой. Хотя о коммерческом применении еще не объявлено, Грускевич говорит, что сорт 7001 уже проходит испытания для изготовления капотов тракторов, дверей комбайнов и панелей кузова. «Еще одна интересная область для SMC - это клапанные крышки для больших дизельных двигателей, а также масляные поддоны», - добавляет он. «По сравнению с аналогичными деталями легковых автомобилей, которые были преобразованы из SMC в термопласты, мы видим гораздо более жесткие условия эксплуатации в сельском хозяйстве. Например, для более крупных двигателей требуются более жесткие материалы из-за больших пролетов между этими более крупными агрегатами ».

Устойчивость к разрушающим нагрузкам

Одна из проблем в отрасли сельскохозяйственного оборудования заключается в том, что композиты должны сохранять механические характеристики при нагрузках, которые могут превышать 9000 кг. Например, формовочная компания Tier-1 Plastics Unlimited (Престон, Айова, США) разработала технологию формования под названием tooless Engineering Comosites (TEC), которая используется для производства дверных створок размером 1,5 на 2,1 метра, которые могут выдерживают грузы до 9 072 кг для крупных комбайнов с номинальной толщиной стенок от 6,4 до 12,7 мм. TEC сочетает в себе высокую эстетику и долговечность термопластов с прочностью, ударной вязкостью и размерной стабильностью композитов для создания структуры с поверхностью класса A и стороной B, что обеспечивает высокое соотношение жесткости и прочности к весу. Внешний вид стороны A достигается путем термоформования листа акрилонитрил-бутадиенстирола (ABS) MIC, который впоследствии становится инструментом для половины стороны B детали, хотя для этих более крупных и сложных структур используется второй композитный инструмент. в процессе формования. Последний представляет собой композит, помещенный в вакуумные мешки, произведенный с использованием смолы UP, введенной в сшитые слои сердцевины из рубленого стекловолокна. Во время укладки в композит можно вставить как металлический кронштейн, так и большие ребра (изготовленные из жесткого пенополиуретана).

Результатом является УФ-стабилизированная, коррозионно-стойкая деталь, обеспечивающая гибкость конструкции и высокую ударную вязкость, стойкость к сколам и трещинам по разумной цене. Сторона A (слой термопласта) может обеспечивать зернистую или блестящую поверхность (последняя имеет сплошные цвета или прозрачные узоры, которые включают металлик, хром, дерево, камуфляж и даже углеродную сетку). Утверждается, что этот термопластический слой обеспечивает превосходную глубину изображения и намного более долговечен, чем окрашенный или покрытый гелем SMC, что позволяет удалить незначительные царапины на поверхности. Невидимая сторона B (композитный слой) пигментирована и гладкая. Помимо высокопроизводительных дверей для выдвижения зерна на комбайнах, процесс TEC также используется для формования крыльев, боковых щитов, капотов, а также передних и задних кожухов для различных небольших транспортных средств для отдыха и сельскохозяйственного оборудования.

Какое будущее у сельхозтехники? В 2016 году на выставке Farm Progress Show в Буне, штат Айова, США, компания Case New Holland (CNH) представила первые в отрасли концепты полностью автономных тракторов которые могут сажать, опрыскивать и собирать урожай, и где люди больше не управляют транспортными средствами с борта, а скорее управляют и контролируют беспилотное оборудование удаленно с помощью планшета, пока трактор движется по заранее обозначенным навигационным маршрутам. Оснащенные бортовыми камерами, обеспечивающими вид в реальном времени и улучшенное обнаружение препятствий, эти беспилотные тракторы могут предупреждать операторов о препятствиях и других проблемах, позволяя оператору выбрать лучший маршрут, чтобы избежать или устранить проблемы. Считается, что программное обеспечение системы автоматически отображает наиболее эффективный проход в поле, чтобы помочь фермерам максимально использовать узкие погодные окна или работать круглосуточно, когда это необходимо для повышения производительности, при этом собирая данные для мониторинга текущих культур и лучшего планирования будущих. CNH заявляет, что эта технология поможет фермерам во многих частях мира, которым сложно найти квалифицированную рабочую силу в периоды пиковой нагрузки. Промежуточное оборудование, вероятно, будет сочетать в себе машины с кабиной, традиционные возможности вождения и некоторый уровень автоматизации.

«Сельское хозяйство не изменило своей основной цели - накормить, заправить и одеть мир», - добавляет Олсон. «Тем не менее, технологии - включая все аспекты биотехнологии и материалы, необходимые для интеллектуальных системных решений - ускорились для решения проблем производительности, связанных с кормлением быстро растущего населения. Фермеры всегда заботились о земле, поэтому устойчивость природных ресурсов является ключом к нашему успеху как отрасли, сообществу и миру ».