Как композитные материалы революционизируют сельскохозяйственную технику

Хотя сельхозтехника редко приходит на ум как растущий рынок композитов, возможно, она должна — и со временем станет. По мере роста населения планеты потребуется больше ресурсов для производства пищи. Несмотря на войны и эпидемии, население выросло на 400% в XX веке. Сегодня — 7,6 млрд, к 2030 г. +1 млрд, к 2050 г. — еще миллиард, к 2100 г. — 11,2 млрд (данные ООН). С развитием земледелия растет и рынок техники.

Отрасль географически фрагментирована: лишь несколько глобальных OEM выпускают наибольшие объемы — все равно ниже, чем в тяжелом грузовике. Но совокупность трендов — консолидация земель в Америке, жесткие нормы топливной эффективности и выбросов для дизелей, сложная задача снижения веса, интерес к дизайну как маркетинговому инструменту, изменения в вертикально интегрированных OEM, все еще использующих металлы — приводит к конвертации более крупных компонентов в композиты с ширею спектром материалов и процессов. По мере набора оборотов сельхозтехника может стать крупным рынком композитов.

Транспорт — но особенный

Первое, что нужно понять: рынок огромен, но фрагментирован, что влияет на тип техники в каждом регионе.

«Региональность — интересный фактор», — объясняет Деаврон Фармер, глобальный менеджер по ключевым счетам/рынку сельского хозяйства, LyondellBasell Engineered Composites (Хьюстон, Техас, США). «Благодаря консолидации за 5 десятилетий крупнейшие фермы в Америке (США, Канада, Аргентина, Бразилия) — десятки и сотни тысяч акров, часто сплошных полей. Из-за моносевооборота техника стала крупнее и модульнее для эффективной обработки огромных площадей». В Европе фермы меньше, техника — соответственно. В развивающихся странах драйверы другие: «Стоимость — острая проблема везде, но особенно в развивающихся регионах, где трактор — еще и семейный транспорт. Фермеры там могут использовать устаревшую технику, но изменения идут так быстро, что они могут перепрыгнуть целые поколения техники — как с потребительской электроникой». Из-за фрагментации у глобальных OEM (John Deere, CNH, AGCO) меньше возможностей для мировых моделей с общими деталями и снижением затрат. Глобальные закупочные соглашения реже, поэтому производители, формовщики и поставщики материалов должны квалифицироваться в каждом регионе.

Другое отличие: сельхозтехника рассчитана на долгую жизнь. Легковушки — на десяток лет. Грузовики — 482 803 км для тяжелых условий и 1,9 млн км для дальнобойщиков (5 лет). Самосвалы, бетононасосы — десятилетия. В Северной Америке обычны тракторы 40–60 лет. Рынок б/у очень активен, машины проектируются на долгую службу. Сложность: техника круглый год на улице — жара, холод, ветер, влага, УФ, абразив от камней/пыли. Материалы должны быть коррозийно- и вмятиностойкими, с хорошей атмосферостойкостью, химической и термической стабильностью.

Контакт с углеводородными топливами/маслами, удобрениями, пестицидами (хлорированные, липидные основы). Тепло в двигательном отсеке растет из-за экологических норм. Фермеры целые дни в кабинах — спрос на снижение NVH и комфорт. Высокая планка для материалов.

Низкие объемы делают композиты менее рентабельными. Исключение — мини-тракторы для газонов (350 тыс. в год). Большинство техники — от сотен до низких десятков тысяч в год. Много опций кастомизации, новые крупные модели с фичами добавляют стоимость и сложность. Цена — как новый автомобиль или дом. Высокие капитальные вложения — главный барьер для новых фермеров.

Легковесность композитов — плюс, но снижение веса в сельхозтехнике — сложная проблема. С одной стороны, большой вес вызывает уплотнение почвы, замедляя рост. Для распылителей (крылья до 15 м с каждой стороны) легковесность критична — меньше подпорки, меньше проходов. Переход от алюминия к композитам дает реальную выгоду.

С другой стороны, легковесность не всегда полезна — если страдает устойчивость. Фронтально-тяжелые комбайны нужен вес сзади, чтобы задние колеса не орывалися. Ключ — распределение веса. Уменьшение веса не имеет такого ажиотажа, как в грузовиках/авто.

Много материалов, много процессов

Учитывая разброс размеров и объемов (от мини-тракторов до прессов и комбайнов), используют разные открытые и закрытые процессы формовки, в основном термореактивные композиты, хотя термопластики набирают долю. Удивительно: один из новейших материалов — аэрокосмический углерод/эпоксид препрег автоклавной полимеризации для крыльев распылителей. В алюминии/стали поддержка ограничивает длину. На высокопрочных углеродных композитах поддержку можно сократить/убрать и удлинить крылья. 3D-печать набирает обороты — в основном для инструментов и приспособлений, но и для деталей на серийной технике.

По мере роста требований к внешнему виду, качестве и консистенции деталей (дифференциация продукта, визуальный брендинг) OEM изучают преимущества пластиков/композитов: свобода дизайна, консолидация деталей, высокая эстетика. Цвет — важный элемент брендинга через краску, гелькоат, пигментированные полимеры. Некоторые OEM комбинируют текстуры краски на одной панели (легкое зернистое + глянцевое) для маскировки сколов в зонах износа. Работа с поставщиками над повышением долговечности красок/покрытий и их заменой на пленки и полимеры с формованным цветом (MIC) с высокой УФ-стойкостью.

Зеленые агро-композиты

Устойчивое развитие — от топливной эффективности до переработанных и растительных полимеров — так же важно в аграрии. Интересно: биомономеры здесь были легче продать, чем в авто. «Для наших клиентов-фермеров это просто имеет смысл», — объясняет Джей Олсон, менеджер по материалам и технологиям John Deere, председатель совета PLASTICS Industry Association. «Они используют нашу технику для выращивания кукурузы и сои, из которых делают полимеры для компонентов новой техники для тех же клиентов».

Наиболее частые растительные продукты в термореактивных агро-композитах — соя и кукуруза в ненасыщенных полиэфирных смолах для SMC и BMC. В 2000 г. Ashland LLC (Колумбус, Огайо) представила биосмолу Envirez 1807 (18% зернового мономера из кукурузы/сои) для прессования SMC — в основном боковые панели комбайнов. Полимер без катализатора, равномерное утолщение, хорошая покрасочность, поверхность при низкой температуре полимеризации. Меньше зависит от цен на нефтяное сырье.

Другой зеленый SMC — УФ-стойкая структурная УП-смола Arotran 805 (черная, MIC), разработанная Ashland и Chromaflo Technologies (Аштабула, Огайо), прессовалась Ashley Industrial Molding (Эшли, Индиана). Используется на панелях постобработки дизеля (ATD) тракторов John Deere 8000 для долгой эстетики и выше 잔존ной стоимости.

Новое поколение SMC для агротехники, стройки и электроники представлено LyondellBasell Engineered Composites на CAMX 2018. «Термореактивные композиты имеют ограничения по утилизации», — говорит Майк Грусквиц, директор технологий LyondellBasell в США. «Работая над переработкой, мы видим выгоды в возобновляемой и переработанной сырьевой базе для SMC — вклад в круговую экономику на входе жизненного цикла. Цель — ноль компромиссов по производительности, формовочности, эстетике по сравнению с нефте-СМС».

Два новых устойчивых SMC с огнеупорными свойствами: Premi-Glas 7001 — класс А покрасочная поверхность для капотов тракторов (эстетика как у премиальных авто) + огнеупорность для суровой агросреды; Premi-Glas 3501 — MIC для электрообувок, кронштейнов, корпусов, элементов кабины. 3501 включает переработанный термопластик (PIR rPET) для устойчивости. Пропиленгликольный мономер из сои/кукурузы дает свойства, идентичные нефтяным. В 3501 pós-промышленный rPET химически переварен в терефталовую кислоту и возвращен в полиэфир. Коммерческих применений пока нет, но 7001 уже сэмплируют для капотов, дверей комбайнов, кузовных панелей. «Еще одна сфера — клапанные крышки крупных дизелей и масляные картеры», — добавляет Грусквиц. «В агроусловия гораздо суровее: на больших двигателях нужны более жесткие материалы из-за больших пролетов».

Выдержка дробящих нагрузок

Вызов: композиты должны сохранять механику под нагрузками до 9000+ кг. Tier-1 формовщик Plastics Unlimited (Престон, Айова) разработал технологию tooless engineered composites (TEC) для створок/удлинителей бункеров 1,5×2,1 м, выдерживающих 9072 кг, со стенками 6,4–12,7 мм. TEC сочетает эстетику и долговечность термопластов с прочностью, вязкостью и размерной стабильностью композитов. Лицевая сторона А — термоформированный лист MIC ABS, становится оснасткой для половины стороны B. Для крупных сложных структур используется второй композитный инструмент — вакуумный мешок с УП смолой в стеганых слоях рубленого стекла. Металлические крепления и крупные ребра (ППУ) вкладываются при укладке.

Результат: УФ-стабильная, коррозийностойкая деталь с гибкостью дизайна и высокой ударной прочностью, устойчивой к сколам и трещинам, по разумной цене. Сторона А — зернистая или глянцевая (сплошные цвета, клир над узорами: металлик, хром, дерево, камуфляж, карбон). Отличная глубина изображения, намного долговечнее крашеного/гелькоатного SMC — микросколы полируются. Сторона B (композит) — пигментированная, гладкая. Помимо створок комбайнов, TEC используется для крыльев, боковых экранов, капотов, передних/задних обтекателей мелкой рекреационной и фермерской техники.

Будущее сельхозтехники

На Farm Progress Show 2016 (Бун, Айова) CNH представила первые концепты полностью автономных тракторов: посадка, распыление, уборка, человек управляет удаленно через планшет по заранее проложенным маршрутам. Бортовые камеры — обзор в реальном времени, детекция препятствий, алерт оператору для выбора маршрута. Софт автоматически строит наиболее эффективный проход для узких погодных окон или круглосуточной работы, собирая данные для мониторинга текущих посевов и планирования будущих. CNH: технология поможет фермерам, страдающим от дефицита квалифицированного труда в пиковые сезоны. Промежуточная техника будет комбинировать кабины с традиционным управлением и автоматизацией.

«Сельское хозяйство не меняло базовых целей — кормить, топить, одевать мир», — добавляет Олсон. «Но технологии — биотех, материалы для интеллектуальных систем — ускорились для решения вызовов кормления растущего населения. Фермеры всегда были хранителями земли, поэтому устойчивость ресурсов — ключ к успеху отрасли, сообщества и мира».