A demanda por braços de barra de pulverização mais longos permite compostos em equipamentos agrícolas

Atendendo à demanda agrícola. Uma aplicação crescente de compósitos no mercado de equipamentos agrícolas são braços de lança para equipamentos de pulverização autopropelidos, usados ​​para aplicar produtos químicos líquidos em plantações. Fonte | Deere &Co.



Como campos agrícolas contíguos em áreas como América do Norte, Argentina e Brasil cresceram graças à consolidação, e como o plantio direto aumenta em certas geografias, os agricultores querem sistemas de pulverização com braços de lança mais longos para reduzir o número de passagens necessárias para cobrir cada vez mais campos maiores. Isso também reduz a compactação do solo, aumentando a produtividade e o rendimento das colheitas.

Em resposta a essa necessidade, o braço argentino da King Marine SA (Valência, Espanha), cuja atividade principal, ironicamente, era a fabricação de peças compostas de barcos usando plástico reforçado com fibra de carbono de grau aeroespacial (CFRP), usou sua experiência em compósitos em outros mercados desenvolver novos braços de lança pulverizadora para equipamentos de pulverização autopropelidos. Em uso, os braços da lança se desdobram e se estendem perpendicularmente ao eixo principal dos tratores e permitem que os agricultores apliquem produtos químicos líquidos (por exemplo, inseticidas, herbicidas e fertilizantes) nas plantações. Após o uso, eles dobram e guardam junto com carrocerias de trator para evitar que se enrosquem em postes de cerca e para permitir que os fazendeiros dirijam nas estradas.

Os limites do metal. Tradicionalmente produzidos em aço, os braços da lança pulverizadora atingiram seus limites práticos de estrutura e largura devido às grandes estruturas de suporte necessárias para evitar que os braços dobrassem sob cargas de torção e fadiga. Fonte | Deere &Co

As lanças há muito são produzidas em aço, mas conforme o comprimento aumentou, estruturas de suporte maiores foram necessárias para evitar que os braços dobrassem sob cargas de torção e fadiga e durante impactos indesejados com cercas, árvores e outras estruturas. (Altas cargas de fadiga são o motivo pelo qual as barras nunca mudaram para o alumínio.) Por sua vez, as barras mais longas com estruturas de suporte maiores exigiam que os agricultores comprassem tratores maiores para transportar equipamentos de pulverização mais pesados ​​e tanques maiores contendo maiores volumes de líquidos; no entanto, ao resolver um problema, o equipamento mais pesado leva ao aumento da compactação do solo e, como resultado, à redução do rendimento da colheita. Além disso, muitos produtos químicos agrícolas corroem metais, e barreiras mais longas requerem mecanismos de dobramento mais elaborados para o armazenamento das barreiras. Eventualmente, as barras de aço atingiram um limite prático de aproximadamente 36 metros (120 pés) de lado a lado. Ainda assim, o mercado - especialmente nas Américas - queria booms mais longos.

A recessão oferece oportunidades

A Grande Recessão de 2008 foi catastrófica para indivíduos e empresas. King Marine, de 20 anos de idade, com fábricas em Picassent, Espanha, e Campana, Argentina, entrou em 2008 com um negócio em expansão, produzindo componentes CFRP - principalmente mastros - para iates de alto desempenho.

“Foi quando a recessão econômica mundial começou e o mercado marinho de luxo sofreu um grande golpe”, lembra Natalia Dacko, chefe da administração europeia e auditoria interna da King Marine. “Nossas vendas caíram drasticamente e paramos de construir barcos. Estávamos em modo de crise porque nossa empresa estava em perigo. Tínhamos uma grande equipe de técnicos, engenheiros e especialistas - todos especialistas em fibra de carbono [compósitos]. A grande questão era:‘O que vamos fazer agora?’ ”King Composite S.L. foi criado para explorar aplicações de CFRP não marinhas.



Mais do que nunca. As barras compostas têm a capacidade de se desdobrar e estender para facilitar o uso. Fonte | Deere &Co.





Uma solução inesperada para as preocupações da empresa veio em 2009 de um argentino cuja própria empresa fabricava sistemas de pulverização agrícola. O homem estava frustrado com os problemas que afetavam suas barreiras de metal. “Ele nos disse que gostaria que as barreiras fossem mais leves, mais longas, sem fadiga, à prova de corrosão e fáceis de consertar”, lembra Dacko. Embora a King Composite não tivesse experiência anterior em equipamentos agrícolas, uma equipe construiu um protótipo CFRP, e a empresa argentina adorou, dando início aos negócios crescentes da King Composite com OEMs de equipamentos agrícolas na Argentina. A King Composites seria renomeada para King Agro SL.

Com o crescimento dos negócios em lanças de pulverização compostas, a King Agro tornou-se conhecida por seus produtos inovadores e de qualidade. Depois de alguns anos, seu sucesso foi notado por um líder de equipamento agrícola lutando em suas próprias batalhas de lança de pulverização. Membros da equipe de engenharia da Deere &Co. (Moline, Illinois, EUA) se reuniram com a King Agro em 2015 para discutir oportunidades, e logo a King Agro estava produzindo e distribuindo booms CFRP para a marca John Deere.

Novas gerações, novas permutações

“Começamos com os designs e recomendações da King Agro, além do que a Deere havia desenvolvido, e descobrimos que eram bastante aplicáveis”, explica Phillip Ferree, gerente geral da King Agro. “Primeiro, nossa equipe conjunta fez algumas mudanças para melhorar a confiabilidade e durabilidade para o mercado sul-americano e lançou esses produtos em 2015. Simultaneamente, começamos a projetar produtos de segunda geração para a América do Norte e Europa. Para atender às regulamentações locais, precisávamos de funcionalidades diferentes em itens como durabilidade e impacto, o que exigia a tradução das especificações do metal em designs compostos. ” Esses produtos foram comercializados em 2017.

“Durante nossa primeira reunião, passamos três horas discutindo apenas os diferentes recursos dos pulverizadores nas Américas do Norte e do Sul”, lembra Thomas Bartlett, supervisor de engenharia de produtos de pulverizadores da Deere. “Eles não apenas usam diferentes padrões de dobragem - existem 20 maneiras diferentes de dobrar esses sistemas dependendo do mercado e das regulamentações - mas as condições de cultivo também são diferentes. No Brasil, eles usam o plantio direto. Na América do Norte, é mais limitado até com diferentes práticas agrícolas e mais regulamentação. A Europa tem outras diferenças e fazendas muito menores. Eles mantêm seus produtos químicos centralizados, de modo que os pulverizadores são levados ao depósito para reabastecimento, em vez de levar produtos químicos para os campos para reabastecimento, como fazemos nas Américas ”. Além disso, em algumas regiões, o encanamento transportava líquidos do tanque para os bicos injetores através dos braços, mas em outros locais, o encanamento corria por baixo dos braços. Ainda outro desafio era por quanto tempo estender as barreiras, já que adicionar outro medidor aqui ou ali não necessariamente forneceria uma solução viável. Em vez disso, os engenheiros tiveram que considerar como as safras eram plantadas em cada geografia e as distâncias entre e dentro das linhas.



Dobrado para fácil armazenamento. Os braços da lança são recolhidos para facilitar o deslocamento entre os campos e o armazenamento do equipamento. Fonte | Deere &Co.

As barras apresentam múltiplas estruturas tubulares compostas com seções transversais quadradas que, por sua vez, são conectadas por meio de “extremidades” especiais que se conectam aos sistemas de distribuição de fluido. Recursos especialmente projetados moldados nas estruturas principais fornecem componentes com a funcionalidade necessária para abrir / fechar hidraulicamente e transportar fluidos sob altas pressões. “Com o sistema hidráulico, fomos capazes de integrar muitos recursos de que precisávamos para que pudéssemos juntar as coisas e criar um design mais simplista no geral”, acrescenta Bartlett. A Deere exige que as lanças sejam implantadas / recolhidas em menos de 1 minuto e que o fluido seja fornecido dentro de dois segundos após a partida da bomba.

Todos os compósitos usam uma matriz epóxi e são ensacados a vácuo e curados em autoclave. Uma combinação de reforço de carbono e vidro é usada dependendo se os componentes precisam de maior resistência ou maior impacto. A maior parte da fibra de carbono é estopa 24K, mas em uma variedade de formatos, variando de unidirecional a ponto de sarja para camadas de aparência externa com acabamento de revestimento transparente. Em juntas e locais onde a hidráulica interage, onde mais resistência e rigidez são necessárias, estruturas mais pesadas com mais lonas são usadas. Dependendo do modelo e do mercado, os volumes de produção variam de 100 a 1.000 sistemas anualmente. A King Agro estima que, em 2017, o mercado global total de pulverizadores autopropelidos foi de 14.000 unidades / ano.

“Entrando neste programa, nossas metas eram estender as barras para 40 metros, mas com massa 30% menor, já que o peso era muito importante”, observa Jonathan Nelson, engenheiro de projeto de barra de pulverização composta da Deere. “Quando você pendura uma grande massa na parte dianteira ou traseira de uma máquina, você está lutando contra a inércia, por isso é muito mais difícil equilibrar as cargas entre os eixos dianteiro e traseiro. Também queríamos melhorar a resistência à corrosão, mas também tínhamos que considerar a corrosão galvânica na presença de fibra de carbono. Outro requisito era para maior impacto, porque você nunca vê um pulverizador que não atingiu algo . Realizamos testes padronizados desenvolvidos para metais que envolvem a passagem de lanças em postes de cerca por várias centenas de ciclos ”. Cargas de trabalho e fadiga nas peças são surpreendentemente altas, já que o equipamento viaja a 24-30 quilômetros por hora [15-19 milhas por hora] e o encanamento sofre pressões de pulverização de 276-414 KPa [40-60 psi].

Mais leve, melhor, mais rápido

Após três anos, a colaboração se mostrou tão frutífera que, em 2018, a Deere adquiriu a King Agro, que agora constrói barreiras em suas instalações e as envia para as fábricas da John Deere em Des Moines, Iowa, nos EUA, e Horst, na Holanda, para a montagem final. O acordo permite que a King Agro mantenha sua marca, marca registrada e relações comerciais.

Os benefícios de lanças mais leves. Lanças mais leves significam melhor economia de combustível, menor manutenção, maior largura de trabalho, maior vida útil, menores custos operacionais, facilidade de reparo em campo e melhor eficiência com menos trilhas de máquinas para maior volume de colheita. Fonte | Deere &Co.

A conversão em compostos permitiu que as barras se estendessem além de 36 metros (120 pés) a 40 metros (132 pés). Comparado ao aço, o CFRP é seis vezes mais forte, 5,5 vezes mais leve, oferece maior impacto e não corrói. Lanças mais leves significam melhor economia de combustível, menor manutenção, maior largura de trabalho, maior vida útil, menores custos operacionais e melhor eficiência com menos trilhas de máquinas para maior volume de colheita. Outro benefício é a capacidade de reparo. “Nossos revendedores podem lidar com uma falha catastrófica, cortar o componente ao meio, adicionar um pouco de resina, prender e deixar curar e eles estão prontos”, acrescenta Nelson. “Na verdade, é mais fácil de consertar do que soldar aço.”

“A melhor parte são os benefícios para o cliente”, acrescenta Bartlett. “Com produtos de fibra de carbono, eles podem ser mais produtivos. Eles podem ser mais largos sem penalidade de peso, cobrir mais acres, experimentar menos compactação do solo e a redução na pressão do solo afeta positivamente a produtividade. ”

Ferree concorda:“Do ponto de vista do design, os compostos nos permitem fazer coisas que não poderíamos fazer com os materiais atuais, que estavam em seus limites estruturais e de largura”, explica ele. “Tivemos uma transição sólida de nossas ofertas de aço para nossas ofertas premium de CFRP - especialmente nas Américas - porque trazemos maior produtividade, que neste segmento é maior largura. Lanças mais leves e mais largas podem ser instaladas em tratores menores e mais baratos. Ou, mais líquido pode ser transportado em um determinado trator, mantendo a mesma massa. De qualquer forma, o equilíbrio de carga entre os eixos dianteiro e traseiro é melhorado e o centro de massa está mais próximo do centro da máquina, melhorando o deslocamento para o operador ”.

“Vemos aplicações de fibra de carbono em outros produtos”, prevê Aaron Wetzel, vice-presidente da plataforma de tratamento de safras agrícolas e gramadas da Deere. “Nos próximos anos, exploraremos oportunidades adicionais em que as capacidades de peso leve e mais forte do que o aço irão agregar valor adicional aos nossos produtos para os nossos clientes.”