Braços de Lança Compósitos Estendem Alcance de Pulverizador, Aumentando Eficiência

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

À medida que campos agrícolas contíguos em áreas como América do Norte, Argentina e Brasil cresceram maiores graças à consolidação, e como agricultura sem revolvimento aumenta em certas geografias, agricultores querem sistemas de pulverizador com braços de lança mais longos para reduzir o número de passadas necessárias para cobrir campos cada vez maiores. Isso também reduz compactação do solo, aumentando produtividade e rendimento das culturas.

Em resposta a esta necessidade, o braço argentino da King Marine S.A. (Valencia, Espanha), cujo negócio principal, ironicamente, era fabricar peças de barcos compósitos usando plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) grau aeroespacial, usou sua expertise em compósitos em outros mercados para desenvolver novos braços de lança para equipamentos de pulverização autopropelidos. Em uso, os braços de lança se desdobram e estendem perpendicular ao eixo principal de tratores e permitem agricultores aplicar produtos químicos líquidos (ex: inseticidas, herbicidas e fertilizantes) em culturas. Após uso, eles se recolhem e guardam junto aos corpos dos tratores para evitar emaranhamento com postes de cerca e permitir agricultores dirigirem em estradas.

Os limites do metal. Tradicionalmente produzidos em aço, braços de lança de pulverizador atingiram seus limites práticos estruturais e de largura devido às grandes estruturas de suporte requeridas para manter braços de não dobrar sob cargas torsional e de fadiga. Fonte | Deere & Co

Lanças longas têm sido produzidas em aço, mas à medida que o comprimento aumentou, estruturas de suporte maiores foram requeridas para manter braços de não dobrar sob cargas torsional e de fadiga e durante impactos não intencionais com cercas, árvores e outras estruturas. (Altas cargas de fadiga são por que lanças nunca transicionaram para alumínio.) Em troca, lanças mais longas com estruturas de suporte maiores necessitaram que agricultores comprassem tratores maiores para carregar equipamentos de pulverização mais pesados e tanques maiores contendo volumes maiores de líquidos; no entanto, em resolver um problema, o equipamento mais pesado leva a maior compactação do solo e, como resultado, rendimento reduzido de culturas. Adicionalmente, muitos produtos químicos agrícolas corroem metais, e lanças mais longas requerem mecanismos de dobragem mais elaborados para armazenamento da lança. Eventualmente, lanças de aço atingiram limite prático de aproximadamente 36 metros (120 pés) lado a lado. Ainda, o mercado — particularmente nas Américas — queria lanças mais longas.

Recessão Proporciona Oportunidades

A Grande Recessão de 2008 foi catastrófica para tanto indivíduos quanto negócios. King Marine, de 20 anos, empresa familiar, que tem instalações de manufatura em Picassent, Espanha, e Campana, Argentina, entrou 2008 com negócio fervilhando produzindo componentes CFRP — particularmente mastros — para iates de alta performance.

"Foi quando a recessão econômica mundial começou, e o mercado naval de luxo levou um grande golpe", recorda Natalia Dacko, chefe de administração europeia e auditoria interna na King Marine. "Nossas vendas caíram dramaticamente, e paramos de construir barcos. Estávamos em modo de crise porque nossa empresa estava em perigo. Tínhamos grande equipe de técnicos, engenheiros e especialistas — todos experts em fibra de carbono [compósitos]. A grande pergunta era, 'O que vamos fazer agora?'" King Composite S.L. foi criada para explorar aplicações CFRP não-navais.

Mais longas que nunca. Lanças compósitas apresentam capacidade de desdobrar e estender para uso fácil. Fonte | Deere & Co.

Uma solução inesperada para as preocupações da empresa veio em 2009 de um argentino cuja própria empresa fabricava sistemas de pulverizador agrícola. O homem estava frustrado sobre problemas assolando suas lanças metálicas. "Ele nos disse que gostaria que lanças fossem mais leves, mais longas, livres de fadiga, à prova de corrosão e fáceis de reparar", recorda Dacko. Embora King Composite não tivesse experiência prévia em equipamentos agrícolas, uma equipe construiu um protótipo CFRP, e a empresa argentina adorou, iniciando o negócio crescente da King Composite com OEMs de equipamentos agrícolas na Argentina. King Composites eventualmente seria renomeada King Agro SL.

À medida que o negócio em lanças de pulverizador compósitas cresceu, King Agro tornou-se conhecida por seus produtos inovadores e de qualidade. Após alguns anos, seu sucesso foi notado por um líder de equipamentos agrícolas lutando suas próprias batalhas de lanças de pulverizador. Membros da equipe de engenharia da Deere & Co. (Moline, Ill., EUA) encontraram-se com King Agro em 2015 para discutir oportunidades, e logo King Agro estava produzindo e distribuindo lanças CFRP para a marca John Deere.

Novas Gerações, Novas Permutações

"Começamos com designs e recomendações da King Agro, mais o que Deere tinha desenvolvido, e achamos que eram bem aplicáveis", explica Phillip Ferree, gerente geral da King Agro. "Primeiro, nossa equipe conjunta fez algumas mudanças para melhorar confiabilidade e durabilidade para o mercado sul-americano e lançou aqueles produtos em 2015. Simultaneamente, começamos a desenhar produtos de segunda geração para América do Norte e Europa. Para atender regulamentos locais, precisávamos funcionalidade diferente em coisas como durabilidade e impacto, o que requeria traduzir specs de metal em designs compósitos." Aqueles produtos foram comercializados em 2017.

"Durante nossa primeira reunião, gastamos três horas apenas discutindo diferentes características de pulverizadores na América do Norte e Sul", recorda Thomas Bartlett, supervisor de engenharia de produto pulverizador da Deere. "Não apenas eles usam diferentes padrões de dobragem — há 20 maneiras diferentes de dobrar estes sistemas dependendo de mercado e regulamentos — mas condições de cultivo também são diferentes. No Brasil, usam agricultura sem revolvimento. Na América do Norte, é mais revolvimento limitado com práticas de cultivo diferentes e mais regulamentação. Europa tem diferenças adicionais e fazendas muito menores. Eles mantêm seus químicos centralizados, então pulverizadores são trazidos ao depósito para reabastecimento em vez de levar químicos para os campos para reabastecimento como fazemos nas Américas." Adicionalmente, em algumas geografias encanamento levava líquidos do tanque para bicos através dos braços, mas em outras localidades, encanamento corria sob os braços. Ainda outro desafio era quão longo estender as lanças, pois adicionar outro metro aqui ou ali não necessariamente forneceria solução viável. Em vez disso, engenheiros tiveram que considerar como culturas eram plantadas em cada geografia e as distâncias entre e dentro de fileiras.

Dobrados para armazenamento fácil. Braços de lança guardam para facilitar deslocamento entre campos e armazenamento de equipamento. Fonte | Deere & Co.

As lanças apresentam múltiplas estruturas tubulares compósitas com seções transversais quadradas que, por sua vez, são conectadas via "extremidades" especiais que conectam aos sistemas de entrega de fluido. Características especialmente projetadas moldadas nas estruturas principais fornecem componentes com funcionalidade requerida para hidraulicamente abrir/fechar e transportar fluidos sob altas pressões. "Com a hidráulica, fomos capazes de integrar muitas características que precisávamos então pudemos juntar coisas e criar um design geral mais simplista", adiciona Bartlett. Deere requer que lanças deploy/guardem em menos de 1 minuto e que fluido seja entregue dentro de dois segundos de iniciar a bomba.

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

"Entrando neste programa, nossas metas eram estender lanças a 40 metros mas com 30% menor massa, já que peso era muito importante", nota Jonathan Nelson, engenheiro de design de lanças compósitas da Deere. "Quando você pendura grande massa na frente ou atrás de uma máquina, você está batalhando inércia, então é muito mais difícil balancear cargas entre eixos dianteiro e traseiro. Também queríamos melhorar resistência à corrosão, mas também tínhamos que considerar corrosão galvânica na presença de fibra de carbono. Outro requisito era para maior impacto porque você simplesmente nunca vê um pulverizador que não bateu em algo. Carregamos testes padronizados desenvolvidos para metais que envolvem correr lanças em postes de cerca por vários centos de ciclos." Cargas de trabalho e fadiga em peças são surpreendentemente altas, pois equipamento viaja a 24-30 quilômetros por hora [15-19 milhas por hora] e encanamento vê pressões de pulverização de 276-414 KPa [40-60 psi].

Mais Leve, Melhor, Mais Rápido

Após três anos, a colaboração provou ser tão frutífera que em 2018, Deere adquiriu King Agro, que agora constrói lanças em suas instalações e as envia para fábricas John Deere em Des Moines, Iowa, EUA, e Horst, Países Baixos, para montagem final. O acordo supostamente permite King Agro reter seu nome de marca, marca registrada e relacionamentos 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, reparabilidade em campo mais fácil e melhor eficiência com menos trilhas de máquina para maior volume de colheita. Fonte | Deere & Co.

Converter para compósitos permitiu lanças estenderem além de 36 metros (120 pés) para 40 metros (132 pés). Comparado a aço, CFRP é seis vezes mais forte, 5,5 vezes mais leve, fornece 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 máquina para maior volume de colheita. Outro benefício é reparabilidade. "Nossos revendedores podem pegar uma falha catastrófica, cortar o componente ao meio, adicionar alguma resina, prender e deixar curar e eles estão prontos para ir", adiciona Nelson. "É na verdade mais fácil consertar que soldar aço."

"A melhor parte são os benefícios ao cliente", adiciona Bartlett. "Com produtos de fibra de carbono, eles podem ser mais produtivos. Podem ir mais largo sem penalidade de peso, cobrir mais acres, experimentar menos compactação do solo, e a redução na pressão do solo afeta positivamente o rendimento."

Ferree concorda: "Do ponto de vista de design, compósitos nos permitem fazer coisas que não podíamos com materiais atuais, que estavam em seus limites estruturais e de largura", ele explica. "Tivemos uma transição sólida de nossas ofertas de aço para nossas ofertas premium CFRP — particularmente nas Américas — porque trazemos maior produtividade, que neste segmento é maior largura. Lanças mais leves e largas podem ser instaladas em tratores menores, menos custosos. Ou, mais líquido pode ser carregado em um dado trator enquanto mantém a mesma massa. De qualquer forma, o balanceamento de carga entre eixos dianteiro e traseiro é melhorado e o centro de massa está mais próximo do centro da máquina, melhorando a condução para o operador."

"Vemos aplicações para fibra de carbono em outros produtos", prevê Aaron Wetzel, vice-presidente, plataforma Deere ag & turf crop care. "Nos próximos anos, exploraremos oportunidades adicionais onde o peso leve e capacidades mais fortes que aço adicionarão valor adicional a nossos produtos para nossos clientes."