Colhendo os benefícios:O uso de compósitos cresce em equipamentos agrícolas

Embora não seja o primeiro segmento de transporte que a maioria das pessoas pensa como um mercado em crescimento para compósitos, talvez os equipamentos agrícolas devam ser e, com o tempo, serão. Afinal, à medida que as populações humanas aumentam em todo o planeta, mais recursos serão necessários para o cultivo de plantas e gado para nos alimentar. Apesar de um século de guerras horríveis e algumas pragas internacionais significativas, as populações humanas conseguiram crescer 400% durante o século XX. A população mundial de hoje é de 7,6 bilhões, e as Nações Unidas (Nova York, N.Y., EUA) projeta que mais um bilhão será adicionado até 2030, outro até 2050, e que até 2100, a população mundial será de 11,2 bilhões. Com o crescimento da agricultura, o mercado de equipamentos também crescerá.

Atualmente, a indústria de equipamentos agrícolas está geograficamente fragmentada, com apenas alguns OEMs globais construindo nos maiores volumes de produção da indústria - e estes são geralmente volumes ainda menores do que até mesmo a indústria de caminhões pesados. No entanto, uma constelação de tendências - incluindo consolidação de terras nas Américas, eficiência de combustível mais rígida e padrões de emissões para veículos movidos a diesel em muitas geografias, a complexa questão da redução de peso, maior interesse no uso de diferenciação de design como ferramenta de marketing, e mudanças em como os OEMs de maquinários integrados de forma reversa ainda estão em metais - levou a que mais e maiores componentes fossem convertidos em compósitos usando uma gama mais ampla de materiais e processos. À medida que essas tendências ganham força, não é difícil imaginar um tempo em que os equipamentos agrícolas possam se tornar um grande mercado para os compósitos.

Transporte - mas diferente

Uma das primeiras coisas a entender sobre o mercado de equipamentos agrícolas é o quão grande ele é, mas fragmentado, e como isso afeta o tipo de equipamento produzido e usado em cada região.

“A regionalidade é um fator interessante neste mercado”, explica Deavron Farmer, gerente de contas globais / gerente de mercado agrícola da LyondellBasell Engineered Composites (Houston, Texas, EUA). “Graças à consolidação nas últimas cinco décadas, as maiores fazendas das Américas [particularmente nos Estados Unidos, Canadá, Argentina e Brasil] tendem a ter dezenas de milhares, senão centenas de milhares, de hectares de tamanho, muitas vezes com campos contíguos . Dado o tamanho desses campos e a tendência de monocultura [plantio de monoculturas em uma área enorme], o equipamento ficou maior e mais modular, para que os agricultores possam atender a cada vez maiores extensões de terra com eficiência ”. Ele acrescenta que esse não é necessariamente o caso na Europa, onde as fazendas permaneceram menores e os equipamentos são dimensionados adequadamente.

Por outro lado, nos países em desenvolvimento, outros fatores estão em jogo. “O custo - que é um problema em todos os lugares - é uma questão especialmente delicada nas regiões em desenvolvimento, onde equipamentos como um trator também podem servir como transporte da família para a cidade”, acrescenta Farmer. “Embora os agricultores possam usar equipamentos de estilo antigo, a mudança está aumentando tão rapidamente que os agricultores dos países em desenvolvimento podem muito bem pular gerações inteiras de equipamentos que levaram décadas para evoluir em outras regiões - como aconteceu com os eletrônicos de consumo”. Dada a fragmentação geográfica do mercado de equipamentos agrícolas, há menos oportunidades para OEMs globais como John Deere (Deere &Co., Moline, Illinois, EUA), Case New Holland (CNH Global NV, Amsterdã, Holanda) e AGCO (AGCO Corp., Duluth, Ga., US) para criar modelos mundiais que permitam o compartilhamento de peças e redução de custos como é feito em outros segmentos de transporte. Isso significa que acordos globais de compra são menos comuns, portanto, fabricantes, moldadores e fornecedores de materiais devem se qualificar em cada região onde desejam fazer vendas.

Outro diferencial desse mercado é que os equipamentos agrícolas são projetados para ter uma vida longa. Atualmente, as montadoras têm como meta uma vida útil de uma década. Os fabricantes de caminhões comerciais testam e garantem 482.803 quilômetros para veículos de serviço severo e 1,9 milhão de quilômetros para caminhões de longo curso - a última meta dos quais poderia ser alcançada em apenas cinco anos - enquanto caminhões basculantes, betoneiras e similares podem operar por várias décadas.

No entanto, mesmo na América do Norte, não é nada para ver equipamentos agrícolas ainda em uso com 40, 50 ou 60 anos. O mercado de equipamentos usados ​​é muito ativo e, por isso, as máquinas agrícolas são projetadas para operar por muito tempo. Isso é complicado pelo fato de que a maioria dos equipamentos agrícolas passa toda a sua vida ao ar livre, constantemente exposta ao calor, frio, vento, umidade e radiação UV, enquanto é sujeita a impactos de pedra, cascalho e poeira durante a operação. Os materiais usados ​​nesses equipamentos não devem apenas ser resistentes à corrosão e a mossas e ter boas características de intempéries, mas também devem fornecer estabilidade química e térmica.

Essas máquinas são rotineiramente expostas a tudo, desde combustíveis de hidrocarbonetos e lubrificantes a fertilizantes e pesticidas, muitos dos quais são clorados ou dispersos em bases lipídicas. E, como carros e caminhões, o calor ao redor do compartimento do motor está aumentando devido aos novos regulamentos de emissões do tubo de escape. Acrescente a isso o fato de que os agricultores passam longos dias confinados em cabines de trator, o que aumenta a demanda para reduzir o ruído, vibração e aspereza (NVH) e para aumentar o conforto do operador. Em suma, isso é um pedido difícil para qualquer grupo de materiais.

Volumes de produção mais baixos, entretanto, podem tornar os compostos menos econômicos do que os materiais tradicionais. Com exceção de pequenos cortadores de grama, que podem ser produzidos em volumes semelhantes aos de automóveis de 350.000 por ano, a maioria dos equipamentos é produzida na ordem de algumas centenas a dezenas de milhares anualmente. Isso ocorre em parte porque há muitas opções de personalização disponíveis no novo segmento de máquinas e em parte porque alguns dos equipamentos mais novos estão sendo projetados em tamanhos maiores e com novos recursos que adicionam custo e complexidade. Dependendo do tipo de equipamento e modelo, pode ser tão caro quanto comprar um carro novo ou até uma casa nova. Na verdade, o alto investimento de capital necessário para entrar e permanecer na agricultura tornou-se uma das maiores barreiras que impedem novos agricultores de entrar no setor.

Além disso, o peso leve que os compostos oferecem em relação aos materiais tradicionais pode ser um benefício - mas a redução de peso em equipamentos agrícolas é uma questão complexa. Por outro lado, o peso elevado do veículo pode levar à compactação do solo, o que impede o crescimento das plantas. Em certas aplicações, como braços de lança pulverizadores usados ​​para aplicar água e produtos químicos nos campos, a redução do peso é um benefício real. Para atender com eficiência em campos cada vez maiores, os braços de lança têm se tornado cada vez mais longos, reduzindo o número de passes necessários para cobrir um campo. No entanto, isso, por sua vez, significa que maiores estruturas de suporte são necessárias para evitar que os braços caiam em vãos tão longos - que podem ultrapassar 15 metros de cada lado do veículo. Os esforços para reduzir o peso - trocando o alumínio por compostos - podem trazer benefícios reais para OEMs e agricultores.

Por outro lado, o peso leve nem sempre é benéfico - especialmente se afetar a estabilidade do veículo. Colheitadeiras dianteiras pesadas, por exemplo, precisam de peso na parte traseira do veículo para manter as rodas traseiras no solo durante a operação. Conseqüentemente, distribuição de peso é a chave para garantir a segurança e eficiência. Todos esses fatores significam que o peso é complicado quando se trata de equipamentos agrícolas, e sua redução não chega nem perto do barulho que ocorre em caminhões, ônibus e veículos de passageiros.

Muitos materiais, muitos processos

Dada a gama de tamanhos e volumes de produção vistos em equipamentos agrícolas - desde cortadores de grama e tratores compactos (CUTs) a baldes e colheitadeiras - uma variedade de processos de molde aberto e fechado são usados ​​para produzir principalmente peças compostas termofixas neste segmento , embora termoplásticos reforçados estejam começando a ganhar espaço em aplicações específicas. Surpreendentemente, um dos mais novos materiais usados ​​em equipamentos agrícolas é o pré-impregnado de epóxi reforçado com fibra de carbono curado em autoclave de nível aeroespacial para braços de lança pulverizadora. Em alumínio ou aço, esses braços requerem uma estrutura de suporte tão grande que há limites práticos para seu comprimento. No entanto, ao converter em compósitos de fibra de carbono leves e de alto desempenho, não apenas a estrutura de suporte pode ser reduzida ou eliminada, mas as barras podem ser feitas mais longas. A impressão 3D também está ganhando espaço neste segmento - principalmente para ferramentas e acessórios de montagem, mas também para a produção de algumas peças em veículos de produção.

À medida que o ajuste de aparência e acabamento, bem como a consistência das peças, tornam-se mais importantes para OEMs e clientes, tanto para a diferenciação do produto quanto para a marca visual, os fabricantes de equipamentos estão explorando os benefícios bem conhecidos dos plásticos e compostos para facilitar a liberdade de design, consolidação de peças e alta estética. A cor é outro aspecto bem utilizado da marca visual neste segmento por meio de tintas, gel coat e polímero pigmentado. Na verdade, alguns OEMs combinam diferentes texturas de pintura no mesmo painel do corpo (por exemplo, pontilhado claro mais brilho) para ocultar marcas de desgaste em áreas de desgaste, ao mesmo tempo em que obtém uma aparência agradável. O trabalho em andamento entre a base de fornecimento está buscando maneiras de estender a durabilidade de tintas e revestimentos e eliminar ambas as tecnologias em favor de filmes e materiais moldados em cores (MIC) com maior estabilidade UV.

Compósitos agrícolas mais ecológicos

A sustentabilidade - desde melhorias na eficiência de combustível ao uso de polímeros reciclados e derivados de plantas - é tão importante e desejável na agricultura quanto em outros segmentos de transporte. Curiosamente, os monômeros de base biológica revelaram-se muito mais fáceis de vender aqui do que no setor automotivo. “Faz sentido para nossos clientes na comunidade agrícola”, explica Jay Olson, gerente de engenharia de materiais e tecnologia da John Deere, bem como proprietário da marca / presidente do conselho e diretor da PLASTICS Industry Association (Washington, DC, NÓS). “Eles usam nosso equipamento para cultivar milho e soja e, em seguida, essas commodities são usadas para fazer polímeros que são moldados em componentes para novos equipamentos que produzimos para esses mesmos clientes.”

Atualmente, os produtos vegetais mais comuns usados ​​em compostos agrícolas termofixos incluem soja e milho que vão para resinas de poliéster insaturadas para compostos de moldagem de folhas (SMC) e compostos de moldagem a granel (BMC). Por volta de 2000, a Ashland LLC (Columbus, Ohio, EUA) introduziu a resina de poliéster insaturado de base biológica Envirez 1807 (UP) para os fabricantes que, por sua vez, a convertem em SMC e a vendem para moldadores para peças que vão para o mercado de equipamentos agrícolas - principalmente para uso em grandes painéis de parede lateral de colheitadeira. A empresa afirma que Envirez foi a primeira resina UP disponível comercialmente contendo uma porção significativa (18 por cento) de monômero derivado de grãos de milho ou soja. O polímero é fornecido não catalisado e oferece resposta de espessamento uniforme, boa capacidade de pintura e boas características de superfície em baixa temperatura de cura em SMC. Também é menos sujeito a flutuações de preço do que polímeros derivados de matérias-primas de petróleo.

Outro produto SMC verde que elimina o custo e a carga ambiental da tinta é uma resina UP estrutural, resistente às intempéries, usada pela primeira vez para superfícies visíveis em caixas de coleta e agora incluído em painéis a diesel de pós-tratamento (ATD) nos tratores John Deere 8000. Arotran 805 é um tipo de preto estável aos raios ultravioleta (MIC) que foi desenvolvido em conjunto pela Ashland e o fornecedor de aditivos Chromaflo Technologies LLC (Ashtabula, Ohio, EUA) e é moldado por compressão pela Ashley Industrial Molding (Ashley, Ind. , NÓS). Quando composto em SMC e usado em aplicações como os painéis ATD, ajuda a manter a estética a longo prazo, o que ajuda a suportar valores de revenda mais altos para tratores.

Um SMC de nova geração voltado para equipamentos agrícolas, bem como construção / construção e os mercados elétrico / eletrônico foi apresentado na feira CAMX 2018 pela LyondellBasell Engineered Composites. “Como indústria, sabemos que os compósitos termofixos têm limitações em relação à reciclagem no fim da vida”, explica Mike Gruskiewicz, diretor de tecnologia para a região dos EUA, LyondellBasell Engineered Composites. “À medida que continuamos a trabalhar na reciclagem, vemos muitos benefícios em incorporar conteúdo renovável e reciclado na fabricação de SMC, contribuindo assim para a economia circular no início do ciclo de vida. Quando começamos a buscar soluções verdes, estabelecemos uma meta de compromisso zero em termos de desempenho, moldabilidade e estética em comparação com SMCs à base de petróleo. ”

A empresa oferece dois novos produtos SMC sustentáveis, ambos com desempenho retardante de fogo. “A classe Premi-Glas 7001 produz perfis de superfície pintáveis ​​Classe A, permitindo que capôs ​​de trator alcancem uma estética comparável a automóveis finos e adicionando o aspecto retardador de fogo para o ambiente agressivo da agricultura, e Premi-Glas 3501 oferece cores moldadas e destina-se para peças como gabinetes elétricos, suportes e carcaças e componentes da cabine ”, explica Gruskiewicz. Além disso, 3501 incorpora conteúdo termoplástico reciclado para reforçar sua pegada de sustentabilidade. Em ambos os casos, o monômero de propilenoglicol da resina é produzido usando soja ou milho e é dito que produz propriedades idênticas aos monômeros criados a partir de produtos de petróleo tradicionais. O grau 3501 inclui tereftalato de polietileno (rPET) reciclado pós-industrial (PIR), que foi digerido quimicamente para produzir ácido tereftálico e, em seguida, reagiu de volta na resina de poliéster. Embora nenhuma aplicação comercial tenha sido anunciada, Gruskiewicz diz que a classe 7001 já está sendo testada para capôs ​​de trator, portas combinadas e painéis de carroceria. “Outra área empolgante para a SMC envolve tampas de válvulas para grandes motores a diesel, bem como reservatórios de óleo [panelas]”, acrescenta. “Em comparação com peças semelhantes em veículos de passageiros que foram convertidos de SMC para termoplásticos, vemos condições de operação muito mais severas na agricultura. Por exemplo, em motores maiores, materiais mais rígidos são necessários devido aos grandes vãos entre essas unidades maiores. ”

Encontrando cargas de britagem

Um desafio na indústria de equipamentos agrícolas é que os compósitos devem manter o desempenho mecânico sob cargas que podem ultrapassar 9.000 quilos. Por exemplo, o moldador Tier-1 Plastics Unlimited (Preston, Iowa, EUA) desenvolveu uma tecnologia de moldagem chamada de compósitos engenheirados (TEC), que tem sido usada para produzir abas de porta / portas de extensão de grão de 1,5 por 2,1 metros que podem transportar cargas de até 9.072 kg, para colheitadeiras grandes com paredes nominais de 6,4 a 12,7 milímetros de espessura. O TEC combina a alta estética e durabilidade dos termoplásticos com a resistência, tenacidade e estabilidade dimensional dos compósitos para produzir uma estrutura com superfície Classe A e lado B, contribuindo com alta rigidez e relação resistência / peso. A aparência do lado A é produzida pela termoformação de uma folha de MIC acrilonitrila butadieno estireno (ABS), que posteriormente se torna uma ferramenta para metade do lado B da peça, embora para essas estruturas maiores e mais complexas, uma segunda ferramenta composta seja usada durante o processo de formação. O último é um composto embalado a vácuo produzido com resina UP infundida em camadas costuradas de núcleos de fibra de vidro picados. Tanto o suporte de metal quanto as grandes nervuras (produzidas em espuma rígida de poliuretano) podem ser inseridas no compósito durante o layup.

O resultado é uma peça estabilizada contra raios ultravioleta e resistente à corrosão que oferece flexibilidade de design e alta resistência ao impacto que resiste a lascamentos e rachaduras a um custo razoável. O lado A (camada termoplástica) pode fornecer uma superfície granulada ou brilhante (esta última em cores sólidas ou transparentes, que incluem metálico, cromo, madeira, camuflagem e até mesmo uma malha de carbono). Diz-se que essa camada termoplástica oferece excelente profundidade de imagem e é muito mais durável do que o SMC pintado ou revestido com gel, permitindo que pequenos arranhões superficiais sejam polidos. O lado B sem aparência (camada composta) é pigmentado e liso. Além das portas de extensão de grão de alto desempenho nas colheitadeiras, o processo TEC também é usado para moldar para-lamas, proteções laterais, capôs ​​e caixas dianteiras e traseiras para uma variedade de veículos recreativos menores e equipamentos agrícolas.

Qual é o futuro dos equipamentos agrícolas? Em 2016, no Farm Progress Show em Boone, Iowa, EUA, a Case New Holland (CNH) apresentou os primeiros conceitos de tratores totalmente autônomos da indústria que pode plantar, pulverizar e colher, e onde os humanos não operam mais os veículos a bordo, mas controlam e monitoram o equipamento sem motorista remotamente via tablet enquanto o trator percorre rotas de orientação pré-mapeadas. Equipados com câmeras a bordo que fornecem visualizações em tempo real e detecção avançada de obstáculos, esses tratores drones podem alertar os operadores sobre obstáculos e outros problemas, permitindo que o operador selecione a melhor rota para evitar ou corrigir problemas. Diz-se que o software do sistema traça automaticamente a passagem mais eficiente no campo para ajudar os agricultores a aproveitar ao máximo as janelas estreitas do clima ou trabalhar o tempo todo quando necessário para aumentar a produtividade, ao mesmo tempo em que coleta dados para monitorar as safras atuais e planejar melhor as futuras. A CNH afirma que essa tecnologia ajudará os agricultores em muitas partes do mundo que lutam para encontrar mão de obra qualificada durante os períodos de pico de uso. O equipamento intermediário provavelmente combinará máquinas de cabeceira com capacidades de direção tradicionais e algum nível de automação.

“A agricultura não mudou de seus objetivos básicos de alimentar, abastecer e vestir o mundo”, acrescenta Olson. “No entanto, a tecnologia - incluindo todos os aspectos da biotecnologia e os materiais necessários para soluções de sistemas inteligentes - acelerou para atender aos desafios de produtividade de alimentar uma população em rápido crescimento. Os agricultores sempre foram administradores da terra, então a sustentabilidade dos recursos naturais é a chave para o nosso sucesso como indústria, comunidade e mundo. ”