Menuai manfaat:Penggunaan komposit tumbuh dalam peralatan pertanian

Meskipun ini bukan segmen transportasi pertama yang dipikirkan kebanyakan orang sebagai pasar yang berkembang untuk komposit, mungkin peralatan pertanian harus dan, pada waktunya, akan. Lagi pula, seiring bertambahnya populasi manusia di seluruh planet ini, lebih banyak sumber daya akan dibutuhkan untuk menumbuhkan tanaman dan ternak untuk memberi makan kita. Terlepas dari satu abad perang yang mengerikan dan beberapa wabah internasional yang signifikan, populasi manusia berhasil tumbuh 400 persen selama abad ke-20. Populasi dunia saat ini adalah 7,6 miliar, dan Perserikatan Bangsa-Bangsa (New York, N.Y., AS) memproyeksikan bahwa satu miliar lagi akan ditambahkan pada tahun 2030, masih lagi pada tahun 2050, dan pada tahun 2100, populasi dunia akan menjadi 11,2 miliar. Seiring pertumbuhan pertanian, pasar peralatan juga akan tumbuh.

Saat ini industri peralatan pertanian secara geografis terfragmentasi, dengan hanya beberapa OEM global yang membangun volume produksi tertinggi industri — dan ini umumnya masih volume yang lebih rendah daripada industri truk berat. Namun, konstelasi tren — termasuk konsolidasi lahan di Amerika, efisiensi bahan bakar yang lebih ketat dan standar emisi untuk kendaraan bertenaga diesel di banyak wilayah, masalah kompleks pengurangan bobot, minat yang lebih besar dalam penggunaan diferensiasi desain sebagai alat pemasaran, dan perubahan dalam cara OEM mesin yang terintegrasi ke belakang masih dalam logam — telah menyebabkan semakin banyak komponen yang dikonversi menjadi komposit menggunakan susunan material dan proses yang lebih luas. Seiring tren tersebut mendapatkan daya tarik, tidak sulit untuk membayangkan saat ketika peralatan pertanian dapat menjadi pasar utama untuk komposit.

Transportasi — tetapi berbeda

Salah satu hal pertama yang harus dipahami tentang pasar peralatan pertanian adalah seberapa besar tetapi terfragmentasi, dan bagaimana hal itu mempengaruhi jenis peralatan yang diproduksi dan digunakan di setiap wilayah.

“Regionalitas adalah faktor yang menarik di pasar ini,” jelas Deavron Farmer, manajer akun kunci global/manajer pasar pertanian, LyondellBasell Engineered Composites (Houston, Texas, A.S.). “Berkat konsolidasi selama lima dekade terakhir, pertanian terbesar di Amerika [khususnya di AS, Kanada, Argentina, dan Brasil] cenderung berukuran puluhan ribu, bahkan ratusan ribu hektar, seringkali dengan ladang yang berdekatan. . Mengingat ukuran lahan ini dan kecenderungan ke arah monocropping [menanam tanaman tunggal di bawah areal yang luas], peralatan menjadi lebih besar dan lebih modular sehingga petani dapat melayani lahan yang semakin luas secara efisien.” Dia menambahkan bahwa itu tidak selalu terjadi di Eropa, di mana pertanian tetap lebih kecil dan peralatan berukuran tepat.

Di sisi lain, di negara berkembang, faktor pendorong lain ikut berperan. “Biaya — yang merupakan masalah di mana-mana — merupakan masalah yang sangat sensitif di daerah berkembang, di mana peralatan seperti traktor juga dapat berfungsi sebagai transportasi keluarga ke kota,” tambah Farmer. “Meskipun petani di sana mungkin menggunakan peralatan gaya lama, perubahan meningkat begitu cepat sehingga petani di negara berkembang mungkin melompati seluruh generasi peralatan yang membutuhkan waktu puluhan tahun untuk berkembang di wilayah lain — seperti yang terjadi dengan elektronik konsumen.” Mengingat betapa terfragmentasinya pasar peralatan pertanian secara geografis, semakin sedikit peluang bagi OEM global seperti John Deere (Deere &Co., Moline, Ill., AS), Case New Holland (CNH Global NV, Amsterdam, Belanda) dan AGCO (AGCO Corp., Duluth, Ga., US) untuk menciptakan model dunia yang memungkinkan pembagian suku cadang dan pengurangan biaya seperti yang dilakukan di segmen transportasi lainnya. Ini berarti bahwa perjanjian pembelian global kurang umum, sehingga produsen, pembuat cetakan, dan pemasok bahan harus memenuhi syarat di setiap wilayah tempat mereka ingin melakukan penjualan.

Perbedaan lain di pasar ini adalah peralatan pertanian dirancang untuk memiliki umur yang panjang. Pembuat mobil saat ini menargetkan masa pakai satu dekade. Produsen truk komersial menguji dan memberikan garansi untuk 482.803 kilometer untuk kendaraan servis berat dan 1,9 juta kilometer untuk truk jarak jauh — target terakhir yang dapat dicapai hanya dalam waktu lima tahun — sementara dump truck, mixer beton, dan sejenisnya dapat beroperasi selama beberapa dekade.

Namun, bahkan di Amerika Utara, tidak ada yang melihat peralatan pertanian masih digunakan yang berusia 40, 50 atau 60 tahun. Pasar peralatan bekas sangat aktif dan, sebagai akibatnya, mesin pertanian dirancang untuk beroperasi untuk waktu yang lama. Itu diperumit oleh fakta bahwa sebagian besar peralatan pertanian menghabiskan seluruh hidupnya di luar, terus-menerus terkena panas, dingin, angin, kelembaban, dan radiasi UV saat terkena batu, kerikil, dan debu selama operasi. Bahan yang digunakan pada peralatan tersebut tidak hanya harus tahan korosi dan penyok serta memiliki karakteristik pelapukan yang baik, tetapi juga harus memberikan stabilitas kimia dan termal.

Mesin-mesin ini secara rutin terpapar segala sesuatu mulai dari bahan bakar dan pelumas hidrokarbon hingga pupuk dan pestisida, banyak di antaranya diklorinasi atau didispersikan dalam basis lipid. Dan seperti mobil dan truk, panas di sekitar ruang mesin meningkat karena peraturan emisi knalpot baru. Ditambah fakta bahwa petani menghabiskan hari-hari yang panjang terkurung di dalam kabin traktor, yang meningkatkan permintaan untuk mengurangi kebisingan, getaran, dan kekerasan (NVH) dan untuk meningkatkan kenyamanan operator. Secara keseluruhan, itu sulit untuk kelompok materi apa pun.

Volume produksi yang lebih rendah, bagaimanapun, dapat membuat komposit lebih hemat biaya daripada bahan tradisional. Dengan pengecualian mesin pemotong rumput kecil, yang dapat diproduksi dalam volume seperti mobil 350.000 per tahun, sebagian besar peralatan diproduksi dalam urutan beberapa ratus hingga puluhan ribu per tahun. Itu sebagian karena ada banyak opsi penyesuaian yang tersedia di segmen mesin baru dan sebagian karena beberapa peralatan terbaru sedang dirancang dalam ukuran yang lebih besar dan dengan fitur baru yang menambah biaya dan kerumitan. Tergantung pada jenis peralatan dan modelnya, harganya bisa sama mahalnya dengan membeli mobil baru atau bahkan rumah baru. Faktanya, tingginya investasi modal yang diperlukan untuk masuk dan bertahan di pertanian telah menjadi salah satu hambatan terbesar yang menghalangi petani baru untuk masuk ke industri ini.

Selain itu, ringan yang ditawarkan komposit dibandingkan bahan tradisional dapat menjadi keuntungan — tetapi pengurangan berat pada peralatan pertanian adalah masalah yang kompleks. Di satu sisi, bobot kendaraan yang tinggi dapat menyebabkan pemadatan tanah, yang menghambat pertumbuhan tanaman. Dalam aplikasi tertentu, seperti lengan boom penyemprot yang digunakan untuk menyemprotkan air dan bahan kimia ke ladang, pelonggaran adalah manfaat yang nyata. Untuk melayani medan yang semakin luas secara efisien, lengan boom semakin lama semakin panjang, mengurangi jumlah lintasan yang diperlukan untuk menutupi suatu medan. Namun, itu, pada gilirannya, berarti bahwa struktur pendukung yang lebih besar diperlukan untuk menjaga lengan agar tidak kendur selama rentang panjang seperti itu — yang dapat melebihi 15 meter di setiap sisi kendaraan. Upaya untuk mengurangi berat — dengan beralih dari aluminium ke komposit — dapat memberikan manfaat nyata bagi OEM dan petani.

Di sisi lain, bobot ringan tidak selalu bermanfaat — terutama jika berdampak pada stabilitas kendaraan. Penggabungan bagian depan yang berat, misalnya, membutuhkan bobot di bagian belakang kendaraan untuk menjaga roda belakang tetap di tanah selama pengoperasian. Oleh karena itu, distribusi berat adalah kunci untuk memastikan keamanan dan efisiensi. Semua faktor ini membuat berat menjadi rumit dalam hal peralatan pertanian, dan pengurangannya hampir tidak terdengar seperti di truk, bus, dan kendaraan penumpang.

Banyak material, banyak proses

Mengingat kisaran ukuran dan volume produksi yang terlihat pada peralatan pertanian — mulai dari mesin pemotong rumput dan traktor utilitas kompak (CUT) hingga gayung dan kombinasi — berbagai proses cetakan terbuka dan tertutup digunakan untuk memproduksi sebagian besar komponen komposit termoset di segmen ini , meskipun termoplastik yang diperkuat mulai mendapatkan landasan dalam aplikasi tertentu. Anehnya, salah satu bahan terbaru yang digunakan dalam peralatan pertanian adalah prepreg epoksi serat karbon yang diperkuat serat karbon yang diperkuat dengan autoklaf kelas kedirgantaraan untuk lengan boom penyemprot. Dalam aluminium atau baja, lengan ini membutuhkan begitu banyak struktur pendukung sehingga ada batasan praktis untuk berapa lama mereka bisa. Namun, dengan mengkonversi ke komposit serat karbon ringan berkinerja tinggi, tidak hanya struktur penyangga dapat dikurangi atau dihilangkan tetapi boom dapat dibuat lebih lama. Pencetakan 3D juga mulai berkembang di segmen ini — sebagian besar untuk peralatan dan perlengkapan perakitan, tetapi juga untuk memproduksi beberapa suku cadang pada kendaraan produksi.

Karena penampilan pas dan selesai, serta konsistensi bagian, menjadi lebih penting bagi OEM dan pelanggan, baik untuk diferensiasi produk dan branding visual, produsen peralatan mengeksplorasi manfaat terkenal dari plastik dan komposit untuk memfasilitasi kebebasan desain, konsolidasi suku cadang dan tinggi estetika. Warna adalah aspek lain yang digunakan dengan baik dari branding visual di segmen ini melalui cat, lapisan gel dan polimer berpigmen. Faktanya, beberapa OEM menggabungkan tekstur cat yang berbeda pada panel bodi yang sama (misalnya, bintik-bintik ringan plus gloss) untuk menyembunyikan bekas lecet di area keausan sambil tetap mendapatkan tampilan yang menyenangkan. Pekerjaan yang sedang berlangsung di antara basis pasokan adalah mencari cara untuk memperpanjang daya tahan cat dan pelapis dan untuk menghilangkan kedua teknologi yang mendukung film dan bahan moulded-in-color (MIC) dengan stabilitas UV yang lebih tinggi.

Penghijauan komposit ag

Keberlanjutan — dari peningkatan efisiensi bahan bakar hingga penggunaan polimer daur ulang dan yang berasal dari tumbuhan — sama pentingnya dan diinginkan dalam pertanian seperti halnya di segmen transportasi lainnya. Menariknya, monomer berbasis bio ternyata jauh lebih mudah dijual di sini daripada di otomotif. “Masuk akal bagi pelanggan kami di komunitas pertanian,” jelas Jay Olson, manajer teknik &teknologi material di John Deere, serta pemilik merek/kursi dewan dan pejabat di dewan Asosiasi Industri PLASTIK (Washington, DC, KITA). “Mereka menggunakan peralatan kami untuk menanam jagung dan kedelai, lalu komoditas tersebut digunakan untuk membuat polimer yang dicetak menjadi komponen untuk peralatan baru yang kami produksi untuk pelanggan yang sama.”

Saat ini produk tanaman yang paling umum digunakan dalam komposit pertanian termoset termasuk kedelai dan jagung yang masuk ke resin poliester tak jenuh untuk senyawa cetakan lembaran (SMC) dan senyawa cetakan massal (BMC). Sekitar tahun 2000, Ashland LLC (Columbus, Ohio, AS) memperkenalkan resin poliester tak jenuh (UP) berbasis bio Envirez 1807 ke senyawa yang, pada gilirannya, mengubahnya menjadi SMC dan menjualnya ke pembuat cetakan untuk suku cadang yang masuk ke pasar peralatan pertanian — terutama untuk digunakan dalam panel dinding samping kombinasi besar. Perusahaan mengklaim bahwa Envirez adalah resin UP pertama yang tersedia secara komersial yang mengandung porsi signifikan (18 persen) monomer turunan biji-bijian dari jagung atau kedelai. Polimer disuplai tanpa katalis dan dikatakan menawarkan respons pengentalan yang seragam, kemampuan pengecatan yang baik dan karakteristik permukaan yang baik pada suhu pengeringan rendah di SMC. Ini juga kurang rentan terhadap fluktuasi harga dibandingkan polimer yang berasal dari bahan baku minyak bumi.

Produk SMC hijau lainnya yang menghilangkan biaya dan beban lingkungan dari cat adalah resin UP struktural tahan cuaca yang pertama kali digunakan untuk permukaan yang terlihat pada kotak penjemputan dan sekarang ditampilkan pada panel after-treatment diesel (ATD) pada traktor John Deere 8000. Arotran 805 adalah kelas hitam UV-stabil, dicetak dalam warna (MIC) yang dikembangkan bersama oleh Ashland dan pemasok aditif Chromaflo Technologies LLC (Ashtabula, Ohio, AS) dan dicetak dengan kompresi oleh Ashley Industrial Moulding (Ashley, Ind. , KITA). Ketika digabungkan menjadi SMC dan digunakan dalam aplikasi seperti panel ATD, ini membantu menjaga estetika jangka panjang, yang membantu mendukung nilai jual kembali yang lebih tinggi untuk traktor.

SMC generasi baru yang ditargetkan untuk peralatan pertanian serta bangunan/konstruksi dan pasar listrik/elektronik diperkenalkan di pameran CAMX 2018 oleh LyondellBasell Engineered Composites. “Sebagai sebuah industri, kami tahu bahwa komposit termoset memiliki keterbatasan sehubungan dengan daur ulang akhir masa pakainya,” jelas Mike Gruskiewicz, direktur teknologi untuk wilayah AS, LyondellBasell Engineered Composites. “Seiring kami terus berupaya mendaur ulang, kami melihat banyak manfaat untuk memasukkan konten terbarukan dan daur ulang dalam pembuatan SMC, sehingga berkontribusi pada ekonomi sirkular di ujung depan siklus hidup. Saat kami mulai mencari solusi ramah lingkungan, kami menetapkan tujuan tanpa kompromi dalam hal kinerja, kemampuan cetakan, dan estetika dibandingkan dengan SMC berbasis minyak bumi.”

Perusahaan menawarkan dua produk SMC berkelanjutan baru, keduanya menawarkan kinerja tahan api. “Premi-Glas 7001 grade menghasilkan profil permukaan kelas A yang dapat dicat, memungkinkan tudung traktor mencapai estetika yang sebanding dengan mobil halus, dan menambahkan aspek tahan api untuk lingkungan ag yang parah, dan Premi-Glas 3501 menawarkan warna yang dibentuk dan dimaksudkan untuk suku cadang seperti penutup listrik, braket dan rumah, dan komponen kabin,” Gruskiewicz menjelaskan. Selain itu, 3501 menggabungkan konten termoplastik daur ulang untuk meningkatkan jejak keberlanjutannya. Dalam kedua kasus, monomer propilen glikol resin diproduksi menggunakan kedelai atau jagung dan dikatakan menghasilkan sifat yang identik dengan monomer yang dibuat dari produk minyak bumi tradisional. Kelas 3501 mencakup polietilena tereftalat (rPET) daur ulang pasca-industri (PIR), yang telah dicerna secara kimiawi untuk menghasilkan asam tereftalat dan kemudian direaksikan kembali menjadi resin poliester. Meskipun belum ada aplikasi komersial yang diumumkan, Gruskiewicz mengatakan bahwa grade 7001 sudah diambil sampelnya untuk kap traktor, pintu kombinasi, dan panel bodi. “Area lain yang menarik untuk SMC melibatkan penutup katup untuk mesin diesel besar serta tangki oli,” tambahnya. “Dibandingkan dengan suku cadang serupa pada kendaraan penumpang yang telah diubah dari SMC menjadi termoplastik, kami melihat kondisi pengoperasian yang jauh lebih parah di ag. Misalnya, pada mesin yang lebih besar, material yang lebih kaku diperlukan karena bentang yang besar di seluruh unit yang lebih besar tersebut.”

Memenuhi beban penghancur

Salah satu tantangan dalam industri peralatan pertanian adalah komposit harus mempertahankan kinerja mekanis di bawah beban yang dapat mencapai 9.000 kilogram. Misalnya, Tier-1 moulder Plastics Unlimited (Preston, Iowa, AS) telah mengembangkan teknologi pencetakan yang disebut tooless engineered composites (TEC), yang telah digunakan untuk memproduksi penutup pintu berukuran 1,5 kali 2,1 meter/pintu perpanjangan butir yang dapat membawa beban hingga 9.072 kg, untuk kombinasi besar dengan dinding nominal yang tebalnya 6,4 hingga 12,7 milimeter. TEC memadukan estetika tinggi dan daya tahan termoplastik dengan kekuatan, ketangguhan, dan stabilitas dimensi komposit untuk menghasilkan struktur dengan permukaan Kelas A dan sisi-B yang memberikan rasio kekakuan dan kekuatan terhadap berat yang tinggi. Tampilan sisi-A dihasilkan dengan thermoforming lembaran MIC acrylonitrile butadiene styrene (ABS), yang kemudian menjadi perkakas untuk setengah sisi-B bagian tersebut, meskipun untuk struktur yang lebih besar dan lebih kompleks ini, perkakas komposit kedua digunakan selama proses pembentukan. Yang terakhir adalah komposit kantong vakum yang diproduksi menggunakan resin UP yang dimasukkan ke dalam lapisan jahitan inti serat kaca cincang. Baik braket logam maupun rusuk besar (diproduksi dalam busa poliuretan kaku) dapat dimasukkan ke dalam komposit selama layup.

Hasilnya adalah bagian tahan korosi yang distabilkan UV yang menawarkan fleksibilitas desain dan kekuatan benturan tinggi yang tahan terhadap pecah dan retak dengan biaya yang wajar. Sisi A (lapisan termoplastik) dapat memberikan permukaan berbutir atau mengkilap (yang terakhir dalam warna solid atau pola bening, yang meliputi logam, krom, kayu, kamuflase, dan bahkan jaring karbon). Lapisan termoplastik ini dikatakan menawarkan kedalaman gambar yang sangat baik dan jauh lebih tahan lama daripada SMC yang dicat atau dilapisi gel, memungkinkan goresan permukaan kecil untuk digosok. Sisi B yang tidak terlihat (lapisan komposit) berpigmen dan halus. Selain pintu perpanjangan butir berperforma tinggi pada kombinasi, proses TEC juga digunakan untuk membentuk spatbor, pelindung samping, kap mesin, dan penutup depan dan belakang untuk berbagai kendaraan rekreasi yang lebih kecil dan peralatan jenis pertanian.

Bagaimana masa depan peralatan pertanian? Pada tahun 2016 di Farm Progress Show di Boone, Iowa, AS, Case New Holland (CNH) memamerkan konsep traktor sepenuhnya otonom pertama di industri yang dapat menanam, menyemprot, dan memanen, dan di mana manusia tidak lagi mengoperasikan kendaraan dari atas kapal, melainkan mengontrol dan memantau peralatan tanpa pengemudi dari jarak jauh melalui tablet saat traktor menempuh rute panduan yang telah dipetakan sebelumnya. Dilengkapi dengan kamera onboard yang memberikan tampilan waktu nyata dan deteksi rintangan tingkat lanjut, traktor drone ini dapat memperingatkan operator tentang rintangan dan masalah lainnya, memungkinkan operator untuk memilih rute terbaik untuk menghindari atau memperbaiki masalah. Perangkat lunak sistem dikatakan secara otomatis memplot pass di lapangan yang paling efisien untuk membantu petani memanfaatkan jendela cuaca yang sempit atau bekerja sepanjang waktu bila diperlukan untuk meningkatkan produktivitas, sambil mengumpulkan data untuk memantau tanaman saat ini dan merencanakan yang lebih baik di masa depan. CNH mengatakan teknologi ini akan membantu petani di banyak bagian dunia yang berjuang untuk menemukan tenaga kerja terampil selama musim puncak penggunaan. Peralatan menengah kemungkinan akan menggabungkan mesin kabin dengan kemampuan mengemudi tradisional dan beberapa tingkat otomatisasi.

“Pertanian tidak berubah dari tujuan dasarnya untuk memberi makan, memberi bahan bakar, dan memberi pakaian kepada dunia,” tambah Olson. “Namun, teknologi — termasuk semua aspek bioteknologi dan bahan yang dibutuhkan untuk solusi sistem cerdas — telah dipercepat untuk memenuhi tantangan produktivitas dalam memberi makan populasi yang berkembang pesat. Petani selalu menjadi penjaga lahan, jadi keberlanjutan sumber daya alam adalah kunci keberhasilan kami sebagai industri, komunitas, dan dunia.”