Bagaimana Material Komposit Mengubah Peralatan Pertanian

Sementara ini bukan segmen transportasi pertama yang dipikirkan oleh sebagian besar orang sebagai pasar yang tumbuh untuk komposit, mungkin peralatan pertanian seharusnya dan, dengan waktu, akan. Sebenarnya, seiring meningkatnya populasi manusia di seluruh planet, lebih banyak sumber daya akan dibutuhkan untuk menumbuhkan tanaman dan ternak untuk memberi makan kita. Meski satu abad perang mengerikan dan beberapa wabah internasional yang signifikan, populasi manusia berhasil tumbuh 400 persen selama abad ke-20. Populasi dunia saat ini 7,6 miliar, dan PBB (New York, NY, AS) memproyeksikan satu miliar lagi akan ditambahkan pada 2030, masih satu lagi pada 2050, dan bahwa pada 2100, populasi dunia akan menjadi 11,2 miliar. Seiring pertumbuhan pertanian, pasar peralatan juga akan tumbuh.

Saat ini industri peralatan pertanian terpecah-pecah secara geografis, dengan hanya beberapa OEM global yang membangun pada volume produksi tertinggi industri — dan ini umumnya masih volume lebih rendah dari bahkan industri truk berat. Namun, konstelasi tren — termasuk konsolidasi lahan di Amerika, standar efisiensi bahan bakar dan emisi yang lebih ketat untuk kendaraan bermotor diesel di banyak geografi, masalah kompleks pengurangan berat, minat yang lebih besar pada penggunaan perbedaan desain sebagai alat pemasaran, dan perubahan dalam cara OEM mesin terintegrasi mundur masih dalam logam — telah menyebabkan lebih banyak dan komponen yang lebih besar dikonversi ke komposit menggunakan berbagai macam material dan proses yang lebih luas. Seiring tren ini mendapatkan traksi, tidak sulit untuk membayangkan waktu ketika peralatan pertanian dapat menjadi pasar utama untuk komposit.

Transportasi — namun berbeda

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

“Regionalitas adalah faktor menarik di pasar ini,” jelas Deavron Farmer, global key account manager/agriculture market manager, LyondellBasell Engineered Composites (Houston, Texas, AS). “Dengan konsolidasi selama lima dekade terakhir, pertanian terbesar di Amerika [terutama di AS, Kanada, Argentina dan Brasil] cenderung berukuran puluhan ribuan, jika tidak ratusan ribu, hektar, seringkali dengan lapangan yang berseberangan. Mengingat ukuran lapangan ini dan kecenderungan terhadap monokultur [menanam satu tanaman di bawah area luas], peralatan menjadi lebih besar dan lebih modular sehingga petani dapat melayani lahan yang semakin luas secara efisien.” Dia menambahkan itu tidak selaras dengan kasus di Eropa, di mana pertanian tetap kecil dan peralatan diukur dengan tepat.

Di sisi lain, di negara berkembang, pengorok lain sedang berperan. “Biaya — yang merupakan masalah di mana saja — adalah masalah yang sangat sensitif di wilayah berkembang, di mana peralatan seperti traktor mungkin juga 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 sangat mungkin melompat generasi peralatan yang membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk berkembang di wilayah lain — seperti yang terjadi dengan elektronik konsumen.” Mengingat bagaimana pasar peralatan pertanian terpecah-pecah secara geografis, ada 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., AS) untuk menciptakan model dunia yang memungkinkan berbagi bagian dan pengurangan biaya seperti yang dilakukan di segmen transportasi lain. Ini berarti perjanjian pembelian global kurang umum, sehingga produsen, pembuat cetakan, dan pemasok material harus memenuhi syarat di setiap wilayah di mana mereka ingin melakukan penjualan.

Perbedaan lain di pasar ini adalah peralatan pertanian dirancang untuk umur panjang. Produsen mobil saat ini menargetkan umur pakai satu dekade. Produsen truk komersial menguji dan menjamin 482.803 kilometer untuk kendaraan layanan berat dan 1,9 juta kilometer untuk truk jarak jauh — target terakhir yang dapat dicapai dalam waktu singkat lima tahun — sementara truk pembuangan, truk mixer beton dan sejenisnya dapat beroperasi selama beberapa dekade.

Namun, bahkan di Amerika Utara, tidak ada yang aneh melihat peralatan pertanian yang masih digunakan berusia 40, 50 atau 60 tahun. Pasar peralatan bekas sangat aktif dan, sebagai akibatnya, mesin pertanian dirancang untuk beroperasi selama waktu yang lama. Ini diperparah oleh fakta bahwa sebagian besar peralatan pertanian menghabiskan seluruh umurnya di luar, terus-terusan terpapar panas, dingin, angin, kelembaban dan radiasi UV sambil tunduk pada benturan batu, kerikil dan debu selama operasi. Tidak hanya material yang digunakan pada peralatan tersebut harus tahan karat dan gores serta memiliki karakteristik cuaca yang baik, tetapi juga harus memberikan stabilitas kimia dan termal.

Mesin ini secara rutin terpapar segala sesuatu dari bahan bakar dan pelumas hidrokarbon hingga pupuk dan pestisida, banyak yang diklorinasi atau disperdi dalam basis lipid. Dan seperti mobil dan truk, panas di sekitar ruang mesin meningkat karena regulasi emisi gas buang baru. Tambahkan fakta bahwa petani menghabiskan hari panjang terbungkuk di kabin traktor, yang meningkatkan permintaan untuk mengurangi kebisingan, getaran dan kekasaran (NVH) dan untuk meningkatkan kenyamanan operator. Secara keseluruhan, itu adalah pesan yang tinggi untuk setiap grup material.

Volume produksi yang lebih rendah, meskipun, dapat membuat komposit kurang hemat biaya daripada material tradisional. Dengan pengecualian mesin potong rumput kecil, yang dapat diproduksi dalam volume seperti mobil sebesar 350.000 per tahun, sebagian besar peralatan diproduksi dalam urutan beberapa ratus hingga puluhan ribu yang rendah per tahun. Itu sebagian karena ada banyak opsi kustomisasi yang tersedia di segmen mesin baru dan sebagian karena beberapa peralatan terbaru dirancang dalam ukuran yang lebih besar dan dengan fitur baru yang menambahkan biaya dan kompleksitas. Bergantung pada jenis peralatan dan model, ini dapat mahal seperti membeli mobil baru atau bahkan rumah baru. Faktanya, investasi modal yang tinggi yang diperlukan untuk masuk dan tetap di pertanian telah menjadi salah satu hambatan terbesar yang mencegah petani baru untuk memasuki industri.

Selain itu, pengurangan berat yang ditawarkan komposit dibandingkan material tradisional dapat menjadi manfaat — namun pengurangan berat di peralatan pertanian adalah masalah yang kompleks. Di satu sisi, berat kendaraan yang tinggi dapat menyebabkan padatan tanah, yang menghambat pertumbuhan tanaman. Dalam aplikasi tertentu, seperti tangga semprotan yang digunakan untuk memberikan air dan kimia ke lapangan, pengurangan berat adalah manfaat nyata. Untuk melayani lapangan yang semakin luas secara efisien, tangga semprotan menjadi semakin panjang, mengurangi jumlah perjalanan yang diperlukan untuk menutupi lapangan. Namun, itu berarti struktur dukungan yang lebih besar diperlukan untuk mencegah lengan merungkai pada jangkauan yang begitu panjang — 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, pengurangan berat tidak selalu bermanfaat — terutama jika mempengaruhi stabilitas kendaraan. Misalnya, gabung yang berat di bagian depan memerlukan berat di bagian belakang kendaraan untuk menjaga roda belakang tetap di tanah selama operasi. Oleh karena itu, distribusi berat adalah kunci untuk memastikan keamanan dan efisiensi. Semua faktor ini berarti berat adalah masalah yang rumit ketika berkaitan dengan peralatan pertanian, dan pengurangannya tidak memiliki seberapa banyak desentralisasi seperti yang ada di truk, bus dan kendaraan penumpang.

Banyak material, banyak proses

Mengingat rentang ukuran dan volume produksi yang terlihat di peralatan pertanian — dari mesin potong rumput berkendara dan traktor utilitas kompak (CUT) hingga baler dan gabungan — berbagai proses cetak terbuka dan tertutup digunakan untuk menghasilkan sebagian besar bagian komposit termoset di segmen ini, meskipun termoplastik terkuat serat mulai mendapatkan ground di aplikasi tertentu. Menakjubkan, salah satu material terbaru yang digunakan di peralatan pertanian adalah prepreg epoksi terkuat serat karbon kelas penerbangan yang dikurangi autoclave untuk tangga semprotan. Dalam aluminium atau baja, lengan ini memerlukan struktur dukungan yang begitu banyak sehingga ada batas praktis seberapa panjang mereka dapat. Namun, dengan mengonversi ke komposit serat karbon ringan berkinerja tinggi, tidak hanya struktur dukungan dapat dikurangi atau dihilangkan tetapi tangga semprotan dapat dibuat lebih panjang. Cetak 3D juga mulai mendapatkan ground di segmen ini — sebagian besar untuk alat dan paku montase tetapi juga untuk menghasilkan beberapa bagian pada kendaraan produksi.

Saat penampilan, finishing, dan konsistensi bagian menjadi lebih penting bagi OEM dan pelanggan, baik untuk differensiasi produk maupun branding visual, produsen peralatan menjelajahi manfaat yang terkenal dari plastik dan komposit untuk memfasilitasi kebebasan desain, konsolidasi bagian, dan estetika tinggi. Warna adalah aspek lain dari branding visual yang banyak digunakan di segmen ini melalui cat, gel coat, dan polimer berkaca. Faktanya, beberapa OEM menggabungkan tekstur cat yang berbeda pada panel badan yang sama (misalnya, stipple halus plus glos) untuk menyembunyikan bekas gores di area aus sambil tetap mencapai penampilan yang menyenangkan. Kerja berkelanjutan di antara pasokan mencari cara untuk memperpanjang daya tahan cat dan pelapisan dan untuk menghilangkan kedua teknologi tersebut untuk films dan material molded-in-color (MIC) dengan stabilitas UV yang lebih tinggi.

Greening ag composites

Keberlanjutan — dari peningkatan efisiensi bahan bakar hingga penggunaan polimer daur ulang dan nabati — sama pentingnya dan diinginkan di pertanian seperti di segmen transportasi lain. Menarik, monomerk bio-basis ternyata jauh lebih mudah dijual di sini daripada di otomotif. “Itu masuk akal bagi pelanggan kami di komunitas pertanian,” jelas Jay Olson, manajer engineering material dan teknologi di John Deere, serta pemilik merek/ketua dewan dan anggota dewan di PLASTICS Industry Association (Washington, DC, AS). “Mereka menggunakan peralatan kami untuk menumbuhkan jagung dan kedelai dan kemudian komoditas tersebut digunakan untuk membuat polimer yang dicetak menjadi komponen untuk peralatan baru yang kami produksi untuk pelanggan yang sama.”

Saat ini produk nabati paling umum yang digunakan dalam komposit pertanian termoset meliputi jagung dan kedelai yang masuk ke resin polyster tidak jenuh untuk sheet molding compound (SMC) dan bulk molding compound (BMC). Sekitar 2000, Ashland LLC (Columbus, Ohio, AS) memperkenalkan Envirez 1807 bio-based unsaturated polyester (UP) resin kepada compounders yang, oleh karena itu, mengonversinya menjadi SMC dan menjualnya kepada pembuat cetakan untuk bagian yang masuk ke pasar peralatan pertanian — terutama untuk digunakan di panel sisi gabungan besar. Perusahaan klaim bahwa Envirez adalah resin UP komersial pertama yang mengandung bagian yang signifikan (18 persen) monomerk biji-bijian dari jagung atau kedelai. Polimer disediakan tanpa katalis dan dikatakan menawarkan respons pengental yang seragam, catabilitas yang baik dan karakteristik permukaan yang baik pada suhu pengurutan rendah di SMC. Ini juga kurang cenderung fluktuasi harga daripada polimer yang berasal dari bahan baku minyak.

Produk SMC hijau lainnya yang menghilangkan biaya dan beban lingkungan cat adalah resin UP struktural yang tahan cuaca yang pertama kali digunakan untuk permukaan terlihat pada bak pickup dan kini muncul pada panel after-treatment diesel (ATD) pada traktor John Deere 8000. Arotran 805 adalah grade MIC (molded-in-color) hitam yang stabil UV yang dikembangkan bersama oleh Ashland dan pemasok aditif Chromaflo Technologies LLC (Ashtabula, Ohio, AS) dan dicetak kompresi oleh Ashley Industrial Molding (Ashley, Ind., AS). Saat dicampur menjadi SMC dan digunakan dalam aplikasi seperti panel ATD, ini membantu mempertahankan estetika jangka panjang, yang membantu mendukung nilai jual ulang yang lebih tinggi untuk traktor.

SMC generasi baru yang ditargetkan untuk peralatan pertanian serta bangunan/konstruksi dan pasar listrik/elektronik diperkenalkan pada pameran CAMX 2018 oleh LyondellBasell Engineered Composites. “Sebagai industri, kami tahu bahwa komposit termoset memiliki keterbatasan dengan respecto ke daur ulang akhir umur,” jelas Mike Gruskiewicz, direktur teknologi untuk wilayah AS, LyondellBasell Engineered Composites. “Saat kami terus bekerja pada daur ulang, kami melihat banyak manfaat dalam menggabungkan konten yang dapat diperbaharui dan daur ulang dalam manufaktur SMC, sehingga berkontribusi pada ekonomi lingkaran di awal siklus hidup. Saat kami mulai mencari solusi hijau, kami menetapkan tujuan tanpa kompromi dalam hal kinerja, cetakabilitas dan estetika dibandingkan SMC berbasis minyak.”

Perusahaan menawarkan dua produk SMC berkelanjutan baru, keduanya menawarkan kinerja tahan api. “Grade Premi-Glas 7001 menghasilkan profil permukaan cat kelas A, yang memungkinkan kap mobil untuk mencapai estetika yang comparable dengan mobil mewah, dan menambahkan aspek tahan api untuk lingkungan pertanian yang berat, dan Premi-Glas 3501 menawarkan warna molded-in dan dimaksudkan untuk bagian seperti kotak listrik, bracket dan casing, serta komponen kabin,” jelas Gruskiewicz. Secara tambahan, 3501 mengintegrasikan konten termoplastik daur ulang untuk memperkuat jejak keberlanjutannya. Dalam kedua kasus, monomerk propylene glycol resin diproduksi menggunakan jagung atau kedelai dan dikatakan menghasilkan properti yang identik dengan monomerk yang dibuat dari produk minyak tradisional. Grade 3501 mencakup polietilena tereftalat (rPET) daur ulang pasca-industri (PIR), yang telah dicerna kimia untuk menghasilkan asid tereftalat dan kemudian bereaksi kembali ke dalam resin polyster. Meskipun tidak ada aplikasi komersial yang telah diumumkan, Gruskiewicz mengatakan grade 7001 sudah sedang di-sample untuk kap mobil, pintu gabungan dan panel badan. “Area yang menarik lainnya untuk SMC meliputi penutup katup untuk mesin diesel besar serta sump minyak [pan],” tambahnya. “Dibandingkan dengan bagian serupa pada kendaraan penumpang yang telah dikonversi dari SMC ke termoplastik, kami melihat kondisi operasi yang jauh lebih berat di pertanian. Misalnya, pada mesin yang lebih besar, material yang lebih kaku diperlukan karena jangkauan besar di seluruh unit yang lebih besar.”

Meeting crushing loads

Salah satu tantangan di industri peralatan pertanian adalah komposit harus mempertahankan kinerja mekanis di bawah beban yang dapat mencapai 9.000 kilogram. Misalnya, pembuat cetakan Tier-1 Plastics Unlimited (Preston, Iowa, AS) telah mengembangkan teknologi cetakan yang disebut tooless engineered composites (TEC), yang telah digunakan untuk menghasilkan flap pintu/pintu ekstensi biji 1,5 kali 2,1 meter yang dapat menanggung beban hingga 9.072 kg, untuk gabungan besar dengan dinding nominal yang tebal 6,4 hingga 12,7 milimeter. TEC menggabungkan estetika tinggi dan daya tahan termoplastik dengan kekuatan, keawetan dan stabilitas dimensi komposit untuk menghasilkan struktur dengan permukaan kelas A dan sisi B yang menyumbang rasio kekakuan dan kekuatan terhadap berat yang tinggi. Penampilan A sisi dihasilkan dengan termoforming lembar MIC akrilonitrile butadien styrene (ABS), yang kemudian menjadi tooling untuk setengah dari sisi B bagian, meskipun untuk struktur yang lebih besar dan lebih kompleks, alat komposit kedua digunakan selama proses forming. Yang terakhir adalah komposit vacuum-bagged yang dihasilkan menggunakan resin UP diinfusi ke dalam lapisan serat kaca potong yang dicahit. Logam bracketing serta rib besar (yang dihasilkan dalam busa poliuretana kaku) dapat dimasukkan ke dalam komposit selama layup.

Hasilnya adalah bagian yang stabil UV, tahan karat menawarkan fleksibilitas desain dan kekuatan impact tinggi yang menahan gores dan retak dengan biaya yang wajar. Sisi A (lapisan termoplastik) dapat memberikan permukaan bertekstur atau mengkilat (yang terakhir dalam warna padat atau jernih di atas pola, yang mencakup metalik, cromo, kayu, camuflase dan bahkan mesh karbon). Lapisan termoplastik ini dikatakan menawarkan kedalaman citra yang luar biasa dan jauh lebih awet daripada SMC cat atau gel coat, mengizinkan gores permukaan kecil untuk dilap. Sisi B non-penampilan (lapisan komposit) diwarnai dan halus. Selain pintu ekstensi biji berkinerja tinggi pada gabungan, proses TEC juga digunakan untuk mencetak fender, pelindung sisi, kap dan penutup depan dan belakang untuk berbagai jenis kendaraan rekreasi kecil dan peralatan tipe pertanian.

Apa masa depan peralatan pertanian? Pada 2016 di Farm Progress Show di Boone, Iowa, AS, Case New Holland (CNH) memamerkan konsep traktor otonom penuh pertama industri yang dapat menanam, menyemprot dan memanen, dan di mana manusia tidak lagi mengoperasikan kendaraan dari dalam, melainkan mengontrol dan memantau peralatan tanpa penguat jarak jauh melalui tablet saat traktor mengikuti rute navigasi yang telah dipetakan. Dilengkapi dengan kamera internal yang menyediakan tampilan real-time dan deteksi rintangan lanjutan, traktor drone ini dapat memperingatkan operator tentang rintangan dan masalah lainnya, sehingga operator dapat memilih rute terbaik untuk menghindari atau memperbaiki masalah. Perangkat lunak sistem dikatakan secara otomatis memplot lintasan lapangan paling efisien untuk membantu petani memanfaatkan jendela cuaca yang sempit atau bekerja sehari penuh saat diperlukan untuk meningkatkan produktivitas, sambil mengumpulkan data untuk memantau tanaman saat ini dan merencanakan tanaman masa depan yang lebih baik. CNH mengatakan teknologi ini akan membantu petani di banyak bagian dunia yang kesulitan menemukan tenaga kerja terampil selama musim puncak. Peralatan menengah kemungkinan akan menggabungkan mesin kabin dengan kemampuan berkendara tradisional dan beberapa tingkat otomasi.

“Pertanian tidak berubah dari tujuan dasarnya untuk memberi makan, bahan bakar dan pakaian dunia,” tambah Olson. “Namun, teknologi — termasuk semua aspek bioteknologi dan material yang diperlukan untuk solusi sistem cerdas — telah mempercepat untuk memenuhi tantangan produktivitas memberi makan populasi yang tumbuh dengan cepat. Petani selalu menjadi penjaga tanah, jadi keberlanjutan sumber daya alam adalah kunci keberhasilan kami sebagai industri, komunitas dan dunia.”