복합소재 붐 암, 살포기 도달 범위 확장 및 효율성 증대

북미, 아르헨티나, 브라질 등지의 인접 농경지가 통합으로 인해 더 커지고 무경운 농법이 특정 지역에서 증가함에 따라, 농부들은 점점 더 큰 밭을 더 적은 횟수로 커버하기 위해 더 긴 붐 암을 가진 살포기 시스템을 원합니다. 이는 토양 압축도 줄여 생산성과 작물 수확량을 높입니다.

이러한 수요에 대응하여 King Marine S.A.(스페인 발렌시아)의 아르헨티나 법인은 자사의 복합소재 전문성을 다른 시장에 활용하여 자주식 살포 장비용 새로운 살포기 붐 암을 개발했습니다. 아이러니하게도 핵심 사업은 항공우주급 탄소섬유강화 플라스틱(CFRP)으로 보트 부품을 제작하는 것이었습니다. 사용 시 붐 암은 트랙터 주축에 수직으로 펼쳐지고 확장되어 농부들이 액체 화학물질(살충제, 제초제, 비료 등)을 작물에 살포할 수 있게 합니다. 사용 후에는 트랙터 차체를 따라 접어 보관하여 울타리 기둥과의 엉킴을 방지하고 도로 주행을 가능하게 합니다.

붐은 오랫동안 강철로 제작되었지만 길이가 늘어나면서 토크와 피로 하중 및 의도치 않은 충돌 시 암이 굽히지 않게 하려면 더 큰 지지 구조가 필요했습니다. (높은 피로 하중 때문에 알루미늄으로 전환되지 않았습니다.) 더 긴 붐에 더 큰 지지 구조가 필요해 농부들은 더 무거운 살포 장비와 더 많은 액체를 담는 큰 탱크를 싣기 위해 더 큰 트랙터를 구매해야 했습니다. 하지만 한 문제를 해결하면서 더 무거운 장비는 토양 압축을 증가시켜 결과적으로 작물 수확량을 감소시켰습니다. 또한 많은 농업 화학물질이 금속을 부식시키고, 더 긴 붐은 보관용 더 정교한 접이식 메커니즘을 필요로 했습니다. 결국 강철 붐은 약 36미터(120피트) 좌우 폭의 실용적 한계에 도달했습니다. 여전히 시장, 특히 미주 지역은 더 긴 붐을 원했습니다.

불황이 기회 제공

2008년 대불황은 개인과 기업 모두에 재앙이었습니다. 20년 된 가족 기업 King Marine은 스페인 피카센트와 아르헨티나 캄파나에 제조 시설을 두고 2008년 고성능 요트용 CFRP 부품, 특히 마스트 생산으로 호황을 누리고 있었습니다.

"그때 전 세계 경제 불황이 시작되었고, 럭셔리 해양 시장이 큰 타격을 입었습니다."라고 King Marine의 유럽 행정 책임자이자 내부 감사인 Natalia Dacko는 회상합니다. "매출이 급감했고 보트 제작을 중단했습니다. 회사 존폐 위기라 위기 모드였죠. 탄소섬유 [복합소재] 전문가인 기술자, 엔지니어, 전문가들로 구성된 큰 직원이 있었습니다. 큰 질문은 '이제 뭘 하지?'였습니다." King Composite S.L.이 비해양 CFRP 응용 분야 탐색을 위해 설립되었습니다.

회사의 고민에 뜻밖의 해결책이 2009년 아르헨티나인에게서 왔습니다. 자신의 회사가 농업 살포기 시스템을 제조했는데 금속 붐 문제로 골머리를 앓고 있었습니다. "붐이 더 가볍고, 더 길고, 피로 없고, 부식 방지되고, 수리하기 쉽길 원한다고 했습니다."라고 Dacko는 회상합니다. King Composite는 농업 장비 경험이 없었지만 팀이 CFRP 프로토타입을 만들었고, 아르헨티나 회사가 좋아하며 King Composite의 농업 장비 OEM 비즈니스가 성장하기 시작했습니다. King Composites는 결국 King Agro SL로 이름이 변경되었습니다.

복합소재 살포기 붐 비즈니스가 성장하면서 King Agro는 혁신적이고 품질 좋은 제품으로 알려지게 되었습니다. 몇 년 후 농업 장비 선두 기업이 자체 살포기 붐 문제로 싸우다 King Agro의 성공을 주목했습니다. Deere & Co.(미국 일리노이 몰린) 엔지니어링 팀원들이 2015년 King Agro와 만나 기회를 논의했고, 곧 King Agro가 John Deere 브랜드용 CFRP 붐을 생산 및 유통하게 되었습니다.

새로운 세대, 새로운 순열

"King Agro의 설계와 권장사항, Deere가 개발한 것들로 시작했는데 꽤 적용 가능했습니다."라고 King Agro 총괄 매니저 Phillip Ferree는 설명합니다. "첫째, 공동 팀이 남미 시장용 신뢰성과 내구성 개선을 위해 일부 변경하고 2015년 해당 제품들을 출시했습니다. 동시에 북미와 유럽용 2세대 제품 설계를 시작했습니다. 지역 규제 충족을 위해 내구성과 충격 등에서 다른 기능성이 필요했고, 금속 사양을 복합소재 설계로 변환해야 했습니다." 이 제품들은 2017년 상용화되었습니다.

"첫 미팅에서 북미와 남미 살포기의 다양한 기능을 논의하는 데만 3시간을 보냈습니다."라고 Deere 살포기 제품 엔지니어링 슈퍼바이저 Thomas Bartlett은 회상합니다. "접이 패턴만 다른 게 아닙니다. 시장과 규제에 따라 이 시스템을 접는 20가지 다른 방식이 있습니다. 농업 조건도 다릅니다. 브라질은 무경운 농법을 사용합니다. 북미는 제한적 경운에 다른 농법과 더 많은 규제가 있습니다. 유럽은 더 차이가 있고 농장이 훨씬 작습니다. 화학물질을 중앙에 보관해서 살포기를 데포로 가져가 리필하는 반면 아메리카에서는 화학물질을 밭으로 가져가 리필합니다." 또한 일부 지역에서는 배관이 암을 통해 탱크에서 노즐로 액체를 운반하지만 다른 곳에서는 암 아래 배관이 지나갑니다. 또 다른 과제는 붐을 얼마나 연장할지였습니다. 여기저기 1미터씩 늘린다고 반드시 실행 가능한 솔루션이 되는 건 아닙니다. 대신 엔지니어들은 각 지역에서 작물이 어떻게 심어지는지, 이랑 사이와 이랑 내 거리를 고려해야 했습니다.

붐은 특수 '엔드'로 연결되어 유체 공급 시스템에 연결되는 정사각형 단면의 다중 복합 튜브 구조물을 특징으로 합니다. 메인 구조물에 성형된 특수 설계 기능들은 유압식 개폐와 고압 유체 이송에 필요한 기능성을 부품에 제공합니다. "유압장치로 우리가 필요로 했던 많은 기능을 통합할 수 있어서 전체적으로 더 단순한 설계를 만들 수 있었습니다."라고 Bartlett은 덧붙입니다. Deere는 붐이 1분 이내에 전개/수납되고 펌프 시작 2초 이내에 유체가 공급되도록 요구합니다.

모든 복합소재는 에폭시 매트릭스를 사용하며 진공 백킹과 오토클레이브 경화됩니다. 부품이 더 높은 강도나 더 높은 충격이 필요한지에 따라 탄소와 유리 보강재를 조합하여 사용합니다. 대부분의 탄소섬유는 24K 토우지만 단방향부터 외부 외관층용 트윌 직조(클리어코트 마감)까지 다양한 포맷으로 사용됩니다. 유압장치가 상호작용하는 조인트와 위치에서 더 많은 강도와 강성이 필요할 때는 더 많은 플라이의 더 무거운 구조가 사용됩니다. 모델과 시장에 따라 연간 생산량은 100~1,000 시스템 범위입니다. King Agro 추산 2017년 전 세계 자주식 살포기 총 시장 규모는 연간 14,000대입니다.

"이 프로그램에 들어가며 목표는 붐을 40미터로 연장하면서 질량을 30% 낮추는 것이었습니다. 무게가 매우 중요했기 때문입니다."라고 Deere 복합 살포기 붐 설계 엔지니어 Jonathan Nelson은 말합니다. "기계 전면이나 후면에 큰 질량을 매달면 관성과 싸우게 되어 전후 축 간 하중 균형이 훨씬 어려워집니다. 내식성 개선도 원했지만 탄소섬유 존재 시 갈바닉 부식도 고려해야 했습니다. 더 높은 충격 저항도 요구사항이었는데, 무언가에 부딪히지 않은 살포기를 본 적이 없기 때문입니다. 금속용으로 개발된 표준 테스트를 이월하여 수백 사이클 동안 붐을 울타리 기둥에 충돌시켰습니다." 작동 하중과 부품 피로는 놀랍게도 높은데, 장비가 시속 24-30km[15-19mph]로 이동하고 배관은 276-414KPa[40-60psi] 살포 압력을 보기 때문입니다.

더 가볍고, 더 좋고, 더 빠르게

3년 후 협업이 매우 결실을 맺어 2018년 Deere가 King Agro를 인수했습니다. King Agro는 이제 자사 시설에서 붐을 제작하여 아이오와 디모인(미국)과 네덜란드 호르스트의 John Deere 공장으로 최종 조립을 위해 출하합니다. 거래는 King Agro가 브랜드명, 상표, 상업적 관계를 유지하도록 허용한다고 알려졌습니다.

복합소재로 전환하여 붐을 36미터(120피트) 이상 40미터(132피트)까지 연장할 수 있게 되었습니다. 강철 대비 CFRP는 6배 더 강하고, 5.5배 더 가볍고, 더 높은 충격 저항을 제공하며 부식되지 않습니다. 더 가벼운 붐은 더 나은 연비, 낮은 유지보수, 더 넓은 작업 폭, 더 긴 수명, 낮은 운영 비용, 더 적은 기계 궤적으로 더 큰 수확량을 위한 더 나은 효율을 의미합니다. 또 다른 이점은 수리 용이성입니다. "우리 딜러들은 치명적 고장 시 부품을 반으로 자르고 수지를 넣고 클램핑하고 경화시키면 됩니다."라고 Nelson은 덧붙입니다. "실제로 강철 용접보다 수리가 더 쉽습니다."

"가장 좋은 건 고객 혜택입니다."라고 Bartlett은 덧붙입니다. "탄소섬유 제품으로 그들은 더 생산적일 수 있습니다. 무게 페널티 없이 더 넓게 갈 수 있고, 더 많은 에이커를 커버하고, 토양 압축을 덜 경험하며, 지압 감소로 수확량에 긍정적 영향을 줍니다."

Ferree도 동의합니다: "설계 관점에서 복합소재는 현재 소재들이 구조적, 폭적 한계에 도달했기 때문에 할 수 없었던 것들을 가능하게 합니다."라고 설명합니다. "우리의 강철 제품에서 프리미엄 CFRP 제품으로 견고한 전환을 이뤘습니다. 특히 미주 지역에서 더 높은 생산성, 즉 더 넓은 폭을 제공하기 때문입니다. 더 가볍고 넓은 붐을 더 작고 저렴한 트랙터에 장착할 수 있습니다. 또는 주어진 트랙터에 같은 질량을 유지하면서 더 많은 액체를 실을 수 있습니다. 어느 쪽이든 전후 축 간 하중 균형이 개선되고 질량 중심이 기계 중심에 가까워져 운영자 승차감이 향상됩니다."

"다른 제품에도 탄소섬유 응용 분야가 보일 것입니다."라고 Deere 농업 및 잔디 관리 플랫폼 부사장 Aaron Wetzel은 예측합니다. "향후 몇 년간 가벼운 무게와 강철보다 강한 능력이 우리 제품에 고객을 위한 추가 가치를 더할 수 있는 추가 기회를 탐색할 것입니다."