복합소재가 농기계 산업을 혁신하는 방법

대부분 사람들이 복합소재 성장 시장으로 생각하는 첫 번째 운송 부문은 아니지만, 농기계도 점차 그렇게 될 것입니다. 전 세계 인구 증가로 식량 생산을 위한 자원 수요가 늘어나기 때문입니다. 20세기에는 끔찍한 전쟁과 대역병에도 불구하고 인구가 400% 증가했습니다. 현재 세계 인구는 76억 명이며, 유엔은 2030년까지 10억 명, 2050년까지 추가 10억 명, 2100년까지 112억 명에 달할 것으로 전망합니다. 농업이 성장하면 장비 시장도 커질 것입니다.

운송 분야지만 다른 특성

농기계 시장이 얼마나 크고 파편화되어 있는지, 이것이 각 지역별 장비 생산과 사용에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 것이 첫걸음입니다.

"지역성은 이 시장에서 흥미로운 요소입니다."라고 리온델바젤 엔지니어드 컴포지츠의 글로벌 핵심 계정 관리자/농업 시장 관리자인 데브론 파머는 설명합니다. "지난 50년간 통합 덕분에 아메리카 대륙(특히 미국, 캐나다, 아르헨티나, 브라질)의 최대 농장은 수만에서 수십만 에이커에 달하며, 종종 인접한 경작지를 가집니다. 이 넓은 경작지와 단일 작물 재배 경향으로 장비는 더 크고 모듈화되어 농부가 점점 넓은 토지를 효율적으로 관리할 수 있게 되었습니다." 그는 유럽에서는 농장 규모가 작아 장비도 적절히 크기가 조절된다고 덧붙입니다.

반면 개발도상국에서는 다른 동인이 작용합니다. "비용은 어디든 문제지만, 트랙터가 가족의 시내 교통수단 역할도 하는 개발 지역에서는 특히 민감합니다."라고 파머는 덧붙입니다. "그곳 농부들은 구형 장비를 쓸 수 있지만, 변화가 너무 빨라 다른 지역에서 수십 년 걸려 진화한 장비 세대를 뛰어넘을 수 있습니다. 소비자 전자제품에서처럼 말입니다." 지리적으로 파편화된 시장이라 존 디어, 케이스 뉴 홀랜드, AGCO 같은 글로벌 OEM이 월드 모델을 만들어 부품 공유와 비용 절감을 하기 어렵습니다. 따라서 글로벌 구매 계약이 덜 일반적이라 제조사, 성형업체, 소재 공급업체는 판매 희망 지역에서 각각 인증받아야 합니다.

또 다른 차이는 농기계가 긴 수명을 위해 설계된다는 점입니다. 완성차 업체는 요즘 10년 사용 수명을 목표로 합니다. 상용 트럭 제조사는 가혹 조건 48만 km, 장거리 트럭 190만 km를 테스트/보증하는데 후자는 5년 만에 달성 가능하지만, 덤프트럭이나 콘크리트 믹서 등은 수십 년 운영됩니다.

하지만 북미에서도 40, 50, 60년 된 농기계가 여전히 사용되는 것을 흔히 볼 수 있습니다. 중고 장비 시장이 매우 활발하여 농기계는 긴 수명으로 설계됩니다. 이는 대부분의 농기계가 평생 야외에서 열, 추위, 바람, 습기, 자외선에 노출되고 작동 중 자갈, 먼지 충격을 받기 때문에 복잡합니다. 이러한 장비에 사용되는 소재는 내식성, 내덴트성, 내후성뿐만 아니라 화학적, 열적 안정성도 제공해야 합니다.

이 기계들은 탄화수소 연료/윤활유부터 비료, 살충제까지 일상적으로 노출되며, 많은 것이 염소화되거나 지질 베이스에 분산되어 있습니다. 자동차처럼 새 배기가스 규제로 엔진룸 열도 증가합니다. 농부들이 트랙터 캡에서 긴 시간을 보내므로 소음, 진동, 거칠기(NVH) 저감과 운전자 편의성 향상 요구도 커집니다. 모든 소재 그룹에 높은 요구사항입니다.

소량 생산은 복합재를 전통 소재보다 비용 효율성 낮게 만듭니다. 소형 승용 잔디깎이(연간 35만 대 자동차급 생산량)를 제외하면 대부분 장비는 연간 수백 대에서 수만 대 수준입니다. 신규 기계 부문에서 많은 커스터마이징 옵션이 있고, 최신 장비는 더 큰 크기와 새 기능으로 비용과 복잡성이 증가하기 때문입니다. 장비 유형과 모델에 따라 새 자동차나 새 집 구매만큼 비쌀 수 있습니다. 농업 진입과 유지에 필요한 높은 자본 투자가 신규 농민 진입의 최대 장벽 중 하나가 되었습니다.

또한 복합재가 제공하는 경량화는 이점이지만, 농기계에서 중량 감소는 복잡한 문제입니다. 한편으로 높은 차량 중량은 토양 다짐을 유발해 식물 생장을 저해합니다. 물과 화학물질을 살포하는 스프레이 붐 암 같은 특정 용도에서는 경량화가 실질적 이점입니다. 점점 넓은 경작지를 효율적으로 커버하기 위해 붐 암이 길어지면서 차량 양측 각각 15m를 초과하기도 합니다. 알루미늄에서 복합재로 전환하여 무게를 줄이면 OEM과 농부에게 실질적 이점을 줍니다.

반면 경량화가 항상 유리한 것은 아닙니다. 특히 차량 안정성에 영향을 미치는 경우입니다. 전방 무거운 콤바인은 작동 중 후륜이 지면에 닿게 하려면 차량 후부에 무게가 필요합니다. 따라서 중량 분포가 안전과 효율을 보장하는 핵심입니다. 이 모든 요인은 농기계에서 중량이 복잡하며, 트럭, 버스, 승용차만큼 경량화 화제가 아님을 의미합니다.

다양한 소재, 다양한 공정

승용 잔디깎이와 소형 유틸리티 트랙터(CUT)부터 베일러, 콤바인까지 크기와 생산량 범위가 넓어 다양한 개방/폐쇄 몰드 공정이 사용되어 대부분 열경화성 복합재 부품을 생산하지만, 강화 열가소성도 특정 용도에서 입지를 넓히고 있습니다. 놀랍게도 농기계에 사용되는 최신 소재 중 하나는 항공우주급 오토클레이브 경화 탄소섬유 강화 에폭시 프리프레그로 스프레이 붐 암에 쓰입니다. 알루미늄이나 강철이면 지지 구조가 너무 많이 필요해 길이 한계가 있지만, 고성능 경량 탄소섬유 복합재로 전환하면 지지 구조를 줄이거나 없애고 붐을 더 길게 만들 수 있습니다. 3D 프린팅도 이 분야에서 입지를 넓히고 있습니다. 주로 도구와 조립 지그용이지만 생산 차량 부품 제작에도 쓰입니다.

외관 핏 앤 피니시, 부품 일관성이 OEM과 고객에게 제품 차별화와 시각적 브랜딩 측면에서 중요해지면서, 플라스틱과 복합재의 설계 자유도, 부품 통합, 높은 심미성 이점을 탐구합니다. 색상도 페인트, 겔코트, 안료 폴리머를 통해 시각적 브랜딩에 널리 활용됩니다. 일부 OEM은 같은 바디 패널에 다른 페인트 질감(예: 라이트 스티플+글로스)을 결합해 마모 영역의 흠집을 숨기면서도 멋진 외관을 만듭니다. 공급망에서는 페인트와 코팅 내구성 연장, 필름과 몰드 인 컬러(MIC) 소재로 대체하여 더 높은 UV 안정성을 추구하는 작업이 진행 중입니다.

친환경 농업 복합재

연료 효율 개선부터 재활용 및 식물 유래 폴리머 사용까지 지속가능성은 농업에서도 다른 운송 부문만큼 중요하고 바람직합니다. 흥미롭게도 바이오 기반 단량체는 자동차보다 농업계에 더 쉽게 받아들여집니다. "우리 농업 고객들에게는 당연한 일입니다."라고 존 디어의 소재 엔지니어링 및 기술 매니저이자 PLASTICS 산업 협회 브랜드 소유자/이사회 의장/임원인 제이 올슨은 설명합니다. "그들은 우리 장비로 옥수수와 콩을 재배하고, 그 원료로 폴리머를 만들어 같은 고객을 위한 새 장비 부품에 성형합니다."

현재 열경화성 농업 복합재에 가장 흔히 사용되는 식물 제품은 불포화 폴리에스터 수지용 SMC(시트 몰딩 컴파운드)와 BMC(벌크 몰딩 컴파운드)에 들어가는 대두와 옥수수입니다. 2000년경 애슐랜드(오하이오주 콜럼버스)가 Envirez 1807 바이오 기반 불포화 폴리에스터(UP) 수지를 컴파운더에 공급했고, 이들은 SMC로 변환하여 성형업체에 판매, 주로 대형 콤바인 측면 패널에 사용되었습니다. 이 수지는 옥수수나 대두에서 추출한 곡물 유래 단량체를 18% 함유한 최초의 상용 UP 수지라고 주장합니다. 미촉매 상태로 공급되며 SMC에서 저온 경화 시 균일한 점도 상승, 좋은 도장성, 좋은 표면 특성을 제공한다고 합니다. 석유 원료 유래 폴리머보다 가격 변동에도 덜 민감합니다.

도장 비용과 환경 부담을 없애는 또 다른 친환경 SMC 제품은 픽업 박스 가시 표면에 처음 사용되었고, 이제 존 디어 8000 트랙터의 후처리 디젤(ATD) 패널에 적용됩니다. 아로트란 805는 애슐랜드와 첨가제 공급업체 크로마플로 테크놀로지(오하이오주 애슈타불라)가 공동 개발한 UV 안정, 몰드 인 컬러(MIC) 블랙 등급으로 애슐리 인더스트리얼 몰딩(인디애나주 애슐리)에서 압축 성형됩니다. SMC에 컴파운딩되어 ATD 패널 같은 용도에 쓰이면 장기적으로 심미성을 유지해 트랙터 중고 가치를 높이는 데 기여합니다.

농기계뿐만 아니라 건축/건설, 전기/전자 시장 대상 신세대 SMC가 2018 CAMX 쇼에서 리온델바젤 엔지니어드 컴포지츠에 의해 소개되었습니다. "업계로서 우리는 열경화성 복합재가 폐기물 재활용 측면에서 한계가 있음을 압니다."라고 리온델바젤 엔지니어드 컴포지츠 미국 지역 기술 이사 마이크 그루스키에비츠는 설명합니다. "재활용 연구를 계속하면서, 재생 및 재활용 원료를 SMC 제조에 통합하여 라이프사이클 전단에서 순환 경제에 기여하는 많은 이점을 봅니다. 친환경 솔루션을 찾기 시작하며, 석유 기반 SMC와 비교해 성능, 성형성, 심미성에서 타협 없는 것을 목표로 삼았습니다."

회사는 두 가지 새로운 지속가능한 SMC 제품을 제공하며, 둘 다 난연 성능을 제공합니다. "프레미-글라스 7001 등급은 클래스 A 도장 가능 표면 프로파일을 만들어 트랙터 후드가 고급 자동차와 비교할 만한 심미성을 갖게 하며, 가혹한 농업 환경을 위한 난연성을 더합니다. 프레미-글라스 3501은 몰드 인 컬러로 전기 인클로저, 브라켓, 하우징, 캡 부품 등에 쓰입니다."라고 그루스키에비츠는 설명합니다. 또한 3501은 재활용 열가소성 함유로 지속가능성 발자국을 강화합니다. 두 경우 모두 수지의 프로필렌 글리콜 단량체는 대두나 옥수수로 생산되며, 기존 석유 제품 유래 단량체와 동일한 물성을 낸다고 합니다. 3501 등급에는 산업 후 재활용물(PIR) 폴리에틸렌 테레프탈레이트(rPET)가 포함되어 화학적으로 분해되어 테레프탈산을 얻은 후 폴리에스터 수지로 재반응됩니다. 아직 상용 적용 사례는 발표되지 않았지만, 7001 등급은 이미 트랙터 후드, 콤바인 도어, 바디 패널용으로 샘플링 중입니다. "대형 디젤 엔진 밸브 커버와 오일 섬프[팬]도 SMC의 흥미로운 영역입니다."라고 그는 덧붙입니다. "승용차에서 SMC에서 열가소성으로 전환된 유사 부품과 달리, 농업에서는 훨씬 가혹한 운전 조건을 봅니다. 예를 들어 대형 엔진에서는 큰 스팬 때문에 더 딱딱한 소재가 필요합니다."

파괴적 하중 충족

농기계 산업의 한 과제는 복합재가 9,000kg을 초과하는 하중에서도 기계적 성능을 유지해야 한다는 것입니다. 예를 들어, 1차 성형업체 플라스틱 언리미티드(아이오와주 프레스턴)는 툴리스 엔지니어드 컴포지츠(TEC)라는 성형 기술을 개발해 1.5x2.1m 도어 플랩/그레인 익스텐션 도어를 생산했는데, 이는 벽 두께 6.4~12.7mm로 최대 9,072kg 하중을 견디는 대형 콤바인용입니다. TEC는 열가소성의 높은 심미성과 내구성을 복합재의 강도, 인성, 치수 안정성과 결합하여 클래스 A 표면과 높은 강성 및 강도-중량 비율을 기여하는 B-사이드 구조를 만듭니다. 심미적 A-사이드는 몰드 인 컬러(MIC) ABS 시트를 열성형하여 제작되며, 이는 이후 B-사이드 절반의 툴링이 됩니다. 다만 더 크고 복잡한 구조물에서는 성형 과정에서 두 번째 복합재 툴을 사용합니다. 후자는 UP 수지를 스티치된 다진 유리섬유 코어 층에 주입하여 진공 백킹으로 생산된 복합재입니다. 금속 브라켓과 대형 리브(경질 폴리우레탄 폼 생산)도 적층 중 복합재에 삽입할 수 있습니다.

결과는 UV 안정, 내식성 부품으로 설계 유연성과 높은 충격 강도를 제공하여 합리적 비용으로 칩핑과 크래킹에 강합니다. A-사이드(열가소성 층)는 그레인 또는 광택 표면(단색 또는 패턴 위 클리어, 메탈릭, 크롬, 우드, 카모플라주, 카본 메쉬 등)을 제공할 수 있습니다. 이 열가소성 층은 뛰어난 화상 깊이를 제공하며 도장이나 겔코트 SMC보다 훨씬 내구성이 좋아 미세 표면 흠집을 버핑으로 제거할 수 있습니다. 비심미적 B-사이드(복합재 층)는 안료 처리되고 매끄럽습니다. 콤바인의 고성능 그레인 익스텐션 도어 외에도 TEC 공정은 다양한 소형 레저 차량 및 농기계용 펜더, 사이드 실드, 후드, 전후방 인클로저 성형에도 사용됩니다.

농기계의 미래는? 2016년 아이오와주 분에서 열린 팜 프로그레스 쇼에서 케이스 뉴 홀랜드(CNH)가 업계 최초 완전 자율 트랙터 컨셉을 선보였습니다. 파종, 살포, 수확이 가능하며 인간이 더 이상 탑승 조종하지 않고 태블릿으로 원격 제어/모니터링하며 트랙터가 미리 매핑된 가이드 경로를 따라 이동합니다. 실시간 뷰 제공 온보드 카메라와 첨단 장애물 감지 장착으로 드론 트랙터는 운영자에게 장애물과 이슈를 알리고 최적 경로 선택을 가능하게 합니다. 시스템 소프트웨어는 자동으로 가장 효율적인 필내 패스를 그려 좁은 기상 창을 최대한 활용하거나 24시간 작업으로 생산성 증대를 돕고, 현재 작물 모니터링과 미래 작물 계획 개선을 위한 데이터 수집도 합니다. CNH는 이 기술이 성수기 숙련 노동력 부족에 시달리는 세계 많은 지역 농부들에게 도움이 될 것이라고 말합니다. 중간 단계 장비는 기존 운전 기능이 있는 캡 장착 기계와 일정 수준의 자동화를 결합할 것입니다.

"농업은 세계를 먹이고, 연료를 공급하고, 입히는 근본적 목표에서 변하지 않았습니다."라고 올슨은 덧붙입니다. "그러나 생명공학의 모든 측면과 지능형 시스템 솔루션에 필요한 소재를 포함한 기술이 급속히 증가하는 인구를 먹이는 생산성 과제를 해결하기 위해 가속화되었습니다. 농부들은 항상 토지의 관리자였으므로 자연자원의 지속가능성이 업계, 공동체, 세계로서 우리의 성공 열쇠입니다."