효과를 거두기:농업 장비에서 복합 재료 사용 증가

대부분의 사람들이 복합소재 시장이 성장하는 시장으로 생각하는 최초의 운송 부문은 아니지만 아마도 농업용 장비는 그래야 하고 시간이 지나면 그렇게 될 것입니다. 결국, 지구 전체에 걸쳐 인구가 증가함에 따라 우리에게 먹일 식물과 가축을 키우는 데 더 많은 자원이 필요할 것입니다. 한 세기에 걸친 끔찍한 전쟁과 몇 가지 중대한 국제적 역병에도 불구하고 20세기 동안 인구는 400% 증가했습니다. 오늘날의 세계 인구는 76억이고, 유엔(미국 뉴욕, 뉴욕)은 2030년까지 10억이, 2050년까지 10억이 더 추가되고, 2100년에는 112억이 될 것으로 예상합니다. 농업이 성장함에 따라 장비 시장도 성장할 것입니다.

현재 농업 장비 산업은 지리적으로 파편화되어 있으며 소수의 글로벌 OEM만이 업계에서 가장 높은 생산량을 생산하고 있으며 일반적으로 대형 트럭 산업보다 생산량이 적습니다. 그러나 미주 지역의 토지 통합, 여러 지역의 디젤 차량에 대한 더 엄격한 연비 및 배기가스 배출 표준, 복잡한 중량 감소 문제, 마케팅 도구로 디자인 차별화 사용에 대한 더 큰 관심 등 일련의 경향이 있습니다. 이전에 통합된 기계 OEM이 여전히 금속 분야에 있는 방식의 변화 — 더 많은 구성 요소가 더 광범위한 재료 및 프로세스를 사용하여 복합 재료로 변환되는 결과를 가져왔습니다. 이러한 추세가 주목을 받으면서 농업용 장비가 복합 재료의 주요 시장이 될 수 있는 시기를 상상하는 것은 어렵지 않습니다.

교통수단 — 하지만 다릅니다.

농기구 시장에 대해 가장 먼저 이해해야 할 것 중 하나는 규모가 크지만 파편화되어 있으며, 이것이 각 지역에서 생산되고 사용되는 장비의 종류에 어떤 영향을 미치는지 입니다.

"지역성은 이 시장에서 흥미로운 요소입니다."라고 LyondellBasell Engineered Composites(Houston, Texas, U.S.)의 글로벌 주요 계정 관리자/농업 시장 관리자인 Deavron Farmer는 설명합니다. “지난 50년 동안의 통합 덕분에 미주(특히 미국, 캐나다, 아르헨티나, 브라질)에서 가장 큰 농장은 수십만 에이커는 아니더라도 수십만 에이커의 크기를 가지며 종종 인접한 밭이 있습니다. . 이러한 들판의 크기와 단일작물[거대한 면적에 단일 작물 재배] 경향을 감안할 때, 장비는 점점 더 커지고 모듈화되어 농부는 점점 더 많은 땅을 효율적으로 관리할 수 있습니다.” 그는 농장이 더 작아지고 장비가 적절한 크기로 조정된 유럽에서는 반드시 그런 것은 아니라고 덧붙였습니다.

반면 개발도상국에서는 다른 동인이 작용하고 있습니다. 파머는 “어느 곳에서나 문제가 되는 비용은 트랙터와 같은 장비가 가족이 마을로 이동하는 역할을 할 수 있는 개발 도상국에서 특히 민감한 문제입니다.”라고 덧붙입니다. "그 지역의 농부들은 구식 장비를 사용할 수 있지만 변화가 너무 빠르게 확대되어 개발 도상국의 농부들은 가전 제품에서와 같이 다른 지역에서 수십 년이 걸렸던 장비의 전체 ​​세대를 뛰어 넘을 수 있습니다." 농업 장비 시장이 지리적으로 얼마나 세분화되어 있는지 고려할 때 John Deere(미국 일리노이주 몰린 소재의 Deere &Co.), Case New Holland(CNH Global NV, 네덜란드 암스테르담) 및 AGCO(AGCO)와 같은 글로벌 OEM에 대한 기회는 더 적습니다. Corp., Duluth, Ga., US) 다른 운송 부문에서와 같이 부품을 공유하고 비용을 절감할 수 있는 세계 모델을 만들었습니다. 이는 글로벌 구매 계약이 흔하지 않다는 것을 의미하므로 제조업체, 성형업체 및 재료 공급업체는 판매를 원하는 각 지역에서 자격을 갖추어야 합니다.

이 시장의 또 다른 차이점은 농기구가 긴 수명을 갖도록 설계되었다는 것입니다. 오늘날 자동차 제조업체는 10년의 사용 수명을 목표로 합니다. 상업용 트럭 제조업체는 가혹한 서비스 차량의 경우 482,803km, 장거리 트럭의 경우 190만 킬로미터에 대해 테스트 및 보증합니다. 후자의 목표는 5년 이내에 달성할 수 있습니다. 반면 덤프 트럭, 콘크리트 믹서 등이 작동할 수 있습니다. 수십 년.

하지만 북미에서도 40년, 50년, 60년 된 농기구를 그대로 사용하는 모습은 볼 수 없다. 중고 장비 시장은 매우 활성화되어 있으며 결과적으로 농기계는 오랫동안 작동하도록 설계되었습니다. 이는 대부분의 농기구가 작동 중 돌, 자갈 및 먼지 충돌에 노출되는 동안 열, 추위, 바람, 습기 및 자외선에 지속적으로 노출되고 평생을 외부에서 보낸다는 사실로 인해 복잡합니다. 이러한 장비에 사용되는 재료는 부식 및 찌그러짐에 강하고 내후성이 좋아야 할 뿐만 아니라 화학적 및 열적 안정성도 제공해야 합니다.

이러한 기계는 탄화수소 연료 및 윤활유에서 비료 및 살충제에 이르기까지 모든 것에 일상적으로 노출되며, 이들 중 다수는 염소화되거나 지질 기반에 분산되어 있습니다. 그리고 자동차 및 트럭과 마찬가지로 새로운 배기관 배출 규정으로 인해 엔진실 주변의 열이 증가하고 있습니다. 거기에 농부들이 트랙터 운전석에 갇힌 채로 오랜 시간을 보낸다는 사실에 덧붙여 소음, 진동 및 거칠음(NVH)을 줄이고 운전자의 편안함을 증가시키려는 요구가 증가합니다. 대체로 모든 자료 그룹에 대한 높은 주문입니다.

그러나 생산량을 줄이면 복합 재료를 기존 재료보다 비용 효율적으로 만들 수 있습니다. 연간 350,000개의 자동차와 같은 볼륨으로 생산할 수 있는 소형 승용 잔디 깎는 기계를 제외하고 대부분의 장비는 연간 수백에서 수만 대 이하로 생산됩니다. 이는 부분적으로는 새로운 기계 부문에서 사용할 수 있는 많은 사용자 정의 옵션이 있고 부분적으로는 일부 최신 장비가 더 큰 크기로 설계되고 비용과 복잡성을 추가하는 새로운 기능으로 설계되기 때문입니다. 장비의 종류와 모델에 따라 새 차를 구입하거나 새 집을 구입하는 것만큼 비용이 많이 들 수 있습니다. 사실, 농업에 진입하고 유지하는 데 필요한 높은 자본 투자는 새로운 농부가 산업에 진입하는 것을 막는 가장 큰 장벽 중 하나가 되었습니다.

또한 복합 재료가 기존 재료에 비해 경량화를 제공하는 것이 이점이 될 수 있지만 농업 장비의 무게 감소는 복잡한 문제입니다. 한편으로 높은 차량 중량은 토양 압축으로 이어져 식물 성장을 방해할 수 있습니다. 밭에 물과 화학 물질을 적용하는 데 사용되는 분무기 붐 암과 같은 특정 응용 분야에서는 경량화가 실질적인 이점입니다. 점점 더 넓어지는 필드를 효율적으로 서비스하기 위해 붐 암이 점점 길어지고 있어 필드를 덮는 데 필요한 패스 수가 줄어듭니다. 그러나 이는 차례로 차량의 각 측면에서 15미터를 초과할 수 있는 긴 범위에 걸쳐 팔이 처지는 것을 방지하기 위해 더 큰 지지 구조가 필요함을 의미합니다. 알루미늄에서 복합 재료로 전환하여 무게를 줄이려는 노력은 OEM과 농부에게 실질적인 이점을 제공할 수 있습니다.

반면, 경량화가 항상 유익한 것은 아닙니다. 특히 차량 안정성에 영향을 미치는 경우에는 더욱 그렇습니다. 예를 들어, 전방 무거운 콤바인은 작동 중 후방 휠을 지면에 유지하기 위해 차량 후방에 무게가 필요합니다. 따라서 배포 무게는 안전과 효율성을 보장하는 열쇠입니다. 이러한 모든 요인은 농업 장비의 경우 중량이 복잡하다는 것을 의미하며 중량 감소는 트럭, 버스 및 승용차에서 하는 것처럼 거의 소문이 나지 않습니다.

많은 재료, 많은 프로세스

잔디 깎는 기계 및 소형 유틸리티 트랙터(CUT)에서 베일러 및 결합기에 이르기까지 농업 장비에서 볼 수 있는 크기 및 생산량의 범위를 감안할 때 이 부문에서 대부분 열경화성 복합 부품을 생산하는 데 다양한 개방형 및 폐쇄형 공정이 사용됩니다. , 강화 열가소성 수지가 특정 응용 분야에서 입지를 다지기 시작했지만. 놀랍게도 농업 장비에 사용되는 최신 재료 중 하나는 분무기 붐 암을 위한 항공우주 등급의 오토클레이브 경화 탄소 섬유 강화 에폭시 프리프레그입니다. 알루미늄이나 강철에서 이러한 암은 지지 구조가 너무 많이 필요하여 얼마나 오래 사용할 수 있는지에 대한 실질적인 제한이 있습니다. 그러나 고성능 경량 탄소 섬유 복합 재료로 변환하면 지지 구조를 줄이거나 없앨 수 있을 뿐만 아니라 붐을 더 길게 만들 수 있습니다. 3D 프린팅도 이 부문에서 입지를 다지고 있습니다. 주로 도구 및 조립 설비용이지만 생산 차량의 일부 부품을 생산하기 위한 용도이기도 합니다.

제품 차별화와 시각적 브랜딩 모두를 위해 OEM과 고객에게 외관 적합성 및 마감, 부품 일관성이 더욱 중요해짐에 따라 장비 제조업체는 설계 자유도, 부품 통합 및 높은 품질을 용이하게 하기 위해 플라스틱 및 복합 재료의 잘 알려진 이점을 모색하고 있습니다. 미학. 색상은 페인트, 젤 코트 및 착색 폴리머를 통해 이 부문에서 시각적 브랜딩의 또 다른 잘 사용되는 측면입니다. 사실, 일부 OEM은 동일한 바디 패널에 다양한 페인트 텍스처를 결합합니다(예:가벼운 점선과 광택). 공급 기반 사이에서 진행 중인 작업은 페인트와 코팅의 내구성을 연장하고 UV 안정성이 더 높은 필름과 MIC(molded-in-color) 재료를 선호하여 두 기술을 모두 제거하는 방법을 찾고 있습니다.

녹화 합성물

연료 효율성의 개선에서 재활용 및 식물 유래 폴리머의 사용에 이르기까지 지속 가능성은 다른 운송 부문과 마찬가지로 농업에서도 중요하고 바람직합니다. 흥미롭게도 바이오 기반 단량체는 자동차보다 훨씬 더 쉽게 판매되는 것으로 판명되었습니다. "농업 공동체의 고객에게 의미가 있습니다."라고 John Deere의 재료 공학 및 기술 관리자이자 브랜드 소유자/협의회 의장이자 PLASTICS Industry Association(워싱턴 DC, 우리를). "그들은 우리 장비를 사용하여 옥수수와 콩을 재배한 다음 그 상품을 사용하여 동일한 고객을 위해 생산하는 새로운 장비의 구성 요소로 성형되는 폴리머를 만듭니다."

현재 열경화성 농업용 복합 재료에 사용되는 가장 일반적인 식물 제품에는 시트 몰딩 컴파운드(SMC) 및 벌크 몰딩 컴파운드(BMC)용 불포화 폴리에스테르 수지에 들어가는 콩과 옥수수가 있습니다. 2000년경 Ashland LLC(미국 오하이오주 콜럼버스)는 Envirez 1807 바이오 기반 불포화 폴리에스터(UP) 수지를 합성기에 도입했습니다. 합성기는 이를 SMC로 변환하여 농업 장비 시장으로 가는 부품의 성형기에게 판매합니다. 주로 대형 결합 측벽 패널에 사용됩니다. 회사는 Envirez가 옥수수나 콩에서 얻은 곡물 유래 단량체의 상당 부분(18%)을 함유한 최초의 상업적으로 이용 가능한 UP 수지라고 주장합니다. 폴리머는 촉매 없이 공급되며 SMC의 낮은 경화 온도에서 균일한 증점 반응, 우수한 도장성 및 우수한 표면 특성을 제공한다고 합니다. 또한 석유 공급원료에서 파생된 폴리머보다 가격 변동이 적습니다.

페인트의 비용과 환경적 부담을 없애는 또 다른 친환경 SMC 제품은 픽업 박스의 눈에 보이는 표면에 처음 사용된 내후성 구조적 UP 수지입니다. 그리고 현재 John Deere 8000 트랙터의 후처리 디젤(ATD) 패널에 사용됩니다. Arotran 805는 Ashland와 첨가제 공급업체인 Chromaflo Technologies LLC(미국 오하이오주 Ashtabula)가 공동 개발한 UV 안정 MIC(molded-in-color) 흑색 등급이며 Ashley Industrial Molding(Ind. Ashley)에서 압축 성형합니다. , 우리를). SMC에 혼합하여 ATD 패널과 같은 응용 분야에 사용하면 장기적으로 미관을 유지하는 데 도움이 되어 트랙터의 재판매 가치를 높이는 데 도움이 됩니다.

LyondellBasell Engineered Composites의 2018 CAMX 쇼에서 농업 장비, 건축/건설 및 전기/전자 시장을 대상으로 하는 차세대 SMC가 소개되었습니다. 미국 지역 LyondellBasell Engineered Composites의 기술 이사인 Mike Gruskiewicz는 "산업으로서 우리는 열경화성 복합 재료가 수명이 다한 재활용과 관련하여 한계가 있다는 것을 알고 있습니다."라고 설명합니다. “재활용에 대한 작업을 계속하면서 SMC 제조에 재생 가능 및 재활용 재료를 통합하여 수명 주기의 최전선에서 순환 경제에 기여함으로써 많은 이점을 얻을 수 있습니다. 친환경 솔루션을 찾기 시작하면서 우리는 석유 기반 SMC에 비해 성능, 성형성 및 미학 측면에서 타협 없는 목표를 설정했습니다.”

이 회사는 두 가지 새로운 지속 가능한 SMC 제품을 제공하며 두 제품 모두 난연 성능을 제공합니다. “Premi-Glas 7001 등급은 A급 도장 가능한 표면 프로파일을 생성하여 트랙터 후드가 고급 자동차에 필적하는 미학을 달성하고 가혹한 환경에 대한 난연성 측면을 추가할 수 있게 하며 Premi-Glas 3501은 성형 색상을 제공하고 의도한 것입니다. 전기 인클로저, 브래킷 및 하우징, 운전실 구성 요소와 같은 부품에 적합합니다.”라고 Gruskiewicz는 설명합니다. 또한 3501은 재활용된 열가소성 물질을 통합하여 지속 가능성 발자국을 강화합니다. 두 경우 모두 수지의 프로필렌 글리콜 단량체는 콩이나 옥수수를 사용하여 생산되며 전통적인 석유 제품에서 만든 단량체와 동일한 특성을 생성한다고 합니다. 3501 등급에는 PIR(post-industrial recyclate) 폴리에틸렌 테레프탈레이트(rPET)가 포함됩니다. 이 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 화학적으로 분해되어 테레프탈산을 생성한 다음 다시 폴리에스테르 수지로 반응합니다. 아직 상업적 용도가 발표되지 않았지만 Gruskiewicz는 7001 등급이 이미 트랙터 후드, 결합 도어 및 차체 패널용으로 샘플링되고 있다고 말합니다. "SMC의 또 다른 흥미로운 영역은 대형 디젤 엔진용 밸브 덮개와 오일 섬프[팬]입니다."라고 그는 덧붙입니다. “SMC에서 열가소성 수지로 전환된 승용차의 유사한 부품과 비교할 때 ag에서 훨씬 더 가혹한 작동 조건을 볼 수 있습니다. 예를 들어, 더 큰 엔진의 경우 더 큰 단위에 걸쳐 큰 스팬으로 인해 더 단단한 재료가 필요합니다."

압박적인 부하 충족

농업 장비 산업의 한 가지 문제는 복합 재료가 9,000kg을 초과할 수 있는 하중에서도 기계적 성능을 유지해야 한다는 것입니다. 예를 들어 Tier-1 성형업체인 Plastics Unlimited(미국 아이오와주 프레스턴)는 TEC(Tooless Engineered Composites)라는 성형 기술을 개발했으며, 이 기술은 6.4 ~ 12.7mm 두께의 공칭 벽이 있는 대형 콤바인의 경우 최대 9,072kg의 하중을 견딜 수 있습니다. TEC는 열가소성 수지의 높은 미학과 내구성을 복합 재료의 강도, 인성 및 치수 안정성과 결합하여 클래스 A 표면 및 B면이 높은 강성과 강도 대 중량비를 제공하는 구조를 생성합니다. 외관 A면은 MIC 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 시트를 열성형하여 생산되며, 이는 나중에 부품 B면의 절반을 위한 도구가 됩니다. 그러나 이러한 더 크고 복잡한 구조의 경우 두 번째 복합 도구가 사용됩니다. 성형 과정에서. 후자는 잘게 잘린 유리 섬유 코어의 스티치 층에 주입된 UP 수지를 사용하여 생산된 진공 포장 복합재입니다. 레이업 중에 금속 브래킷과 큰 리브(경질 폴리우레탄 폼으로 제작)를 복합 재료에 삽입할 수 있습니다.

그 결과 합리적인 비용으로 칩핑 및 크랙에 저항하는 설계 유연성과 높은 충격 강도를 제공하는 UV 안정화 부식 방지 부품이 탄생했습니다. A면(열가소성 층)은 결이 있거나 반짝이는 표면을 제공할 수 있습니다(후자는 금속, 크롬, 목재, 위장 및 탄소 메쉬를 포함하는 패턴 위에 단색 또는 투명). 이 열가소성 층은 우수한 심도를 제공하며 페인트 또는 젤 코팅된 SMC보다 훨씬 더 내구성이 있어 경미한 표면 흠집을 버프 제거할 수 있습니다. 외관이 없는 B면(복합층)은 착색되어 매끄럽습니다. 콤바인의 고성능 그레인 익스텐션 도어 외에도 TEC 프로세스는 다양한 소형 레저 차량 및 농장 유형 장비의 펜더, 측면 실드, 후드 및 전면 및 후면 인클로저를 성형하는 데 사용됩니다.

농업 장비의 미래는 무엇입니까? 2016년 미국 아이오와 주 분에서 열린 Farm Progress Show에서 Case New Holland(CNH)는 업계 최초의 완전 자율 트랙터 개념을 선보였습니다. 심고, 살포하고, 수확할 수 있고, 인간이 더 이상 차량을 선상에서 작동하지 않고, 트랙터가 미리 매핑된 안내 경로를 이동할 때 태블릿을 통해 원격으로 무인 장비를 제어하고 모니터링하는 곳입니다. 실시간 보기 및 고급 장애물 감지 기능을 제공하는 온보드 카메라가 장착된 이 드론 트랙터는 운전자에게 장애물 및 기타 문제를 경고할 수 있어 운전자가 문제를 피하거나 수정할 수 있는 최적의 경로를 선택할 수 있습니다. 이 시스템의 소프트웨어는 가장 효율적인 필드 패스를 자동으로 표시하여 농부들이 좁은 날씨 창을 최대한 활용하거나 생산성을 높이기 위해 필요할 때 24시간 작업하는 동시에 현재 작물을 모니터링하고 미래 작물을 더 잘 계획하기 위한 데이터를 수집하는 데 도움이 된다고 합니다. CNH는 이 기술이 성수기에 숙련된 노동력을 찾는 데 어려움을 겪는 세계 여러 지역의 농부들에게 도움이 될 것이라고 말했습니다. 중간 장비는 운전실이 있는 기계와 기존의 운전 기능 및 일정 수준의 자동화를 결합할 가능성이 높습니다.

"농업은 세계를 먹여 살리고, 연료를 공급하고, 입히는 기본 목표에서 변하지 않았습니다."라고 Olson이 덧붙입니다. “그러나 생명 공학의 모든 측면과 지능형 시스템 솔루션에 필요한 재료를 포함한 기술은 빠르게 증가하는 인구를 먹여 살리는 생산성 문제를 해결하기 위해 가속화되었습니다. 농부는 항상 토지의 청지기였습니다. 따라서 천연 자원의 지속 가능성은 산업, 지역 사회 및 세계로서 우리의 성공의 핵심입니다.”