Verbundwerkstoff-Auslegerarme verlängern Sprühreichweite und steigern Effizienz in der Landwirtschaft

Landwirtschaftliche Nachfrage decken. Wachsende Composites-Anwendung im Landmaschinenmarkt: Auslegerarme für selbstfahrende Sprühgeräte zur Ausbringung flüssiger Chemikalien. Quelle: Deere & Co.

Durch Zusammenlegung von Ackerflächen (Nordamerika, Argentinien, Brasilien) und Zunahme pflugloser Bewirtschaftung wollen Landwirte längere Auslegerarme, um weniger Überfahrten für größere Felder zu benötigen. Das verringert Bodenverdichtung, steigert Produktivität und Erträge.

Darauf reagierte die argentinische Niederlassung von King Marine S.A. (Valencia, Spanien), deren Kerngeschäft ironischerweise CFRP-Bootsbauteile (luftfahrtqualitativer Carbonfaser-Kunststoff) war, und nutzte Composites-Expertise für neue Sprühausleger. Im Einsatz klappen die Arme senkrecht zur Traktorachse aus, ermöglichen Ausbringung von Insektiziden, Herbiziden, Düngern. Nach Gebrauch klappen sie am Traktor an, um Zäune nicht zu behindern und Straßenfahrt zu erlauben.

Grenzen von Metall. Traditionell aus Stahl gefertigt, hatten Sprühausleger praktische strukturelle und Breitengrenzen erreicht, da große Stützstrukturen nötig waren, um Biegung unter Torsions- und Ermüdungslasten zu verhindern. Quelle: Deere & Co.

Mit zunehmender Länge wurden größere Stützstrukturen nötig, um Arme vor Biegung unter Torsions-/Ermüdungslasten und unbeabsichtigten Kollisionen (Zäune, Bäume) zu schützen. (Hohe Ermüdungslasten verhinderten Übergang auf Aluminium.) Längere Ausleger mit größeren Stützen erzwangen größere Traktoren für schwerere Geräte und größere Tanks – doch schwerere Geräte erhöhen Bodenverdichtung und senken Erträge. Zudem korrodieren viele Agrochemikalien Metalle, längere Ausleger erfordern komplexere Klappmechanismen. Stahlausleger erreichten praktisches Limit von ~36 m (120 ft) Gesamtbreite. Dennoch wollte der Markt – besonders in Amerika – längere Ausleger.

Rezession als Chance

Die Finanzkrise 2008 traf King Marine (20 Jahre, Familienbetrieb, Werke in Picassent/Spanien und Campana/Argentinien) hart: Luxusyachtmarkt brach ein, Bootsbau stoppte, Existenzbedrohung. Großes Team aus Technikern, Ingenieuren, Spezialisten – alle Carbonfaser-Experten. Frage: „Was nun?“ → Gründung King Composite S.L. für nicht-maritime CFRP-Anwendungen.

Länger als je zuvor. Composite-Ausleger lassen sich einfach ausklappen und ausfahren. Quelle: Deere & Co.

2009 kam unerwartete Lösung: Ein Argentinier, dessen Firma Sprühsysteme baut, haderte mit Metallausleger-Problemen. „Er wollte leichtere, längere, ermüdungsfreie, korrosionsbeständige, leicht reparierbare Ausleger“, erinnert sich Natalia Dacko (European Administration Chief, Internal Audit, King Marine). Obwohl King Composite keine Agrarerfahrung hatte, baute ein Team CFRP-Prototyp – der Kunde war begeistert, Startschuss für wachsendes Geschäft mit Agrar-OEMs in Argentinien. Umbenennung in King Agro SL.

Mit wachsendem Erfolg bei Composite-Sprühauslegern bekannt für Innovationskraft und Qualität. 2015: Deere & Co. (Moline, Illinois) nimmt Kontakt auf, bald fertigt King Agro CFRP-Ausleger für John Deere.

Neue Generationen, neue Varianten

„Wir starteten mit King Agros Designs und Empfehlungen plus Deeres Entwicklungen – passten gut zusammen“, erklärt Phillip Ferree, King Agro General Manager. „Erst gemeinsame Anpassungen für Zuverlässigkeit/Haltbarkeit in Südamerika, Launch 2015. Parallel Second-Gen-Produkte für Nordamerika/Europa. Lokale Regulierungen erforderten andere Funktionalität (Haltbarkeit, Schlag) – Metall-Specs in Composite-Designs übersetzen.“ 2017 kommerzialisiert.

„Im ersten Meeting verbrachten wir drei Stunden nur mit Diskussion verschiedener Sprühmerkmale in Nord- und Südamerika“, erinnert Thomas Bartlett, Deere Sprayer Product Engineering Supervisor. „Nicht nur unterschiedliche Klappmuster – 20 Varianten je nach Markt/Regulierung –, auch Anbaubedingungen unterscheiden sich. Brasilien: No-Till. Nordamerika: reduced till, andere Praktiken, mehr Regulierung. Europa: kleinere Höfe, Chemikalien zentralisiert (Nachfüllung im Depot, nicht im Feld). Zudem: Hydraulikleitungen teils im Arm, teils darunter. Auch Auslegerlänge: Ein Meter mehr hier oder dort ist keine Lösung – Ingenieure mussten Pflanzenabstände und Reihenabstände je Geografie berücksichtigen.“

Kompakt geklappt. Auslegerarme verstauen sich für Transport und Lagerung. Quelle: Deere & Co.

Ausleger bestehen aus mehreren Composite-Rohrstrukturen mit quadratischem Querschnitt, verbunden über spezielle „Enden“ für Fluiddosierung. In Hauptstrukturen integrierte Formelemente ermöglichen hydraulisches Öffnen/Schließen und Fluiddruckführung. „Mit Hydraulik konnten wir viele Funktionen integrieren, insgesamt simpleres Design“, so Bartlett. Deere fordert: Ausfahren/Einklappen <1 Min, Flüssigkeitsförderung <2 Sek nach Pumpenstart.

Alle Composites: Epoxidmatrix, Vakuumbeutel, Autoklavenhärtung. Carbon/Glas-Verstärkung je nach Bedarf (höhere Festigkeit vs. höherer Schlag). Meist 24K-Tow in Formaten von UD bis Köpergewebe für Decklagen mit Klarlack. In Gelenken/Hydraulikbereichen (mehr Festigkeit/Steifigkeit) schwerere Strukturen mit mehr Lagen. Je nach Modell/Markt: 100–1.000 Systeme/Jahr. King Agro schätzt Weltmarkt selbstfahrender Sprühgeräte 2017 auf 14.000 Einheiten/Jahr.

„Ziele: Ausleger auf 40 m bei 30 % geringerer Masse – Gewicht war entscheidend“, so Jonathan Nelson, Deere Composite Sprayer Boom Design Engineer. „Große Masse vorne/hinten aufzuhängen, kämpft mit Trägheit, Lastenverteilung zwischen Vorder-/Hinterachse schwieriger. Korrosionsbeständigkeit verbessern, aber galvanische Korrosion durch Carbonfaser beachten. Höhere Schlagfestigkeit nötig – man sieht keinen Sprühgerät, das nicht schon was gerammt hat. Metall-Standardtests (Ausleger gegen Zaunpfosten, hunderte Zyklen) übernommen. Betriebslasten und Ermüdung überraschend hoch: Fahrgeschwindigkeit 24–30 km/h, Sprühdruck 276–414 kPa (40–60 psi).“

Leichter, besser, schneller

Nach drei Jahren so fruchtbare Zusammenarbeit, dass Deere King Agro 2018 übernahm. King Agro baut weiter an eigenen Standorten, liefert an John-Deere-Werke in Des Moines (Iowa, USA) und Horst (Niederlande) zur Endmontage. Deal lässt King Agro Marke, Markenzeichen, Geschäftsbeziehungen.

Vorteile leichterer Ausleger. Bessere Kraftstoffökonomie, geringere Wartung, größere Arbeitsbreite, längere Lebensdauer, niedrigere Betriebskosten, einfachere Feldreparatur, höhere Effizienz durch weniger Fahrspuren → mehr Erntevolumen. Quelle: Deere & Co.

Composites ermöglichen Ausleger >36 m (120 ft) auf 40 m (132 ft). Gegenüber Stahl: CFRP 6× stärker, 5,5× leichter, höhere Schlagfestigkeit, keine Korrosion. Leichtere Ausleger → bessere Fuel Economy, weniger Wartung, größere Arbeitsbreite, längere Lebensdauer, niedrigere Betriebskosten, weniger Fahrspuren → höhere Ernte. Reparierbarkeit: „Händler können bei Totalschaden Bauteil halbieren, Harz hinzufügen, spannen, aushärten lassen – fertig. Einfacher als Stahlschweißen“, so Nelson.

„Der beste Teil sind Kundenvorteile“, fügt Bartlett hinzu. „Mit Carbonfaserprodukten können sie produktiver sein: breiter ohne Gewichtsstrafe, mehr Hektar, weniger Bodenverdichtung, geringerer Bodendruck → positiver Ertragseinfluss.“

Ferree: „Aus Designsicht ermöglichen Composites Dinge, die mit aktuellen Materialien an strukturellen/breiten Grenzen nicht möglich waren. Solider Übergang von Stahl- zu Premium-CFRP-Angebot – besonders in Amerika – weil wir höhere Produktivität bringen, was in diesem Segment größere Breite bedeutet. Leichtere, breitere Ausleger passen auf kleinere, günstigere Traktoren. Oder mehr Flüssigkeit auf gleichem Traktor bei gleicher Masse. Lastenverteilung vorne/hinten verbessert, Schwerpunkt näher an Maschinenmitte → besserer Fahrkomfort.“

„Wir sehen Carbonfaser-Anwendungen in weiteren Produkten“, prognostiziert Aaron Wetzel, VP Deere Ag & Turf Crop Care Platform. „In kommenden Jahren prüfen wir zusätzliche Chancen, wo Leichtbau und Stahl-überlegene Festigkeit Mehrwert für Kunden schaffen.“