Die Vorteile nutzen:Der Einsatz von Verbundwerkstoffen in landwirtschaftlichen Geräten nimmt zu

Obwohl dies nicht das erste Transportsegment ist, das die meisten Menschen als einen wachsenden Markt für Verbundwerkstoffe betrachten, sollte dies vielleicht mit der Zeit für landwirtschaftliche Geräte der Fall sein. Schließlich werden mit der Zunahme der menschlichen Bevölkerung auf der ganzen Welt mehr Ressourcen benötigt, um die Pflanzen und das Vieh anzubauen, die uns ernähren. Trotz eines Jahrhunderts schrecklicher Kriege und einiger bedeutender internationaler Seuchen gelang es der menschlichen Bevölkerung im 20. Jahrhundert, um 400 Prozent zu wachsen. Die heutige Weltbevölkerung beträgt 7,6 Milliarden, und die Vereinten Nationen (New York, N.Y., USA) prognostizieren, dass bis 2030 eine weitere Milliarde hinzukommen, bis 2050 eine weitere und bis 2100 die Weltbevölkerung 11,2 Milliarden betragen wird. Wenn die Landwirtschaft wächst, wird auch der Ausrüstungsmarkt wachsen.

Derzeit ist die Landmaschinenindustrie geografisch fragmentiert, und nur wenige weltweite OEMs bauen die höchsten Produktionsmengen der Branche – und dies sind im Allgemeinen immer noch niedrigere Mengen als selbst die Schwerlastwagenindustrie. Eine Konstellation von Trends – darunter Flurbereinigung in Amerika, strengere Kraftstoffeffizienz- und Emissionsstandards für Dieselfahrzeuge in vielen Regionen, das komplexe Thema Gewichtsreduzierung, ein größeres Interesse an der Nutzung von Designdifferenzierung als Marketinginstrument und Veränderungen in der Art und Weise, wie rückwärtsintegrierte Maschinen-OEMs immer noch bei Metallen sind, haben dazu geführt, dass immer größere Komponenten mit einer breiteren Palette von Materialien und Prozessen in Verbundwerkstoffe umgewandelt werden. Da diese Trends an Fahrt gewinnen, ist es nicht schwer, sich eine Zeit vorzustellen, in der Landmaschinen zu einem wichtigen Markt für Verbundwerkstoffe werden könnten.

Transport – aber anders

Eines der ersten Dinge, die Sie über den Landmaschinenmarkt verstehen müssen, ist, wie groß, aber fragmentiert er ist, und wie sich dies auf die Art der in den einzelnen Regionen hergestellten und verwendeten Geräte auswirkt.

„Regionalität ist ein interessanter Faktor in diesem Markt“, erklärt Deavron Farmer, Global Key Account Manager/Landwirtschaftsmarktmanager, LyondellBasell Engineered Composites (Houston, Texas, USA). „Dank der Konsolidierung in den letzten fünf Jahrzehnten sind die größten Farmen in Amerika [insbesondere in den USA, Kanada, Argentinien und Brasilien] in der Regel Zehntausende, wenn nicht Hunderttausende von Hektar groß, oft mit angrenzenden Feldern.“ . Angesichts der Größe dieser Felder und der Tendenz zur Monokultur [Einzelkulturen auf großen Flächen anpflanzen], sind die Geräte größer und modularer geworden, damit Landwirte immer größere Landstriche effizient bearbeiten können.“ Er fügt hinzu, dass dies in Europa nicht unbedingt der Fall ist, wo die Betriebe kleiner geblieben sind und die Ausrüstung angemessen dimensioniert ist.

Auf der anderen Seite sind in Entwicklungsländern andere Treiber im Spiel. „Die Kosten – die überall ein Thema sind – sind in Entwicklungsregionen ein besonders heikles Thema, wo Geräte wie ein Traktor auch als Familientransport in die Stadt dienen können“, fügt Farmer hinzu. „Obwohl die Landwirte dort Geräte älterer Bauart verwenden, eskaliert der Wandel so schnell, dass Landwirte in Entwicklungsländern möglicherweise ganze Generationen von Geräten überspringen könnten, deren Entwicklung in anderen Regionen Jahrzehnte gedauert hat – wie es bei der Unterhaltungselektronik der Fall war.“ Angesichts der geografischen Zersplitterung des Landmaschinenmarktes haben globale OEMs wie John Deere (Deere &Co., Moline, Illinois, USA), Case New Holland (CNH Global NV, Amsterdam, Niederlande) und AGCO (AGCO Corp., Duluth, Ga., USA), um Weltmodelle zu erstellen, die eine gemeinsame Nutzung von Teilen und eine Reduzierung der Kosten ermöglichen, wie dies in anderen Transportsegmenten der Fall ist. Dies bedeutet, dass weltweite Einkaufsvereinbarungen seltener sind, sodass Hersteller, Spritzgießer und Materiallieferanten sich in jeder Region qualifizieren müssen, in der sie Verkäufe tätigen möchten.

Ein weiterer Unterschied auf diesem Markt besteht darin, dass Landmaschinen auf eine lange Lebensdauer ausgelegt sind. Autohersteller streben heutzutage eine Nutzungsdauer von einem Jahrzehnt an. Nutzfahrzeughersteller testen und garantieren 482.803 Kilometer für schwere Servicefahrzeuge und 1,9 Millionen Kilometer für Fernverkehrs-Lkw – wobei das letztgenannte Ziel in nur fünf Jahren erreicht werden könnte – während Muldenkipper, Betonmischer und ähnliches für den Einsatz von mehrere Jahrzehnte.

Aber auch in Nordamerika ist nichts davon zu sehen, dass 40, 50 oder 60 Jahre alte Landmaschinen noch im Einsatz sind. Der Gebrauchtmaschinenmarkt ist sehr aktiv und daher sind Landmaschinen auf eine lange Betriebsdauer ausgelegt. Erschwerend kommt hinzu, dass die meisten Landmaschinen ihr ganzes Leben im Freien verbringen, ständig Hitze, Kälte, Wind, Feuchtigkeit und UV-Strahlung ausgesetzt sind und im Betrieb Stein, Kies und Staub ausgesetzt sind. Die für solche Geräte verwendeten Materialien müssen nicht nur korrosions- und beulbeständig sein und gute Witterungseigenschaften aufweisen, sondern auch chemische und thermische Stabilität aufweisen.

Diese Maschinen sind routinemäßig allem ausgesetzt, von Kohlenwasserstoffkraftstoffen und Schmiermitteln bis hin zu Düngemitteln und Pestiziden, von denen viele chloriert oder in Lipidbasen dispergiert sind. Und wie bei Autos und Lastwagen steigt die Hitze im Motorraum aufgrund neuer Abgasvorschriften für Endrohre. Hinzu kommt, dass Landwirte lange Tage in Traktorkabinen eingesperrt verbringen, was die Nachfrage nach Geräusch-, Vibrations- und Rauheitsreduzierung (NVH) und erhöhtem Fahrerkomfort erhöht. Alles in allem ist das eine große Aufgabe für jede Materialgruppe.

Geringere Produktionsmengen können jedoch dazu führen, dass Verbundwerkstoffe weniger kosteneffektiv sind als herkömmliche Materialien. Mit Ausnahme von kleinen Aufsitzrasenmähern, die in autoähnlichen Stückzahlen von 350.000 pro Jahr produziert werden können, werden die meisten Geräte in der Größenordnung von einigen Hundert bis niedrigen Zehntausenden pro Jahr hergestellt. Das liegt zum Teil daran, dass im Neumaschinensegment viele Anpassungsoptionen verfügbar sind, und zum anderen, weil einige der neuesten Geräte in größeren Abmessungen und mit neuen Funktionen entwickelt werden, die Kosten und Komplexität erhöhen. Je nach Ausstattung und Modell kann es so teuer werden wie der Kauf eines neuen Autos oder sogar eines neuen Hauses. Tatsächlich sind die hohen Kapitalinvestitionen, die erforderlich sind, um in die Landwirtschaft einzusteigen und zu bleiben, zu einem der größten Hindernisse geworden, die neue Landwirte daran hindern, in die Branche einzusteigen.

Darüber hinaus kann das Leichtgewicht, das Verbundwerkstoffe gegenüber herkömmlichen Materialien bieten, von Vorteil sein – aber die Gewichtsreduzierung bei landwirtschaftlichen Geräten ist ein komplexes Thema. Einerseits kann ein hohes Fahrzeuggewicht zu einer Bodenverdichtung führen, die das Pflanzenwachstum hemmt. Bei bestimmten Anwendungen, wie zum Beispiel Sprüharmarmen, die zum Ausbringen von Wasser und Chemikalien auf Feldern verwendet werden, ist die Gewichtsreduzierung ein echter Vorteil. Um immer größere Felder effizient bedienen zu können, werden die Auslegerarme immer länger, wodurch die Anzahl der zum Bedecken eines Felds erforderlichen Durchgänge reduziert wird. Dies bedeutet jedoch wiederum, dass größere Stützstrukturen erforderlich sind, um ein Durchhängen der Arme bei so großen Spannweiten zu verhindern – die auf jeder Seite des Fahrzeugs 15 Meter überschreiten können. Bemühungen zur Gewichtsreduzierung – durch die Umstellung von Aluminium auf Verbundwerkstoffe – können OEMs und Landwirten echte Vorteile bringen.

Andererseits ist Leichtbau nicht immer von Vorteil – vor allem, wenn er die Fahrzeugstabilität beeinträchtigt. Frontschwere Mähdrescher benötigen zum Beispiel Gewicht am Heck des Fahrzeugs, um die Hinterräder während des Betriebs auf dem Boden zu halten. Daher Verteilung Gewicht ist der Schlüssel zur Gewährleistung von Sicherheit und Effizienz. All diese Faktoren bedeuten, dass das Gewicht bei landwirtschaftlichen Geräten kompliziert ist und seine Reduzierung nicht annähernd so hoch ist wie bei Lastwagen, Bussen und Pkw.

Viele Materialien, viele Prozesse

Angesichts der unterschiedlichen Größen und Produktionsmengen bei landwirtschaftlichen Geräten – von Aufsitzrasenmähern und Kompakttraktoren (CUTs) bis hin zu Baggern und Mähdreschern – werden in diesem Segment verschiedene offene und geschlossene Formverfahren zur Herstellung von überwiegend duroplastischen Verbundteilen verwendet , obwohl verstärkte Thermoplaste in bestimmten Anwendungen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Überraschenderweise ist eines der neuesten Materialien, das in landwirtschaftlichen Geräten verwendet wird, ein autoklavgehärtetes kohlenstofffaserverstärktes Epoxid-Prepreg in Luft- und Raumfahrtqualität für Spritzgestängearme. Aus Aluminium oder Stahl erfordern diese Arme so viel Stützstruktur, dass ihre Länge praktisch begrenzt ist. Durch die Umstellung auf hochleistungsfähige, leichte Kohlefaserverbundwerkstoffe kann jedoch nicht nur die Stützstruktur reduziert oder eliminiert, sondern auch der Ausleger verlängert werden. Auch der 3D-Druck ist in diesem Segment auf dem Vormarsch – hauptsächlich für Werkzeuge und Montagevorrichtungen, aber auch zur Herstellung einiger Teile auf Serienfahrzeugen.

Da Passform und Finish sowie die Konsistenz der Teile für OEMs und Kunden immer wichtiger werden, sowohl für die Produktdifferenzierung als auch für das visuelle Branding, erkunden Gerätehersteller die bekannten Vorteile von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen, um Designfreiheit, Teilekonsolidierung und hohe Ästhetik. Farbe ist ein weiterer gut genutzter Aspekt des visuellen Brandings in diesem Segment über Farbe, Gelcoat und pigmentiertes Polymer. Tatsächlich kombinieren einige OEMs unterschiedliche Lacktexturen auf demselben Karosserieblech (z. B. helles Tupfen plus Glanz), um Abriebspuren in den Verschleißbereichen zu verbergen und dennoch ein ansprechendes Aussehen zu erzielen. In der Lieferbasis wird laufend nach Wegen gesucht, die Haltbarkeit von Farben und Beschichtungen zu verlängern und beide Technologien zugunsten von Folien und farbig geformten (MIC) Materialien mit höherer UV-Stabilität zu eliminieren.

Grüne Ag-Verbundwerkstoffe

Nachhaltigkeit – von der Verbesserung der Kraftstoffeffizienz bis hin zum Einsatz recycelter und pflanzlicher Polymere – ist in der Landwirtschaft genauso wichtig und wünschenswert wie in anderen Transportsegmenten. Interessanterweise erwiesen sich biobasierte Monomere hier als viel einfacher zu verkaufen als in der Automobilindustrie. „Für unsere Kunden in der Landwirtschaft macht es einfach Sinn“, erklärt Jay Olson, Materials Engineering &Technology Manager bei John Deere sowie Markeninhaber/Ratsvorsitzender und Vorstandsvorsitzender der PLASTICS Industry Association (Washington, DC, UNS). „Sie verwenden unsere Anlagen, um Mais und Soja anzubauen, und dann werden diese Rohstoffe zur Herstellung von Polymeren verwendet, die zu Komponenten für neue Anlagen geformt werden, die wir für dieselben Kunden herstellen.“

Derzeit sind die am häufigsten in duroplastischen landwirtschaftlichen Verbundstoffen verwendeten Pflanzenprodukte Soja und Mais, die zu ungesättigten Polyesterharzen für Sheet Molding Compound (SMC) und Bulk Molding Compound (BMC) verarbeitet werden. Um das Jahr 2000 herum führte Ashland LLC (Columbus, Ohio, USA) das biobasierte ungesättigte Polyesterharz (UP) Envirez 1807 bei Compoundeuren ein, die es wiederum in SMC umwandeln und es an Spritzgießer für Teile verkaufen, die für den Landmaschinenmarkt bestimmt sind — hauptsächlich für den Einsatz in großen Mähdrescher-Seitenwänden. Das Unternehmen behauptet, dass Envirez das erste kommerziell erhältliche UP-Harz war, das einen signifikanten Anteil (18 Prozent) von Getreide-abgeleitetem Monomer aus Mais oder Soja enthielt. Das Polymer wird unkatalysiert geliefert und soll ein gleichmäßiges Verdickungsverhalten, gute Lackierbarkeit und gute Oberflächeneigenschaften bei niedriger Härtungstemperatur in SMC bieten. Es ist auch weniger anfällig für Preisschwankungen als Polymere, die aus Erdölrohstoffen gewonnen werden.

Ein weiteres umweltfreundliches SMC-Produkt, das die Kosten und die Umweltbelastung durch Farbe eliminiert, ist ein witterungsbeständiges, strukturelles UP-Harz, das zuerst für sichtbare Oberflächen auf Pickup-Boxen verwendet wird und jetzt auf den Panels für Diesel-Nachbehandlungssysteme (ATD) an John Deere 8000-Traktoren zu sehen. Arotran 805 ist eine UV-stabile, in Farbe geformte (MIC) schwarze Sorte, die gemeinsam von Ashland und dem Additivlieferanten Chromaflo Technologies LLC (Ahtabula, Ohio, USA) entwickelt wurde und von Ashley Industrial Molding (Ashley, Ind. , UNS). Wenn es in SMC eingemischt und in Anwendungen wie den ATD-Platten verwendet wird, trägt es dazu bei, die Ästhetik langfristig zu erhalten, was zu höheren Wiederverkaufswerten für Traktoren beiträgt.

Auf der CAMX-Messe 2018 wurde von LyondellBasell Engineered Composites ein SMC der neuen Generation für Landmaschinen sowie Bau/Bau und die Elektrik/Elektronik-Märkte vorgestellt. „Wir als Branche wissen, dass duroplastische Verbundwerkstoffe beim Recycling am Ende ihrer Lebensdauer Grenzen haben“, erklärt Mike Gruskiewicz, Director of Technology für die US-Region, LyondellBasell Engineered Composites. „Während wir weiter am Recycling arbeiten, sehen wir viele Vorteile darin, erneuerbare und recycelte Bestandteile in die Herstellung von SMC zu integrieren und so zur Kreislaufwirtschaft am vorderen Ende des Lebenszyklus beizutragen. Als wir anfingen, nach umweltfreundlichen Lösungen zu suchen, haben wir uns das Ziel gesetzt, keine Kompromisse in Bezug auf Leistung, Formbarkeit und Ästhetik im Vergleich zu erdölbasierten SMCs einzugehen.“

Das Unternehmen bietet zwei neue nachhaltige SMC-Produkte an, die beide eine feuerhemmende Leistung bieten. „Premi-Glas 7001 produziert lackierbare Oberflächenprofile der Klasse A, wodurch Traktorhauben eine mit edlen Automobilen vergleichbare Ästhetik erreichen und den feuerhemmenden Aspekt für die raue Ag-Umgebung hinzufügen für Teile wie Schaltschränke, Halterungen und Gehäuse sowie Kabinenkomponenten“, erklärt Gruskiewicz. Darüber hinaus enthält 3501 recycelten thermoplastischen Inhalt, um seine Nachhaltigkeitsbilanz zu stärken. In beiden Fällen wird das Propylenglykolmonomer des Harzes entweder aus Soja oder Mais hergestellt und soll Eigenschaften aufweisen, die denen von Monomeren aus traditionellen Erdölprodukten entsprechen. Die Sorte 3501 enthält postindustrielles Rezyklat (PIR) Polyethylenterephthalat (rPET), das chemisch aufgeschlossen wurde, um Terephthalsäure zu ergeben und dann wieder in das Polyesterharz umgesetzt wurde. Obwohl noch keine kommerziellen Anwendungen angekündigt wurden, wird laut Gruskiewicz die Sorte 7001 bereits für Traktorhauben, Mähdreschertüren und Karosserieteile getestet. „Ein weiterer spannender Bereich für SMC sind Ventildeckel für große Dieselmotoren sowie Ölwannen“, fügt er hinzu. „Im Vergleich zu ähnlichen Teilen an Pkw, die von SMC auf Thermoplaste umgestellt wurden, sehen wir in der Agglomeration viel härtere Betriebsbedingungen. Bei größeren Motoren sind beispielsweise aufgrund der großen Spannweiten über diese größeren Einheiten steifere Materialien erforderlich.“

Begegnung mit zerschmetternden Lasten

Eine Herausforderung in der Landmaschinenindustrie besteht darin, dass Verbundwerkstoffe unter Belastungen von bis zu 9.000 Kilogramm ihre mechanische Leistung beibehalten müssen. So hat beispielsweise der Tier-1-Former Plastics Unlimited (Preston, Iowa, USA) eine Formtechnologie namens werkzeuglos konstruierte Verbundwerkstoffe (TEC) entwickelt, die zur Herstellung von 1,5 mal 2,1 Meter großen Türklappen/Kornauszugstüren verwendet wurde, die tragen Lasten bis 9.072 kg, für große Mähdrescher mit Nennwandstärken von 6,4 bis 12,7 Millimetern. TEC verbindet die hohe Ästhetik und Haltbarkeit von Thermoplasten mit der Festigkeit, Zähigkeit und Dimensionsstabilität von Verbundwerkstoffen, um eine Struktur mit einer Klasse-A-Oberfläche und einer B-Seite zu erzeugen, die zu einem hohen Steifigkeits- und Festigkeits-Gewichts-Verhältnis beitragen. Das Aussehen der A-Seite wird durch Thermoformen einer Platte aus MIC Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) erzeugt, die anschließend für die Hälfte der B-Seite des Teils zum Werkzeug wird, obwohl für diese größeren, komplexeren Strukturen ein zweites Verbundwerkzeug verwendet wird während des Umformprozesses. Letzteres ist ein vakuumverpackter Verbundstoff, der mit UP-Harz hergestellt wird, das in genähte Schichten von geschnittenen Glasfaserkernen eingegossen wird. Sowohl Metallklammern als auch große Rippen (hergestellt aus Polyurethan-Hartschaum) können beim Layup in den Verbund eingebracht werden.

Das Ergebnis ist ein UV-stabilisiertes, korrosionsbeständiges Teil mit Designflexibilität und hoher Schlagzähigkeit, das zu vertretbaren Kosten Absplitterungen und Rissen widersteht. Die A-Seite (thermoplastische Schicht) kann eine genarbte oder glänzende Oberfläche bieten (letztere in Uni-Farben oder klaren Übermustern, die Metallic, Chrom, Holz, Camouflage und sogar ein Carbon-Mesh umfassen). Diese thermoplastische Schicht soll eine ausgezeichnete Bildtiefe bieten und ist viel haltbarer als lackiertes oder gelbeschichtetes SMC, sodass kleinere Oberflächenkratzer auspoliert werden können. Die nicht sichtbare B-Seite (Verbundschicht) ist pigmentiert und glatt. Abgesehen von den Hochleistungs-Kornauszugstüren an Mähdreschern wird das TEC-Verfahren auch zum Formen von Kotflügeln, Seitenschildern, Motorhauben sowie Front- und Heckverkleidungen für eine Vielzahl kleinerer Freizeitfahrzeuge und landwirtschaftlicher Geräte verwendet.

Wie sieht die Zukunft der Landtechnik aus? 2016 präsentierte Case New Holland (CNH) auf der Farm Progress Show in Boone, Iowa, USA, die ersten vollständig autonomen Traktorkonzepte der Branche die säen, spritzen und ernten können und wo Menschen die Fahrzeuge nicht mehr von Bord aus bedienen, sondern die fahrerlosen Geräte per Tablet fernsteuern und überwachen, während der Traktor vorgezeichnete Leitrouten abfährt. Ausgestattet mit Onboard-Kameras, die Echtzeitansichten und fortschrittliche Hinderniserkennung bieten, können diese Drohnen-Traktoren Bediener auf Hindernisse und andere Probleme aufmerksam machen, sodass der Bediener die beste Route auswählen kann, um Probleme zu vermeiden oder zu beheben. Die Software des Systems soll automatisch den effizientesten Durchgang auf dem Feld zeichnen, um Landwirten zu helfen, enge Wetterfenster optimal zu nutzen oder bei Bedarf rund um die Uhr zu arbeiten, um die Produktivität zu steigern, während gleichzeitig Daten gesammelt werden, um aktuelle Ernten zu überwachen und zukünftige besser zu planen. Laut CNH wird diese Technologie Landwirten in vielen Teilen der Welt helfen, die während der Spitzenzeiten Schwierigkeiten haben, qualifizierte Arbeitskräfte zu finden. Zwischengeräte werden wahrscheinlich Maschinen mit Fahrerhaus mit traditionellen Fahrfunktionen und einem gewissen Grad an Automatisierung kombinieren.

„Die Landwirtschaft hat sich von ihren grundlegenden Zielen, die Welt zu ernähren, zu ernähren und zu kleiden, nicht geändert“, fügt Olson hinzu. „Allerdings hat sich die Technologie – einschließlich aller Aspekte der Biotechnologie und der für intelligente Systemlösungen erforderlichen Materialien – beschleunigt, um die Produktivitätsherausforderungen bei der Ernährung einer schnell wachsenden Bevölkerung zu bewältigen. Landwirte waren schon immer Verwalter des Landes, daher ist die Nachhaltigkeit der natürlichen Ressourcen der Schlüssel zu unserem Erfolg als Branche, Gemeinschaft und Welt.“