Wie Composite-Materialien Landmaschinen revolutionieren

Obwohl es nicht das erste Transportsegment ist, an das die meisten Menschen als wachsenden Markt für Composites denken, sollte Landtechnik vielleicht genau das sein – und wird es mit der Zeit auch werden. Schließlich werden mit steigender Weltbevölkerung mehr Ressourcen benötigt, um die Pflanzen und Nutztiere anzubauen, die uns ernähren. Trotz eines Jahrhunderts schrecklicher Kriege und einiger bedeutender internationaler Seuchen wuchs die Weltbevölkerung im 20. Jahrhundert um 400 Prozent. Die heutige Weltbevölkerung beträgt 7,6 Milliarden, und die Vereinten Nationen (New York, NY, USA) prognostizieren, dass bis 2030 eine weitere Milliarde hinzukommt, bis 2050 noch eine weitere, und dass die Weltbevölkerung bis 2100 11,2 Milliarden betragen wird. Mit dem Wachstum der Landwirtschaft wird auch der Gerätemarkt wachsen.

Transport – aber anders

Eines der ersten Dinge, die man über den Landmaschinenmarkt verstehen muss, ist, wie groß, aber fragmentiert er ist, und wie das die Art der in jeder Region produzierten und verwendeten Geräte beeinflusst.

„Regionalität ist ein interessanter Faktor in diesem Markt“, erklärt Deavron Farmer, Global Key Account Manager / Agriculture Market Manager, LyondellBasell Engineered Composites (Houston, Texas, USA). „Dank der Konsolidierung der letzten fünf Jahrzehnte neigen die größten Farmen in Amerika [insbesondere in den USA, Kanada, Argentinien und Brasilien] dazu, Zehntausende, wenn nicht Hunderttausende Hektar groß zu sein, oft mit zusammenhängenden Feldern. Angesichts der Größe dieser Felder und der Tendenz zum Monokulturanbau [Anbau einzelner Kulturen auf riesigen Flächen] sind die Geräte größer und modularer geworden, damit Landwirte immer größere Flächen effizient bewirtschaften können.“ Er fügt hinzu, dass dies in Europa nicht unbedingt der Fall ist, wo Farmen kleiner geblieben sind und Geräte entsprechend dimensioniert sind.

Andererseits spielen in Entwicklungsländern andere Treiber eine Rolle. „Kosten – die überall ein Thema sind – sind in Entwicklungsregionen ein besonders sensibles Thema, wo ein Traktor auch als Familienbeförderung in die Stadt dienen kann“, fügt Farmer hinzu. „Obwohl Landwirte dort möglicherweise ältere Geräte nutzen, schreitet der Wandel so schnell voran, dass Landwirte in Entwicklungsländern möglicherweise ganze Generationen von Geräten überspringen, die in anderen Regionen Jahrzehnte zur Entwicklung brauchten – wie bei Unterhaltungselektronik.“ Angesichts der geografischen Fragmentierung des Landmaschinenmarktes gibt es weniger Möglichkeiten für globale OEMs wie John Deere (Deere & Co., Moline, IL, USA), Case New Holland (CNH Global NV, Amsterdam, Niederlande) und AGCO (AGCO Corp., Duluth, GA, USA), Weltmodelle zu schaffen, die Teilegemeinsamkeiten und Kostensenkungen ermöglichen, wie in anderen Transportsegmenten. Das bedeutet, dass globale Einkaufsvereinbarungen seltener sind, sodass Hersteller, Verarbeiter und Materiallieferanten sich in jeder Region qualifizieren müssen, in der sie Verkäufe tätigen wollen.

Ein weiterer Unterschied in diesem Markt ist, dass Landmaschinen für eine lange Lebensdauer ausgelegt sind. Autohersteller zielen heute auf eine Nutzungsdauer von einem Jahrzehnt ab. Nutzfahrzeughersteller testen und gewähren Garantie für 482.803 Kilometer für Schwerlastfahrzeuge und 1,9 Millionen Kilometer für Langstrecken-LKWs – letztere könnten in nur fünf Jahren erreicht werden – während Kipper, Betonmischer und Ähnliches mehrere Jahrzehnte im Einsatz sein können.

Dennoch ist es selbst in Nordamerika nichts Ungewöhnliches, Landmaschinen zu sehen, die 40, 50 oder 60 Jahre alt sind und noch im Einsatz sind. Der Gebrauchtmaschinenmarkt ist sehr aktiv, und als Konsequenz sind Landmaschinen für lange Betriebszeiten ausgelegt. Das wird dadurch verkompliziert, dass die meisten Landmaschinen ihr ganzes Leben im Freien verbringen, ständig Hitze, Kälte, Wind, Feuchtigkeit und UV-Strahlung ausgesetzt sind und während des Betriebs Stein-, Kies- und Staubbeschuss erleiden. Nicht nur müssen die verwendeten Materialien korrosions- und dellenbeständig sein und gute Witterungsbeständigkeit aufweisen, sie müssen auch chemische und thermische Stabilität bieten.

Diese Maschinen sind routinemäßig allem ausgesetzt, von Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen und Schmierstoffen bis hin zu Düngemitteln und Pestiziden, von denen viele chloriert oder in Lipidbasen dispergiert sind. Und wie bei Autos und LKWs nimmt die Hitze im Motorraum aufgrund neuer Abgasvorschriften zu. Hinzu kommt, dass Landwirte lange Tage in Traktorkabinen verbringen, was die Nachfrage nach Reduzierung von Geräuschen, Vibrationen und Härte (NVH) und Erhöhung des Bedienkomforts steigert. Alles in allem ist das eine große Anforderung an jede Materialgruppe.

Geringere Produktionsstückzahlen können Composites jedoch weniger kosteneffizient machen als traditionelle Materialien. Mit Ausnahme kleiner Rasenmäher, die in automobilähnlichen Stückzahlen von 350.000 jährlich produziert werden können, werden die meisten Geräte in Stückzahlen von einigen hundert bis niedrigen Zehntausenden jährlich gefertigt. Das liegt teils an den vielen Individualisierungsoptionen im Neumaschinensegment und teils daran, dass einige der neuesten Geräte in größeren Größen und mit neuen Funktionen konzipiert werden, die Kosten und Komplexität erhöhen. Je nach Gerätetyp und Modell kann es so teuer sein wie der Kauf eines neuen Autos oder sogar eines neuen Hauses. Tatsächlich ist der hohe Kapitaleinsatz, um in die Landwirtschaft einzusteigen und darin zu bleiben, eine der größten Hürden, die neue Landwirte am Einstieg hindern.

Zusätzlich kann das Leichtbaupotenzial, das Composites gegenüber traditionellen Materialien bieten, ein Vorteil sein – aber Gewichtsreduktion bei Landmaschinen ist ein komplexes Thema. Einerseits kann hohes Fahrzeuggewicht zu Bodenverdichtung führen, die das Pflanzenwachstum hemmt. In bestimmten Anwendungen, wie Sprühbäumen zur Ausbringung von Wasser und Chemikalien auf Feldern, ist Leichtbau ein echter Vorteil. Um immer größere Felder effizient zu bewirtschaften, werden Sprühbäume immer länger, wodurch die Anzahl der Überfahrten zur Abdeckung eines Feldes reduziert wird. Das wiederum erfordert jedoch größere Tragstrukturen, um ein Durchhängen der Arme über so weite Spannweiten zu verhindern – die auf jeder Fahrzeugseite 15 Meter übersteigen können. Bemühungen zur Gewichtsreduktion – durch Umstieg von Aluminium auf Composites – können OEMs und Landwirten echte Vorteile bieten.

Andererseits ist Leichtbau nicht immer vorteilhaft – besonders wenn er die Fahrzeugstabilität beeinträchtigt. Frontlastige Mähdrescher benötigen beispielsweise Gewicht am Heck, um die Hinterräder während des Betriebs auf dem Boden zu halten. Deshalb ist die Verteilung des Gewichts entscheidend für Sicherheit und Effizienz. All diese Faktoren bedeuten, dass Gewicht bei Landmaschinen kompliziert ist und seine Reduktion nicht annähernd den Hype hat, den sie bei LKW, Bus und Pkw hat.

Viele Materialien, viele Prozesse

Angesichts der Bandbreite an Größen und Produktionsvolumina in der Landtechnik – von Rasenmähern und Kompakttraktoren (CUTs) bis hin zu Pressen und Mähdreschern – werden eine Vielzahl offener und geschlossener Formverfahren zur Herstellung überwiegend thermosetzter Composite-Teile in diesem Segment eingesetzt, obwohl verstarkte Thermoplaste in bestimmten Anwendungen an Boden gewinnen. Überraschenderweise ist eines der neuesten in der Landtechnik eingesetzten Materialien aerospace-tauglicher, autoklav-gehärteter Carbonfaser-verstärkter Epoxid-Prepreg für Sprühbäume. In Aluminium oder Stahl erfordern diese Arme so viel Tragstruktur, dass es praktische Grenzen für ihre Länge gibt. Durch Umstellung auf Hochleistungs-Carbonfaser-Composites kann nicht nur die Tragstruktur reduziert oder eliminiert werden, sondern die Bäume können länger gemacht werden. 3D-Druck gewinnt auch in diesem Segment an Boden – hauptsächlich für Werkzeuge und Montagevorrichtungen, aber auch zur Herstellung einiger Teile an Serienfahrzeugen.

Da Erscheinungsbild, Passgenauigkeit und Oberflächenqualität sowie Teilekonsistenz für OEMs und Kunden immer wichtiger werden – sowohl für Produktdifferenzierung als auch visuelles Branding –, erkunden Gerätehersteller die bekannten Vorteile von Kunststoffen und Composites zur Ermöglichung von Designfreiheit, Teilekonsolidierung und hoher Ästhetik. Farbe ist ein weiterer gut genutzter Aspekt des visuellen Brandings in diesem Segment über Lack, Gelcoat und pigmentierte Polymere. Tatsächlich kombinieren einige OEMs verschiedene Lacktexturen auf demselben Karosserieteile (z. B. leichte Stippelung plus Glanz), um Kratzspuren in Verschleißbereichen zu verbergen und dennoch ein ansprechendes Aussehen zu erzielen. Laufende Arbeiten in der Lieferkette suchen nach Wegen, die Haltbarkeit von Lacken und Beschichtungen zu verlängern und beide Technologien zugunsten von Folien und Molded-in-Color (MIC)-Materialien mit höherer UV-Stabilität zu eliminieren.

Grüne Agro-Composites

Nachhaltigkeit – von Verbesserungen der Kraftstoffeffizienz bis zur Verwendung recycelter und pflanzenbasierter Polymere – ist in der Landwirtschaft genauso wichtig und wünschenswert wie in anderen Transportsegmenten. Interessanterweise erwiesen sich biobasierte Monomere hier als viel leichter zu verkaufen als in der Automobilindustrie. „Das ergibt für unsere Kunden in der Landwirtschaft einfach Sinn“, erklärt Jay Olson, Materials Engineering & Technology Manager bei John Deere sowie Markeninhaber/Ratsvorsitzender und Vorstandsmitglied der PLASTICS Industry Association (Washington, DC, USA). „Sie nutzen unsere Geräte, um Mais und Soja anzubauen, und diese Rohstoffe werden dann zu Polymeren verarbeitet, die in Komponenten für neue Geräte gegossen werden, die wir für dieselben Kunden produzieren.“

Derzeit umfassen die häufigsten pflanzlichen Produkte in thermosetzten Agro-Composites Soja und Mais, die in ungesättigte Polyesterharze für Sheet Molding Compound (SMC) und Bulk Molding Compound (BMC) eingehen. Um das Jahr 2000 führte Ashland LLC (Columbus, Ohio, USA) das biobasierte ungesättigte Polyesterharz (UP) Envirez 1807 für Compounder ein, die es in SMC umwandeln und an Verarbeiter für Teile verkaufen, die in den Landmaschinenmarkt gehen – hauptsächlich für große Mähdrescher-Seitenwände. Das Unternehmen behauptet, Envirez sei das erste kommerziell erhältliche UP-Harz mit einem signifikanten Anteil (18 Prozent) an getreidebasiertem Monomer aus Mais oder Soja. Das Polymer wird unkatalysiert geliefert und soll einheitliches Eindickungsverhalten, gute Lackierbarkeit und gute Oberflächeneigenschaften bei niedriger Aushärtungstemperatur im SMC bieten. Es ist auch weniger anfällig für Preisschwankungen als Polymere auf Erdölbasis.

Ein weiteres grünes SMC-Produkt, das die Kosten und die Umweltbelastung von Lack eliminiert, ist ein witterungsbeständiges, strukturelles UP-Harz, das erstmals für sichtbare Oberflächen an Pickup-Ladekästen verwendet und nun an After-Treatment-Diesel (ATD)-Paneelen an John Deere 8000 Traktoren eingesetzt wird. Arotran 805 ist ein UV-stabiles, Molded-in-Color (MIC) Schwarz, das gemeinsam von Ashland und Additivlieferant Chromaflo Technologies LLC (Ashtabula, Ohio, USA) entwickelt und von Ashley Industrial Molding (Ashley, IN, USA) pressverformt wird. Wenn es in SMC compoundiert und in Anwendungen wie ATD-Paneelen verwendet wird, hilft es, die Ästhetik langfristig zu erhalten, was höhere Wiederverkaufswerte für Traktoren unterstützt.

Eine neue SMC-Generation, die auf Landmaschinen sowie Bau/Construction und Elektro/Elektronik abzielt, wurde auf der CAMX-Show 2018 von LyondellBasell Engineered Composites vorgestellt. „Als Industrie wissen wir, dass thermosetzte Composites Einschränkungen beim End-of-Life-Recycling haben“, erklärt Mike Gruskiewicz, Technologie-Direktor für die US-Region, LyondellBasell Engineered Composites. „Während wir weiter am Recycling arbeiten, sehen wir viele Vorteile darin, erneuerbare und recycelte Inhalte in die SMC-Herstellung einzubringen und so zur Kreislaufwirtschaft am Anfang des Lebenszyklus beizutragen. Als wir nach grünen Lösungen suchten, setzten wir uns das Ziel, null Kompromisse bei Performance, Verarbeitbarkeit und Ästhetik im Vergleich zu erdölbasierten SMCs einzugehen.“

Das Unternehmen bietet zwei neue nachhaltige SMC-Produkte an, die beide feuerhemmende Performance bieten. „Premi-Glas 7001 erzeugt Class-A-lackierbare Oberflächenprofile, sodass Traktorhauben Ästhetik erreichen, die mit feinen Automobilen vergleichbar ist, und fügt den feuerhemmenden Aspekt für die raue Agro-Umgebung hinzu. Premi-Glas 3501 bietet Molded-in-Color und ist für Teile wie elektrische Gehäuse, Halterungen und Verkleidungen sowie Kabinenkomponenten gedacht“, erklärt Gruskiewicz. Zusätzlich integriert 3501 recycelten thermoplastischen Inhalt, um seinen Nachhaltigkeits-Fußabdruck zu stärken. In beiden Fällen wird das Propylenglykol-Monomer des Harzes entweder aus Soja oder Mais hergestellt und soll Eigenschaften liefern, die identisch sind mit Monomeren aus traditionellen Erdölprodukten. Der 3501-Grad enthält post-industrielles Recyclat (PIR) Polyethylenterephthalat (rPET), das chemisch verdaut wurde, um Terephthalsäure zu gewinnen, die dann zurück in das Polyesterharz reagiert wurde. Obwohl noch keine kommerziellen Anwendungen angekündigt wurden, sagt Gruskiewicz, dass der 7001-Grad bereits für Traktorhauben, Mähdrescher-Türen und Karosserieteile bemustert wird. „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 haben, sehen wir in der Agro-Branche viel schwerere Betriebsbedingungen. Beispielsweise erfordern größere Motoren steifere Materialien aufgrund der großen Spannweiten über diese größeren Einheiten.“

Extreme Lasten meistern

Eine Herausforderung in der Landmaschinenindustrie ist, dass Composites mechanische Performance unter Lasten aufrechterhalten müssen, die 9.000 Kilogramm übersteigen können. Beispielsweise hat der Tier-1-Verarbeiter Plastics Unlimited (Preston, Iowa, USA) eine Formtechnik namens Tooless Engineered Composites (TEC) entwickelt, die zur Herstellung von 1,5 × 2,1 Meter großen Klappen/Getreideverlängerungsklappen verwendet wurde, die Lasten bis 9.072 kg tragen können, für große Mähdrescher mit Nennwanddicken von 6,4 bis 12,7 Millimetern. TEC verbindet die hohe Ästhetik und Haltbarkeit von Thermoplasten mit der Festigkeit, Zähigkeit und Dimensionsstabilität von Composites zu einer Struktur mit Class-A-Oberfläche und einer B-Seite, die ein hohes Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis beiträgt. Die optische A-Seite wird durch Thermoformen einer Platte aus MIC-Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) erzeugt, die anschließend als Werkzeug für die Hälfte der B-Seite des Teils dient, obwohl für diese größeren, komplexeren Strukturen ein zweites Composite-Werkzeug während des Formprozesses verwendet wird. Letzteres ist ein vakuumbeuteltes Composite, hergestellt mit UP-Harz, infundiert in gestickte Lagen aus gehackten Glasfaserkernen. Sowohl Metallhalterungen als auch große Rippen (aus stabilem Polyurethanschaum) können während des Lagenaufbaus in das Composite eingelegt werden.

Das Ergebnis ist ein UV-stabilisiertes, korrosionsbeständiges Teil mit Designflexibilität und hoher Schlagfestigkeit, das Absplittern und Rissbildung zu vernünftigen Kosten widersteht. Die A-Seite (Thermoplastschicht) kann eine genarbte oder glänzende Oberfläche bieten (letztere in Vollfarben oder klar über Mustern, die Metallic, Chrom, Holz, Tarnung und sogar Carbon-Mesh umfassen). Diese Thermoplastschicht soll exzellente Bildtiefe bieten und ist weitaus haltbarer als lackiertes oder gelcoatetes SMC, sodass kleinere Oberflächenkratzer ausgepoliert werden können. Die nicht-optische B-Seite (Composite-Schicht) ist pigmentiert und glatt. Neben den Hochleistungs-Getreideverlängerungsklappen an Mähdreschern wird der TEC-Prozess auch zur Herstellung von Kotflügeln, Seitenschutz, Hauben und vorderen und hinteren Verkleidungen für eine Vielzahl kleinerer Freizeitfahrzeuge und landwirtschaftlicher Geräte eingesetzt.

Wie sieht die Zukunft der Landtechnik aus? 2016 präsentierte Case New Holland (CNH) auf der Farm Progress Show in Boone, Iowa, USA, die ersten vollautonomen Traktorkonzepte der Branche, die pflanzen, sprühen und ernten können, und bei denen Menschen die Fahrzeuge nicht mehr von Bord aus bedienen, sondern die fahrerlosen Geräte ferngesteuert per Tablet überwachen, während der Traktor vorgeplante Führungsrouten abfährt. Ausgestattet mit Bordkameras für Echtzeitansichten und fortschrittlicher Hinderniserkennung können diese Drohnen-Traktoren Betreiber vor Hindernissen und anderen Problemen warnen, sodass der Betreiber die beste Route zur Vermeidung oder Behebung von Problemen wählen kann. Die Software des Systems plant angeblich automatisch den effizientesten Infield-Pass, 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 Kulturen zu überwachen und zukünftige besser zu planen. CNH sagt, diese Technologie werde Landwirten in vielen Teilen der Welt helfen, die in Spitzenzeiten Schwierigkeiten haben, qualifizierte Arbeitskräfte zu finden. Zwischenlösungen werden wahrscheinlich kabinierte Maschinen mit traditionellen Fahrfähigkeiten und einem gewissen Automatisierungsgrad kombinieren.

„Die Landwirtschaft hat ihre grundlegenden Ziele, die Welt zu ernähren, zu betanken und zu kleiden, nicht verändert“, fügt Olson hinzu. „Doch Technologie – einschließlich aller Aspekte der Biotechnologie und der Materialien, die für intelligente Systemlösungen benötigt werden – hat sich beschleunigt, um den Produktivitätsherausforderungen der Ernährung einer rasant wachsenden Bevölkerung gerecht zu werden. Landwirte waren immer Hüter des Landes, daher ist die Nachhaltigkeit natürlicher Ressourcen der Schlüssel zu unserem Erfolg als Industrie, Gemeinschaft und Welt.“