Bras de rampe composites étendent la portée des pulvérisateurs, augmentant l'efficacité

Répondre à la demande agricole. Une application composites en croissance dans le marché de l'équipement agricole est les bras de rampe pour équipements de pulvérisation automoteurs, utilisés pour appliquer des produits chimiques liquides aux cultures. Source | Deere & Co.

Alors que les champs agricoles contigus dans des zones telles que l'Amérique du Nord, l'Argentine et le Brésil sont devenus plus grands grâce à la consolidation, et que l'agriculture sans labour augmente dans certaines géographies, les agriculteurs veulent des systèmes de pulvérisation avec des bras de rampe plus longs pour réduire le nombre de passages nécessaires pour couvrir des champs de plus en plus grands. Cela réduit aussi le compactage du sol, augmentant la productivité et les rendements des cultures.

En réponse à ce besoin, la filiale argentine de King Marine S.A. (Valence, Espagne), dont l'activité principale, ironiquement, était la fabrication de pièces de bateau en composite en plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) de qualité aérospatiale, a utilisé son expertise en composites dans d'autres marchés pour développer de nouveaux bras de rampe pour équipements de pulvérisation automoteurs. En utilisation, les bras de rampe se déploient et s'étendent perpendiculairement à l'axe principal des tracteurs et permettent aux agriculteurs d'appliquer des produits chimiques liquides (ex: insecticides, herbicides et engrais) aux cultures. Après utilisation, ils se replient et se rangent le long des corps de tracteurs pour éviter de s'emmêler avec les poteaux de clôture et permettre aux agriculteurs de circuler sur les routes.

Les limites du métal. Traditionnellement produits en acier, les bras de rampe de pulvérisation avaient atteint leurs limites structurelles et de largeur pratiques en raison des grandes structures de support requises pour empêcher les bras de fléchir sous charges de torsion et de fatigue. Source | Deere & Co

Les rampes ont longtemps été produites en acier, mais à mesure que la longueur augmentait, des structures de support plus grandes étaient requises pour empêcher les bras de fléchir sous charges de torsion et de fatigue et lors d'impacts non intentionnels avec clôtures, arbres et autres structures. (Les charges de fatigue élevées sont pourquoi les rampes n'ont jamais transitionné vers l'aluminium.) En retour, des rampes plus longues avec des structures de support plus grandes nécessitaient que les agriculteurs achètent des tracteurs plus grands pour porter des équipements de pulvérisation plus lourds et des réservoirs plus grands contenant de plus grands volumes de liquides ; cependant, en résolvant un problème, l'équipement plus lourd mène à un compactage du sol accru et, par résultat, à des rendements de cultures réduits. En plus, de nombreux produits chimiques agricoles corrodent les métaux, et des rampes plus longues nécessitent des mécanismes de pliage plus élaborés pour le rangement. Finalement, les rampes en acier ont atteint une limite pratique d'environ 36 mètres (120 pieds) de bord à bord. Pourtant, le marché — particulièrement dans les Amériques — voulait des rampes plus longues.

La récession offre des opportunités

La Grande Récession de 2008 a été catastrophique pour les individus et les entreprises. King Marine, entreprise familiale de vingt ans, qui a des installations de fabrication à Picassent, Espagne, et Campana, Argentine, est entrée en 2008 avec une entreprise florissante produisant des composants PRFC — particulièrement des mâts — pour yachts de haute performance.

« C'est là que la récession économique mondiale a commencé, et le marché maritime de luxe a pris un énorme coup », se souvient Natalia Dacko, directrice administration européenne et audit interne chez King Marine. « Nos ventes ont chuté dramatiquement, et nous avons arrêté de construire des bateaux. Nous étions en mode crise parce que notre entreprise était en danger. Nous avions un grand personnel de techniciens, ingénieurs et spécialistes — tous experts en fibre de carbone [composites]. La grande question était : 'Que allons-nous faire maintenant ?' » King Composite S.L. a été créée pour explorer les applications PRFC non-maritimes.

Plus longs que jamais. Les rampes composites offrent la capacité de se déployer et s'étendre pour une utilisation facile. Source | Deere & Co.

Une solution inattendue aux préoccupations de l'entreprise est venue en 2009 d'un Argentin dont l'entreprise fabriquait des systèmes de pulvérisation agricole. L'homme était frustré par les problèmes qui affligeaient ses rampes métalliques. « Il nous a dit qu'il aimerait que les rampes soient plus légères, plus longues, sans fatigue, à l'épreuve de la corrosion et faciles à réparer », se souvient Dacko. Bien que King Composite n'ait pas d'expérience précédente en équipement agricole, une équipe a construit un prototype PRFC, et l'entreprise argentine l'a adoré, lançant l'activité croissante de King Composite avec les OEM d'équipement agricole en Argentine. King Composites serait éventuellement renommé King Agro SL.

Alors que l'activité en rampes de pulvérisation composites grandissait, King Agro est devenu connu pour ses produits innovants et de qualité. Après quelques années, son succès a été remarqué par un leader de l'équipement agricole luttant ses propres batailles de rampes de pulvérisation. Des membres de l'équipe d'ingénierie de Deere & Co. (Moline, Illinois, États-Unis) ont rencontré King Agro en 2015 pour discuter des opportunités, et bientôt King Agro produisait et distribuait des rampes PRFC pour la marque John Deere.

Nouvelles générations, nouvelles permutations

« Nous avons commencé avec les designs et recommandations de King Agro, plus ce que Deere avait développé, et nous avons trouvé qu'ils étaient assez applicables », explique Phillip Ferree, directeur général de King Agro. « D'abord, notre équipe conjointe a fait quelques changements pour améliorer la fiabilité et la durabilité pour le marché sud-américain et a lancé ces produits en 2015. Simultanément, nous avons commencé à concevoir des produits de deuxième génération pour l'Amérique du Nord et l'Europe. Pour répondre aux réglementations locales, nous avions besoin de fonctionnalités différentes dans des choses comme la durabilité et l'impact, ce qui nécessitait de traduire les spécifications métal en designs composites. » Ces produits ont été commercialisés en 2017.

« Lors de notre première réunion, nous avons passé trois heures juste à discuter des différentes caractéristiques des pulvérisateurs en Amérique du Nord et du Sud », se souvient Thomas Bartlett, superviseur ingénierie produit pulvérisateur chez Deere. « Non seulement ils utilisent différents motifs de pliage — il y a 20 façons différentes de plier ces systèmes selon le marché et les réglementations — mais les conditions agricoles sont aussi différentes. Au Brésil, ils utilisent l'agriculture sans labour. En Amérique du Nord, c'est plus de labour limité avec différentes pratiques agricoles et plus de réglementation. L'Europe a d'autres différences et des fermes beaucoup plus petites. Ils gardent leurs produits chimiques centralisés, donc les pulvérisateurs sont amenés au dépôt pour les recharges plutôt que d'apporter les produits chimiques aux champs pour les recharges comme nous le faisons dans les Amériques. » De plus, dans certaines géographies, la plomberie transportait les liquides du réservoir aux buses à travers les bras, mais dans d'autres endroits, la plomberie passait sous les bras. Encore un autre défi était jusqu'où étendre les rampes, car ajouter un mètre ici ou là ne fournirait pas nécessairement une solution viable. Au lieu de cela, les ingénieurs devaient considérer comment les cultures étaient plantées dans chaque géographie et les distances entre et dans les rangées.

Pliés pour un rangement facile. Les bras de rampe se rangent pour faciliter le déplacement entre champs et le stockage d'équipement. Source | Deere & Co.

Les rampes comportent de multiples structures tubulaires composites à sections carrées qui, à leur tour, sont connectées via des « embouts » spéciaux qui se connectent aux systèmes de distribution de fluides. Des caractéristiques spécialement conçues moulées dans les structures principales fournissent aux composants la fonctionnalité requise pour ouvrir/fermer hydrauliquement et transporter les fluides sous haute pression. « Avec l'hydraulique, nous avons pu intégrer beaucoup de caractéristiques dont nous avions besoin pour pouvoir assembler les choses et créer un design global plus simpliste », ajoute Bartlett. Deere exige que les rampes se déploient/se rangent en moins de 1 minute et que le fluide soit délivré dans les deux secondes suivant le démarrage de la pompe.

Tous les composites utilisent une matrice époxy et sont ensachés sous vide et durcis en autoclave. Une combinaison de renforcement carbone et verre est utilisée selon que les composants ont besoin de plus haute résistance ou de plus haut impact. La plupart de la fibre de carbone est du fil 24K mais dans une variété de formats, allant de l'unidirectionnel au tissage sergé pour les couches d'apparence externe avec finition vernis transparent. Dans les joints et endroits où l'hydraulique interagit, où plus de résistance et rigidité sont nécessaires, des structures plus lourdes avec plus de plis sont utilisées. Selon le modèle et le marché, les volumes de production vont de 100 à 1 000 systèmes par an. King Agro estime qu'en 2017, le marché mondial total pour pulvérisateurs automoteurs était de 14 000 unités/an.

« En entrant dans ce programme, nos cibles étaient d'étendre les rampes à 40 mètres mais à 30 % de masse inférieure, puisque le poids était très important », note Jonathan Nelson, ingénieur conception rampes composites pulvérisateur chez Deere. « Quand vous suspendez une grande masse à l'avant ou l'arrière d'une machine, vous luttez contre l'inertie, donc c'est beaucoup plus dur d'équilibrer les charges entre essieux avant et arrière. Nous voulions aussi améliorer la résistance à la corrosion, mais devions aussi considérer la corrosion galvanique en présence de fibre de carbone. Une autre exigence était pour un impact plus élevé parce que vous ne voyez jamais un pulvérisateur qui n'a pas heurté quelque chose. Nous avons repris des tests standardisés développés pour les métaux qui impliquent de faire courir les rampes dans des poteaux de clôture pendant plusieurs centaines de cycles. » Les charges de travail et la fatigue sur les pièces sont étonnamment élevées, car l'équipement voyage à 24-30 kilomètres par heure [15-19 miles par heure] et la plomberie voit des pressions de pulvérisation de 276-414 KPa [40-60 psi].

Plus légères, meilleures, plus rapides

Après trois ans, la collaboration s'est avérée si fructueuse qu'en 2018, Deere a acquis King Agro, qui construit maintenant les rampes dans ses installations et les expédie aux usines John Deere à Des Moines, Iowa, États-Unis, et Horst, Pays-Bas, pour l'assemblage final. L'accord permet apparemment à King Agro de conserver son nom de marque, marque déposée et relations commerciales.

Les avantages de rampes plus légères. Des rampes plus légères signifient une meilleure économie de carburant, une maintenance inférieure, une largeur de travail supérieure, une durée de vie plus longue, des coûts d'exploitation inférieurs, une réparabilité sur champ plus facile et une meilleure efficacité avec moins de passages machine pour un volume de récolte supérieur. Source | Deere & Co.

La conversion aux composites a permis aux rampes de s'étendre au-delà de 36 mètres (120 pieds) à 40 mètres (132 pieds). Comparé à l'acier, le PRFC est six fois plus résistant, 5,5 fois plus léger, offre un impact plus élevé et ne corrode pas. Des rampes plus légères signifient une meilleure économie de carburant, une maintenance inférieure, une largeur de travail supérieure, une durée de vie plus longue, des coûts d'exploitation inférieurs et une meilleure efficacité avec moins de passages machine pour un volume de récolte supérieur. Un autre avantage est la réparabilité. « Nos concessionnaires peuvent prendre une défaillance catastrophique, couper le composant en deux, ajouter de la résine, le serrer et le laisser durcir et ils sont bons pour partir », ajoute Nelson. « C'est en fait plus facile à réparer que de souder de l'acier. »

« La meilleure partie est les avantages pour le client », ajoute Bartlett. « Avec des produits en fibre de carbone, ils peuvent être plus productifs. Ils peuvent aller plus large sans pénalité de poids, couvrir plus d'acres, expérimenter moins de compactage du sol, et la réduction de la pression au sol affecte positivement le rendement. »

Ferree est d'accord : « D'un point de vue design, les composites nous permettent de faire des choses que nous ne pouvions pas faire avec les matériaux actuels, qui étaient à leurs limites structurelles et de largeur », explique-t-il. « Nous avons eu une transition solide de nos offres en acier vers nos offres PRFC premium — particulièrement dans les Amériques — parce que nous apportons une productivité plus élevée, qui dans ce segment est une plus grande largeur. Des rampes plus légères et plus larges peuvent être installées sur des tracteurs plus petits, moins coûteux. Ou, plus de liquide peut être transporté sur un tracteur donné tout en maintenant la même masse. Dans les deux cas, l'équilibre de chargement entre essieux avant et arrière est amélioré et le centre de masse est plus proche du centre de la machine, améliorant le confort pour l'opérateur. »

« Nous voyons des applications pour la fibre de carbone dans d'autres produits », prédit Aaron Wetzel, vice-président, plateforme soin des cultures ag & turf de Deere. « Dans les années à venir, nous explorerons des opportunités supplémentaires où le poids léger et les capacités plus fortes que l'acier ajouteront une valeur additionnelle à nos produits pour nos clients. »