Comment les matériaux composites révolutionnent l'équipement agricole

Bien que ce ne soit pas le premier segment de transport auquel la plupart des gens pensent comme un marché en croissance pour les composites, l'équipement agricole le devrait être et, avec le temps, le sera. Après tout, alors que les populations humaines augmentent sur la planète, plus de ressources seront nécessaires pour cultiver les plantes et le bétail pour nous nourrir. Malgré un siècle de guerres horribles et de quelques pandémies internationales significatives, les populations humaines ont réussi à croître de 400 % au 20e siècle. La population mondiale actuelle est de 7,6 milliards, et les Nations Unies (New York, N.Y., États-Unis) projettent qu'un autre milliard sera ajouté d'ici 2030, encore un autre d'ici 2050, et qu'en 2100, la population mondiale sera de 11,2 milliards. À mesure que l'agriculture croît, le marché de l'équipement croîtra aussi.

Transport — mais différent

L'une des premières choses à comprendre sur le marché de l'équipement agricole est à quel point il est grand mais fragmenté, et comment cela affecte le type d'équipement produit et utilisé dans chaque région.

« La régionalité est un facteur intéressant sur ce marché », explique Deavron Farmer, gestionnaire de comptes clés mondial / gestionnaire de marché agriculture, LyondellBasell Engineered Composites (Houston, Texas, États-Unis). « Grâce à la consolidation au cours des cinq dernières décennies, les plus grandes fermes dans les Amériques [particulièrement aux États-Unis, Canada, Argentine et Brésil] ont tendance à faire des dizaines de milliers, sinon des centaines de milliers d'acres, souvent avec des champs contigus. Compte tenu de la taille de ces champs et de la tendance vers la monoculture [plantation de cultures uniques sur d'énormes superficies], l'équipement est devenu plus grand et plus modulaire pour que les agriculteurs puissent exploiter efficacement des tracts de terre de plus en plus grands. » Il ajoute que ce n'est pas nécessairement le cas en Europe, où les fermes sont restées plus petites et l'équipement est dimensionné en conséquence.

D'un autre côté, dans les pays en développement, d'autres moteurs sont en jeu. « Le coût — qui est un problème partout — est un problème particulièrement sensible dans les régions en développement, où un équipement comme un tracteur peut aussi servir de transport familial vers la ville », ajoute Farmer. « Bien que les agriculteurs y utilisent de l'équipement de style plus ancien, le changement s'accélère si rapidement que les agriculteurs dans les pays en développement pourraient bien sauter des générations entières d'équipement qui ont pris des décennies à évoluer dans d'autres régions — comme cela s'est produit avec l'électronique grand public. » Compte tenu de la fragmentation géographique du marché de l'équipement agricole, il y a moins d'opportunités pour les OEM mondiaux comme John Deere (Deere & Co., Moline, Ill., États-Unis), Case New Holland (CNH Global NV, Amsterdam, Pays-Bas) et AGCO (AGCO Corp., Duluth, Ga., États-Unis) de créer des modèles mondiaux permettant le partage de pièces et la réduction des coûts comme dans d'autres segments de transport. Cela signifie que les accords d'achat mondiaux sont moins courants, donc les fabricants, mouleurs et fournisseurs de matériaux doivent se qualifier dans chaque région où ils souhaitent vendre.

Une autre différence sur ce marché est que l'équipement agricole est conçu pour avoir une longue durée de vie. Les constructeurs automobiles ciblent aujourd'hui une durée de vie d'une décennie. Les fabricants de camions commerciaux testent et garantissent pour 482 803 kilomètres pour les véhicules de service sévère et 1,9 million de kilomètres pour les camions longue distance — ce dernier objectif pouvant être atteint en aussi peu que cinq ans — tandis que les bennes à ordures, malaxeurs à béton et similaires peuvent fonctionner pendant plusieurs décennies.

Cependant, même en Amérique du Nord, il n'est pas rare de voir de l'équipement agricole encore en service qui a 40, 50 ou 60 ans. Le marché de l'équipement d'occasion est très actif et, par conséquent, les machines agricoles sont conçues pour fonctionner longtemps. Cela est compliqué par le fait que la plupart de l'équipement agricole passe toute sa vie à l'extérieur, constamment exposé à la chaleur, au froid, au vent, à l'humidité et aux rayons UV tout en étant soumis à des impacts de pierres, gravier et poussière pendant le fonctionnement. Non seulement les matériaux utilisés sur un tel équipement doivent être résistants à la corrosion et aux bosses et avoir de bonnes caractéristiques de vieillissement, mais ils doivent aussi fournir une stabilité chimique et thermique.

Ces machines sont régulièrement exposées à tout, des carburants et lubrifiants hydrocarbures aux engrais et pesticides, dont beaucoup sont chlorés ou dispersés dans des bases lipidiques. Et comme les voitures et camions, la chaleur autour du compartiment moteur augmente en raison de nouvelles réglementations sur les émissions d'échappement. Ajoutez à cela le fait que les agriculteurs passent de longues journées enfermés dans les cabines de tracteurs, ce qui augmente la demande pour réduire le bruit, les vibrations et la dureté (NVH) et augmenter le confort de l'opérateur. En somme, c'est un cahier des charges exigeant pour n'importe quel groupe de matériaux.

Des volumes de production plus faibles, cependant, peuvent rendre les composites moins rentables que les matériaux traditionnels. À l'exception des petites tondeuses autoportées, qui peuvent être produites en volumes de type automobile de 350 000 par an, la plupart des équipements sont produits de l'ordre de quelques centaines aux faibles dizaines de milliers par an. C'est en partie parce qu'il y a beaucoup d'options de personnalisation disponibles dans le segment des nouvelles machines et en partie parce que certains des équipements les plus récents sont conçus en plus grandes tailles et avec de nouvelles fonctionnalités qui ajoutent du coût et de la complexité. Selon le type d'équipement et le modèle, cela peut être aussi cher que l'achat d'une nouvelle voiture ou même d'une nouvelle maison. En fait, l'investissement en capital élevé requis pour entrer et rester dans l'agriculture est devenu l'un des plus grands obstacles empêchant les nouveaux agriculteurs de se lancer dans l'industrie.

De plus, l'allègement que les composites offrent par rapport aux matériaux traditionnels peut être un avantage — mais la réduction de poids dans l'équipement agricole est un problème complexe. D'un côté, un poids de véhicule élevé peut entraîner un compactage du sol, qui freine la croissance des plantes. Dans certaines applications, comme les bras de rampes de pulvérisation utilisés pour appliquer l'eau et les produits chimiques aux champs, l'allègement est un réel avantage. Pour exploiter efficacement des champs de plus en plus grands, les bras de rampe sont devenus de plus en plus longs, réduisant le nombre de passages nécessaires pour couvrir un champ. Cependant, cela signifie à son tour que des structures de support plus grandes sont nécessaires pour empêcher les bras de s'affaisser sur de si longues portées — qui peuvent dépasser 15 mètres de chaque côté du véhicule. Les efforts pour réduire le poids — en passant de l'aluminium aux composites — peuvent fournir un réel avantage aux OEM et aux agriculteurs.

D'un autre côté, l'allègement n'est pas toujours bénéfique — surtout s'il impacte la stabilité du véhicule. Les moissonneuses-batteuses lourdes à l'avant, par exemple, ont besoin de poids à l'arrière du véhicule pour maintenir les roues arrière au sol pendant le fonctionnement. Donc, la distribution du poids est la clé pour assurer la sécurité et l'efficacité. Tous ces facteurs signifient que le poids est compliqué quand il s'agit d'équipement agricole, et sa réduction n'a pas du tout le buzz qu'elle a dans les camions, bus et véhicules de tourisme.

De nombreux matériaux, de nombreux procédés

Compte tenu de la gamme de tailles et de volumes de production vus dans l'équipement agricole — des tondeuses autoportées et tracteurs utilitaires compacts (CUT) aux presseuses et moissonneuses-batteuses — une variété de procédés à moule ouvert et fermé sont utilisés pour produire principalement des pièces composites thermodurcissables dans ce segment, bien que les thermoplastiques renforcés commencent à gagner du terrain dans des applications spécifiques. Étonnamment, l'un des matériaux les plus récents utilisés dans l'équipement agricole est le préimprégné époxy renforcé en fibres de carbone de grade aérospatial, durci en autoclave, pour les bras de rampes de pulvérisation. En aluminium ou acier, ces bras nécessitent tant de structure de support qu'il y a des limites pratiques à leur longueur. Cependant, en passant à des composites de fibres de carbone haute performance et légers, non seulement la structure de support peut être réduite ou éliminée, mais les rampes peuvent être faites plus longues. L'impression 3D gagne aussi du terrain dans ce segment — principalement pour les outils et dispositifs d'assemblage mais aussi pour produire certaines pièces sur les véhicules de production.

Alors que l'ajustement et la finition d'apparence, ainsi que la cohérence des pièces, deviennent plus importants pour les OEM et les clients, tant pour la différenciation de produit que pour le branding visuel, les fabricants d'équipement explorent les avantages bien connus des plastiques et composites pour faciliter la liberté de design, la consolidation de pièces et l'esthétique élevée. La couleur est un autre aspect bien utilisé du branding visuel dans ce segment via la peinture, le gel coat et le polymère pigmenté. En fait, certains OEM combinent différentes textures de peinture sur le même panneau de carrosserie (par exemple, stipple léger plus brillant) pour cacher les marques d'usure dans les zones d'usure tout en atteignant un aspect agréable. Un travail continu au sein de la base d'approvisionnement cherche des moyens d'étendre la durabilité des peintures et revêtements et d'éliminer les deux technologies en faveur de films et de matériaux moulés dans la couleur (MIC) avec une stabilité UV plus élevée.

Verdir les composites agricoles

La durabilité — des améliorations d'efficacité énergétique à l'utilisation de polymères recyclés et d'origine végétale — est tout aussi importante et souhaitable dans l'agriculture que dans d'autres segments de transport. Intéressant, les monomères d'origine biologique se sont avérés être une vente beaucoup plus facile ici que dans l'automobile. « Cela a juste du sens pour nos clients dans la communauté agricole », explique Jay Olson, gestionnaire ingénierie matériaux & technologie chez John Deere, ainsi que propriétaire de marque / président du conseil et officier au conseil de l'association PLASTICS Industry Association (Washington, DC, États-Unis). « Ils utilisent notre équipement pour cultiver le maïs et le soja et ensuite ces matières premières sont utilisées pour fabriquer des polymères qui sont moulés en composants pour de nouveaux équipements que nous produisons pour ces mêmes clients. »

Actuellement, les produits végétaux les plus couramment utilisés dans les composites agricoles thermodurcissables incluent le soja et le maïs qui entrent dans les résines polyester insaturées pour le sheet molding compound (SMC) et le bulk molding compound (BMC). Vers 2000, Ashland LLC (Columbus, Ohio, États-Unis) a introduit la résine polyester insaturée (UP) biosourcée Envirez 1807 aux composeurs qui, à leur tour, la convertissent en SMC et la vendent aux mouleurs pour des pièces qui vont sur le marché de l'équipement agricole — principalement pour les grands panneaux latéraux de moissonneuses-batteuses. La société affirme qu'Envirez était la première résine UP commercialement disponible contenant une portion significative (18 pour cent) de monomère dérivé du grain de maïs ou de soja. Le polymère est fourni non catalysé et offre une réponse d'épaississement uniforme, une bonne aptitude à la peinture et de bonnes caractéristiques de surface à basse température de durcissement en SMC. Il est aussi moins sujet aux fluctuations de prix que les polymères dérivés de matières premières pétrolières.

Un autre produit SMC vert qui élimine le coût et la charge environnementale de la peinture est une résine UP structural, résistante aux intempéries, utilisée d'abord pour les surfaces visibles sur les caisses de pick-up et maintenant présente sur les panneaux de post-traitement diesel (ATD) des tracteurs John Deere 8000. Arotran 805 est une qualité noire stable aux UV, moulée dans la couleur (MIC), développée conjointement par Ashland et le fournisseur d'additifs Chromaflo Technologies LLC (Ashtabula, Ohio, États-Unis) et moulée par compression par Ashley Industrial Molding (Ashley, Ind., États-Unis). Lorsqu'elle est composée en SMC et utilisée dans des applications comme les panneaux ATD, elle aide à maintenir l'esthétique à long terme, ce qui soutient des valeurs de revente plus élevées pour les tracteurs.

Une nouvelle génération de SMC ciblant l'équipement agricole ainsi que la construction/bâtiment et les marchés électrique/électronique a été introduite au salon CAMX 2018 par LyondellBasell Engineered Composites. « En tant qu'industrie, nous savons que les composites thermodurcissables ont des limites en matière de recyclage en fin de vie », explique Mike Gruskiewicz, directeur de la technologie pour la région États-Unis, LyondellBasell Engineered Composites. « Alors que nous continuons à travailler sur le recyclage, nous voyons de nombreux avantages à incorporer du contenu renouvelable et recyclé dans la fabrication de SMC, contribuant ainsi à l'économie circulaire au début du cycle de vie. En cherchant des solutions vertes, nous nous sommes fixés un objectif de zéro compromis en termes de performance, moulabilité et esthétique par rapport aux SMC à base de pétrole. »

La société propose deux nouveaux produits SMC durables, tous deux offrant une performance ignifuge. « La qualité Premi-Glas 7001 produit des profils de surface peignables de classe A, permettant aux capots de tracteurs d'atteindre une esthétique comparable aux belles automobiles, et ajoutant l'aspect ignifuge pour l'environnement agricole sévère, et Premi-Glas 3501 offre une couleur moulée et est destiné à des pièces telles que les boîtiers électriques, supports et carters, et composants de cabine », explique Gruskiewicz. De plus, 3501 incorpore du contenu thermoplastique recyclé pour renforcer son empreinte de durabilité. Dans les deux cas, le monomère propylène glycol de la résine est produit en utilisant soit du soja soit du maïs et est censé donner des propriétés identiques aux monomères créés à partir de produits pétroliers traditionnels. La qualité 3501 inclut du recyclat post-industriel (PIR) de polyéthylène téréphtalate (rPET), qui a été chimiquement digéré pour produire de l'acide téréphtalique puis réagi à nouveau dans la résine polyester. Bien qu'aucune application commerciale n'ait encore été annoncée, Gruskiewicz dit que la qualité 7001 est déjà échantillonnée pour les capots de tracteurs, portes de moissonneuses-batteuses et panneaux de carrosserie. « Un autre domaine passionnant pour le SMC implique les couvercles de soupapes pour gros moteurs diesel ainsi que les carters d'huile [bacs à huile] », ajoute-t-il. « Comparés à des pièces similaires sur les véhicules de tourisme qui ont converti du SMC aux thermoplastiques, nous voyons des conditions d'exploitation beaucoup plus sévères dans l'ag. Par exemple, sur les gros moteurs, des matériaux plus rigides sont requis en raison des grandes portées à travers ces unités plus grandes. »

Répondre aux charges d'écrasement

Un défi dans l'industrie de l'équipement agricole est que les composites doivent maintenir une performance mécanique sous des charges pouvant dépasser 9 000 kilogrammes. Par exemple, le mouleur de rang 1 Plastics Unlimited (Preston, Iowa, États-Unis) a développé une technologie de moulage appelée tooless engineered composites (TEC), qui a été utilisée pour produire des portes de 1,5 sur 2,1 mètres / portes d'extension de grain qui peuvent supporter des charges jusqu'à 9 072 kg, pour de grandes moissonneuses-batteuses avec des parois nominales de 6,4 à 12,7 millimètres d'épaisseur. TEC mélange l'esthétique élevée et la durabilité des thermoplastiques avec la résistance, la ténacité et la stabilité dimensionnelle des composites pour produire une structure avec une surface de classe A et un côté B contribuant à un rapport rigidité/poids élevé. Le côté A d'apparence est produit par thermoformage d'une feuille d'ABS MIC (moulé dans la couleur), qui devient ensuite l'outillage pour la moitié du côté B de la pièce, bien que pour ces structures plus grandes et plus complexes, un second outil composite soit utilisé pendant le processus de formage. Ce dernier est un composite sous vide produit en utilisant de la résine UP infusée dans des couches piquées de cœurs en fibres de verre hachées. Des supports métalliques ainsi que de grandes nervures (produites en mousse de polyuréthane rigide) peuvent être insérés dans le composite pendant le drapage.

Le résultat est une pièce stabilisée aux UV, résistante à la corrosion, offrant une flexibilité de design et une haute résistance à l'impact qui résiste à l'écaillage et à la fissuration à un coût raisonnable. Le côté A (couche thermoplastique) peut fournir une surface grainée ou brillante (celle-ci en couleurs unies ou transparente sur motifs, incluant métallique, chrome, bois, camouflage et même maille carbone). Cette couche thermoplastique offre une excellente profondeur d'image et est bien plus durable que le SMC peint ou gel-coaté, permettant de polir les rayures mineures de surface. Le côté B non-apparence (couche composite) est pigmenté et lisse. En plus des portes d'extension de grain haute performance sur les moissonneuses-batteuses, le processus TEC est aussi utilisé pour mouler des ailes, protections latérales, capots et enceintes avant et arrière pour une variété de véhicules récréatifs plus petits et d'équipements de type agricole.

Quel avenir pour l'équipement agricole ?

En 2016 au Farm Progress Show à Boone, Iowa, États-Unis, Case New Holland (CNH) a présenté les premiers concepts de tracteurs entièrement autonomes de l'industrie qui peuvent planter, pulvériser et récolter, et où les humains ne pilotent plus les véhicules depuis l'intérieur, mais contrôlent et surveillent l'équipement sans conducteur à distance via tablette pendant que le tracteur suit des routes de guidage pré-cartographiées. Équipés de caméras embarquées fournissant des vues en temps réel et d'une détection d'obstacles avancée, ces tracteurs-drones peuvent alerter les opérateurs d'obstacles et autres problèmes, permettant à l'opérateur de sélectionner la meilleure route pour éviter ou résoudre les problèmes. Le logiciel du système trace automatiquement le passage en champ le plus efficace pour aider les agriculteurs à tirer le meilleur parti des fenêtres météo étroites ou à travailler jour et nuit quand nécessaire pour augmenter la productivité, tout en collectant des données pour surveiller les cultures actuelles et mieux planifier les futures. CNH dit que cette technologie aidera les agriculteurs dans de nombreuses parties du monde qui luttent pour trouver de la main-d'œuvre qualifiée pendant les saisons de pointe d'utilisation. L'équipement intermédiaire comblera probablement les machines avec cabine et capacités de conduite traditionnelles et un certain niveau d'automatisation.

« L'agriculture n'a pas changé par rapport à ses objectifs fondamentaux de nourrir, alimenter et habiller le monde », ajoute Olson. « Cependant, la technologie — incluant tous les aspects de la biotechnologie et les matériaux nécessaires pour des solutions de systèmes intelligents — s'est accélérée pour relever les défis de productivité de nourrir une population en croissance rapide. Les agriculteurs ont toujours été les intendants de la terre, donc la durabilité des ressources naturelles est la clé de notre succès en tant qu'industrie, communauté et monde. »