Récolter les bénéfices :l'utilisation des composites se développe dans les équipements agricoles

Bien que ce ne soit pas le premier segment de transport que la plupart des gens considèrent comme un marché en croissance pour les composites, peut-être que le matériel agricole devrait l'être et, avec le temps, le sera. Après tout, à mesure que les populations humaines augmentent à travers la planète, davantage de ressources seront nécessaires pour faire pousser les plantes et le bétail pour nous nourrir. Malgré un siècle de guerres horribles et quelques fléaux internationaux importants, les populations humaines ont réussi à croître de 400 pour cent au cours du 20e siècle. La population mondiale d'aujourd'hui est de 7,6 milliards, et les Nations Unies (New York, N.Y., États-Unis) prévoient qu'un autre milliard sera ajouté d'ici 2030, encore un autre d'ici 2050, et que d'ici 2100, la population mondiale sera de 11,2 milliards. À mesure que l'agriculture se développe, le marché de l'équipement se développera également.

Actuellement, l'industrie des équipements agricoles est géographiquement fragmentée, avec seulement quelques OEM mondiaux construisant les volumes de production les plus élevés de l'industrie - et ces volumes sont généralement encore inférieurs à ceux de l'industrie des camions lourds. Cependant, une constellation de tendances - y compris le remembrement des terres dans les Amériques, des normes d'efficacité énergétique et d'émissions plus strictes pour les véhicules à moteur diesel dans de nombreuses zones géographiques, la question complexe de la réduction du poids, un intérêt accru pour l'utilisation de la différenciation de conception comme outil de marketing, et les changements dans la façon dont les équipementiers de machines intégrés en amont sont toujours dans les métaux - ont conduit à la conversion de composants plus nombreux et plus volumineux en composites à l'aide d'un éventail plus large de matériaux et de processus. À mesure que ces tendances gagnent du terrain, il n'est pas difficile d'imaginer un moment où les équipements agricoles pourraient devenir un marché majeur pour les composites.

Transport — mais différent

L'une des premières choses à comprendre sur le marché des équipements agricoles est sa taille mais sa fragmentation, et son impact sur le type d'équipement produit et utilisé dans chaque région.

« La région est un facteur intéressant sur ce marché », explique Deavron Farmer, responsable des grands comptes mondiaux/responsable du marché agricole, LyondellBasell Engineered Composites (Houston, Texas, États-Unis). « Grâce à la consolidation au cours des cinq dernières décennies, les plus grandes fermes des Amériques [en particulier aux États-Unis, au Canada, en Argentine et au Brésil] ont tendance à représenter des dizaines de milliers, voire des centaines de milliers d'acres, souvent avec des champs contigus. . Compte tenu de la taille de ces champs et de la tendance à la monoculture [planter des cultures uniques sur une immense superficie], l'équipement est devenu plus grand et plus modulaire afin que les agriculteurs puissent desservir efficacement des étendues de plus en plus grandes. Il ajoute que ce n'est pas nécessairement le cas en Europe, où les fermes sont restées plus petites et les équipements sont de taille appropriée.

En revanche, 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 des équipements comme un tracteur peuvent également servir de transport familial vers la ville », ajoute Farmer. « Bien que les agriculteurs là-bas puissent utiliser des équipements de style ancien, le changement s'intensifie si rapidement que les agriculteurs des pays en développement pourraient bien dépasser des générations entières d'équipements qui ont mis 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 des équipements agricoles, il existe moins d'opportunités pour les équipementiers mondiaux comme John Deere (Deere &Co., Moline, Ill., États-Unis), Case New Holland (CNH Global NV, Amsterdam, Pays-Bas) et AGCO (AGCO Corp., Duluth, Géorgie, États-Unis) pour créer des modèles mondiaux qui permettent le partage des pièces et la réduction des coûts comme cela se fait dans d'autres segments de transport. Cela signifie que les accords d'achat mondiaux sont moins courants, de sorte que les fabricants, les mouleurs et les fournisseurs de matériaux doivent se qualifier dans chaque région où ils souhaitent effectuer des ventes.

Une autre différence sur ce marché est que le matériel agricole est conçu pour avoir une longue durée de vie. Les constructeurs automobiles visent aujourd'hui une durée de vie d'une décennie. Les fabricants de camions commerciaux testent et garantissent 482 803 kilomètres pour les véhicules de service intensif 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 camions à benne basculante, les bétonnières et autres peuvent fonctionner pendant plusieurs décennies.

Cependant, même en Amérique du Nord, ce n'est rien de voir encore en usage du matériel agricole vieux de 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 des équipements agricoles passent toute leur vie à l'extérieur, constamment exposés à la chaleur, au froid, au vent, à l'humidité et aux rayons UV, tout en étant soumis à la pierre, au gravier et à la poussière pendant le fonctionnement. Non seulement les matériaux utilisés sur de tels équipements doivent être résistants à la corrosion et aux bosselures et avoir de bonnes caractéristiques de résistance aux intempéries, mais ils doivent également fournir une stabilité chimique et thermique.

Ces machines sont régulièrement exposées à tout, des carburants et lubrifiants hydrocarbonés aux engrais et pesticides, dont beaucoup sont chlorés ou dispersés dans des bases lipidiques. Et comme les voitures et les camions, la chaleur autour du compartiment moteur augmente en raison des nouvelles réglementations sur les émissions d'échappement. Ajoutez à cela le fait que les agriculteurs passent de longues journées enfermés dans les cabines des tracteurs, ce qui augmente la demande de réduction du bruit, des vibrations et de la dureté (NVH) et d'augmentation du confort de l'opérateur. Dans l'ensemble, c'est un défi de taille 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 à gazon autoportées, qui peuvent être produites en volumes similaires à ceux d'une voiture de 350 000 par an, la plupart des équipements sont produits de l'ordre de quelques centaines à quelques dizaines de milliers par an. C'est en partie parce qu'il existe de nombreuses options de personnalisation disponibles dans le segment des nouvelles machines et en partie parce que certains des équipements les plus récents sont conçus dans des tailles plus grandes et avec de nouvelles fonctionnalités qui ajoutent des coûts et de la complexité. Selon le type d'équipement et le modèle, cela peut être aussi coûteux 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 d'entrer dans l'industrie.

De plus, l'allègement offert par les composites par rapport aux matériaux traditionnels peut être un avantage, mais la réduction du poids des équipements agricoles est un problème complexe. D'une part, le poids élevé du véhicule peut entraîner un compactage du sol, ce qui retarde la croissance des plantes. Dans certaines applications, comme les bras de rampe de pulvérisation utilisés pour appliquer de l'eau et des produits chimiques aux champs, l'allègement est un réel avantage. Pour desservir efficacement des champs de plus en plus grands, les bras de flèche sont 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 visant à réduire le poids, en passant de l'aluminium aux composites, peuvent apporter de réels avantages aux équipementiers et aux agriculteurs.

D'un autre côté, l'allègement n'est pas toujours bénéfique, surtout s'il a un impact sur la stabilité du véhicule. Les moissonneuses-batteuses avant lourdes, par exemple, ont besoin de poids à l'arrière du véhicule pour maintenir les roues arrière au sol pendant le fonctionnement. Par conséquent, la distribution de poids est la clé pour assurer la sécurité et l'efficacité. Tous ces facteurs signifient que le poids est compliqué lorsqu'il s'agit de matériel agricole, et sa réduction n'a pas le même effet que dans les camions, les bus et les véhicules de tourisme.

De nombreux matériaux, de nombreux procédés

Compte tenu de la gamme de tailles et de volumes de production observés dans les équipements agricoles - des tondeuses à gazon autoportées et des tracteurs utilitaires compacts (CUT) aux écopes et aux moissonneuses-batteuses - une variété de procédés à moules ouverts et fermés 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 les équipements agricoles est le préimprégné époxyde de qualité aérospatiale et renforcé de fibres de carbone durci à l'autoclave pour les bras de rampe de pulvérisation. En aluminium ou en acier, ces bras nécessitent tellement de structure de support qu'il y a des limites pratiques à leur longueur. Cependant, en passant à des composites en fibre de carbone légers et hautes performances, non seulement la structure de support peut être réduite ou éliminée, mais les flèches peuvent être rallongées. L'impression 3D gagne également du terrain dans ce segment, principalement pour les outils et les montages d'assemblage, mais aussi pour produire certaines pièces sur des véhicules de production.

Alors que l'apparence et la finition, ainsi que la cohérence des pièces, deviennent de plus en plus importantes pour les équipementiers et les clients, à la fois pour la différenciation des produits et l'image de marque visuelle, les fabricants d'équipements explorent les avantages bien connus des plastiques et des composites pour faciliter la liberté de conception, la consolidation des pièces et esthétique. La couleur est un autre aspect bien utilisé de l'image de marque visuelle 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, un léger pointillé plus un brillant) pour masquer les éraflures dans les zones d'usure tout en obtenant un aspect agréable. Le travail en cours au sein de la base d'approvisionnement consiste à rechercher des moyens d'étendre la durabilité des peintures et des revêtements et d'éliminer les deux technologies en faveur des films et des matériaux moulés en couleur (MIC) avec une plus grande stabilité aux UV.

Écologisation des composites agricoles

La durabilité - des améliorations de l'efficacité énergétique à l'utilisation de polymères recyclés et dérivés de plantes - est tout aussi importante et souhaitable dans l'agriculture que dans d'autres segments du transport. Fait intéressant, les monomères biosourcés se sont avérés être beaucoup plus faciles à vendre ici que dans l'automobile. « Cela a du sens pour nos clients de la communauté agricole », explique Jay Olson, responsable de l'ingénierie et de la technologie des matériaux chez John Deere, ainsi que propriétaire de la marque/président du conseil et membre du conseil d'administration de la PLASTICS Industry Association (Washington, DC, NOUS). « Ils utilisent notre équipement pour cultiver du maïs et du soja, puis ces produits sont utilisés 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 comprennent le soja et le maïs qui entrent dans les résines de polyester insaturé pour le composé de moulage en feuille (SMC) et le composé de moulage en vrac (BMC). Vers 2000, Ashland LLC (Columbus, Ohio, États-Unis) a introduit la résine de polyester insaturé (UP) biosourcée Envirez 1807 aux préparateurs qui, à leur tour, la convertissent en SMC et la vendent aux mouleurs pour les pièces destinées au marché des équipements agricoles — principalement pour une utilisation dans les grands panneaux de paroi latérale de moissonneuse-batteuse. La société affirme qu'Envirez a été la première résine UP disponible dans le commerce contenant une partie importante (18 pour cent) de monomère dérivé du grain du maïs ou du soja. Le polymère est fourni non catalysé et est censé offrir une réponse d'épaississement uniforme, une bonne aptitude à la peinture et de bonnes caractéristiques de surface à basse température de durcissement dans le SMC. Il est également 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 structurelle résistante aux intempéries utilisée pour la première fois pour les surfaces visibles sur les caisses de ramassage et désormais présent sur les panneaux diesel de post-traitement (ATD) des tracteurs John Deere 8000. Arotran 805 est un grade de noir moulé en couleur (MIC) stable aux UV qui a été développé conjointement par Ashland et le fournisseur d'additifs Chromaflo Technologies LLC (Ashtabula, Ohio, États-Unis) et est moulé par compression par Ashley Industrial Molding (Ashley, Ind. , NOUS). Lorsqu'il est mélangé au SMC et utilisé dans des applications telles que les panneaux ATD, il aide à maintenir l'esthétique à long terme, ce qui contribue à soutenir des valeurs de revente plus élevées pour les tracteurs.

Un SMC de nouvelle génération destiné aux équipements agricoles ainsi qu'aux marchés du bâtiment/construction et de l'électricité/électronique a été présenté au salon CAMX 2018 par LyondellBasell Engineered Composites. « En tant qu'industrie, nous savons que les composites thermodurcissables ont des limites en ce qui concerne le recyclage en fin de vie », explique Mike Gruskiewicz, directeur de la technologie pour la région des 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 du SMC, contribuant ainsi à l'économie circulaire en amont du cycle de vie. Alors que nous commencions à rechercher des solutions vertes, nous nous sommes fixé un objectif de compromis zéro en termes de performances, de moulabilité et d'esthétique par rapport aux SMC à base de pétrole. »

La société propose deux nouveaux produits SMC durables, qui offrent tous deux des performances ignifuges. « Le grade Premi-Glas 7001 produit des profils de surface pouvant être peints de classe A, permettant aux capots de tracteur d'obtenir une esthétique comparable à celle des belles automobiles, et ajoutant l'aspect ignifuge pour l'environnement agricole sévère, et Premi-Glas 3501 offre une couleur moulée et est destiné pour les pièces telles que les boîtiers électriques, les supports et les boîtiers, et les composants de la cabine », explique Gruskiewicz. De plus, 3501 incorpore du contenu thermoplastique recyclé pour renforcer son empreinte de durabilité. Dans les deux cas, le monomère de propylène glycol de la résine est produit à partir de soja ou de maïs et aurait des propriétés identiques aux monomères créés à partir de produits pétroliers traditionnels. Le grade 3501 comprend du polyéthylène téréphtalate de recyclage post-industriel (PIR) (rPET), qui a été chimiquement digéré pour produire de l'acide téréphtalique, puis réagit dans la résine polyester. Bien qu'aucune application commerciale n'ait encore été annoncée, Gruskiewicz indique que le grade 7001 est déjà en cours d'échantillonnage pour les capots de tracteurs, les portes de moissonneuses-batteuses et les panneaux de carrosserie. « Un autre domaine passionnant pour SMC concerne les couvercles de soupapes pour les gros moteurs diesel ainsi que les carters d'huile [pans] », ajoute-t-il. « Par rapport à des pièces similaires sur des véhicules de tourisme qui sont passés du SMC au thermoplastique, nous constatons des conditions de fonctionnement beaucoup plus sévères en ag. Par exemple, sur les moteurs plus gros, des matériaux plus rigides sont nécessaires en raison des grandes portées de ces unités plus grandes. »

Réunion des charges de concassage

L'un des défis de l'industrie des équipements agricoles est que les composites doivent maintenir des performances mécaniques sous des charges pouvant dépasser 9 000 kilogrammes. Par exemple, le mouleur de niveau 1 Plastics Unlimited (Preston, Iowa, États-Unis) a développé une technologie de moulage appelée composites sans outil (TEC), qui a été utilisée pour produire des volets de porte/portes à prolongement supporter des charges jusqu'à 9 072 kg, pour les grandes moissonneuses-batteuses avec des parois nominales de 6,4 à 12,7 millimètres d'épaisseur. TEC allie l'esthétique et la durabilité élevées des thermoplastiques à 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 une rigidité et à un rapport résistance/poids élevés. L'aspect face A est produit par thermoformage d'une feuille de MIC acrylonitrile butadiène styrène (ABS), qui devient par la suite un outillage pour la moitié de la face B de la pièce, bien que pour ces structures plus grandes et plus complexes, un deuxième outil composite soit utilisé pendant le processus de formage. Ce dernier est un composite ensaché sous vide produit à l'aide de résine UP infusée dans des couches cousues de noyaux de fibres de verre hachées. Des supports métalliques ainsi que de grandes nervures (fabriquées en mousse de polyuréthane rigide) peuvent être insérés dans le composite pendant la pose.

Le résultat est une pièce stabilisée aux UV et résistante à la corrosion offrant une flexibilité de conception et une résistance aux chocs élevée qui résiste à l'écaillage et à la fissuration à un coût raisonnable. La face A (couche thermoplastique) peut fournir une surface grainée ou brillante (cette dernière dans des couleurs unies ou transparentes sur des motifs, qui incluent des motifs métalliques, chromés, bois, camouflage et même un maillage en carbone). Cette couche thermoplastique est censée offrir une excellente profondeur d'image et est beaucoup plus durable que le SMC peint ou enduit de gel, permettant de polir les rayures de surface mineures. La face B sans aspect (couche composite) est pigmentée et lisse. Outre les portes à extension de grain haute performance sur les moissonneuses-batteuses, le processus TEC est également utilisé pour mouler les ailes, les boucliers latéraux, les capots et les boîtiers avant et arrière pour une variété de petits véhicules récréatifs et d'équipements de type agricole.

Quel avenir pour le matériel 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 conduisent plus les véhicules à bord, mais contrôlent et surveillent plutôt l'équipement sans conducteur à distance via une tablette pendant que le tracteur parcourt des itinéraires de guidage pré-mappés. Équipés de caméras embarquées offrant des vues en temps réel et une détection avancée des obstacles, ces drones tracteurs peuvent alerter les opérateurs des obstacles et autres problèmes, permettant à l'opérateur de sélectionner le meilleur itinéraire pour éviter ou résoudre les problèmes. On dit que le logiciel du système trace automatiquement le passage au champ le plus efficace pour aider les agriculteurs à tirer le meilleur parti des fenêtres météorologiques étroites ou à travailler 24 heures sur 24 si nécessaire pour augmenter la productivité, tout en collectant des données pour surveiller les cultures en cours et mieux planifier les futures. CNH affirme que cette technologie aidera les agriculteurs de nombreuses régions du monde qui ont du mal à trouver de la main-d'œuvre qualifiée pendant les saisons de pointe. L'équipement intermédiaire combinera probablement des machines à cabine avec des capacités de conduite traditionnelles et un certain niveau d'automatisation.

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