複合材ブームアームが散布機のリーチを延長、効率を向上

北米、アルゼンチン、ブラジルなどの地域で隣接農地が統合により拡大し、特定地域で不耕起栽培が増加する中、農家はより長いブームアームを持つ散布システムを求めています。これにより、ますます大規模化する圃場をカバーするために必要なパス数を減らせます。これは土壌圧縮も減らし、生産性と作物収量を向上させます。

このニーズに応えて、皮肉にもコアビジネスが航空宇宙グレード炭素繊維強化プラスチック（CFRP）を使用した複合材ボート部品の製造だったKing Marine S.A.（スペイン・バレンシア）のアルゼンチン法人が、複合材専門知識を他市場に活かし、自走式散布装置用の新しい散布機ブームアームを開発しました。使用時、ブームアームは展開してトラクターのメイン軸に垂直に伸び、農家が液体化学薬品（殺虫剤、除草剤、肥料など）を作物に散布できるようにします。使用後は折り畳まれ、トラクター車体に沿って収納され、フェンス柱との絡まりを防ぎ、道路走行を可能にします。

ブームは長らく鋼で製造されてきましたが、長さが増すにつれ、ねじりと疲労荷重、フェンスや樹木、その他構造物との意図せぬ衝突でアームが曲がらないよう、より大きな支持構造が必要になりました（高疲労荷重がアルミニウムへの移行を妨げた理由です）。その結果、より長いブームとより大きな支持構造により、農家はより重い散布装置とより多くの液体を保持する大型タンクを搭載するためにより大型のトラクターを購入する必要がありました。しかし、一つの問題を解決することで、より重い装置が土壌圧縮を増加させ、結果として作物収量を減少させます。さらに、多くの農薬が金属を腐食させ、より長いブームには収納用により複雑な折り畳み機構が必要になります。最終的に、鋼製ブームは約36メートル（120フィート）左右という実用的限界に達しました。それでも市場、特に米州ではより長いブームを求めていました。

不況が機会をもたらす

2008年の世界金融危機は個人と企業の双方にとって壊滅的でした。20年の歴史を持つ家族経営のKing Marineは、スペイン・ピカセントとアルゼンチン・カンパナに製造施設を持ち、2008年、高性能ヨット向けCFRPコンポーネント、特にマストの製造で順調なビジネスを展開していました。

「そこから世界的な経済不況が始まり、高級マリン市場は大打撃を受けました」と、King Marineの欧州管理責任者兼内部監査役のNatalia Dacko氏は振り返ります。「売上が劇的に減少し、ボート建造を停止しました。炭素繊維複合材のエキスパートである技術者、エンジニア、スペシャリストの大規模スタッフを抱え、会社は危機的状況にありました。大きな疑問は『今、何をするか？』でした。」King Composite S.L.が非マリンCFRP用途を探索するために設立されました。

同社の懸念に対する予期せぬ解決策は、2009年に自社で農業散布システムを製造していたアルゼンチン人からもたらされました。彼は金属ブームを悩ませる問題にフラストレーションを感じていました。「ボームをより軽く、より長く、疲労フリー、耐食性、修理容易にしたいと彼は言いました」とDacko氏は回想します。King Compositeに農業機器経験はありませんでしたが、チームはCFRPプロトタイプを製作し、アルゼンチン企業が気に入り、King Compositeの農業機器OEMとの成長するビジネスの幕開けとなりました。King Compositesは後にKing Agro SLと改名されました。

複合材散布機ブームでのビジネスが成長するにつれ、King Agroは革新的で品質の高い製品で知られるようになりました。数年後、自社の散布機ブームで苦戦していた農業機器リーダーの目に留まりました。Deere & Co.（米国イリノイ州モリーン）のエンジニアリングチームメンバーが2015年にKing Agroと会い、機会について議論。間もなくKing AgroがJohn Deereブランド向けCFRPブームの製造・販売を開始しました。

新世代、新たな展開

「King Agroの設計と推奨、およびDeereが開発したものから始め、それらがかなり適用可能であることが分かりました」と、King AgroジェネラルマネージャーのPhillip Ferree氏。「まず、南米市場向けに信頼性と耐久性を改善する変更を行い、それらの製品を2015年に発売。同時に北米と欧州向け第2世代製品の設計を開始。現地規制を満たすため、耐久性と衝撃などで異なる機能性が必要で、金属仕様を複合材設計に変換する必要がありました。」それらの製品は2017年に商品化されました。

「初回会議で、北米と南米の散布機のさまざまな機能について3時間議論しました」と、Deere散布機製品エンジニアリングスーパーバイザーのThomas Bartlett氏は回想。「折り畳みパターンが異なるだけでなく（市場と規制によって20通りの折り畳み方法がある）、農業条件も異なります。ブラジルでは不耕起栽培。北米では限定的耕起で異なる農業慣行とより多くの規制。欧州はさらに違いがあり、農場がはるかに小さい。薬剤を一元管理しているため、散布機をデポに持ち込んで補充するのに対し、米州では薬剤を圃場まで持って行って補充します。」さらに、一部地域では配管がアーム内を通ってタンクからノズルへ液体を送りますが、他の場所ではアーム下部を配管が通っています。さらに別の課題はブームをどこまで延長するかで、ここやそこでもう1メートル延長しても必ずしも実用的な解決にはなりません。代わりに、エンジニアは各地域での作物の植え方と行間・株間距離を考慮する必要がありました。

ブームは複数の複合材チューブラー構造（角型断面）を特徴とし、特殊な「エンド」で接続され流体供給システムに接続されます。メイン構造に成形された特別に設計された機能により、油圧開閉と高圧下での流体輸送に必要な機能をコンポーネントに提供します。「油圧により、多くの必要機能を統合でき、全体としてよりシンプルな設計で物事を組み立てられました」とBartlett氏は付け加えます。Deereはブームの展開/収納を1分未満、ポンプ開始から2秒以内の流体供給を要求しています。

すべての複合材はエポキシマトリックスを使用し、真空バッグ・オートクレーブ硬化されます。コンポーネントがより高い強度またはより高い衝撃性を必要とするかに応じて、炭素繊維とガラス繊維の組み合わせを使用。炭素繊維の多くは24Kトウですが、外観層の綾織りクリアコート仕上げから単方向まで多様なフォーマットで使用されます。油圧が相互作用する接合部や場所では、より多くのプライを持つより重い構造が使用されます。モデルと市場に応じて、生産量は年間100〜1,000システム。King Agroは2017年、世界の自走式散布機総市場を年間14,000台と推定しています。

「このプログラムでは、ブームを40メートルまで延長しつつ、質量を30%削減することが目標でした。重量が非常に重要だからです」と、Deere複合材散布機ブーム設計エンジニアのJonathan Nelson氏。「機械の前や後に大きな質量をぶら下げると、慣性と戦うことになるため、前後アクスル間の荷重バランスが取りにくくなります。耐食性改善も望みましたが、炭素繊維の存在下での電食腐食も考慮する必要がありました。もう一つの要件は高い衝撃性で、何かにぶつからなかった散布機を見たことがありません。金属向けに開発された標準化試験を引き継ぎ、数百サイクルフェンス柱にブームを衝突させる試験を行いました。」作業荷重と部品疲労は驚くほど高く、装置は時速24-30km（15-19mph）で走行し、配管は276-414kPa（40-60psi）の散布圧力を受けます。

より軽く、より良く、より速く

3年間の協力が実を結び、2018年にDeereがKing Agroを買収。King Agroは現在も自社施設でブームを製造し、アイオワ州デモインとオランダ・ホルストのJohn Deere工場へ最終組立用に出荷しています。取引ではKing Agroがブランド名、商標、商業関係を維持できると報じられています。

複合材への転換により、ブームは36メートル（120フィート）を超えて40メートル（132フィート）まで延長可能になりました。鋼と比較して、CFRPは6倍強く、5.5倍軽量、より高い衝撃性を提供し、腐食しません。軽量ブームは燃費向上、メンテナンス低減、作業幅拡大、耐用年数延長、運用コスト低減、機械通路減少による収穫量増加で効率向上をもたらします。もう一つのメリットは修理容易性です。「ディーラーが大破損を受け、コンポーネントを半分に切り、レジンを追加し、クランプして硬化させれば復帰できます」とNelson氏は付け加えます。「実際、鋼溶接より修理が容易です。」

「最高の部分は顧客メリットです」とBartlett氏。「炭素繊維製品により、彼らはより生産的になれます。重量ペナルティなしでより広くカバーし、より多くのエーカーをカバーし、土壌圧縮を減らし、地圧低減が収量にプラスの影響を与えます。」

Ferree氏も同意します。「設計観点から、複合材は現在の材料ではできなかったことを可能にします。それらは構造的・幅の限界に達していました。鋼製品からプレミアムCFRP製品への確実な移行を達成しました。特に米州では、より高い生産性、このセグメントではより広い幅をもたらすからです。より軽く広いブームは、より小型で低コストなトラクターに搭載可能。または、同じ質量を維持しながら、与えられたトラクターでより多くの液体を運搬可能。どちらにしても、前後アクスル間の荷重バランスが改善され、重心が機械の中心に近づき、オペレーターの乗り心地が向上します。」

「炭素繊維の他製品への応用も見込んでいます」と、Deere農業・芝生作物ケアプラットフォーム担当副社長Aaron Wetzel氏。「今後数年で、軽量かつ鋼より強い能力が、顧客向け製品にさらなる価値を加える追加機会を探ります。」