複合材料が農業機械に革命をもたらす

複合材の成長市場として真っ先に思い浮かぶ輸送分野ではないかもしれませんが、農業機械こそが今後、主要市場になる可能性があります。世界人口の増加に伴い、植物と家畜を育てるためにより多くの資源が必要になるからです。20世紀には凄惨な戦争や大規模なパンデミックがあったにもかかわらず、世界人口は400%増加しました。現在の世界人口は76億人、国連（ニューヨーク、米国）は2030年までにさらに10億人、2050年までにさらに10億人増え、2100年には112億人に達すると予測しています。農業が拡大すれば、機械市場も成長します。

輸送機器だが、他とは異なる

農業機械市場の第一の特徴は、その巨大さと断片化、そしてそれが各地域の生産・使用機器にどう影響するかです。

「地域性はこの市場で興味深い要素です」と、リヨンデルバセル・エンジニアード・コンポジッツ（テキサス州ヒューストン、米国）グローバルキーウォンタマネージャー/農業市場マネージャーのデブロン・ファーマー氏は説明します。「過去50年間の統合により、米州（特に米国、カナダ、アルゼンチン、ブラジル）の最大農場は数万〜数十万エーカー規模で、多くが隣接した農地です。これらの広大な農地と単一作物栽培（モノクロッピング）の傾向を考慮すると、農家がますます広い土地を効率的に耕作できるよう、機械は大型化・モジュール化しています。」一方、ヨーロッパでは農場が小規模なままのため、機械も適切なサイズに留まっています。

発展途上国では別のドライバーが働きます。「コストはどこでも課題ですが、発展途上地域では特に敏感です。トラクターが家族の町への移動手段も兼ねるからです」とファーマー氏は付け加えます。「古いタイプの機械を使用しているかもしれませんが、変化は急速に進んでおり、発展途上国の農家は、他の地域で数十年かけて進化した機械世代を一気に飛び越える可能性があります。コンシューマーエレクトロニクスで起きたのと同じ現象です。」地理的に断片化した市場であるため、ジョンディア（米国イリノイ州モリーン）、ケース・ニューホランド（オランダ、アムステルダム）、AGCO（米国ジョージア州ダルース）といったグローバルOEMが、他の輸送セグメントのようにワールドモデルを作り部品共有・コスト削減を図る機会は少なく、グローバル購買契約も一般的ではありません。したがって、メーカー、成形業者、材料サプライヤーは販売を希望する各地域で個別に認定を取得する必要があります。

もう一つの違いは、農業機械は長寿命設計であることです。乗用車メーカーは10年程度の使用寿命を目標とします。商用トラックメーカーは、過酷条件車で48万km、長距離トラックで190万kmの試験・保証を行います（後者は最短5年で達成可能）。ダンプトラックやコンクリートミキサーは数十年稼働することもあります。

しかし北米でも、40〜60年前の農業機械が現役で使われているのは珍しくありません。中古機械市場が非常に活発なため、農業機械は長期間の運用を前提に設計されています。それが、ほとんどの農業機械が一生を屋外で過ごし、熱・寒冷・風・湿気・紫外線に常時さらされ、運転中は石・砂利・粉塵の衝撃を受けるという事実によって複雑化します。このような機器に使用される材料は、耐食性・耐歪性・耐候性に優れ、化学的・熱的安定性も提供しなければなりません。

これらの機械は、炭化水素燃料・潤滑油から肥料・農薬（多くは塩素系や脂質ベースで分散）まであらゆる物質に日常的にさらされます。また、新しい排ガス規制によりエンジンルーム周辺の熱も上昇しています。さらに、農家が長時間トラクターのキャビンに閉じ込められるため、騒音・振動・ハーシュネス（NVH）低減と操作快適性向上への要求が高まっています。あらゆる材料群にとって、これは非常に厳しい要求です。

生産量が少ないため、複合材が従来材料よりコスト効率で劣る場合があります。小型乗用芝刈り機（年間35万台規模の自動車並み生産量）を除き、ほとんどの機械は年間数百台〜数万台オーダーです。新機械セグメントには多くのカスタマイズオプションがあり、最新機械の大型化・新機能追加がコストと複雑さを増しています。機器タイプとモデルによりますが、新車や新築住宅並みの高額投資になることもあります。実際、農業参入・継続に必要な高額資本投資は、新規就農者を阻む最大の障壁の一つになっています。

また、複合材が従来材料より軽量化を提供できることはメリットですが、農業機械における軽量化は複雑な問題です。一方で、車体重量が大きいと土壌圧縮を招き、植物生育を阻害します。散布ブームアーム（水や薬剤を散布するアーム）のような用途では軽量化が実質的なメリットになります。広大な農地を効率的にカバーするためブームアームは長大化しており、片側15mを超えることもあります。これに対応するためにより大型の支持構造が必要になりますが、アルミニウムから複合材への切り替えによる軽量化はOEMと農家に実質的なメリットをもたらします。

他方、軽量化が常に有益とは限りません。特に車両安定性に影響する場合です。前部重いコンバインなどは、作業中に後輪を地面に接地させるため車両後部に重量が必要です。したがって、重量の「配分」が安全性と効率を確保する鍵となります。これらすべての要因により、農業機械における重量問題は複雑であり、トラック・バス・乗用車のような軽量化のバズワードにはなっていません。

多様な材料、多様なプロセス

乗用芝刈り機やコンパクトユーティリティトラクター（CUT）からベーラー、コンバインまで、農業機械のサイズと生産量の幅を考慮すると、様々なオープンモールド・クローズドモールドプロセスが使用され、主に熱硬化性複合材部品が製造されていますが、強化熱可塑性樹脂も特定用途で採用が始まっています。驚くべきことに、農業機械で使用されている最新材料の一つは、航空宇宙グレードのオートクレーブ硬化炭素繊維強化エポキシプリプレグで、散布ブームアームに用いられています。アルミや鋼では、これらのアームに必要な支持構造が大きすぎて実用的な長さに限界がありました。しかし、高性能・軽量な炭素繊維複合材への転換により、支持構造を削減・排除できるだけでなく、ブームをより長くできます。3Dプリンティングもこの分野で普及しつつあります。主に工具・組立治具向けですが、量産車両の一部部品製造にも使われ始めています。

外観のフィット・フィニッシュ、部品一貫性がOEMと顧客にとって製品差別化とビジュアルブランディングの観点から重要になるにつれ、プラスチックと複合材の設計自由度、部品統合、高い審美性という利点を活用しようとする動きが強まっています。色もこのセグメントで塗装、ゲルコート、着色ポリマーを通じてビジュアルブランディングに広く活用されています。実は一部OEMは、同じボディパネル上で異なる塗装テクスチャ（軽いステッピングと光沢など）を組み合わせ、摩耗部位の擦り傷を隠しつつ美観を維持しています。サプライチェーンでは、塗装・コーティングの耐久性向上と、より高いUV安定性を持つフィルムや成形着色（MIC）材料への置き換えによる両技術の排除に向けた取り組みが継続されています。

農業複合材のグリーン化

燃費向上からリサイクル・植物由来ポリマーの使用まで、サステナビリティは農業でも他の輸送セグメントと同様に重要かつ望ましいです。興味深いことに、バイオベースモノマーは自動車よりも農業機械で受け入れやすかったようです。「農業コミュニティの顧客にとっては、ごく自然なことだからです」と、ジョンディアの材料工学・技術マネージャーであり、PLASTICS産業協会（ワシントンDC、米国）ブランドオーナー/評議会議長/役員でもあるジェイ・オルソン氏は説明します。「彼らは我々の機械でトウモロコシと大豆を育て、それらの商品がポリマー原料となり、我々が同じ顧客向けに生産する新しい機械の部品に成形されるのです。」

現在、熱硬化性農業複合材で最も一般的な植物由来製品は、不飽和ポリエステル樹脂（SMC、BMC用）に使用される大豆とトウモロコシです。2000年頃、アシュランドLLC（オハイオ州コロンバス、米国）がEnvirez 1807バイオベース不飽和ポリエステル（UP）樹脂をコンパウンダーに導入し、SMCにコンパウンドされ、農業機械市場向け部品（主に大型コンバイン側壁パネル）に成形されました。同社によれば、Envirezはトウモロコシまたは大豆由来の単量体をかなりの割合（18%）含む最初の市販UP樹脂です。このポリマーは非触媒供給され、SMCにおいて低硬化温度で均一な増粘反応、良好な塗装性、良好な表面特性を提供するとされます。また、石油原料由来ポリマーより価格変動に強いとされています。

塗装のコストと環境負荷を排除するもう一つのグリーンSMC製品は、耐候性構造用UP樹脂で、当初はピックアップトラック荷台の可視表面に使用され、現在はジョンディア8000シリーズトラクターのアフタートリートメントディーゼル（ATD）パネルに採用されています。Arotran 805は、アシュランドと添加剤サプライヤーのクロマフロテクノロジーズLLC（オハイオ州アシュタビュラ、米国）が共同開発したUV安定・成形着色（MIC）ブラックグレードで、アシュレーインダストリアルモールディング（インディアナ州アシュレー、米国）が圧縮成形しています。SMCにコンパウンドされATDパネル等に使用されることで、長期的な美観維持を助け、トラクターのリセールバリュー向上を支援します。

2018年CAMXショーで、リヨンデルバセル・エンジニアード・コンポジッツが農業機械、建設、電気・電子市場向けの新世代SMCを発表しました。「業界として、熱硬化性複合材にはエンドオブライフリサイクルの面で限界があることは承知しています」と、同社米国地域技術ディレクターのマイク・グルスキエビッツ氏は説明します。「リサイクルに取り組み続ける一方で、SMC製造に再生可能・リサイクル原料を取り入れることで、ライフサイクルのフロントエンドで循環経済に貢献できる多くのメリットを見出しています。グリーンソリューションを探し始めた際、石油ベースSMCと比較して性能、成形性、美観のいずれにおいても妥協ゼロを目標に設定しました。」

同社は2つの新しいサステナブルSMC製品を提供しており、両方とも難燃性能を備えています。「Premi-Glas 7001グレードはクラスA塗装可能な表面プロファイルを生み出し、トラクターフードを高級車並みの美観に仕上げられ、過酷な農業環境向けの難燃性を付与。Premi-Glas 3501は成形着色で、電気ボックス、ブラケット、ハウジング、キャビン部品などの部品向けです」とグルスキエビッツ氏は説明します。さらに、3501はリサイクル熱可塑性原料を含有し、サステナビリティフットプリントを強化しています。両グレードとも、樹脂のプロピレングリコールモノマーは大豆またはトウモロコシ由来で、従来の石油由来モノマーと同等の特性を発揮するとされます。3501グレードには、ポストインダストリアルリサイクレート（PIR）ポリエチレンテレフタレート（rPET）が含まれ、化学的に消化されテレフタル酸を生成し、再びポリエステル樹脂に反応させています。商用採用例はまだ発表されていませんが、7001グレードはすでにトラクターフード、コンバインドア、ボディパネル向けにサンプリングされています。「大型ディーゼルエンジンのバルブカバーやオイルサンプ（オイルパン）もSMCの新たな有望分野です」と同氏は付け加えます。「乗用車ではSMCから熱可塑性へ転換した類似部品もありますが、農業でははるかに過酷な運用条件です。例えば大型エンジンでは、ユニット間スパンが大きいためより剛性の高い材料が必要です。」

9,000kgを超える破砕荷重への対応

農業機械業界の課題の一つは、複合材が9,000kgを超える荷重下で機械的性能を維持しなければならないことです。例えば、Tier-1モールダーのプラスチックス・アンリミテッド（アイオワ州プレストン、米国）は、ツールレス・エンジニアード・コンポジッツ（TEC）と呼ばれる成形技術を開発し、公称壁厚6.4〜12.7mmで最大9,072kgの荷重を支える1.5m×2.1mのドアフラップ/グレイン延長ドアを大型コンバイン向けに製造しています。TECは、熱可塑性の高い美観と耐久性、複合材の強度・靭性・寸法安定性を融合し、クラスA表面と高剛性・高強度重量比を寄与するB面を持つ構造を生み出します。外観A面は、成形着色（MIC）アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ABS）シートを熱成形して作られ、これがB面の半分の工具となりますが、これらより大型・複雑な構造では、第2の複合工具が成形プロセス中に使用されます。後者は、UP樹脂をステッチドチョップドガラス繊維コア層に含浸させて真空バッグ成形した複合材です。金属ブラケットや大型リブ（硬質ポリウレタンフォーム製）も積層中に複合材へ挿入できます。

結果として、UV安定・耐食性・設計柔軟性・高衝撃強度を備え、チッピングとクラッキングに強く、適正コストの部品が得られます。A面（熱可塑性層）は、木目調や光沢面（単色、クリアオーバーパターン、メタリック、クローム、ウッド、迷彩、カーボンメッシュ等）を提供できます。この熱可塑性層は優れた像の深みを提供し、塗装やゲルコートSMCよりはるかに耐久性が高く、微細な表面傷はバフ研磨で除去可能です。非外観B面（複合材層）は着色され滑らかです。コンバイン用高性能グレイン延長ドアのほか、TECプロセスはフェンダー、サイドシールド、フード、小型レクリエーション車両および農業用機器の前後エンクロージャにも使用されています。

農業機械の未来：自律化とデータ活用

2016年、アイオワ州ボーンのファーム・プログレス・ショーで、ケース・ニューホランド（CNH）が業界初の完全自律トラクターコンセプトを披露しました。播種、散布、収穫が可能で、人間が車上で操作するのではなく、タブレットで遠隔操作・監視し、トラクターが事前マッピングされた誘導ルートを走行します。車載カメラによるリアルタイム映像と高度な障害物検知を備え、障害物や問題を運転者に警告し、最適なルート選択を可能にします。システムソフトウェアは、最も効率的な圃場内パスを自動的にプロットし、狭い天候ウィンドウの最大活用や、必要に応じた24時間作業による生産性向上を支援し、現在の作物監視と将来の計画改善のためのデータ収集も行います。CNHはこの技術が、繁忙期に熟練労働者不足に悩む世界中の農家を助けると述べています。中間段階の機械では、従来の運転機能を持つ有人キャビン機と何らかの自動化レベルが組み合わされるでしょう。

「農業の根本的目標である『食料・燃料・衣料で世界を支える』ことは変わらない」とオルソン氏は付け加えます。「しかし、バイオテクノロジーのあらゆる側面や、インテリジェントシステムソリューションに必要な材料など、テクノロジーが急速に進化し、急増する人口を養う生産性課題に対応しています。農家は常に土地の管理者であり、天然資源の持続可能性が業界、コミュニティ、世界としての成功の鍵です。」