211service.com
Een praktische weg naar lichtgewicht auto's
De auto is het bepalende technologische artefact van de twintigste eeuw. Zijn vertrouwdheid logenstraft echter zijn complexiteit. Het is geen sinecure om een auto te ontwerpen die snel en krachtig is, maar toch comfortabel en veilig, en toch betaalbaar. Rekening houden met een paar andere beperkingen - duurzaamheid, gemakkelijke reparatie, genoeg ruimte voor een paar kinderen en de hond van het gezin, en een ruime stroomvoorziening voor de elektrische ramen, airconditioning, cd-speler en verwarmde stoelen - en de uitdaging wordt duidelijk . Juist omdat de auto een integraal onderdeel van ons leven is geworden, stellen de verwachtingen van de consument een reeks formidabele en vaak tegenstrijdige ontwerpdoelstellingen vast.
In de afgelopen 25 jaar hebben autofabrikanten te maken gehad met toenemende druk om ook milieudoelstellingen in hun ontwerpen op te nemen. Met name consumenten en de federale overheid hebben aangedrongen op verbeteringen in het brandstofverbruik als een manier om olie te besparen en vervuiling te beheersen. De auto-industrie heeft gereageerd: het benzineverbruik van de gemiddelde nieuwe auto is tussen 1974 en 1995 gestegen van 14,2 naar 48,2 mijl per gallon.
Nu neemt de publieke druk om het brandstofverbruik te verbeteren weer toe, deels vanwege bezorgdheid over het vooruitzicht van wereldwijde klimaatverandering. (Auto's zijn verantwoordelijk voor ongeveer een kwart van de CO2-uitstoot, een belangrijke bijdrage aan het broeikaseffect.) De sleutel tot het verbeteren van het brandstofverbruik van een voertuig is gewichtsvermindering: hoe kleiner een voertuig, hoe minder vermogen het nodig heeft om te accelereren en hoe minder energie om een vaste snelheid aan te houden. Traditioneel heeft de auto-industrie het gewicht voornamelijk verminderd door inkrimping, een strategie die erin is geslaagd het gewicht van een typische auto in de afgelopen 20 jaar te verminderen van 3.500 pond naar 2.500 pond. Vandaag heeft die strategie zijn grenzen bereikt. Aanzienlijke verbeteringen zijn alleen mogelijk door een nieuwe aanpak: de carrosserie van lichtgewicht materialen maken in plaats van koolstofstaal.
Hoewel de carrosserie slechts ongeveer een derde van het gewicht van een auto uitmaakt, is het verminderen van het gewicht van de carrosserie een absolute voorwaarde voor de lichtgewicht, zuinige auto. Een auto met een lichtere carrosserie kan een lichtere motor, een minder massieve ophanging en een minder uitgebreide structuur gebruiken. Deze secundaire gewichtsbesparingen kunnen de voordelen ruwweg verdubbelen: voor elke 10 pond die wordt bespaard door het gewicht van de carrosserie te verminderen, kan nog eens 10 pond worden bespaard door andere delen van de auto te verkleinen.
Bovendien zijn veel nieuwe technologieën die zijn ontworpen om het brandstofverbruik te verbeteren alleen haalbaar voor auto's die aanzienlijk lichter zijn dan die van vandaag. Automotoren moeten bijvoorbeeld een evenwicht vinden tussen efficiëntie (energie per afgelegde afstand) en vermogen (de kracht die nodig is om de auto te versnellen). Zeer efficiënte verbrandingsmotoren, elektrische motoren of hybride motoren die de twee combineren, zijn allemaal veel minder krachtig dan conventionele motoren en zullen alleen een vergelijkbaar prestatieniveau bereiken met een veel lichter voertuig. Het verminderen van de massa van het lichaam is essentieel voor het creëren van een synergie tussen lichtgewicht en nieuwe motortechnologieën.
In 1993 suggereerde een zeer invloedrijk artikel van energieanalist Amory Lovins van het Rocky Mountain Institute dat grote autofabrikanten (of iemand anders met het lef) bestaande materialen en technologieën zouden kunnen gebruiken om een ultralichtgewicht, zeer zuinig voertuig te produceren. De supercar die hij voor ogen had, zou lichtgewicht plastic, geautomatiseerde besturing en een hybride krachtbron bevatten - een aandrijfsysteem dat een traditionele warmtemotor en een elektromotor zou combineren, zoals een moderne locomotief. Het zou ongeveer 1.000 pond wegen en meer dan 240 mijl per gallon halen, maar het zou de veiligheids- en gemakskenmerken van de hedendaagse auto behouden.
Lovins wees er terecht op dat de materialen en technologieën die een supercar mogelijk zouden maken fundamenteel onverenigbaar zijn met de ontwerp-, fabricage- en organisatorische processen waarrond de auto-industrie is gestructureerd. Hij betoogde daarom dat alleen een revolutie in de industrie tot een supercar zou leiden; inspanningen om het brandstofverbruik en de prestaties te verbeteren door de stapsgewijze invoering van nieuwe materialen en technologieën zouden te veel kosten en te weinig opleveren.
Het supercar-concept trok veel aandacht van milieuactivisten, leiders in de auto-industrie en beleidsmakers en hielp zelfs een ongewone alliantie te inspireren, hoewel de doelen ervan enigszins achterblijven bij die van Lovins. In 1994 hebben Amerikaanse autobedrijven en de federale overheid hun krachten gebundeld om het programma voor een nieuwe generatie voertuigen te lanceren, een agressief onderzoeks- en ontwikkelingsproject dat tot doel heeft een auto te produceren die voldoet aan een brandstofverbruiksnorm die drie keer zo hoog is als de huidige 47,5 mijl. per gallon en dat biedt de prestaties en het gemak van een conventionele auto - voor dezelfde prijs. Door de middelen van de nationale laboratoria en de grote Amerikaanse autofabrikanten te combineren, hopen PNGV-onderzoekers binnen 10 jaar een prototype van een voertuig te ontwikkelen en dit binnen 20 jaar in massaproductie en op de markt te brengen.
De vraag is niet of er een ultralicht voertuig kan worden gebouwd dat revolutionaire verbeteringen in het brandstofverbruik biedt. Autofabrikanten weten al dat het kan. De vraag is of zo'n auto betaalbaar kan worden gemaakt en welke veranderingen in de auto-industrie nodig zijn om dat doel dichterbij te brengen. Vooral autofabrikanten en voorstanders van supercars debatteren over de kosten en baten van twee klassen materialen die kunnen dienen als lichtgewicht vervangers voor staal in carrosserieën: aluminium, dat kan worden toegepast met slechts stapsgewijze veranderingen in de ontwerp- en fabricageprocessen van de industrie; en kunststoffen, wat niet kan.
De plussen en minnen van aluminium
Aluminium, een licht metaal dat 45 procent zo dicht is als conventioneel staal, wordt al vele jaren gebruikt als een belangrijk constructiemateriaal in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Hoewel het duur is - aluminium plaat wordt verkocht voor ongeveer $ 1,50 per pond, vergeleken met ongeveer 30 cent per pond voor staalplaat - onderzoekers in de auto-industrie zijn begonnen met het onderzoeken van de mogelijkheid om aluminium te vervangen door staal in voertuigcarrosserieën.
Een van de belangrijkste voordelen van overstappen op aluminium, vergeleken met andere lichtgewicht materialen, is dat het kan worden gevormd met behulp van veel van de technieken die al zijn toegepast bij het maken van auto's van staal. Zo kon de industrie veel van haar bestaande apparatuur blijven gebruiken. En ontwerpen voor aluminium verschilt niet drastisch van ontwerpen voor staal - een belangrijk voordeel in een industrie waar ingenieurs terughoudend zijn om te experimenteren met relatief onbeproefde materialen.
Het feit dat autocarrosserieën tegenwoordig niet grotendeels van aluminium zijn, suggereert natuurlijk dat het materiaal ook nadelen heeft. Behalve dat het duurder is dan staal, is aluminium slechts ongeveer een derde zo stijf - een cruciale beperking bij het ontwerp van autocarrosserieën. De stijfheid kan enigszins worden verhoogd door de geometrie van het ontwerp te veranderen (gebogen vormen zijn stijver dan platte), maar dit is problematisch in een branche waar vorm en stijl belangrijke verkoopconcepten zijn. Een eenvoudigere oplossing is om platte aluminium carrosseriepanelen - spatborden, motorkappen en deuren - dikker te maken dan stalen panelen om ervoor te zorgen dat ze even goed presteren. Dit brengt echter hogere materiaalkosten met zich mee en compenseert het gewichtsvoordeel enigszins.
Een ander probleem is de hoge elektrische geleidbaarheid van aluminium, wat puntlassen moeilijk maakt. Puntlassen is de standaardmethode voor het assembleren van stalen autocarrosserieën. De twee delen die worden samengevoegd, worden tussen twee elektroden geklemd en elektrische stroom wordt toegepast, waardoor de twee delen op het contactpunt worden verwarmd, wat leidt tot diffusiebinding. (Het metaal smelt niet echt, omdat dit de prestaties van het materiaal zou verminderen en zou leiden tot corrosie en defecten aan onderdelen.)
Omdat aluminium warmte beter geleidt dan staal, is er veel meer elektriciteit en grotere elektroden nodig om het metaal heet genoeg te maken om te hechten. En omdat de elektroden langer in contact blijven met het aluminium terwijl de stroom wordt aangelegd, is de kans groter dat aluminiumatomen in de elektrode diffunderen, waardoor de levensduur wordt verkort. Aluminium voertuigen zullen daarom waarschijnlijk afhankelijk zijn van alternatieve montagetechnieken, waaronder naadlassen (waarbij een strook gesmolten metaal min of meer als lijm wordt aangebracht), lijmen en mechanische bevestigingsmiddelen.
Unibody versus Space Frame
De uitdaging voor de auto-industrie is hoe een aluminium auto te ontwerpen om de voordelen van het materiaal te benutten en de nadelen te minimaliseren. Er zijn twee concurrerende mogelijkheden: een unibody, een afkorting voor unitized body, het ontwerp dat wordt gebruikt voor stalen auto's; of een ruimteframe-ontwerp, in wezen een grote spantstructuur bedekt met een dunne huid.
Bij een unibody worden de carrosseriepanelen van het voertuig samengevoegd tot een schaalstructuur. Hierdoor wordt efficiënt gebruik gemaakt van de hoge stijfheid van de carrosseriepanelen. Hoewel aluminium niet zo stijf is als staal, zal het unibody-ontwerp goed werken met dit materiaal als de panelen dik genoeg zijn gemaakt en de juiste verbindingstechnieken worden gebruikt.
Het unibody-ontwerp brengt echter twee gerelateerde problemen met zich mee. Ten eerste is het relatief moeilijk (en daarom duur) om complexe oppervlakken, zoals uitsnijdingen of ingewikkelde rondingen, te maken van relatief stijve metalen carrosseriepanelen. Als ontwerpers dit probleem proberen te omzeilen door materialen te gebruiken die gemakkelijker te vormen zijn, ontstaat het tweede probleem: omdat de unibody het grootste deel van zijn structurele prestaties ontleent aan de manier waarop de onderdelen zijn bevestigd, moeten die onderdelen zijn samengesteld uit materialen die gemakkelijk kunnen worden samengevoegd . Zonder een goedkope manier om twee ongelijke materialen aan elkaar te bevestigen, vereist het unibody-ontwerp in wezen dat de autofabrikant auto's maakt met behulp van één enkele materiaalklasse.
Als reactie op deze bezwaren onderzoeken ontwerpers het ruimteframe. In dit ontwerp is de voertuigstructuur in feite samengesteld uit een rooster van metalen rails, vergelijkbaar met een brugtruss. Het voertuig vertrouwt niet op carrosseriepanelen voor structurele prestaties en kan in feite worden bestuurd zonder dat er panelen zijn bevestigd. Dit ontwerp werkt niet goed voor staal, deels omdat complexe stalen rails niet zo veel gemakkelijker te maken zijn dan complexe stalen carrosseriepanelen. Tegenwoordig is de consensus onder autofabrikanten dat de unibody de meest efficiënte manier is om een massamarktvoertuig van staal te maken.
Het spaceframe krijgt echter hernieuwde aandacht van ontwerpers die met alternatieve materialen werken, met name aluminium. Het is gemakkelijker om complexe rails van aluminium te maken dan van staal, omdat aluminium, in tegenstelling tot staal, kan worden geëxtrudeerd tot complexe buisvormen, in een proces dat vergelijkbaar is met het maken van pasta. Deze geëxtrudeerde, holle rails kunnen veel stijver zijn dan massieve staven van hetzelfde gewicht. Extrusie is gemakkelijk aan te passen aan massaproductie; het wordt al op grote schaal gebruikt om constructievormen zoals raamkozijnen en buizen te vervaardigen. Er zijn verschillende ontwerpen voor aluminium space-frame voertuigen ontwikkeld, elk met verschillende combinaties van extrusies, gietstukken en plaatwerk. Hoewel de jury nog niet bekend is, kan het spaceframe met de juiste combinatie van materialen op een dag de unibody uitdagen in de reguliere autoproductie.
Is aluminium betaalbaar?
Een aluminium voertuig op basis van beide ontwerpen zou ons dichter bij het doel brengen om een lichtgewicht auto te bouwen tegen een relatief bescheiden prijsstijging. Een typische stalen unibody weegt iets minder dan 600 pond, terwijl een volledig aluminium unibody ongeveer 325 pond weegt en verschillende aluminium space-frame-ontwerpen tussen de 285 en 385 pond zouden wegen. Dus beide ontwerpen konden het gewicht van het lichaam bijna halveren; een lichtere motor, ophanging, transmissie, enzovoort, zou het aantal bespaarde ponden kunnen verdubbelen. (Natuurlijk kan er op andere gebieden gewicht worden toegevoegd om de tekortkomingen van het nieuwe ontwerp te compenseren - een lichtgewicht auto kan bijvoorbeeld niet vertrouwen op zijn structurele componenten om passagiers te beschermen in geval van een crash en zal daarom extra systemen moeten gebruiken , zoals airbags, die wat gewicht toevoegen.)
Hoeveel brandstofbesparing wordt er gegenereerd door alleen het lichaam lichter te maken? Door het gewicht van het voertuig met 300 pond te verminderen, kan het brandstofverbruik met maar liefst 15 procent worden verhoogd. Dit zou het benzineverbruik van een typische middelgrote auto, zoals de Ford Taurus, verhogen van ongeveer 22 tot ongeveer 25 mijl per gallon, en de uitstoot van kooldioxide (CO2) verminderen van ongeveer 410 gram CO2 per gereden mijl tot ongeveer 355 gram per kilometer. Secundaire gewichtsbesparingen zouden de verbetering van het brandstofverbruik en de vermindering van emissies verdubbelen. Meer ingrijpende verbeteringen in het brandstofverbruik zouden resulteren in een evenredige daling van de CO2-uitstoot, maar daarvoor zijn veel drastischer maatregelen nodig dan alleen lichtgewicht: efficiëntere motortechnologieën bijvoorbeeld, en waarschijnlijk minder ruimte en minder gemakken dan de Amerikaanse consument doorgaans verwacht.
Volgens kostenanalyses door leden van het Materials Systems Laboratory van MIT is een lichtgewicht aluminium auto op basis van een van deze ontwerpen waarschijnlijk iets duurder dan de huidige stalen auto wanneer deze in grote hoeveelheden wordt geproduceerd. Bij zeer lage productievolumes (minder dan 20.000 voertuigen per jaar) zijn aluminium spaceframes eigenlijk goedkoper dan een stalen unibody: het goedkoopste ontwerp van een spaceframe zou ongeveer $ 4.500 kosten, vergeleken met $ 5.800 voor een stalen unibody en $ 7.200 voor een aluminium unibody .
Deze productievolumes zijn echter veel te laag voor voertuigen voor de massamarkt. Populaire modellen zoals de Ford Taurus worden geproduceerd in volumes van 300.000 tot 500.000. Zelfs nichevoertuigen - luxe auto's zoals de Lincoln Continental - hebben een productierun tussen de 40.000 en 80.000. Om als betaalbaar te worden beschouwd, moet een lichtgewicht voertuig in grote hoeveelheden goedkoop kunnen worden geproduceerd.
Bij productievolumes van ongeveer 100.000 is de stalen unibody het goedkoopste ontwerp, met een geschatte eenheidsprijs van $ 2.500. Aluminium spaceframes zijn iets duurder - het goedkoopste ontwerp kost ongeveer $ 2.800 - terwijl de aluminium unibody ongeveer $ 3.600 kost. Voor meer typische productieruns van 300.000 dalen de kosten van de stalen unibody tot naar schatting $ 1.400, en de aluminium unibody wordt goedkoper dan het aluminium spaceframe ($ 2.000 vergeleken met $ 2.400).
De veranderende kostenprofielen voor de drie ontwerpen zijn het gevolg van verschillen in hun fabricageprocessen. Het stempelen van metaal - het proces waarmee zowel stalen als aluminium unibody's worden gemaakt - is beter in staat schaalvoordelen te behalen dan extrusie. Als resultaat nemen de eenheidskosten van beide soorten unilichamen af naarmate ze in grotere hoeveelheden worden geproduceerd; het kostenverschil tussen beide wordt grotendeels verklaard door het verschil in de kosten van de grondstof.
Het ruimteframe volgt een ander patroon. Omdat de kapitaalkosten van extrusie veel lager zijn dan die van het stempelen van staal, zijn spaceframes bij lage productievolumes minder duur dan unibody's. Maar geëxtrudeerde onderdelen vereisen afwerking en warmtebehandeling, wat tijdrovend is. Bovendien is de snelheid waarmee geëxtrudeerde onderdelen kunnen worden gevormd veel lager dan de snelheid waarmee gestanste onderdelen kunnen worden gemaakt. Als gevolg hiervan dalen de eenheidskosten niet zo dramatisch wanneer de productievolumes toenemen. Hogere productievolumes verschuiven uiteindelijk de economie in het voordeel van de unibody.
Gezien het feit dat een voertuig met een aluminium carrosserie $ 300 tot $ 1.100 meer gaat kosten dan een voertuig met een stalen carrosserie, zal een toename van het brandstofverbruik de hogere kosten gedurende de levensduur van het voertuig compenseren? Het antwoord hangt af van verschillende factoren: het totale gewicht (en de kosten) van het voertuig, de efficiëntie van de motor en de brandstofprijs. De toename van het brandstofverbruik die alleen aan de aluminium carrosserie kan worden toegeschreven, zou zichzelf echter alleen terugbetalen als de benzineprijs zou stijgen. Als de benzineprijs tussen $ 1,20 en $ 1,50 per gallon blijft, zou het geld dat op gas wordt bespaard niet genoeg zijn om de hogere kosten te compenseren: de levenscycluskosten van een aluminium unibody geproduceerd in volumes van 300.000 zouden ongeveer $ 300 meer blijven dan dat van een stalen unibody. Maar als de prijs van benzine zou stijgen tot $ 2,30 per gallon, zou de eigenaar van de op aluminium gebaseerde auto zelfs over de levensduur van het voertuig breken. Het is redelijk om aan te nemen dat consumenten onder deze omstandigheden bereid zouden zijn om de hogere initiële kosten van een op aluminium gebaseerde auto te betalen.
De aantrekkingskracht van kunststoffen
Voorstanders van de revolutionaire benadering benadrukken echter de voordelen van kunststoffen als een radicaler lichtgewicht alternatief voor staal. Kunststoffen zijn meer dan twee keer zo licht als aluminium en kunnen in een veel grotere verscheidenheid aan vormen worden gevormd. Bovendien kost de apparatuur die wordt gebruikt om kunststoffen te vervaardigen veel minder dan de zware stansapparatuur die nodig is om metalen onderdelen te maken. Deze kwaliteiten hebben sinds de jaren zestig de interesse van autofabrikanten gewekt.
Tegenwoordig heeft de industrie kunststoffen op verschillende manieren gebruikt; ze vormen bijvoorbeeld de interieurcomponenten van de meeste auto's, evenals bumperafdekkingen en spatborden. Fabrikanten en ontwerpers hebben ook polymere composieten - kunststoffen versterkt met glas of koolstofvezels - gebruikt in de carrosserieën van raceauto's en sommige commercieel geproduceerde voertuigen. In de jaren tachtig, toen autofabrikanten op zoek gingen naar nieuwe manieren om de voertuigmassa te verminderen, begonnen velen in de industrie het gebruik van polymeercomposieten te onderzoeken ter vervanging van staal in autocarrosserieën.
Net als aluminium hebben composietmaterialen hun nadelen. Om te beginnen zijn ze duurder dan andere automaterialen. Het mengsel van kunststofhars kost tussen de $ 1 en $ 10 per pond en de glasvezelprijzen beginnen rond $ 1 per pond. Polymeercomposieten van glasvezels zijn alleen prijsconcurrerend met aluminium of staal wanneer ze worden gebruikt in kleine hoeveelheden of in complexe vormen die onbetaalbaar zijn om uit metaal te vormen.
Bovendien zijn gewone kunststoffen tussen een dertigste en een zestigste zo stijf als staal, terwijl versterkte kunststoffen ongeveer een vijftiende zo stijf zijn als staal. Het traditionele gebruik van kunststoffen in auto-interieurs biedt de voordelen van een laag gewicht en gemakkelijke vorming zonder dat een hoge mate van stijfheid vereist is. Unibodies moeten echter stijf zijn om effectief te kunnen presteren. Structurele panelen die zijn samengesteld uit versterkte kunststoffen moeten daarom veel dikker zijn dan hun metalen tegenhangers, wat het lagere gewicht compenseert en de kosten nog verder verhoogt.
Koolstofvezelcomposieten hebben de interesse van de industrie getrokken als alternatief voor glasvezelcomposieten omdat ze stijver zijn. Panelen die uit deze materialen zijn samengesteld, kunnen dunner - en dus lichter - worden gemaakt dan hun met glas versterkte tegenhangers. Koolstofvezelcomposieten zijn echter onbetaalbaar: de prijzen van koolstofvezel beginnen bij $ 20 per pond en stijgen dramatisch met toenemende vezelsterkte en stijfheid.
Op polymeer gebaseerde unilichamen zijn ook moeilijk te vervaardigen. Hoewel lichamen gemaakt van versterkte composieten slechts een derde van de onderdelen nodig zouden hebben als conventionele metalen lichamen, zouden deze onderdelen zo moeten worden gemaakt dat ze precies in elkaar passen - iets dat de huidige stand van de montagetechniek te boven gaat. Omdat kunststofhars en koolstofvezels met verschillende snelheden samentrekken als ze afkoelen, zijn de onderdelen gebonden aan kromtrekken en licht krimpen op manieren die onvoorspelbaar van stuk tot stuk verschillen. Dat is niet ongebruikelijk - staal verandert ook van vorm als het afkoelt - maar materialen zoals staal kunnen worden gebogen en in vorm worden gedraaid. Werknemers aan de lopende band gebruiken bijvoorbeeld houten hamers en twee-bij-vieren om ervoor te zorgen dat stalen autodeuren goed hangen en sluiten wanneer ze gesloten zijn. Componenten van versterkt plastic kunnen op deze manier niet worden vervormd - plastic breekt eerder dan buigen - er is dus geen gemakkelijke manier om kleine onvolkomenheden in de manier waarop onderdelen passen te compenseren.
Ten slotte vereist het produceren van een betaalbaar voertuig grootschalige productie, met volumes van minimaal 30.000 eenheden per jaar en mogelijk een orde van grootte hoger. Hoewel niet-structurele kunststofcomponenten gemakkelijk op deze schaal kunnen worden vervaardigd, zijn verwerkingstechnologieën voor versterkte kunststoffen beter geschikt voor partijgroottes van honderden of duizenden in plaats van honderdduizenden. De goedkoopste manier om over te stappen op massaproductie van polymere materialen zou zijn om het proces te versnellen, door veel meer onderdelen te maken met dezelfde apparatuur. Maar de processen die betrokken zijn bij het vervaardigen en vormgeven van versterkte materialen op basis van polymeren zijn niet bijzonder ontvankelijk voor dit soort ongecompliceerde opschaling.
Het kritieke probleem is dat de verwerking van dit soort kunststoffen inherent traag is. De onderdelen worden gevormd door een mengsel van ingrediënten te bereiden en te wachten tot ze zijn afgekoeld of chemisch reageren. Voor onderdelen ter grootte van carrosseriepanelen kan dit proces een minuut of langer duren. Ter vergelijking: stalen onderdelen kunnen in minder dan 10 seconden worden gestempeld. Het is moeilijk om manieren te vinden om de snelheid van chemische reacties of de snelheid van warmteoverdracht te verhogen - als plastic te snel afkoelt, wordt het broos en als chemische reacties worden versneld, worden ze moeilijk te beheersen.
Om een groot aantal plastic onderdelen te maken, zouden autofabrikanten dus meerdere machines moeten kopen en parallelle productielijnen moeten opzetten - stappen die het kapitaalvoordeel van de plasticproductie ruimschoots zouden compenseren en de administratieve overhead zouden verhogen. Hoewel parallelle productielijnen in theorie haalbaar lijken, zijn ze in de praktijk erg moeilijk te coördineren. Als gevolg hiervan hebben autofabrikanten de neiging om processen te vermijden waarvoor meer dan twee parallelle productielijnen nodig zijn.
Ultralite = ultrakostbaar
Hoeveel gewicht zou een plastic unibody kunnen besparen, en tegen welke kosten? Het meest radicale polymeersysteem is de Ultralite, een conceptauto op basis van koolstofvezelcomposieten die is ontwikkeld door GM-onderzoekers die een mandaat hebben gekregen om het hoogst mogelijke benzineverbruik te behalen. De auto, die met de hand werd gebouwd, bevatte een verscheidenheid aan gewichts- en brandstofbesparende technologieën. Hoewel de auto meer dan 100 mijl per gallon kon halen, kan hij niet worden beschouwd als een prototype voor een voertuig voor de massamarkt: hij bevatte niet de ruimte of veiligheidsvoorzieningen die de meeste consumenten als essentieel zouden beschouwen en is nooit op de weg of op een crash getest . Niettemin, met een gewicht van 308 pond, vertegenwoordigt het de lichtste carrosserie ooit gebouwd van polymere materialen.
Hoewel de Ultralite ongeveer hetzelfde weegt als een aluminium spaceframe, zou het aanzienlijk meer kosten om in grote volumes te produceren. Bij productievolumes van 100.000 zou elke unibody in Ultralite-stijl ongeveer $ 6.400 kosten. Deze schatting is gebaseerd op de veronderstelling dat de koolstofvezelprijzen op ongeveer $ 20 per pond zullen blijven. Voorstanders van polymere materialen hebben betoogd dat de prijs van koolstofvezels zal dalen naarmate de vraag stijgt. Maar zelfs als de prijs van koolstofvezels zou dalen tot $ 5 per pond - een trend die we niet voorzien, aangezien de productie van koolstofvezels niet noodzakelijkerwijs bevorderlijk is voor schaalvoordelen - zou de plastic unibody nog steeds $ 3.500 kosten, vergeleken met $ 2.500 voor een stalen unibody en $ 2.800 voor een aluminium spaceframe bij vergelijkbare productievolumes. Bovendien zal bij hogere productievolumes de prijs van een stalen of aluminium unibody aanzienlijk dalen, terwijl de prijs van een polymeerintensieve unibody veel minder zal dalen, waardoor het een nog minder economisch verantwoorde keuze is.
Het is onwaarschijnlijk dat de toename van het brandstofverbruik, die alleen aan de carrosserie kan worden toegeschreven, de hogere kosten van een op polymeer gebaseerde carrosserie zou compenseren. Tegen prijzen van $ 1,20 tot $ 1,50 per gallon benzine, zou de Ultralite-body nog steeds zo'n $ 4.500 meer kosten dan een stalen of een aluminium unibody gedurende zijn levenscyclus. In feite zouden met koolstofvezel versterkte, polymeerintensieve carrosserieën nog steeds ongeveer $ 4.000 meer kosten dan stalen carrosserieën, zelfs als de benzineprijzen zouden stijgen tot $ 4,00 per gallon, zoals het geval is in Europa.
Wat fabrikanten nu doen
Gezien de stand van de productietechniek heeft de auto-industrie het gebruik van nieuwe materialen stapsgewijs benaderd en geleidelijk nieuwe toepassingen van aluminium, polymeren en geavanceerde staalsoorten aangenomen. Ford werkt bijvoorbeeld nauw samen met verschillende aluminiumbedrijven aan een project genaamd Concept 2000 om 20 tot 40 volledig aluminium Taurus-sedans te produceren, die het bedrijf nu test en evalueert. Het voertuig, dat een unibody-ontwerp gebruikt, is slechts een paar honderd pond lichter dan zijn stalen tegenhanger, grotendeels omdat de projectingenieurs de aandrijflijn of ophanging niet hebben gewijzigd of het voertuig opnieuw hebben ontworpen om andere secundaire gewichtsbesparingen te bereiken. Het project was alleen bedoeld als een test van de maakbaarheid van een volledig aluminium auto, met als doel de veranderingen in de vormingstechnologie te identificeren die nodig zouden zijn om deze te produceren. Het is nog niet duidelijk of Ford het experiment als geslaagd beschouwt.
Alcoa en Audi hebben samengewerkt aan de Audi A8, een luxe sedan op basis van een aluminium spaceframe die in lage volumes wordt geproduceerd en in Europa op de markt wordt gebracht. Veel van de gewichtsbesparingen die zijn behaald door het gebruik van aluminium worden teniet gedaan door uitrustingen die bedoeld zijn om de aantrekkingskracht van de auto op een high-end markt te vergroten. Het voertuig demonstreert echter de levensvatbaarheid van een ontwerp dat gebruik maakt van aluminium extrusies en gietstukken, evenals de smeedplaat die in de panelen wordt gebruikt.
De auto-industrie probeert ook productietechnieken te ontwikkelen om kunststoffen op in massa geproduceerde voertuigen aan te brengen (met name de Saturn-autolijnen van GM), maar zelfs hier zijn de plastic componenten geen kritische structurele elementen van het voertuig. Alle Saturns gebruiken bijvoorbeeld plastic carrosseriepanelen om een stalen ruimteframe te bedekken. Omdat ze geen structurele rol spelen, zijn de panelen niet gemaakt van versterkte composieten maar van gewone kunststoffen, die in hoeveelheden van honderdduizenden kunnen worden geproduceerd. De materiaalkeuze wordt minder bepaald door gewichtsoverwegingen dan door cosmetica: kunststof panelen geven het voertuig zijn kenmerkende vorm en zijn bestand tegen deuken en krassen. In feite wordt de gewichtsbesparing die wordt bereikt door het gebruik van kunststof panelen op zijn minst gedeeltelijk gecompenseerd door de noodzaak om meer staal te gebruiken in structurele componenten om het verwachte prestatieniveau te behouden.
Autofabrikanten hebben ontdekt dat ze, met een agressieve inspanning, polymeren kunnen vervangen door staal in een handvol belangrijke niet-traditionele toepassingen, zoals daken, motorkappen, vloerpannen en motorsteunen, maar velen ontdekken ook dat de kosten te hoog zijn en de gewichtsbesparing niet indrukwekkend. GM heeft ook een aantal jaren geëxperimenteerd met glasvezelcomposieten op de carrosseriepanelen van zijn APV-bestelwagens, maar kwam onlangs tot de conclusie dat het materiaal gewoon te duur is. Het bedrijf is van plan terug te gaan naar het gebruik van staal.
Terwijl ze blijven experimenteren met glasvezelversterkte polymeren in voertuigen voor nichemarkten - een gevestigd platform voor innovatie - lijken autofabrikanten te hebben besloten dat deze materialen niet bruikbaar zijn in toepassingen met productievolumes van meer dan 80.000, omdat bij deze volumes de voordelen rechtvaardigen de kosten niet. Bovendien blijkt dat de industrie al kunststoffen gebruikt in de meeste toepassingen die het best passen bij de sterke punten van het materiaal. Verdere vervanging van staal door kunststoffen zal veel moeilijker te realiseren zijn, omdat dit de toepassingen zijn die specifiek profiteren van de eigenschappen van metalen.
Een ander materiaal dat een rol kan spelen bij stapsgewijze verandering is hoogwaardig staal. De dikte van stalen onderdelen die in auto's worden gebruikt, wordt meestal bepaald door de mate van stijfheid die ze nodig hebben, maar in ongeveer 20 procent van de toepassingen is sterkte de belangrijke eigenschap. Zo beschermt een balk in elke autodeur de passagiers bij een aanrijding. Nieuwe staallegeringen met hoge sterkte zijn twee tot drie keer zo sterk als conventioneel koolstofstaal, dus een balk die van het nieuwe materiaal is gemaakt, kan de helft tot een derde zoveel wegen als de balk die tegenwoordig in autodeuren wordt gebruikt. Een aantal staalbedrijven in verschillende landen hebben Porsche Engineering Services ingehuurd om een carrosserieontwerp te bedenken waarin alle mogelijke toepassingen van lichtgewicht staal zijn verwerkt. Ze schatten dat de carrosserie 10 tot 20 procent minder zou kunnen wegen dan een conventionele stalen unibody, tegen een kostprijs die tot 15 procent hoger ligt.
Het programma voor een nieuwe generatie voertuigen onderzoekt ondertussen de mogelijke toepassingen van geavanceerde staalsoorten, kunststoffen en aluminium, evenals exotische en dure stoffen als magnesium en titanium. In dit vroege stadium proberen onderzoekers de technologieën te identificeren die het platform zouden kunnen vormen voor een betaalbaar geavanceerd voertuig. Ze lijken hun inspanningen te richten op het concept van een hybride diesel-elektrische motor, bijvoorbeeld, en op aluminium als het dominante materiaal voor structurele toepassingen (hoewel het voertuig ongetwijfeld een verscheidenheid aan geavanceerde materialen zal bevatten voor ander gebruik). niet het programma slaagt er uiteindelijk in om een voertuig te ontwikkelen dat betaalbaar is - en er zijn geruchten dat insiders denken dat dit niet het geval zal zijn - de inspanning zal de auto-industrie waardevolle ervaring geven met nieuwe materialen en technologieën.
Concentreren op wat we kunnen doen
Welke strategie de industrie ook kiest, een voertuig gemaakt van lichtgewicht materialen gaat duidelijk meer kosten dan de conventionele auto van vandaag. Het brandstofverbruik van deze voertuigen zal ook van veel meer afhangen dan de verschuiving naar lichtgewicht materialen; aanzienlijke winsten zullen veranderingen in de verwachtingen van de consument vereisen. Gezien onze aannames over hoe ruim een auto moet zijn, hoe snel hij moet accelereren, hoe snel hij moet gaan en hoe comfortabel het moet zijn om in te rijden, is het moeilijk om een auto veel lichter te maken dan bijvoorbeeld de volledig aluminium Taurus die nog steeds een voertuig zal zijn dat de meeste hedendaagse consumenten willen kopen.
Desalniettemin spookt het spook van de supercar door het debat over de door kooldioxide veroorzaakte opwarming van de aarde en voedt het de publieke druk op de regering om meer radicale hervormingen op te leggen. Als we van Kevlar een beter tennisracket kunnen maken, zo luidt het argument, waarom kunnen we dan geen betere auto maken van hetzelfde soort materiaal? Eén antwoord is: hoewel consumenten misschien bereid zijn drie keer zoveel te betalen voor hun geavanceerde composiet tennisrackets, is het onwaarschijnlijk dat ze dezelfde prijs willen (of kunnen) betalen voor een geavanceerde composietauto.
Een supercar zoals die voor ogen staat in het Programma voor een Nieuwe Generatie Voertuigen - een die 80 mijl per gallon haalt, hetzelfde gemak behoudt en hetzelfde kost als de auto van vandaag - gaat vandaag en in de nabije toekomst onze mogelijkheden te boven. Elke twee van deze drie doelstellingen kunnen vandaag worden bereikt, maar om ze alle drie samen te voegen, zijn er grote technologische doorbraken nodig. Het is dus onpraktisch voor de industrie om de hedendaagse auto-ontwerpen en technologie overboord te gooien om deze technologische hersenschim na te streven.
Omdat we geen betaalbare, ultralichte carrosserie op basis van polymeer in massa kunnen produceren, moeten we ons concentreren op wat we wel kunnen doen. We kunnen bijvoorbeeld een aluminium behuizing maken die even goed presteert als het stalen alternatief, maar slechts marginaal meer kost. De stapsgewijze toepassing van het brede spectrum van geavanceerde materiaaltechnologieën die tegenwoordig beschikbaar zijn, kan echte voordelen opleveren op het gebied van efficiëntie, bruikbaarheid en prestaties zonder ondraaglijke kosten met zich mee te brengen. Hoewel relatief weinig opwindend en weinig glamour, zijn stapsgewijze strategieën voor het verminderen van het voertuiggewicht de enige geloofwaardige benadering om de overgang naar een zuinig, zuinig voertuig te beginnen.