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Una strada pratica per auto leggere
L'automobile è l'artefatto tecnologico che definisce il ventesimo secolo. La sua familiarità, tuttavia, smentisce la sua complessità. Non è un'impresa da poco progettare un'auto che sia veloce e potente, ma allo stesso tempo comoda, sicura e comunque abbordabile. Considera qualche altro limite - durata, facilità di riparazione, spazio sufficiente per alcuni bambini e il cane di famiglia, e un'ampia alimentazione per gli alzacristalli elettrici, l'aria condizionata, il lettore CD e i sedili riscaldati - e la sfida diventa chiara . Proprio perché l'automobile è diventata parte integrante della nostra vita, le aspettative dei consumatori stabiliscono una serie di obiettivi progettuali formidabili e spesso contrastanti.
Negli ultimi 25 anni, le case automobilistiche hanno dovuto affrontare una crescente pressione per incorporare anche obiettivi ambientali nei loro progetti. In particolare, i consumatori e il governo federale hanno spinto per miglioramenti nel risparmio di carburante come un modo per conservare il petrolio e controllare l'inquinamento. L'industria automobilistica ha risposto: il chilometraggio del gas dell'auto nuova media è passato da 14,2 a 28,2 miglia per gallone tra il 1974 e il 1995.
Ora la pressione pubblica per migliorare il risparmio di carburante è di nuovo in aumento, in parte a causa della preoccupazione per la prospettiva del cambiamento climatico globale. (Le automobili rappresentano circa un quarto delle emissioni di anidride carbonica, uno dei principali responsabili dell'effetto serra.) La chiave per migliorare il risparmio di carburante di un veicolo è la riduzione del peso: più piccolo è un veicolo, meno potenza richiede per accelerare e meno energia per mantenere una velocità fissa. Tradizionalmente, l'industria automobilistica ha ridotto il peso principalmente tramite il ridimensionamento, una strategia che è riuscita a ridurre il peso di un'auto tipica da 3.500 libbre a 2.500 libbre negli ultimi 20 anni. Oggi quella strategia ha raggiunto i suoi limiti. Miglioramenti sostanziali saranno possibili solo attraverso un nuovo approccio: realizzare la carrozzeria dell'automobile con materiali leggeri anziché con acciaio al carbonio di base.
Sebbene il corpo rappresenti solo circa un terzo del peso di un'automobile, ridurre il peso del corpo è la condizione sine qua non dell'automobile leggera ea basso consumo di carburante. Un'auto con una carrozzeria più leggera può utilizzare un motore più leggero, sospensioni meno massicce e una struttura meno elaborata. Questi risparmi di peso secondari possono all'incirca raddoppiare i benefici: per ogni 10 libbre risparmiate riducendo il peso del corpo, altre 10 libbre possono essere risparmiate ridimensionando altre parti dell'auto.
Inoltre, molte nuove tecnologie progettate per migliorare il risparmio di carburante sono realizzabili solo per auto sostanzialmente più leggere di quelle odierne. I motori delle automobili, ad esempio, devono bilanciare gli obiettivi di efficienza (energia per distanza percorsa) e potenza (la forza necessaria per accelerare l'auto). I motori a combustione interna ad alta efficienza, i motori elettrici o i motori ibridi che combinano i due sono tutti molto meno potenti dei motori convenzionali e raggiungeranno un livello comparabile di prestazioni solo con un veicolo molto più leggero. Ridurre la massa corporea è fondamentale per creare una sinergia tra leggerezza e nuove tecnologie motoristiche.
Nel 1993, un articolo molto influente dell'analista energetico Amory Lovins del Rocky Mountain Institute ha suggerito che le principali case automobilistiche (o chiunque altro con il buon senso) potrebbero utilizzare i materiali e le tecnologie esistenti per produrre un veicolo ultraleggero e altamente efficiente nei consumi. La supercar che immaginava avrebbe incorporato plastiche leggere, controlli computerizzati e un propulsore ibrido, un sistema di alimentazione che avrebbe combinato un motore termico tradizionale e un motore elettrico, come una moderna locomotiva. Peserebbe circa 1.000 libbre e raggiungerebbe ben oltre 150 miglia per gallone, ma manterrebbe le caratteristiche di sicurezza e praticità dell'automobile di oggi.
Lovins ha giustamente sottolineato che i materiali e le tecnologie che renderebbero possibile una supercar sono fondamentalmente incompatibili con i processi di progettazione, produzione e organizzazione attorno ai quali è strutturata l'industria automobilistica. Ha quindi sostenuto che solo una rivoluzione nel settore porterebbe a una supercar; gli sforzi per migliorare il risparmio di carburante e le prestazioni attraverso l'adozione incrementale di nuovi materiali e tecnologie costerebbero troppo e produrrebbero troppo poco.
Il concetto di supercar ha attirato molta attenzione tra ambientalisti, leader dell'industria automobilistica e politici e ha persino contribuito a ispirare un'alleanza insolita, sebbene i suoi obiettivi siano in qualche modo inferiori a quelli di Lovins. Nel 1994, le aziende automobilistiche statunitensi e il governo federale hanno unito le forze per lanciare il Programma per una nuova generazione di veicoli, un progetto di ricerca e sviluppo aggressivo il cui obiettivo è produrre un'auto che soddisfi uno standard di risparmio di carburante tre volte superiore alle odierne 27,5 miglia per gallone e che offre le prestazioni e la convenienza di un'auto convenzionale, allo stesso prezzo. Combinando le risorse dei laboratori nazionali e delle principali case automobilistiche statunitensi, i ricercatori PNGV sperano di sviluppare un prototipo di veicolo entro 10 anni e di produrlo in serie e commercializzarlo entro 20.
La domanda non è se un veicolo ultraleggero che offra miglioramenti rivoluzionari nel risparmio di carburante possa essere costruito. Le case automobilistiche sanno già che è possibile. La domanda è se un'auto del genere può essere resa accessibile e che tipo di cambiamenti nell'industria automobilistica saranno necessari per avvicinarci a tale obiettivo. In particolare, le case automobilistiche e i sostenitori delle supercar stanno discutendo i costi e i benefici di due classi di materiali che potrebbero fungere da sostituti leggeri dell'acciaio nelle carrozzerie dei veicoli: l'alluminio, che può essere adottato con solo modifiche incrementali nei processi di progettazione e produzione del settore; e plastica, che non può.
Vantaggi e svantaggi dell'alluminio
L'alluminio, un metallo leggero del 45% più denso dell'acciaio convenzionale, è stato utilizzato per molti anni come principale materiale strutturale nell'industria aerospaziale. Sebbene sia costoso, i fogli di alluminio vengono venduti a circa $ 1,50 per libbra, rispetto ai circa 30 centesimi per libbra per i ricercatori di fogli di acciaio nell'industria automobilistica hanno iniziato a studiare la possibilità di sostituire l'alluminio per l'acciaio nelle carrozzerie dei veicoli.
Uno dei principali vantaggi del passaggio all'alluminio, rispetto ad altri materiali leggeri, è che può essere formato utilizzando molte delle tecniche già applicate nella fabbricazione delle automobili in acciaio. In questo modo l'industria potrebbe continuare a utilizzare gran parte delle sue apparecchiature esistenti. E la progettazione per l'alluminio non è drasticamente diversa dalla progettazione per l'acciaio, un vantaggio importante in un settore in cui gli ingegneri sono riluttanti a sperimentare materiali relativamente non sperimentati.
Naturalmente, il fatto che oggi le carrozzerie delle automobili non siano in gran parte in alluminio suggerisce che il materiale presenta anche degli svantaggi. Oltre ad essere più costoso dell'acciaio, l'alluminio è solo circa un terzo più rigido, una limitazione cruciale nella progettazione della carrozzeria delle automobili. La rigidità può essere leggermente aumentata modificando la geometria del design (le forme curve sono più rigide di quelle piatte), ma questo è problematico in un settore in cui forma e stile sono concetti di vendita importanti. Una soluzione più semplice è quella di realizzare pannelli della carrozzeria piatti in alluminio, parafanghi, cofani e porte, più spessi dei pannelli in acciaio per garantire che funzionino ugualmente bene. Tuttavia, ciò impone costi di materiale più elevati e compensa in una certa misura il vantaggio di peso.
Un altro problema è l'elevata conduttività elettrica dell'alluminio, che rende difficile la saldatura a punti. La saldatura a punti è il metodo standard per l'assemblaggio di carrozzerie automobilistiche in acciaio. Le due parti da unire vengono serrate tra due elettrodi e viene applicata corrente elettrica, riscaldando così le due parti nel punto di contatto, portando alla saldatura per diffusione. (Il metallo in realtà non si scioglie, poiché ciò ridurrebbe le prestazioni del materiale e porterebbe alla corrosione e al guasto delle parti.)
Poiché l'alluminio conduce il calore meglio dell'acciaio, ci vuole molta più elettricità e elettrodi più grandi per rendere il metallo abbastanza caldo da legarsi. E poiché gli elettrodi rimangono in contatto con l'alluminio più a lungo mentre viene applicata la corrente, è più probabile che gli atomi di alluminio si diffondano nell'elettrodo, accorciando la sua vita utile. I veicoli in alluminio probabilmente faranno quindi affidamento su tecniche di assemblaggio alternative, tra cui la saldatura continua (in cui viene applicata una striscia di metallo fuso più o meno come una colla), adesivi e dispositivi di fissaggio meccanici.
Unibody contro Space Frame
La sfida per l'industria automobilistica è come progettare un'automobile in alluminio in modo da catturare i vantaggi del materiale e ridurre al minimo gli svantaggi. Ci sono due possibilità in competizione: un unibody, abbreviazione di unitized body, il design utilizzato per le automobili in acciaio; o un design space-frame, essenzialmente una grande struttura a traliccio ricoperta da una pelle sottile.
In un unibody, i pannelli della carrozzeria del veicolo sono uniti per formare una struttura a guscio. Questo fa un uso efficiente dell'elevata rigidità dei pannelli della carrozzeria. Sebbene l'alluminio non sia rigido come l'acciaio, se i pannelli sono sufficientemente spessi e vengono utilizzate tecniche di giunzione appropriate, il design unibody funzionerà bene con questo materiale.
Tuttavia, il design unibody pone due problemi correlati. In primo luogo, è relativamente difficile (e quindi costoso) realizzare superfici complesse, come ritagli o curve elaborate, da pannelli di carrozzeria in metallo relativamente rigidi. Se i progettisti tentano di aggirare questo problema utilizzando materiali più facili da modellare, sorge il secondo problema: poiché l'unibody deriva la maggior parte delle sue prestazioni strutturali dal modo in cui le sue parti sono attaccate, quelle parti devono essere composte da materiali che possono essere facilmente uniti . Senza un modo economico per fissare due materiali dissimili l'uno all'altro, il design unibody richiede essenzialmente che la casa automobilistica produca automobili utilizzando un'unica classe di materiali.
In risposta a queste obiezioni, i designer stanno esplorando la cornice spaziale. In questo progetto, la struttura del veicolo è composta, in effetti, da un reticolo di rotaie metalliche, simile a una capriata di un ponte. Il veicolo non si affida a pannelli di carrozzeria per le prestazioni strutturali e infatti può essere guidato senza pannelli attaccati. Questo design non funziona bene per l'acciaio, in parte perché le complesse guide in acciaio non sono molto più facili da realizzare rispetto ai complessi pannelli della carrozzeria in acciaio. Oggi il consenso tra le case automobilistiche è che l'unibody è il modo più efficiente per realizzare un veicolo per il mercato di massa in acciaio.
Tuttavia, lo space frame sta guadagnando una rinnovata attenzione da parte dei designer che lavorano con materiali alternativi, in particolare l'alluminio. È più facile realizzare binari complessi in alluminio piuttosto che in acciaio perché, a differenza dell'acciaio, l'alluminio può essere estruso, formato in forme tubolari complesse, in un processo simile alla produzione della pasta. Queste guide estruse e cave possono essere molto più rigide delle barre piene di peso equivalente. L'estrusione si adatta facilmente alla produzione di massa; è già utilizzato su larga scala per realizzare forme costruttive come telai di finestre e tubi. Sono stati sviluppati diversi progetti per veicoli con telaio spaziale in alluminio, ciascuno utilizzando diverse combinazioni di estrusi, fusioni e lamiere. Mentre la giuria è ancora fuori, con la giusta combinazione di materiali la struttura spaziale potrebbe un giorno sfidare l'unibody nella produzione automobilistica tradizionale.
L'alluminio è conveniente?
Un veicolo in alluminio basato su entrambi i design ci avvicinerebbe all'obiettivo di costruire un'auto leggera con un aumento dei costi relativamente moderato. Un tipico unibody in acciaio pesa poco meno di 600 libbre, mentre un unibody interamente in alluminio pesa circa 325 libbre e vari design di telai spaziali in alluminio peseranno tra 285 e 385 libbre. Quindi entrambi i modelli potrebbero ridurre quasi della metà il peso del corpo; un motore, una sospensione, una trasmissione e così via più leggeri potrebbero raddoppiare il numero di sterline risparmiate. (Naturalmente, il peso può essere aggiunto in altre aree per compensare le carenze del nuovo design, ad esempio, un'auto leggera non può fare affidamento sui suoi componenti strutturali per proteggere i passeggeri in caso di incidente e quindi dovrà impiegare sistemi aggiuntivi , come gli airbag, che aggiungono un po' di peso.)
Quanto risparmio di carburante si ottiene alleggerendo solo la carrozzeria? Ridurre il peso del veicolo di 300 libbre può aumentare il risparmio di carburante fino al 15%. Ciò aumenterebbe il consumo di carburante di una tipica auto di medie dimensioni, come la Ford Taurus, da circa 22 a circa 25 miglia per gallone e ridurrebbe le emissioni di anidride carbonica (CO2) da circa 410 grammi di CO2 per miglio percorsa a circa 355 grammi per miglio. Il risparmio di peso secondario raddoppierebbe il miglioramento del risparmio di carburante e la riduzione delle emissioni. Miglioramenti più drastici nel risparmio di carburante comporterebbe una riduzione proporzionale delle emissioni di CO2, ma ciò richiederebbe misure molto più drastiche rispetto al semplice alleggerimento: tecnologie del motore più efficienti, ad esempio, e probabilmente meno spazio e meno comodità di quanto il consumatore americano si aspetti in genere.
Un'auto leggera in alluminio basata su uno di questi progetti è probabilmente un po' più costosa dell'auto in acciaio di oggi se prodotta in grandi volumi, secondo le analisi dei costi dei membri del Materials Systems Laboratory del MIT. A volumi di produzione molto bassi (meno di 20.000 veicoli all'anno), i telai spaziali in alluminio sono in realtà più economici di un unibody in acciaio: il design meno costoso del telaio spaziale costerebbe circa $ 4.500, rispetto ai $ 5.800 per un unibody in acciaio e $ 7.200 per un unibody in alluminio .
Tuttavia, questi volumi di produzione sono troppo bassi per i veicoli del mercato di massa. Modelli popolari come la Ford Taurus sono prodotti in volumi da 300.000 a 500.000. Anche i veicoli di nicchia, le auto di lusso come la Lincoln Continental, hanno una produzione compresa tra 40.000 e 80.000. Per essere considerato conveniente, un veicolo leggero deve poter essere prodotto a buon mercato in grandi quantità.
Con volumi di produzione di circa 100.000, l'unibody in acciaio è il design più economico, con un costo unitario stimato di $ 2.500. I telai spaziali in alluminio sono un po 'più costosi: il design più economico costa circa $ 2.800, mentre l'unibody in alluminio costa circa $ 3.600. Per cicli di produzione più tipici di 300.000, il costo dell'unibody in acciaio scende a circa $ 1.400 e l'unibody in alluminio diventa più economico del telaio spaziale in alluminio ($ 2.000 rispetto a $ 2.400).
I profili di costo mutevoli per i tre design derivano dalle differenze nei loro processi di produzione. Lo stampaggio del metallo, il processo mediante il quale vengono realizzati sia gli unibody in acciaio che in alluminio, è in grado di catturare le economie di scala meglio dell'estrusione. Di conseguenza, i costi unitari di entrambi i tipi di unibody diminuiscono poiché vengono prodotti in quantità maggiore; il differenziale di costo tra loro è in gran parte spiegato dalla differenza nel costo della materia prima.
La cornice spaziale segue uno schema diverso. Poiché i costi di capitale dell'estrusione sono di gran lunga inferiori a quelli dello stampaggio dell'acciaio, i telai spaziali sono meno costosi degli unibody a bassi volumi di produzione. Ma le parti estruse richiedono la finitura e il trattamento termico, che richiedono molto tempo. Inoltre, la velocità con cui possono essere formate parti estruse è molto più lenta della velocità con cui possono essere realizzate parti stampate. Di conseguenza, i costi unitari non diminuiscono così drasticamente quando i volumi di produzione aumentano. Volumi di produzione più elevati alla fine spostano l'economia a favore dell'unibody.
Dato che un veicolo con carrozzeria in alluminio costerà dai 300 ai 1.100 dollari in più rispetto a un veicolo con carrozzeria in acciaio, l'aumento del risparmio di carburante compenserà l'aumento dei costi nel corso della vita del veicolo? La risposta dipende da una varietà di fattori: il peso totale (e il costo) del veicolo, l'efficienza del suo motore e il prezzo del carburante. Tuttavia, l'aumento del risparmio di carburante attribuibile al solo corpo in alluminio si ripagherebbe solo se il prezzo della benzina dovesse aumentare. Se il prezzo della benzina rimanesse compreso tra 1,20 e 1,50 dollari al gallone, i soldi risparmiati sul gas non sarebbero sufficienti a compensare il costo più elevato: il costo del ciclo di vita di un unibody in alluminio prodotto in volumi di 300.000 rimarrebbe di circa 300 dollari in più rispetto a quello di un unibody d'acciaio. Ma se il prezzo della benzina salisse a $ 2,30 al gallone, il proprietario dell'auto a base di alluminio andrebbe in pareggio per tutta la vita del veicolo. È ragionevole pensare che in queste circostanze, i consumatori potrebbero essere disposti a pagare il costo iniziale più elevato di un'auto a base di alluminio.
Il fascino della plastica
I sostenitori dell'approccio rivoluzionario, tuttavia, sottolineano i vantaggi della plastica come alternativa leggera più radicale all'acciaio. Le materie plastiche sono più del doppio più leggere dell'alluminio e possono essere modellate in una varietà di forme molto più ampia. Inoltre, l'attrezzatura utilizzata per fabbricare la plastica costa molto meno delle pesanti attrezzature di stampaggio necessarie per realizzare parti metalliche. Queste qualità hanno attratto l'interesse delle case automobilistiche sin dagli anni '60.
Oggi l'industria ha incorporato la plastica in una varietà di usi; formano i componenti interni della maggior parte delle auto, ad esempio, così come le coperture dei paraurti e i parafanghi. Produttori e designer hanno anche utilizzato compositi polimerici, plastiche rinforzate con fibre di vetro o di carbonio, nelle carrozzerie delle auto da corsa e in alcuni veicoli prodotti commercialmente. Negli anni '80, mentre le case automobilistiche cercavano nuovi modi per ridurre la massa dei veicoli, molti nell'industria iniziarono a studiare l'uso di compositi polimerici per sostituire l'acciaio nelle carrozzerie delle automobili.
Come l'alluminio, i materiali compositi hanno i loro svantaggi. Per prima cosa, sono più costosi di altri materiali per autoveicoli. La miscela di resina plastica costa tra $ 1 e $ 10 per libbra e i prezzi della fibra di vetro iniziano intorno a $ 1 per libbra. I compositi polimerici in fibra di vetro hanno un prezzo competitivo con l'alluminio o l'acciaio solo se usati in piccole quantità o in forme complesse che sono proibitivamente costose da formare dal metallo.
Inoltre, le plastiche ordinarie sono rigide tra un trentesimo e un sessantesimo dell'acciaio, mentre le plastiche rinforzate sono rigide circa un quindicesimo come l'acciaio. Gli usi tradizionali della plastica negli interni delle automobili catturano i vantaggi della leggerezza e della facilità di formazione senza richiedere un alto grado di rigidità. Gli uni, tuttavia, devono essere rigidi per funzionare in modo efficace. I pannelli strutturali composti da plastica rinforzata devono quindi essere molto più spessi dei loro omologhi metallici, compensando il peso ridotto e aumentando ulteriormente i costi.
I compositi in fibra di carbonio hanno attirato l'interesse del settore come alternativa ai compositi in fibra di vetro perché sono più rigidi. I pannelli composti da questi materiali possono essere realizzati più sottili, e quindi più leggeri, rispetto ai loro omologhi rinforzati con vetro. Tuttavia, i compositi in fibra di carbonio sono proibitivi: i prezzi della fibra di carbonio partono da $ 20 per libbra e aumentano notevolmente con l'aumento della resistenza e della rigidità della fibra.
Anche gli unibody a base di polimeri sono difficili da produrre. Sebbene i corpi realizzati con compositi rinforzati richiedano solo un terzo delle parti rispetto ai tradizionali corpi in metallo, queste parti dovrebbero essere realizzate per adattarsi esattamente insieme, qualcosa che oggi va oltre lo stato dell'arte dell'assemblaggio. Poiché la resina plastica e le fibre di carbonio si contraggono a velocità diverse mentre si raffreddano, le parti sono destinate a deformarsi e a restringersi leggermente in modi che variano in modo imprevedibile da pezzo a pezzo. Non è insolito: anche l'acciaio cambia forma mentre si raffredda, ma materiali come l'acciaio possono essere piegati e attorcigliati in forma. Ad esempio, gli operai della catena di montaggio usano mazze di legno e due per quattro per assicurarsi che le porte delle auto in acciaio siano correttamente appese e sigillate quando sono chiuse. I componenti in plastica rinforzata non possono essere deformati in questo modo: la plastica si romperà prima di piegarsi, quindi non c'è un modo semplice per compensare lievi imperfezioni nel modo in cui le parti si adattano.
Infine, produrre un veicolo economico richiede una produzione su larga scala, con volumi di almeno 30.000 unità all'anno e possibilmente un ordine di grandezza superiore. Sebbene i componenti in plastica non strutturali possano essere facilmente prodotti su questa scala, le tecnologie di lavorazione per le plastiche rinforzate sono più adatte a lotti di centinaia o migliaia piuttosto che centinaia di migliaia. Il modo più economico per passare alla produzione di massa di materiali polimerici sarebbe accelerare il processo, realizzando molte più parti con la stessa attrezzatura. Ma i processi coinvolti nella produzione e nella modellatura di materiali a base di polimeri rinforzati non sono particolarmente suscettibili di questo tipo di semplice ampliamento.
Il problema critico è che la lavorazione di questo tipo di plastica è intrinsecamente lenta. Le parti si formano preparando una miscela di ingredienti e aspettando che si raffreddino o reagiscano chimicamente. Per le parti delle dimensioni dei pannelli della carrozzeria di un'automobile, questo processo può richiedere un minuto o più. In confronto, le parti in acciaio possono essere stampate in meno di 10 secondi. È difficile trovare modi per aumentare la velocità delle reazioni chimiche o la velocità del trasferimento di calore: se la plastica si raffredda troppo rapidamente diventa fragile e se le reazioni chimiche vengono accelerate diventano difficili da controllare.
Per realizzare un gran numero di parti in plastica, quindi, le case automobilistiche dovrebbero acquistare più macchine e impostare linee di produzione parallele, passaggi che compenserebbero ampiamente il vantaggio di capitale della produzione di plastica e aumenterebbero le spese amministrative. Mentre le linee di produzione parallele possono sembrare fattibili in teoria, sono molto difficili da coordinare in pratica. Di conseguenza, le case automobilistiche tendono a evitare processi che richiedono più di due linee di produzione parallele.
Ultralite=Ultracostoso
Quanto peso potrebbe risparmiare un unibody in plastica e a quale costo? Il sistema polimerico più radicale è l'Ultralite, una concept car basata su compositi in fibra di carbonio che è stata sviluppata dai ricercatori di GM con l'incarico di ottenere il più alto consumo di carburante possibile. L'auto, costruita a mano, incorporava una varietà di tecnologie per il risparmio di peso e carburante. Sebbene l'auto fosse in grado di percorrere più di 100 miglia per gallone, non può essere considerata un prototipo per un veicolo del mercato di massa: non conteneva lo spazio o le caratteristiche di sicurezza che la maggior parte dei consumatori considererebbe essenziali e non è mai stata testata su strada o in caso di crash . Tuttavia, a 308 libbre, rappresenta la carrozzeria più leggera mai costruita con materiali polimerici.
Sebbene l'Ultralite pesi all'incirca come un telaio spaziale in alluminio, costerebbe molto di più per la produzione in grandi volumi. Con volumi di produzione di 100.000, ad esempio, ogni unibody in stile Ultralite costerebbe circa $ 6.400. Questa stima si basa sul presupposto che i prezzi della fibra di carbonio rimarranno a circa $ 20 per libbra. I sostenitori dei materiali polimerici hanno sostenuto che il prezzo delle fibre di carbonio diminuirà con l'aumento della domanda. Ma anche se il prezzo delle fibre di carbonio scendesse a $ 5 per libbra - una tendenza che non prevediamo, dal momento che la produzione di fibre di carbonio non è necessariamente suscettibile di economie di scala - l'unibody in plastica costerebbe comunque $ 3.500, rispetto ai $ 2.500 per un acciaio unibody e $ 2.800 per un telaio spaziale in alluminio a volumi di produzione comparabili. Inoltre, a volumi di produzione più elevati, il prezzo di un unibody in acciaio o alluminio diminuirà notevolmente, mentre il prezzo di un unibody ad alta intensità di polimeri diminuirà molto meno, rendendolo una scelta ancora meno conveniente dal punto di vista economico.
È improbabile che l'aumento del risparmio di carburante attribuibile alla sola carrozzeria compensi il costo più elevato di una carrozzeria a base di polimeri. A prezzi da $ 1,20 a $ 1,50 per gallone di benzina, il corpo Ultralite costerebbe comunque circa $ 4.500 in più rispetto a un unibody in acciaio o in alluminio durante il suo ciclo di vita. In effetti, i corpi ad alta intensità di polimeri rinforzati con fibra di carbonio costerebbero ancora circa $ 4.000 in più rispetto ai corpi in acciaio anche se i prezzi della benzina salissero a $ 4,00 al gallone, come nel caso dell'Europa.
Cosa stanno facendo ora i produttori
Dato lo stato dell'arte della produzione, l'industria automobilistica ha adottato un approccio incrementale all'uso di nuovi materiali, adottando gradualmente nuove applicazioni di alluminio, polimeri e acciai avanzati. Ad esempio, Ford sta lavorando a stretto contatto con diverse aziende produttrici di alluminio su un progetto chiamato Concept 2000 per produrre da 20 a 40 berline Taurus interamente in alluminio, che l'azienda sta ora testando e valutando. Il veicolo, che utilizza un design unibody, è solo poche centinaia di libbre più leggero della sua controparte in acciaio, in gran parte perché gli ingegneri del progetto non hanno cambiato il gruppo propulsore o le sospensioni o riprogettato il veicolo per ottenere altri risparmi di peso secondari. Il progetto era inteso solo come un test della producibilità di un'auto interamente in alluminio, con l'obiettivo di identificare i cambiamenti nella tecnologia di formatura che sarebbero stati necessari per produrla. Non è ancora chiaro se Ford consideri l'esperimento riuscito.
Alcoa e Audi hanno collaborato all'Audi A8, una berlina di lusso basata su un telaio spaziale in alluminio che viene prodotta a bassi volumi e commercializzata in Europa. Gran parte del risparmio di peso ottenuto dall'uso dell'alluminio viene annullato da accessori destinati ad aumentare l'appeal dell'auto in un mercato di fascia alta. Il veicolo, tuttavia, dimostra la fattibilità di un design che utilizza estrusi e fusioni in alluminio, nonché la lamiera lavorata utilizzata nei pannelli.
L'industria automobilistica sta anche tentando di sviluppare tecniche di produzione per mettere la plastica sui veicoli prodotti in serie (in particolare le linee di auto Saturn di GM), ma anche qui i componenti in plastica non sono elementi strutturali critici del veicolo. Tutti i Saturn, ad esempio, utilizzano pannelli della carrozzeria in plastica per coprire un telaio spaziale in acciaio. Poiché non hanno ruolo strutturale, i pannelli non sono realizzati in compositi rinforzati ma in plastica ordinaria, che può essere prodotta in quantità di centinaia di migliaia. La scelta del materiale è dettata meno da considerazioni di peso che dall'estetica: i pannelli di plastica conferiscono al veicolo la sua forma distintiva e resistono ad ammaccature e graffi. Infatti, il risparmio di peso ottenuto dall'utilizzo di pannelli in plastica è almeno in parte compensato dalla necessità di utilizzare più acciaio nei componenti strutturali per mantenere il livello di prestazioni atteso.
Le case automobilistiche hanno scoperto che, con uno sforzo aggressivo, possono sostituire i polimeri all'acciaio in una manciata di importanti applicazioni non tradizionali, come tetti, cofani, pianali e supporti motore, ma molti stanno anche scoprendo che i costi sono troppo alti e il risparmio di peso insignificante. GM ha anche sperimentato compositi in fibra di vetro sui pannelli della carrozzeria dei suoi furgoni APV per un certo numero di anni, ma recentemente ha concluso che il materiale è troppo costoso. L'azienda prevede di tornare a utilizzare l'acciaio.
Mentre continuano a sperimentare polimeri rinforzati con fibra di vetro in veicoli di nicchia, una piattaforma consolidata per l'innovazione, le case automobilistiche sembrano aver deciso che questi materiali non sono utili in applicazioni con volumi di produzione superiori a 80.000, perché a questi volumi i vantaggi non giustificare i costi. Inoltre, sembra che l'industria stia già utilizzando la plastica nella maggior parte delle applicazioni più adatte ai punti di forza del materiale. Ulteriori sostituzioni della plastica con l'acciaio saranno molto più difficili da realizzare, perché questi sono gli usi che sfruttano specificamente le proprietà dei metalli.
Un altro materiale che può svolgere un ruolo nel cambiamento incrementale è l'acciaio ad alta resistenza. Lo spessore delle parti in acciaio utilizzate nelle automobili è generalmente determinato dal grado di rigidità richiesto, ma in circa il 20% delle applicazioni la proprietà importante è la resistenza. Ad esempio, una trave in ogni portiera dell'auto protegge i passeggeri in caso di incidente. Le nuove leghe di acciaio ad alta resistenza sono da due a tre volte più resistenti dell'acciaio al carbonio convenzionale, quindi una trave realizzata con il nuovo materiale potrebbe pesare da metà a un terzo di quella utilizzata oggi nelle portiere delle auto. Un certo numero di aziende siderurgiche con sede in diversi paesi hanno assunto Porsche Engineering Services per elaborare un design della carrozzeria che incorporasse tutte le potenziali applicazioni dell'acciaio leggero. Stimano che il corpo potrebbe pesare dal 10 al 20 percento in meno di un convenzionale unibody in acciaio, a un costo fino al 15 percento in più.
Il programma per una nuova generazione di veicoli, nel frattempo, sta studiando i potenziali usi di acciai avanzati, plastica e alluminio, nonché sostanze esotiche e costose come magnesio e titanio. In questa fase iniziale, i ricercatori stanno cercando di identificare le tecnologie che potrebbero costituire la piattaforma per un veicolo avanzato a prezzi accessibili. Sembra che stiano concentrando i loro sforzi sul concetto di motore ibrido diesel-elettrico, per esempio, e sull'alluminio come materiale dominante per le applicazioni strutturali (sebbene il veicolo incorporerà senza dubbio una varietà di materiali avanzati per altri usi). non il programma alla fine riesce a sviluppare un veicolo che sia conveniente - e ci sono voci che gli addetti ai lavori credono che non lo farà - lo sforzo darà all'industria automobilistica una preziosa esperienza con nuovi materiali e tecnologie.
Concentrarsi su cosa possiamo fare
Qualunque sia la strategia adottata dal settore, un veicolo realizzato con materiali leggeri costerà chiaramente più dell'auto convenzionale di oggi. Il risparmio di carburante di questi veicoli dipenderà anche da molto più che dal passaggio a materiali leggeri; guadagni significativi richiederanno cambiamenti nelle aspettative dei consumatori. Dati i nostri presupposti su quanto dovrebbe essere spaziosa un'auto, quanto velocemente dovrebbe accelerare, quanto velocemente dovrebbe andare e quanto dovrebbe essere comodo da guidare, è difficile realizzare un'auto molto più leggera di, diciamo, tutta in alluminio Toro che sarà ancora un veicolo che la maggior parte dei consumatori di oggi desidera acquistare.
Tuttavia, lo spettro della supercar perseguita il dibattito sul riscaldamento globale indotto dall'anidride carbonica e alimenta la pressione pubblica affinché il governo imponga riforme più radicali. Se possiamo realizzare una racchetta da tennis migliore con il Kevlar, si dice, perché non possiamo realizzare un'automobile migliore con lo stesso tipo di materiale? Una risposta è: sebbene i consumatori possano essere disposti a pagare tre volte tanto per le loro racchette da tennis in materiale composito avanzato, è improbabile che siano disposti (o in grado) a pagare lo stesso prezzo premium per un'auto in materiale composito avanzato.
Una supercar come quella immaginata dal Programma per una Nuova Generazione di Veicoli - una che raggiunge 80 miglia per gallone, mantiene lo stesso livello di convenienza e costa lo stesso dell'auto di oggi - va oltre le nostre capacità oggi e per il prossimo futuro. Oggi è possibile raggiungere qualsiasi di questi tre obiettivi, ma metterli insieme richiederà importanti progressi tecnologici. È quindi poco pratico per l'industria abbandonare i design e la tecnologia delle automobili di oggi per perseguire questa chimera tecnologica.
Poiché non possiamo produrre in serie una carrozzeria economica e ultraleggera a base di polimeri, dovremmo concentrarci invece su ciò che possiamo fare. Ad esempio, possiamo realizzare un corpo in alluminio che funzioni come l'alternativa in acciaio, ma costa solo marginalmente di più. L'applicazione incrementale dell'ampio spettro di tecnologie dei materiali avanzate oggi disponibili può produrre vantaggi reali in termini di efficienza, utilità e prestazioni senza incorrere in costi insostenibili. Sebbene relativamente poco entusiasmanti e poco attraenti, le strategie incrementali per la riduzione del peso del veicolo sono l'unico approccio credibile per iniziare la transizione verso un veicolo economico ea basso consumo di carburante.