En praktisk väg till lätta bilar

Bilen är nittonhundratalets avgörande tekniska artefakt. Dess förtrogenhet motsäger dock dess komplexitet. Det är ingen enkel bedrift att designa en bil som är snabb och kraftfull men ändå bekväm och säker – och ändå prisvärd. Ta hänsyn till ytterligare några begränsningar - hållbarhet, lätt att reparera, tillräckligt med utrymme för några barn och familjens hund, och en riklig strömförsörjning för de elektriska fönstren, luftkonditioneringen, CD-spelaren och uppvärmda säten - och utmaningen blir tydlig . Just för att bilen har blivit en integrerad del av våra liv, skapar konsumenternas förväntningar en uppsättning formidabla och ofta motstridiga designmål.

Under de senaste 25 åren har biltillverkare mött ett växande tryck att även införliva miljömål i sin design. I synnerhet har konsumenter och den federala regeringen drivit på för förbättringar av bränsleekonomin som ett sätt att spara olja och kontrollera föroreningar. Bilindustrin har svarat: bensinkörningen för den genomsnittliga nya bilen steg från 14,2 till 28,2 miles per gallon mellan 1974 och 1995.

Nu ökar allmänhetens tryck för att förbättra bränsleekonomin igen, delvis på grund av oro över utsikterna till globala klimatförändringar. (Bilar står för ungefär en fjärdedel av koldioxidutsläppen, en stor bidragande orsak till växthuseffekten.) Nyckeln till att förbättra ett fordons bränsleekonomi är viktminskning: ju mindre ett fordon är, desto mindre kraft krävs för att accelerera och desto mindre energi för att hålla en fast hastighet. Traditionellt har fordonsindustrin minskat vikten främst genom nedskärningar, en strategi som har lyckats minska vikten på en typisk bil från 3 500 pund till 2 500 pund under de senaste 20 åren. Idag har den strategin nått sina gränser. Betydande förbättringar kommer endast att vara möjliga genom ett nytt tillvägagångssätt: att göra bilkarossen av lättviktsmaterial istället för vanligt kolstål.

Även om karossen bara står för ungefär en tredjedel av en bils vikt, är en minskning av kroppens vikt en förutsättning för den lätta, bränslesnåla bilen. En bil med en lättare kaross kan använda en lättare motor, en mindre massiv fjädring och en mindre utarbetad struktur. Dessa sekundära viktbesparingar kan ungefär dubbla fördelarna: för varje 10 pounds som sparas genom att minska vikten på kroppen, kan ytterligare 10 pounds sparas genom att minska andra delar av bilen.

Dessutom är många nya tekniker utformade för att förbättra bränsleekonomin endast möjliga för bilar som är betydligt lättare än dagens. Bilmotorer måste till exempel balansera målen effektivitet (energi per tillryggalagd sträcka) och kraft (kraften som behövs för att accelerera bilen). Högeffektiva förbränningsmotorer, elmotorer eller hybridmotorer som kombinerar de två är alla mycket mindre kraftfulla än konventionella motorer och kommer att uppnå en jämförbar prestandanivå endast med ett mycket lättare fordon. Att minska kroppens massa är väsentligt för att skapa en synergi mellan låg vikt och ny motorteknologi.

År 1993 föreslog en mycket inflytelserik artikel av energianalytikern Amory Lovins från Rocky Mountain Institute att stora biltillverkare (eller någon annan med lusten) kunde använda befintliga material och teknologier för att producera ett ultralätt, mycket bränslesnålt fordon. Superbilen han föreställde sig skulle innehålla lättviktsplast, datorstyrda kontroller och ett hybridkraftverk - ett kraftsystem som skulle kombinera en traditionell värmemotor och en elmotor, som ett modernt lokomotiv. Den skulle väga ungefär 1 000 pounds och nå långt över 150 miles per gallon - men den skulle ändå behålla säkerhets- och bekvämlighetsegenskaperna hos dagens bilar.

Lovins påpekade, med rätta, att materialen och teknologierna som skulle göra en superbil möjlig är i grunden oförenliga med design, tillverkning och organisatoriska processer kring vilka bilindustrin är strukturerad. Han hävdade därför att endast en revolution i branschen skulle leda till en superbil; ansträngningar för att förbättra bränsleekonomin och prestanda genom stegvis införande av nya material och tekniker skulle kosta för mycket och ge för lite.

Superbilskonceptet väckte stor uppmärksamhet bland miljöpartister, bilindustriledare och beslutsfattare och bidrog till och med att inspirera en ovanlig allians, även om dess mål inte är något mindre än Lovins. 1994 gick amerikanska bilföretag och den federala regeringen samman för att lansera Program for a New Generation of Vehicles, ett aggressivt forsknings- och utvecklingsprojekt vars mål är att producera en bil som uppfyller en bränsleekonomistandard som är tre gånger högre än dagens 27,5 mil. per gallon och som erbjuder prestanda och bekvämlighet av en konventionell bil - för samma pris. Genom att kombinera resurserna från de nationella laboratorierna och de stora amerikanska biltillverkarna hoppas PNGV-forskare kunna utveckla en prototypfordon inom 10 år och att massproducera och marknadsföra den inom 20.

Frågan är inte om ett ultralätt fordon som erbjuder revolutionerande förbättringar av bränsleekonomin kan byggas. Biltillverkare vet redan att det kan. Frågan är om en sådan bil kan göras överkomlig, och vilka typer av förändringar inom bilindustrin som kommer att behövas för att föra oss närmare det målet. I synnerhet diskuterar biltillverkare och förespråkare av superbilar kostnaderna och fördelarna med två klasser av material som skulle kunna fungera som lättviktsersättningar för stål i fordonskarosser: aluminium, som kan användas med endast stegvisa förändringar i industrins design- och tillverkningsprocesser; och plast, som inte kan.

Aluminiums plus och minus

En lättmetall som är 45 procent lika tät som konventionellt stål, aluminium har använts som ett viktigt strukturmaterial inom flygindustrin i många år. Även om det är dyrt säljs aluminiumplåt för cirka 1,50 dollar per pund, jämfört med cirka 30 cent per pund för stålplåt-forskare inom bilindustrin har börjat undersöka möjligheten att ersätta stål med aluminium i fordonskarosser.

En av de största fördelarna med att byta till aluminium, jämfört med andra lätta material, är att det kan formas med många av de tekniker som redan tillämpas vid tillverkning av bilar av stål. Således kan industrin fortsätta att använda mycket av sin befintliga utrustning. Och design för aluminium skiljer sig inte drastiskt från design för stål - en viktig fördel i en industri där ingenjörer är ovilliga att experimentera med relativt oprövade material.

Det faktum att bilkarosser idag inte till stor del är aluminium tyder på att materialet också har nackdelar. Förutom att vara dyrare än stål är aluminium bara ungefär en tredjedel så styvt - en avgörande begränsning i bilkarossdesign. Styvheten kan ökas något genom att ändra designens geometri (böjda former är styvare än platta), men detta är problematiskt i en bransch där form och stil är viktiga säljbegrepp. En enklare lösning är att göra platta karosspaneler i aluminium-skärmar, motorhuvar och dörrar tjockare än stålpaneler för att säkerställa att de presterar lika bra. Detta medför dock högre materialkostnader och uppväger viktfördelen i viss mån.

Ett annat problem är den höga elektriska ledningsförmågan hos aluminium, vilket gör punktsvetsning svår. Punktsvetsning är standardmetoden för montering av bilkarosser i stål. De två delarna som sammanfogas kläms fast mellan två elektroder och elektrisk ström appliceras, varigenom de två delarna upphettas vid kontaktpunkten, vilket leder till diffusionsbindning. (Metallen smälter faktiskt inte, eftersom detta skulle minska materialets prestanda och leda till korrosion och delfel.)

Eftersom aluminium leder värme bättre än stål krävs det mycket mer elektricitet och större elektroder för att göra metallen tillräckligt varm för att binda. Och eftersom elektroderna förblir i kontakt med aluminiumet längre medan strömmen appliceras, är det mer sannolikt att aluminiumatomer diffunderar in i elektroden, vilket förkortar dess livslängd. Aluminiumfordon kommer troligen därför att förlita sig på alternativa monteringstekniker, inklusive sömsvetsning (där en remsa av smält metall appliceras mer eller mindre som lim), lim och mekaniska fästelement.

Unibody kontra Space Frame

Utmaningen som bilindustrin står inför är hur man designar en aluminiumbil för att fånga materialets fördelar och minimera nackdelarna. Det finns två konkurrerande möjligheter: en unibody, förkortning för unitized body, designen som används för stålbilar; eller en rymdramsdesign, i huvudsak en stor fackverksstruktur täckt med en tunn hud.

I en unibody är fordonets karosspaneler sammanfogade för att bilda en skalstruktur. Detta gör att karosspanelernas höga styvhet utnyttjas effektivt. Även om aluminium inte är lika styvt som stål, om panelerna görs tillräckligt tjocka och lämpliga sammanfogningstekniker används, kommer unibody-designen att fungera bra med detta material.

Emellertid ställer unibody-designen till två relaterade problem. För det första är det relativt svårt (och därför dyrt) att göra komplexa ytor, såsom utskärningar eller utarbetade kurvor, från relativt styva metallkroppspaneler. Om konstruktörer försöker kringgå detta problem genom att använda material som är lättare att forma, uppstår det andra problemet: eftersom unibody får det mesta av sin strukturella prestanda från sättet dess delar är fästa på, måste dessa delar vara sammansatta av material som lätt kan sammanfogas . Utan ett billigt sätt att fästa två olika material till varandra, kräver unibody-designen i huvudsak att biltillverkaren tillverkar bilar med en enda klass av material.

Som svar på dessa invändningar undersöker designers rymdramen. I denna design är fordonskonstruktionen i praktiken sammansatt av ett galler av metallskenor, liknande ett brofackverk. Fordonet förlitar sig inte på karosspaneler för strukturella prestanda och kan faktiskt köras utan några paneler fästa. Denna design fungerar inte bra för stål, delvis för att komplexa stålskenor inte är så mycket lättare att göra än komplexa stålkroppspaneler. Idag är konsensus bland biltillverkare att unibody är det mest effektiva sättet att tillverka ett massmarknadsfordon av stål.

Men rymdramen får förnyad uppmärksamhet från designers som arbetar med alternativa material, särskilt aluminium. Det är lättare att göra komplexa skenor av aluminium än stål eftersom aluminium, till skillnad från stål, kan extruderas-formas till komplexa rörformade former - i en process som liknar pastatillverkning. Dessa extruderade, ihåliga skenor kan vara mycket styvare än solida stänger med motsvarande vikt. Extrudering är lätt att anpassa till massproduktion; den används redan i stor skala för att tillverka konstruktionsformer som fönsterkarmar och rör. Flera konstruktioner för fordon med rymdram av aluminium har utvecklats, var och en med olika kombinationer av profiler, gjutgods och plåt. Medan juryn fortfarande är ute, med den rätta kombinationen av material kan rymdramen en dag utmana unibody i den vanliga biltillverkningen.

Är aluminium prisvärt?

Ett aluminiumfordon baserat på endera designen skulle föra oss närmare målet att bygga en lätt bil till en relativt måttlig kostnadsökning. En typisk stål unibody väger strax under 600 pounds, medan en all-aluminium unibody väger cirka 325 pounds och olika aluminium space-frame-konstruktioner skulle väga mellan 285 och 385 pounds. Sålunda kunde båda konstruktionerna halvera kroppens vikt nästan; en lättare motor, fjädring, transmission och så vidare kunde fördubbla antalet sparade pund. (Naturligtvis kan vikt läggas till på andra områden för att kompensera för bristerna i den nya designen - till exempel kan en lätt bil inte lita på sina strukturella komponenter för att skydda passagerare i händelse av en krock och kommer därför att behöva använda ytterligare system , som krockkuddar, som lägger lite vikt.)

Hur mycket bränslebesparingar genereras bara genom att lätta kroppen? Att minska fordonets vikt med 300 pund kan öka bränsleekonomin med så mycket som 15 procent. Detta skulle öka körsträckan för en typisk medelstor bil, som Ford Taurus, från cirka 22 till cirka 25 mil per gallon, och minska koldioxidutsläppen (CO2) från cirka 410 gram CO2 per körd mil till cirka 355 gram per mil. Sekundära viktbesparingar skulle fördubbla förbättringen av bränsleekonomin och minskningen av utsläppen. Mer dramatiska förbättringar av bränsleekonomin skulle resultera i proportionella minskningar av CO2-utsläppen, men dessa skulle kräva mycket mer drastiska åtgärder än bara lättviktning: effektivare motorteknik, till exempel, och förmodligen mindre utrymme och färre bekvämligheter än vad den amerikanska konsumenten vanligtvis förväntar sig.

En lätt aluminiumbil baserad på någon av dessa konstruktioner kommer sannolikt att bli något dyrare än dagens stålbil när den tillverkas i stora volymer, enligt kostnadsanalyser av medlemmar i Materials Systems Laboratory vid MIT. Vid mycket låga produktionsvolymer (mindre än 20 000 fordon per år) är utrymmesramar i aluminium faktiskt billigare än en unibody i stål: den billigaste konstruktionen med utrymmesram skulle kosta cirka 4 500 USD, jämfört med 5 800 USD för en unibody i stål och 7 200 USD för en unibody i aluminium .

Dessa produktionsvolymer är dock alldeles för låga för massmarknadsfordon. Populära modeller som Ford Taurus tillverkas i volymer på 300 000 till 500 000. Till och med nischfordon - lyxbilar som Lincoln Continental - har en produktion på mellan 40 000 och 80 000. För att anses vara prisvärt måste ett lättviktsfordon kunna tillverkas billigt i stora kvantiteter.

Vid produktionsvolymer på cirka 100 000 är unibody av stål den billigaste konstruktionen, till en uppskattad enhetskostnad på 2 500 $. Rumsramar i aluminium är lite dyrare – den billigaste designen kostar cirka 2 800 USD – medan unibody i aluminium kostar cirka 3 600 USD. För mer typiska produktionsserier på 300 000, sjunker kostnaden för unibody av stål till uppskattningsvis 1 400 $, och unibody i aluminium blir billigare än utrymmesramen i aluminium (2 000 $ jämfört med 2 400 $).

De förändrade kostnadsprofilerna för de tre designerna beror på skillnader i deras tillverkningsprocesser. Metallstämpling - den process genom vilken både stål och aluminium unibodies tillverkas - är bättre i stånd att fånga skalfördelar än extrudering. Som ett resultat av detta minskar enhetskostnaderna för båda typerna av unibodies när de produceras i större kvantitet; kostnadsskillnaden mellan dem förklaras till stor del av skillnaden i kostnaden för råvaran.

Rymdramen följer ett annat mönster. Eftersom kapitalkostnaderna för extrudering är mycket lägre än för stålstämpling, är rymdramar billigare än unibodies vid låga produktionsvolymer. Men extruderade delar kräver efterbehandling och värmebehandling, vilket är tidskrävande. Dessutom är den hastighet med vilken extruderade delar kan formas mycket långsammare än den hastighet med vilken stansade delar kan tillverkas. Som ett resultat av detta minskar inte enhetskostnaderna lika dramatiskt när produktionsvolymerna ökar. Högre produktionsvolymer förskjuter i slutändan ekonomin till fördel för unibody.

Med tanke på att ett fordon med en aluminiumkaross kommer att kosta $300 till $1 100 mer än ett fordon med en stålkaross, kommer ökningar i bränsleekonomi att kompensera för den ökade kostnaden under fordonets livslängd? Svaret beror på en mängd olika faktorer: fordonets totalvikt (och kostnad), motorns effektivitet och bränslepriset. Den ökning av bränsleekonomin som kan tillskrivas enbart aluminiumkroppen skulle dock betala sig själv endast om bensinpriset skulle stiga. Om priset på bensin förblir mellan 1,20 och 1,50 USD per gallon, skulle pengarna som sparas på gas inte räcka till för att kompensera för den högre kostnaden: livscykelkostnaden för en unibody i aluminium som produceras i volymer på 300 000 skulle förbli cirka 300 USD mer än så. av en unibody av stål. Men om priset på bensin steg till 2,30 $ per gallon, skulle ägaren av den aluminiumbaserade bilen gå i jämnvikt under fordonets livstid. Det är rimligt att tro att konsumenter under dessa omständigheter kan vara villiga att betala den högre initialkostnaden för en aluminiumbaserad bil.

Överklagandet av plast

Förespråkare för det revolutionära tillvägagångssättet betonar dock fördelarna med plast som ett mer radikalt lättviktsalternativ till stål. Plast är mer än dubbelt så lätt som aluminium och kan formas till en mycket större mängd olika former. Dessutom kostar den utrustning som används för att tillverka plast mycket mindre än den tunga stämplingsutrustning som krävs för att tillverka metalldelar. Dessa egenskaper har väckt biltillverkarnas intresse sedan 1960-talet.

Idag har industrin införlivat plast i en mängd olika användningsområden; de utgör till exempel interiörkomponenterna i de flesta bilar, liksom stötfångarskydd och fendrar. Tillverkare och designers har också använt polymerkompositer - plaster förstärkta med antingen glas- eller kolfibrer - i karosserna på racerbilar och vissa kommersiellt tillverkade fordon. På 1980-talet, när biltillverkare letade efter nya sätt att minska fordonsmassan, började många i branschen att undersöka användningen av polymera kompositer för att ersätta stål i bilkarosser.

Liksom aluminium har kompositmaterial sina nackdelar. Dels är de dyrare än andra fordonsmaterial. Plasthartsblandningen kostar mellan $1 och $10 per pund och glasfiberpriserna börjar runt $1 per pund. Glasfiberpolymerkompositer är priskonkurrenskraftiga med aluminium eller stål endast när de används i små mängder eller i komplexa former som är oöverkomligt dyra att forma av metall.

Dessutom är vanlig plast mellan en trettiondel och en sextiondel så styv som stål, medan armerad plast är ungefär en femtondel så styv som stål. Den traditionella användningen av plast i bilinteriörer fångar fördelarna med låg vikt och enkel konstruktion utan att kräva en hög grad av styvhet. Unibodies måste dock vara styva för att prestera effektivt. Strukturella paneler som består av armerad plast måste därför vara mycket tjockare än sina motsvarigheter i metall, vilket kompenserar för den minskade vikten och höjer kostnaderna ytterligare.

Kolfiberkompositer har väckt branschens intresse som ett alternativ till glasfiberkompositer eftersom de är styvare. Paneler som består av dessa material kan göras tunnare - och därmed lättare - än sina glasförstärkta motsvarigheter. Kolfiberkompositer är dock oöverkomligt dyra: priserna på kolfiber börjar på $20 per pund och stiger dramatiskt med ökningar i fiberstyrka och styvhet.

Polymerbaserade unibodies är också svåra att tillverka. Även om kroppar gjorda av förstärkta kompositer bara skulle kräva en tredjedel så många delar som konventionella metallkroppar, skulle dessa delar behöva göras för att passa ihop exakt - något som är bortom dagens monteringsteknik. Eftersom plastharts och kolfibrer drar ihop sig i olika hastigheter när de svalnar, är delarna bundna att deformeras och krympa något på sätt som varierar oförutsägbart från del till del. Det är inte ovanligt - stål ändrar form när det svalnar, men material som stål kan böjas och vridas till form. Till exempel använder löpande bandarbetare träklubbor och två-av-fyra för att se till att bildörrar av stål hänger ordentligt och tätar när de är stängda. Förstärkta plastkomponenter kan inte deformeras på detta sätt - plasten kommer att gå sönder snabbare än att böjas - så det finns inget enkelt sätt att kompensera för små brister i hur delar passar.

Slutligen, att producera ett prisvärt fordon kräver storskalig produktion, med volymer på minst 30 000 enheter per år och möjligen en storleksordning högre. Även om icke-strukturella plastkomponenter lätt kan tillverkas i denna skala, är bearbetningstekniker för armerad plast bättre lämpade för partistorlekar på hundratals eller tusentals snarare än hundratusentals. Det billigaste sättet att gå över till massproduktion av polymera material skulle vara att påskynda processen och tillverka många fler delar med samma utrustning. Men de processer som är involverade i tillverkning och formning av förstärkta polymerbaserade material är inte särskilt mottagliga för denna typ av okomplicerad uppskalning.

Det kritiska problemet är att bearbetningen av dessa typer av plaster i sig är långsam. Delarna bildas genom att man förbereder en blandning av ingredienser och väntar på att de ska svalna eller reagera kemiskt. För delar av storleken på bilkarosser kan denna process ta en minut eller mer. Som jämförelse kan ståldelar stämplas på mindre än 10 sekunder. Det är svårt att hitta sätt att öka hastigheten för kemiska reaktioner eller värmeöverföringshastigheten - om plast svalnar för snabbt blir den spröd, och om kemiska reaktioner påskyndas blir de svåra att kontrollera.

För att tillverka ett stort antal plastdelar skulle biltillverkare behöva köpa flera maskiner och sätta upp parallella produktionslinjer - steg som mer än skulle kompensera kapitalfördelen med plastproduktion och öka administrativa omkostnader. Även om parallella produktionslinjer kan låta möjliga i teorin, är de mycket svåra att samordna i praktiken. Som ett resultat har biltillverkare tenderat att undvika processer som kräver mer än två parallella produktionslinjer.

Ultralite=Ultrakostligt

Hur mycket vikt kan en unibody i plast spara, och till vilken kostnad? Det mest radikala polymersystemet är Ultralite, en konceptbil baserad på kolfiberkompositer som utvecklats av GM-forskare som fått mandat att få högsta möjliga gassträcka. Bilen, som byggdes för hand, innehöll en mängd olika vikt- och bränslebesparande tekniker. Även om bilen kunde ta mer än 100 miles per gallon, kan den inte betraktas som en prototyp för ett massmarknadsfordon: den innehöll inte de utrymmes- eller säkerhetsfunktioner som de flesta konsumenter skulle anse vara nödvändiga och var aldrig väg- eller krocktestad . Ändå, på 308 pund, representerar den den lättaste bilkarossen som hittills är byggd av polymermaterial.

Även om Ultralite väger ungefär lika mycket som en rymdram i aluminium skulle den kosta betydligt mer att producera i stora volymer. Vid produktionsvolymer på 100 000 till exempel skulle varje unibody i Ultralite-stil kosta cirka 6 400 dollar. Denna uppskattning är baserad på antagandet att priserna på kolfiber kommer att ligga kvar på cirka 20 USD per pund. Förespråkare av polymera material har hävdat att priset på kolfibrer kommer att sjunka när efterfrågan ökar. Men även om priset på kolfibrer sjunker till 5 USD per pund – en trend som vi inte förutser, eftersom produktionen av kolfibrer inte nödvändigtvis är mottaglig för skalfördelar – skulle plastkroppen fortfarande kosta 3 500 USD, jämfört med 2 500 USD för ett stål unibody och $2 800 för en rymdram i aluminium vid jämförbara produktionsvolymer. Vid högre produktionsvolymer kommer dessutom priset på en unibody i stål eller aluminium att sjunka avsevärt, medan priset på en polymerintensiv unibody kommer att sjunka mycket mindre, vilket gör det till ett ännu mindre ekonomiskt sunt val.

Det är osannolikt att ökningen av bränsleekonomin som kan hänföras till enbart karossen skulle kompensera för den högre kostnaden för en polymerbaserad kaross. Till priser på $1,20 till $1,50 per gallon bensin, skulle Ultralite-kroppen fortfarande kosta cirka $4 500 mer än antingen en stål- eller aluminiumenhet under sin livscykel. Faktum är att kolfiberförstärkta polymerintensiva karosser fortfarande skulle kosta cirka 4 000 USD mer än stålkroppar även om bensinpriserna steg till 4,00 USD per gallon, vilket är fallet i Europa.

Vad tillverkarna gör nu

Med tanke på tillverkningstekniken har bilindustrin tagit ett stegvis tillvägagångssätt för användningen av nya material och gradvis anammat nya tillämpningar av aluminium, polymerer och avancerade stål. Till exempel har Ford ett nära samarbete med flera aluminiumföretag i ett projekt kallat Concept 2000 för att tillverka 20 till 40 Taurus sedaner helt i aluminium, som företaget nu testar och utvärderar. Fordonet, som använder en unibody-design, är bara några hundra pund lättare än sin stålmotsvarighet, till stor del på grund av att projektingenjörerna inte ändrade drivlinan eller fjädring eller designade om fordonet för att uppnå andra sekundära viktbesparingar. Projektet var endast tänkt som ett test av tillverkningsbarheten av en bil helt i aluminium, med målet att identifiera de förändringar i formningsteknik som skulle behövas för att tillverka den. Det är ännu inte klart om Ford betraktar experimentet som framgångsrikt.

Alcoa och Audi har samarbetat kring Audi A8, en lyxsedan baserad på en rymdram i aluminium som tillverkas i låga volymer och marknadsförs i Europa. Mycket av viktbesparingarna som uppnås genom användningen av aluminium upphävs av utrustning som är avsedda att öka bilens attraktionskraft på en exklusiv marknad. Fordonet visar dock lönsamheten hos en design som använder aluminiumprofiler och gjutgods samt den smidesplåt som används i panelerna.

Bilindustrin försöker också utveckla produktionstekniker för att sätta plast på masstillverkade fordon (särskilt GM:s Saturn-billinjer), men även här är plastkomponenterna inte kritiska strukturella delar av fordonet. Alla Saturner, till exempel, använder plastkroppspaneler för att täcka en rymdram av stål. Eftersom de inte har någon strukturell roll är panelerna inte gjorda av förstärkta kompositer utan av vanlig plast, som kan tillverkas i mängder av hundratusentals. Valet av material styrs mindre av viktöverväganden än av kosmetika: plastpaneler ger fordonet dess distinkta form och motstår bucklor och repor. Faktum är att viktbesparingen som uppnås genom användning av plastpaneler åtminstone delvis uppvägs av behovet av att använda mer stål i strukturella komponenter för att bibehålla den förväntade prestandanivån.

Biltillverkare har upptäckt att de med en aggressiv ansträngning kan ersätta stål med polymerer i en handfull stora otraditionella tillämpningar, såsom tak, huvar, golvpannor och motorvaggor, men många upptäcker också att kostnaderna är för höga och viktbesparing föga imponerande. GM har också experimenterat med glasfiberkompositer på karosspanelerna på sina APV-bilar i ett antal år men kom nyligen fram till att materialet bara är för dyrt. Företaget planerar att återgå till att använda stål.

Samtidigt som de fortsätter att experimentera med glasfiberförstärkta polymerer i nischmarknadsfordon, verkar en väletablerad plattform för innovationsbiltillverkare ha beslutat att dessa material inte är användbara i applikationer med produktionsvolymer över 80 000, för vid dessa volymer är fördelarna motiverar inte kostnaderna. Dessutom verkar det som att industrin redan använder plast i de flesta av de applikationer som är bäst lämpade för materialets styrkor. Ytterligare utbyten av plast mot stål kommer att bli mycket svårare att åstadkomma, eftersom det är dessa användningsområden som specifikt drar nytta av metallernas egenskaper.

Ett annat material som kan spela en roll i stegvis förändring är höghållfast stål. Tjockleken på ståldelar som används i bilar bestäms vanligtvis av graden av styvhet de kräver, men i cirka 20 procent av applikationerna är den viktiga egenskapen hållfasthet. Till exempel skyddar en balk i varje bildörr passagerare i händelse av en krock. Nya höghållfasta stållegeringar är två till tre gånger så starka som konventionellt kolstål, så en balk gjord av det nya materialet kan väga en halv till en tredjedel så mycket som balken som används i bildörrar idag. Ett antal stålföretag baserade i olika länder har anlitat Porsche Engineering Services för att ta fram en karossdesign som inkluderar alla potentiella tillämpningar av lättviktsstål. De uppskattar att karossen kan väga 10 till 20 procent mindre än en konventionell unibody i stål, till en kostnad som är upp till 15 procent högre.

Programmet för en ny generation av fordon undersöker samtidigt den potentiella användningen av avancerade stål, plaster och aluminium, såväl som exotiska och dyra ämnen som magnesium och titan. I detta tidiga skede försöker forskare identifiera de teknologier som kan utgöra plattformen för ett överkomligt avancerat fordon. De verkar fokusera sina ansträngningar på konceptet med en hybrid diesel-elektrisk motor, till exempel, och på aluminium som det dominerande materialet för strukturella tillämpningar (även om fordonet utan tvekan kommer att innehålla en mängd olika avancerade material för andra ändamål.) Oavsett om eller inte programmet lyckas i slutändan utveckla ett fordon som är prisvärt - och det finns mullrande som insiders tror att det inte kommer att göra - ansträngningen kommer att ge bilindustrin värdefull erfarenhet av nya material och teknologier.

Koncentrera oss på vad vi kan göra

Oavsett vilken strategi branschen antar kommer ett fordon tillverkat av lättviktsmaterial helt klart att kosta mer än dagens konventionella bil. Bränsleekonomin för dessa fordon kommer också att bero på mycket mer än övergången till lättviktsmaterial; betydande vinster kommer att kräva förändringar i konsumenternas förväntningar. Med tanke på våra antaganden om hur rymlig en bil ska vara, hur snabbt den ska accelerera, hur snabbt den ska gå och hur bekväm den ska vara att åka i, är det svårt att göra en bil mycket lättare än, säg, helt i aluminium. Oxen som fortfarande kommer att vara ett fordon de flesta av dagens konsumenter vill köpa.

Ändå hemsöker superbilens spöke debatten om koldioxid-inducerad global uppvärmning och matar allmänhetens tryck för regeringen att bemyndiga mer radikala reformer. Om vi ​​kan göra en bättre tennisracket av Kevlar, är argumentet, varför kan vi inte göra en bättre bil av samma typ av material? Ett svar är: även om konsumenter kan vara villiga att betala tre gånger så mycket för sina avancerade komposit-tennisracketar, är det osannolikt att de är villiga (eller kan) betala samma prispremie för en avancerad kompositbil.

En superbil som den som föreställs av Program for a New Generation of Vehicles – en som når 80 miles per gallon, bibehåller samma bekvämlighetsnivå och kostar samma som dagens bil – är bortom våra möjligheter idag och för den närmaste framtiden. Vilket som helst av dessa tre mål kan uppnås idag, men att sätta alla tre tillsammans kommer att kräva stora tekniska genombrott. Det är därför opraktiskt för industrin att överge dagens bildesigner och teknik för att fullfölja denna tekniska chimär.

Eftersom vi inte kan masstillverka en prisvärd, ultralätt polymerbaserad fordonskaross, bör vi istället koncentrera oss på vad vi kan göra. Vi kan till exempel göra en aluminiumkropp som presterar lika bra som stålalternativet men som bara kostar marginellt mer. Den stegvisa tillämpningen av det breda spektrumet av avancerade materialteknologier som finns tillgängliga idag kan ge verkliga fördelar i effektivitet, användbarhet och prestanda utan att ådra sig oöverskådliga kostnader. Även om det är relativt oupphetsande och oglamoröst, är inkrementella strategier för viktminskning av fordon den enda trovärdiga metoden för att påbörja övergången till ett ekonomiskt, bränslesnålt fordon.

Dölj