Ein praktischer Weg zu leichten Autos

Das Automobil ist das bestimmende technologische Artefakt des 20. Jahrhunderts. Seine Vertrautheit täuscht jedoch über seine Komplexität hinweg. Es ist keine leichte Aufgabe, ein Auto zu konstruieren, das schnell und leistungsstark, aber dennoch komfortabel und sicher ist – und dennoch erschwinglich. Berücksichtigen Sie noch ein paar Einschränkungen - Haltbarkeit, Reparaturfreundlichkeit, genug Platz für ein paar Kinder und den Familienhund und eine ausreichende Stromversorgung für die elektrischen Fensterheber, Klimaanlage, CD-Player und Sitzheizung - und die Herausforderung wird klar . Gerade weil das Automobil zu einem integralen Bestandteil unseres Lebens geworden ist, stellen die Verbrauchererwartungen eine Reihe von gewaltigen und oft widersprüchlichen Designzielen dar.



In den letzten 25 Jahren sind Autohersteller einem wachsenden Druck ausgesetzt, auch Umweltziele in ihre Designs zu integrieren. Insbesondere Verbraucher und die Bundesregierung haben auf Verbesserungen beim Kraftstoffverbrauch gedrängt, um Öl zu sparen und die Umweltverschmutzung zu kontrollieren. Die Automobilindustrie hat reagiert: Der Benzinverbrauch eines durchschnittlichen Neuwagens stieg zwischen 1974 und 1995 von 14,2 auf 28,2 Meilen pro Gallone.

Jetzt nimmt der öffentliche Druck zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs wieder zu, teilweise aufgrund der Besorgnis über die Aussichten auf den globalen Klimawandel. (Autos sind für etwa ein Viertel der Kohlendioxidemissionen verantwortlich, die maßgeblich zum Treibhauseffekt beitragen.) Der Schlüssel zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs eines Fahrzeugs liegt in der Gewichtsreduzierung: Je kleiner ein Fahrzeug ist, desto weniger Leistung benötigt es zum Beschleunigen und desto weniger Energie, um eine feste Geschwindigkeit zu halten. Traditionell hat die Automobilindustrie das Gewicht hauptsächlich durch Downsizing reduziert, eine Strategie, mit der es gelungen ist, das Gewicht eines typischen Autos in den letzten 20 Jahren von 3.500 Pfund auf 2.500 Pfund zu reduzieren. Heute stößt diese Strategie an ihre Grenzen. Erhebliche Verbesserungen werden nur durch einen neuen Ansatz möglich sein: die Karosserie des Automobils aus Leichtbaumaterialien statt aus einfachem Kohlenstoffstahl zu machen.





Obwohl die Karosserie nur etwa ein Drittel des Gewichts eines Automobils ausmacht, ist die Reduzierung des Karosseriegewichts die unabdingbare Voraussetzung für ein leichtes und kraftstoffsparendes Automobil. Ein Auto mit einer leichteren Karosserie kann einen leichteren Motor, eine weniger massive Federung und eine weniger aufwendige Struktur verwenden. Diese sekundären Gewichtseinsparungen können den Nutzen in etwa verdoppeln: Pro 10 Pfund, die durch die Gewichtsreduzierung der Karosserie eingespart werden, können weitere 10 Pfund durch die Verkleinerung anderer Teile des Autos eingespart werden.

Darüber hinaus sind viele neue Technologien zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs nur für Autos realisierbar, die wesentlich leichter sind als die heutigen. Automotoren müssen zum Beispiel die Ziele Effizienz (Energie pro zurückgelegter Strecke) und Leistung (die Kraft, die zum Beschleunigen des Autos benötigt wird) ausbalancieren. Hocheffiziente Verbrennungsmotoren, Elektromotoren oder Hybridantriebe, die beides kombinieren, sind weit weniger leistungsstark als herkömmliche Motoren und werden nur mit einem deutlich leichteren Fahrzeug eine vergleichbare Leistung erreichen. Die Reduzierung der Karosseriemasse ist unerlässlich, um eine Synergie zwischen geringem Gewicht und neuen Motortechnologien zu schaffen.

Im Jahr 1993 schlug ein sehr einflussreicher Artikel des Energieanalysten Amory Lovins vom Rocky Mountain Institute vor, dass große Autohersteller (oder jeder andere mit dem Mut) vorhandene Materialien und Technologien verwenden könnten, um ein ultraleichtes, sehr kraftstoffsparendes Fahrzeug herzustellen. Der Supersportwagen, den er sich vorstellte, würde leichte Kunststoffe, computergesteuerte Steuerungen und ein Hybrid-Triebwerk beinhalten – ein Antriebssystem, das wie eine moderne Lokomotive einen traditionellen Wärmemotor und einen Elektromotor kombiniert. Es würde ungefähr 1.000 Pfund wiegen und weit über 250 Meilen pro Gallone erreichen – aber es würde die Sicherheits- und Komfortmerkmale des heutigen Automobils beibehalten.



Lovins wies zu Recht darauf hin, dass die Materialien und Technologien, die einen Supersportwagen ermöglichen würden, mit den Konstruktions-, Herstellungs- und Organisationsprozessen, nach denen die Automobilindustrie strukturiert ist, grundsätzlich unvereinbar sind. Er argumentierte daher, dass nur eine Revolution in der Branche zu einem Supersportwagen führen würde; Bemühungen zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und der Leistung durch die schrittweise Einführung neuer Materialien und Technologien würden zu viel kosten und zu wenig bringen.

Das Supersportwagen-Konzept erregte große Aufmerksamkeit bei Umweltschützern, führenden Vertretern der Automobilindustrie und politischen Entscheidungsträgern und half sogar, eine ungewöhnliche Allianz zu inspirieren – obwohl seine Ziele etwas hinter denen von Lovins zurückbleiben. 1994 schlossen sich US-Autohersteller und die Bundesregierung zusammen, um das Programm für eine neue Fahrzeuggeneration ins Leben zu rufen, ein aggressives Forschungs- und Entwicklungsprojekt, dessen Ziel es ist, ein Auto zu produzieren, das einen Kraftstoffverbrauchsstandard erfüllt, der dreimal so hoch ist wie die heutigen 27,5 Meilen pro Gallone und bietet die Leistung und den Komfort eines herkömmlichen Autos - zum gleichen Preis. Durch die Kombination der Ressourcen der nationalen Labors und der großen US-Autohersteller hoffen die PNGV-Forscher, innerhalb von 10 Jahren einen Fahrzeugprototyp zu entwickeln und innerhalb von 20 Jahren in Serie zu produzieren und zu vermarkten.

Die Frage ist nicht, ob ein ultraleichtes Fahrzeug gebaut werden kann, das revolutionäre Verbesserungen beim Kraftstoffverbrauch bietet. Autohersteller wissen bereits, dass dies möglich ist. Die Frage ist, ob ein solches Auto bezahlbar gemacht werden kann und welche Veränderungen in der Automobilindustrie notwendig sind, um diesem Ziel näher zu kommen. Insbesondere Autohersteller und Befürworter von Supersportwagen diskutieren die Kosten und Vorteile von zwei Materialklassen, die als leichter Ersatz für Stahl in Fahrzeugkarosserien dienen könnten: Aluminium, das nur mit schrittweisen Änderungen in den Konstruktions- und Herstellungsprozessen der Branche verwendet werden kann; und Kunststoffe, die das nicht können.

Vor- und Nachteile von Aluminium



Aluminium, ein Leichtmetall mit einer Dichte von 45 Prozent gegenüber herkömmlichem Stahl, wird seit vielen Jahren als wichtiger Konstruktionswerkstoff in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Obwohl es teuer ist - Aluminiumblech wird für etwa 1,50 US-Dollar pro Pfund verkauft, verglichen mit etwa 30 Cent pro Pfund für Stahlblech - Forscher in der Automobilindustrie haben begonnen, die Möglichkeit zu untersuchen, Stahl in Fahrzeugkarosserien durch Aluminium zu ersetzen.

Einer der Hauptvorteile des Umstiegs auf Aluminium im Vergleich zu anderen Leichtbaumaterialien besteht darin, dass es mit vielen der Techniken geformt werden kann, die bereits bei der Herstellung von Automobilen aus Stahl angewendet werden. Somit könnte die Industrie einen Großteil ihrer bestehenden Ausrüstung weiterverwenden. Und die Konstruktion für Aluminium unterscheidet sich nicht wesentlich von der Konstruktion für Stahl – ein wichtiger Vorteil in einer Branche, in der Ingenieure nur ungern mit relativ unerprobten Materialien experimentieren.

Fusionsreaktor Helium 3

Die Tatsache, dass Automobilkarosserien heute nicht mehr überwiegend aus Aluminium bestehen, deutet natürlich darauf hin, dass das Material auch Nachteile hat. Aluminium ist nicht nur teurer als Stahl, sondern nur etwa ein Drittel so steif – eine entscheidende Einschränkung im Karosseriebau. Die Steifigkeit kann durch Änderung der Geometrie des Designs etwas erhöht werden (gebogene Formen sind steifer als flache), dies ist jedoch in einer Branche problematisch, in der Form und Stil wichtige Verkaufskonzepte sind. Eine einfachere Lösung besteht darin, flache Aluminium-Karosserieteile – Kotflügel, Motorhauben und Türen – dicker zu machen als Stahlbleche, um sicherzustellen, dass sie gleich gut funktionieren. Dies verursacht jedoch höhere Materialkosten und gleicht den Gewichtsvorteil teilweise aus.

Ein weiteres Problem ist die hohe elektrische Leitfähigkeit von Aluminium, die das Punktschweißen erschwert. Das Punktschweißen ist das Standardverfahren für die Montage von Automobilkarosserien aus Stahl. Die beiden zu verbindenden Teile werden zwischen zwei Elektroden geklemmt und mit elektrischem Strom beaufschlagt, wodurch die beiden Teile an der Berührungsstelle erhitzt werden, was zu einer Diffusionsverbindung führt. (Das Metall schmilzt nicht wirklich, da dies die Leistung des Materials verringern und zu Korrosion und zum Versagen von Teilen führen würde.)

Da Aluminium die Wärme besser leitet als Stahl, braucht es viel mehr Strom und größere Elektroden, um das Metall heiß genug zu machen, um es zu verbinden. Da die Elektroden während des Anlegens des Stroms länger in Kontakt mit dem Aluminium bleiben, diffundieren Aluminiumatome eher in die Elektrode, was ihre Lebensdauer verkürzt. Aluminiumfahrzeuge werden daher wahrscheinlich auf alternative Montagetechniken angewiesen sein, einschließlich Nahtschweißen (bei denen ein Streifen aus geschmolzenem Metall mehr oder weniger wie Leim aufgetragen wird), Klebstoffe und mechanische Befestigungselemente.

Unibody versus Space Frame

Die Herausforderung für die Automobilindustrie besteht darin, ein Aluminium-Automobil so zu gestalten, dass die Vorteile des Materials genutzt und die Nachteile minimiert werden. Es gibt zwei konkurrierende Möglichkeiten: ein Unibody, kurz für unitized body, das Design, das für Stahlautos verwendet wird; oder ein Space-Frame-Design, im Wesentlichen eine große Fachwerkstruktur, die mit einer dünnen Haut bedeckt ist.

Bei einer Unibody werden die Karosserieteile des Fahrzeugs zu einer Schalenstruktur zusammengefügt. Dadurch wird die hohe Steifigkeit der Karosseriebleche effizient genutzt. Aluminium ist zwar nicht so steif wie Stahl, aber wenn die Bleche dick genug sind und entsprechende Verbindungstechniken verwendet werden, funktioniert das Unibody-Design gut mit diesem Material.

Das Unibody-Design wirft jedoch zwei verwandte Probleme auf. Erstens ist es relativ schwierig (und daher teuer), aus relativ steifen Karosserieblechen aus Metall komplexe Oberflächen wie Ausschnitte oder aufwendige Rundungen herzustellen. Wenn Konstrukteure versuchen, dieses Problem durch die Verwendung einfacher zu verformender Materialien zu umgehen, tritt das zweite Problem auf: Da der Unibody den größten Teil seiner strukturellen Leistung aus der Art der Befestigung seiner Teile bezieht, müssen diese Teile aus Materialien bestehen, die sich leicht verbinden lassen . Ohne eine kostengünstige Möglichkeit, zwei unterschiedliche Materialien aneinander zu befestigen, erfordert das Unibody-Design im Wesentlichen, dass der Autohersteller Autos unter Verwendung einer einzigen Materialklasse herstellt.

Als Antwort auf diese Einwände erforschen Designer den Space Frame. Bei dieser Konstruktion besteht die Fahrzeugstruktur praktisch aus einem Gitter aus Metallschienen, ähnlich einem Brückenfachwerk. Das Fahrzeug ist für die strukturelle Leistung nicht auf Karosseriebleche angewiesen und kann tatsächlich ohne angebrachte Bleche gefahren werden. Dieses Design funktioniert nicht gut für Stahl, zum Teil, weil komplexe Stahlschienen nicht viel einfacher herzustellen sind als komplexe Karosseriebleche aus Stahl. Heute ist man sich unter den Autoherstellern einig, dass die Unibody-Karosserie der effizienteste Weg ist, um ein Fahrzeug für den Massenmarkt aus Stahl herzustellen.

Allerdings gewinnt der Space Frame erneut an Aufmerksamkeit von Designern, die mit alternativen Materialien, insbesondere Aluminium, arbeiten. Es ist einfacher, komplexe Schienen aus Aluminium herzustellen als aus Stahl, da Aluminium im Gegensatz zu Stahl extrudiert und zu komplexen Rohrformen geformt werden kann – ähnlich wie bei der Teigwarenherstellung. Diese extrudierten, hohlen Schienen können weitaus steifer sein als Vollstäbe mit gleichem Gewicht. Extrusion lässt sich leicht an die Massenproduktion anpassen; Es wird bereits in großem Umfang zur Herstellung von Bauformen wie Fensterrahmen und Rohren verwendet. Es wurden mehrere Konstruktionen für Aluminium-Spaceframe-Fahrzeuge entwickelt, die jeweils unterschiedliche Kombinationen von Strangpressteilen, Gussteilen und Blechen verwenden. Während die Jury noch nicht entschieden ist, kann der Spaceframe mit der richtigen Materialkombination eines Tages die Unibody-Karosserie in der Mainstream-Automobilproduktion herausfordern.

Ist Aluminium erschwinglich?

Ein Aluminiumfahrzeug, das auf beiden Konstruktionen basiert, würde uns dem Ziel näher bringen, ein leichtes Auto zu relativ moderaten Kosten zu bauen. Ein typischer Unibody aus Stahl wiegt knapp 600 Pfund, während ein Vollaluminium-Unibody etwa 325 Pfund wiegt und verschiedene Aluminium-Space-Frame-Designs zwischen 285 und 385 Pfund wiegen würden. Somit konnte jede Konstruktion das Gewicht des Körpers fast halbieren; ein leichterer Motor, eine leichtere Federung, ein leichteres Getriebe usw. könnten die eingesparten Pfunde verdoppeln. (Natürlich kann in anderen Bereichen Gewicht hinzugefügt werden, um die Mängel des neuen Designs auszugleichen – zum Beispiel kann sich ein Leichtbaufahrzeug nicht auf seine Strukturkomponenten verlassen, um die Passagiere im Falle eines Aufpralls zu schützen, und muss daher zusätzliche Systeme einsetzen , wie Airbags, die etwas Gewicht hinzufügen.)

Wie viel Kraftstoffeinsparung wird allein durch den Leichtbau der Karosserie erzielt? Eine Reduzierung des Gewichts des Fahrzeugs um 300 Pfund kann den Kraftstoffverbrauch um bis zu 15 Prozent senken. Dies würde den Benzinverbrauch eines typischen Mittelklassewagens wie den Ford Taurus von etwa 22 auf etwa 40 Kilometer pro Gallone erhöhen und die Kohlendioxidemissionen (CO2) von etwa 410 Gramm CO2 pro gefahrener Meile auf etwa 355 reduzieren Gramm pro Meile. Sekundäre Gewichtseinsparungen würden die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und die Reduzierung der Emissionen verdoppeln. Drastischere Verbesserungen des Kraftstoffverbrauchs würden zu proportionalen Senkungen der CO2-Emissionen führen, die jedoch weit drastischere Maßnahmen erfordern würden als bloße Leichtbauweise: effizientere Motortechnologien zum Beispiel und wahrscheinlich weniger Platz und weniger Komfort, als der amerikanische Verbraucher normalerweise erwartet.

Ein Leichtbau-Aluminiumauto auf Basis dieser beiden Konstruktionen dürfte in großen Stückzahlen etwas teurer sein als ein heutiges Stahlauto, wie Kostenanalysen von Mitgliedern des Materials Systems Laboratory am MIT ergeben. Bei sehr geringen Produktionsmengen (weniger als 20.000 Fahrzeuge pro Jahr) sind Aluminium-Spaceframes tatsächlich billiger als ein Stahl-Unibody: Das günstigste Space-Frame-Design würde etwa 4.500 US-Dollar kosten, verglichen mit 5.800 US-Dollar für eine Stahl-Unibody und 7.200 US-Dollar für eine Aluminium-Unibody .

Für Massenfahrzeuge sind diese Produktionsmengen jedoch viel zu gering. Beliebte Modelle wie der Ford Taurus werden in Stückzahlen von 300.000 bis 500.000 Stück produziert. Sogar Nischenfahrzeuge – Luxusautos wie der Lincoln Continental – werden zwischen 40.000 und 80.000 Stück produziert. Um als bezahlbar zu gelten, muss ein Leichtbaufahrzeug in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden können.

Bei Produktionsmengen von etwa 100.000 ist die Stahl-Unibody-Karosserie mit geschätzten Stückkosten von 2.500 US-Dollar die billigste Konstruktion. Aluminium-Spaceframes sind etwas teurer – das billigste Design kostet etwa 2.800 USD – während der Aluminium-Unibody etwa 3.600 USD kostet. Bei typischeren Produktionsläufen von 300.000 sinken die Kosten für den Stahl-Unibody auf geschätzte 1.400 US-Dollar, und der Aluminium-Unibody wird billiger als der Aluminium-Spaceframe (2.000 US-Dollar gegenüber 2.400 US-Dollar).

Die sich ändernden Kostenprofile der drei Designs resultieren aus Unterschieden in ihren Herstellungsprozessen. Das Stanzen von Metall – das Verfahren, mit dem sowohl Stahl- als auch Aluminium-Unibodys hergestellt werden – ist besser in der Lage, Skaleneffekte zu erzielen als Extrusion. Infolgedessen sinken die Stückkosten beider Arten von Unibodys, wenn sie in größeren Mengen hergestellt werden; der Kostenunterschied zwischen ihnen erklärt sich weitgehend durch die unterschiedlichen Rohstoffkosten.

Der Space-Frame folgt einem anderen Muster. Da die Investitionskosten des Strangpressens weitaus niedriger sind als die des Stahlstanzens, sind Space Frames bei geringen Produktionsmengen kostengünstiger als Unibodys. Extrudierte Teile erfordern jedoch eine zeitaufwendige Endbearbeitung und Wärmebehandlung. Außerdem ist die Geschwindigkeit, mit der extrudierte Teile geformt werden können, viel langsamer als die Geschwindigkeit, mit der gestanzte Teile hergestellt werden können. Dadurch sinken die Stückkosten bei steigendem Produktionsvolumen nicht so stark. Höhere Produktionsmengen verschieben letztlich die Wirtschaftlichkeit zugunsten des Unibody.

Angesichts der Tatsache, dass ein Fahrzeug mit einer Aluminiumkarosserie 300 bis 1.100 US-Dollar mehr kosten wird als ein Fahrzeug mit einer Stahlkarosserie, werden dann die gestiegenen Kraftstoffeinsparungen die gestiegenen Kosten über die Lebensdauer des Fahrzeugs ausgleichen? Die Antwort hängt von verschiedenen Faktoren ab: dem Gesamtgewicht (und den Kosten) des Fahrzeugs, der Effizienz seines Motors und dem Kraftstoffpreis. Die allein durch die Aluminiumkarosserie bedingte Verbrauchssteigerung würde sich jedoch nur bei steigenden Benzinpreisen amortisieren. Wenn der Benzinpreis zwischen 1,20 und 1,50 US-Dollar pro Gallone bleibt, würden die beim Benzin eingesparten Gelder nicht ausreichen, um die höheren Kosten auszugleichen: Die Lebenszykluskosten einer Aluminium-Unibody-Karosserie, die in Stückzahlen von 300.000 produziert wird, würden etwa 300 US-Dollar mehr betragen eines Stahlunibody. Aber wenn der Benzinpreis auf 2,30 US-Dollar pro Gallone steigen würde, würde der Besitzer des Autos auf Aluminiumbasis über die Lebensdauer des Fahrzeugs ausgeglichen sein. Es ist vernünftig anzunehmen, dass die Verbraucher unter diesen Umständen bereit sind, die höheren Anschaffungskosten für ein Auto auf Aluminiumbasis zu zahlen.

Die Anziehungskraft von Kunststoffen

Befürworter des revolutionären Ansatzes betonen jedoch die Vorteile von Kunststoffen als radikalere Leichtbaualternative zu Stahl. Kunststoffe sind mehr als doppelt so leicht wie Aluminium und lassen sich in viel mehr Formen umformen. Darüber hinaus kostet die zur Herstellung von Kunststoffen verwendete Ausrüstung viel weniger als die schwere Stanzausrüstung, die zur Herstellung von Metallteilen erforderlich ist. Diese Qualitäten haben seit den 1960er Jahren das Interesse der Automobilhersteller geweckt.

Heutzutage hat die Industrie Kunststoffe in eine Vielzahl von Anwendungen integriert; sie bilden beispielsweise die Interieurkomponenten der meisten Autos sowie Stoßfängerabdeckungen und Kotflügel. Hersteller und Designer haben auch Polymerverbundstoffe – entweder mit Glas- oder Kohlefasern verstärkte Kunststoffe – in den Karosserien von Rennwagen und einigen kommerziell hergestellten Fahrzeugen verwendet. Als Autohersteller in den 1980er Jahren nach neuen Wegen zur Reduzierung der Fahrzeugmasse suchten, begannen viele in der Industrie, die Verwendung von Polymerverbundwerkstoffen als Ersatz für Stahl in Automobilkarosserien zu untersuchen.

Verbundwerkstoffe haben wie Aluminium ihre Nachteile. Zum einen sind sie teurer als andere Automobilmaterialien. Die Kunststoffharzmischung kostet zwischen 1 und 10 US-Dollar pro Pfund und die Glasfaserpreise beginnen bei etwa 1 US-Dollar pro Pfund. Glasfaser-Polymer-Verbundwerkstoffe sind nur dann preislich mit Aluminium oder Stahl konkurrenzfähig, wenn sie in kleinen Mengen oder in komplexen Formen verwendet werden, deren Herstellung aus Metall unerschwinglich ist.

Außerdem sind gewöhnliche Kunststoffe zwischen einem Dreißigstel und einem Sechzigstel so steif wie Stahl, während verstärkte Kunststoffe etwa ein Fünfzehntel so steif wie Stahl sind. Die traditionelle Verwendung von Kunststoffen im Automobilinnenraum nutzt die Vorteile von geringem Gewicht und einfacher Formgebung, ohne dass ein hohes Maß an Steifigkeit erforderlich ist. Unibodys müssen jedoch steif sein, um effektiv zu funktionieren. Strukturplatten aus verstärkten Kunststoffen müssen daher deutlich dicker sein als ihre Pendants aus Metall, was das geringere Gewicht ausgleicht und die Kosten noch weiter erhöht.

Was tun, wenn die Netzneutralität wegfällt?

Kohlefaserverbundwerkstoffe haben das Interesse der Industrie als Alternative zu Glasfaserverbundwerkstoffen geweckt, da sie steifer sind. Platten aus diesen Materialien können dünner – und damit leichter – als ihre glasfaserverstärkten Pendants hergestellt werden. Kohlefaserverbundwerkstoffe sind jedoch unerschwinglich teuer: Die Preise für Kohlefasern beginnen bei 20 US-Dollar pro Pfund und steigen mit zunehmender Faserfestigkeit und Steifigkeit dramatisch an.

Unibodys auf Polymerbasis sind ebenfalls schwierig herzustellen. Karosserien aus verstärkten Verbundwerkstoffen würden zwar nur ein Drittel so viele Teile benötigen wie herkömmliche Metallkarosserien, diese müssten aber exakt zusammenpassen – was heute über den Stand der Montagetechnik hinausgeht. Da sich Kunstharz und Kohlefasern beim Abkühlen unterschiedlich stark zusammenziehen, verziehen und schrumpfen die Teile zwangsläufig leicht auf unvorhersehbare Weise von Stück zu Stück. Das ist nicht ungewöhnlich – auch Stahl ändert seine Form, wenn er abkühlt – aber Materialien wie Stahl können gebogen und in Form gebracht werden. Zum Beispiel verwenden Fließbandarbeiter Holzhämmer und Zweimalvierer, um sicherzustellen, dass die Stahlautotüren richtig hängen und beim Schließen dicht sind. Verstärkte Kunststoffteile können auf diese Weise nicht verformt werden – Kunststoff bricht eher als sich zu biegen – daher gibt es keine einfache Möglichkeit, leichte Unvollkommenheiten in der Passgenauigkeit der Teile auszugleichen.

Schließlich erfordert die Herstellung eines erschwinglichen Fahrzeugs eine Großserienfertigung mit Stückzahlen von mindestens 30.000 Einheiten pro Jahr und möglicherweise sogar einer Größenordnung höher. Während nichtstrukturelle Kunststoffbauteile in dieser Größenordnung problemlos hergestellt werden können, eignen sich Verarbeitungstechnologien für verstärkte Kunststoffe eher für Losgrößen von Hunderten oder Tausenden als für Hunderttausende. Der billigste Weg, um auf die Massenproduktion von Polymermaterialien umzusteigen, besteht darin, den Prozess zu beschleunigen und viel mehr Teile mit der gleichen Ausrüstung herzustellen. Aber die Verfahren zur Herstellung und Formgebung von verstärkten polymerbasierten Materialien sind für diese Art von direktem Scale-up nicht besonders geeignet.

Das kritische Problem ist, dass die Verarbeitung dieser Art von Kunststoffen von Natur aus langsam ist. Die Teile werden geformt, indem eine Mischung von Zutaten hergestellt und gewartet wird, bis sie abkühlen oder chemisch reagieren. Bei Teilen in der Größe von Automobilkarosserieteilen kann dieser Vorgang eine Minute oder länger dauern. Zum Vergleich: Stahlteile können in weniger als 10 Sekunden gestanzt werden. Es ist schwer, Wege zu finden, die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen oder die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung zu erhöhen – wenn Kunststoff zu schnell abkühlt, wird er spröde, und wenn chemische Reaktionen beschleunigt werden, werden sie schwer zu kontrollieren.

Um eine große Anzahl von Kunststoffteilen herzustellen, müssten Autohersteller also mehrere Maschinen kaufen und parallele Produktionslinien einrichten – Schritte, die den Kapitalvorteil der Kunststoffproduktion mehr als ausgleichen und den Verwaltungsaufwand erhöhen würden. Während parallele Produktionslinien in der Theorie machbar klingen, sind sie in der Praxis nur sehr schwer zu koordinieren. Infolgedessen haben Automobilhersteller tendenziell Prozesse vermieden, die mehr als zwei parallele Produktionslinien erfordern.

Ultralite=Ultrakostlich

Wie viel Gewicht könnte ein Unibody aus Kunststoff einsparen und zu welchem ​​Preis? Das radikalste Polymersystem ist das Ultralite, ein auf Kohlefaser-Verbundwerkstoffen basierendes Konzeptfahrzeug, das von GM-Forschern mit dem Auftrag entwickelt wurde, den höchstmöglichen Benzinverbrauch zu erzielen. In das von Hand gebaute Auto wurden verschiedene gewichts- und kraftstoffsparende Technologien integriert. Obwohl das Auto in der Lage war, mehr als 100 Meilen pro Gallone zu erreichen, kann es nicht als Prototyp für ein Massenmarktfahrzeug angesehen werden: Es enthielt nicht die Platz- oder Sicherheitsfunktionen, die die meisten Verbraucher für wesentlich halten würden, und wurde nie auf der Straße oder bei einem Crash getestet . Nichtsdestotrotz stellt es mit 308 Pfund die leichteste Autokarosserie dar, die jemals aus Polymermaterialien gebaut wurde.

Obwohl der Ultralite etwa so viel wiegt wie ein Aluminium-Spaceframe, würde er in großen Stückzahlen deutlich mehr kosten. Bei einem Produktionsvolumen von 100.000 beispielsweise würde jeder Unibody im Ultralite-Stil etwa 6.400 US-Dollar kosten. Diese Schätzung basiert auf der Annahme, dass die Kohlefaserpreise bei etwa 20 USD pro Pfund bleiben werden. Befürworter von Polymermaterialien haben argumentiert, dass der Preis von Carbonfasern mit steigender Nachfrage sinken wird. Aber selbst wenn der Preis für Carbonfasern auf 5 US-Dollar pro Pfund sinken würde – ein Trend, den wir nicht voraussehen, da die Herstellung von Carbonfasern nicht unbedingt Skaleneffekte ermöglicht – würde der Unibody aus Kunststoff immer noch 3.500 US-Dollar kosten, verglichen mit 2.500 US-Dollar für einen Stahl Unibody und 2.800 US-Dollar für einen Aluminium-Spaceframe bei vergleichbaren Produktionsmengen. Darüber hinaus sinkt bei höheren Produktionsmengen der Preis für einen Stahl- oder Aluminium-Unibody erheblich, während der Preis für einen polymerintensiven Unibody viel weniger sinkt, was ihn zu einer noch weniger wirtschaftlich sinnvollen Wahl macht.

Es ist unwahrscheinlich, dass die der Karosserie allein zuzuschreibende Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs die höheren Kosten einer Karosserie auf Polymerbasis ausgleichen würde. Bei Preisen von 1,20 bis 1,50 US-Dollar pro Gallone Benzin würde die Ultralite-Karosserie über ihren Lebenszyklus immer noch etwa 4.500 US-Dollar mehr kosten als eine Stahl- oder Aluminium-Unibody-Karosserie. Tatsächlich würden kohlenstofffaserverstärkte, polymerintensive Karosserien immer noch etwa 4.000 US-Dollar mehr kosten als Stahlkarosserien, selbst wenn die Benzinpreise auf 4,00 US-Dollar pro Gallone steigen würden, wie dies in Europa der Fall ist.

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Was Hersteller jetzt tun

Angesichts des Stands der Fertigungstechnik hat die Automobilindustrie einen schrittweisen Ansatz beim Einsatz neuer Materialien verfolgt und nach und nach neue Anwendungen von Aluminium, Polymeren und hochentwickelten Stählen übernommen. Ford arbeitet beispielsweise eng mit mehreren Aluminiumunternehmen an einem Projekt namens Concept 2000 zusammen, um 20 bis 40 Vollaluminium-Taurus-Limousinen herzustellen, die das Unternehmen derzeit testet und evaluiert. Das Fahrzeug, das ein Unibody-Design verwendet, ist nur wenige hundert Pfund leichter als sein Gegenstück aus Stahl, hauptsächlich weil die Projektingenieure weder den Antriebsstrang noch die Aufhängung verändert oder das Fahrzeug neu konstruiert haben, um andere sekundäre Gewichtseinsparungen zu erzielen. Das Projekt war nur als Test der Herstellbarkeit eines Vollaluminium-Autos gedacht, mit dem Ziel, die zu seiner Herstellung erforderlichen Änderungen in der Umformtechnik zu identifizieren. Ob Ford das Experiment als gelungen ansieht, ist noch nicht klar.

Alcoa und Audi haben beim Audi A8 zusammengearbeitet, einer Luxuslimousine auf Basis eines Aluminium-Spaceframes, die in geringen Stückzahlen produziert und in Europa vermarktet wird. Ein Großteil der Gewichtseinsparungen durch den Einsatz von Aluminium wird durch Ausstattungen ausgeglichen, die die Attraktivität des Autos im High-End-Markt steigern sollen. Das Fahrzeug demonstriert jedoch die Realisierbarkeit eines Designs, das Aluminium-Strangpress- und -Gussteile sowie das in den Platten verwendete Schmiedeblech verwendet.

Die Automobilindustrie versucht auch, Produktionstechniken zu entwickeln, um Kunststoffe in Serienfahrzeuge (insbesondere die Saturn-Fahrzeugreihen von GM) zu verwenden, aber auch hier sind die Kunststoffkomponenten keine kritischen Strukturelemente des Fahrzeugs. Alle Saturns verwenden zum Beispiel Karosseriebleche aus Kunststoff, um einen stählernen Gitterrohrrahmen zu verkleiden. Da sie keine strukturelle Funktion haben, werden die Platten nicht aus verstärkten Verbundwerkstoffen, sondern aus gewöhnlichen Kunststoffen hergestellt, die in Hunderttausenden Stückzahlen hergestellt werden können. Bei der Materialwahl kommt es weniger auf das Gewicht als auf die Kosmetik an: Kunststoffplatten geben dem Fahrzeug seine unverwechselbare Form und widerstehen Beulen und Kratzern. Tatsächlich wird die Gewichtseinsparung durch die Verwendung von Kunststoffplatten zumindest teilweise durch die Notwendigkeit ausgeglichen, mehr Stahl in Strukturkomponenten zu verwenden, um das erwartete Leistungsniveau aufrechtzuerhalten.

Autohersteller haben herausgefunden, dass sie Stahl in einer Handvoll wichtiger, nicht traditioneller Anwendungen wie Dächer, Motorhauben, Bodenbleche und Motorhalterungen mit aggressiven Bemühungen durch Polymere ersetzen können, aber viele entdecken auch, dass die Kosten zu hoch sind und die Gewichtsersparnis unscheinbar. GM experimentiert seit einigen Jahren auch mit Glasfaser-Verbundwerkstoffen an den Karosserieteilen seiner APV-Vans, ist aber kürzlich zu dem Schluss gekommen, dass das Material einfach zu teuer ist. Das Unternehmen plant, wieder Stahl zu verwenden.

Während sie weiterhin mit glasfaserverstärkten Polymeren in Nischenfahrzeugen experimentieren – einer etablierten Plattform für Innovationen – scheinen Autohersteller entschieden zu haben, dass diese Materialien für Anwendungen mit Produktionsmengen über 80.000 nicht nützlich sind, da bei diesen Mengen die Vorteile die Kosten nicht rechtfertigen. Darüber hinaus scheint die Industrie in den meisten Anwendungen bereits Kunststoffe zu verwenden, die den Stärken des Materials am besten entsprechen. Weitere Substitutionen von Stahl durch Kunststoffe werden viel schwieriger zu bewerkstelligen sein, da dies die Verwendungen sind, die speziell die Eigenschaften von Metallen nutzen.

Ein weiteres Material, das bei der schrittweisen Veränderung eine Rolle spielen kann, ist hochfester Stahl. Die Dicke von Stahlteilen in Automobilen wird normalerweise durch die erforderliche Steifigkeit bestimmt, aber in etwa 20 Prozent der Anwendungen ist die Festigkeit die wichtige Eigenschaft. So schützt beispielsweise ein Balken in jeder Autotür die Passagiere bei einem Crash. Neue hochfeste Stahllegierungen sind zwei- bis dreimal so fest wie herkömmlicher Kohlenstoffstahl, sodass ein Träger aus dem neuen Material ein halbes bis ein Drittel so viel wiegen könnte wie der heute in Autotüren verwendete Träger. Mehrere Stahlunternehmen mit Sitz in verschiedenen Ländern haben Porsche Engineering Services beauftragt, ein Karosseriedesign zu entwickeln, das alle Anwendungsmöglichkeiten von Stahlleichtbau berücksichtigt. Sie schätzen, dass die Karosserie 10 bis 20 Prozent weniger wiegen könnte als eine konventionelle Stahl-Unibody-Karosserie, bei bis zu 15 Prozent höheren Kosten.

Das Programm für eine neue Fahrzeuggeneration untersucht unterdessen die möglichen Verwendungen von fortschrittlichen Stählen, Kunststoffen und Aluminium sowie exotischen und teuren Substanzen wie Magnesium und Titan. In diesem frühen Stadium versuchen Forscher, die Technologien zu identifizieren, die die Plattform für ein erschwingliches fortschrittliches Fahrzeug bilden könnten. Sie scheinen ihre Bemühungen zum Beispiel auf das Konzept eines hybriden dieselelektrischen Motors und auf Aluminium als den dominierenden Werkstoff für strukturelle Anwendungen zu konzentrieren (obwohl das Fahrzeug zweifellos eine Vielzahl fortschrittlicher Materialien für andere Anwendungen enthalten wird). Letztlich gelingt es dem Programm nicht, ein bezahlbares Fahrzeug zu entwickeln - und es gibt Gerüchte, dass Insider dies nicht glauben -, die Bemühungen werden der Autoindustrie wertvolle Erfahrungen mit neuen Materialien und Technologien verschaffen.

Konzentration auf das, was wir tun können

Welche Strategie die Branche auch immer verfolgt, ein Fahrzeug aus Leichtbaumaterialien wird deutlich mehr kosten als ein konventionelles Auto von heute. Der Kraftstoffverbrauch dieser Fahrzeuge wird auch von viel mehr abhängen als von der Umstellung auf leichte Materialien; signifikante Gewinne erfordern Änderungen in den Erwartungen der Verbraucher. Angesichts unserer Annahmen darüber, wie geräumig ein Auto sein sollte, wie schnell es beschleunigen, wie schnell es fahren sollte und wie komfortabel es zu fahren sein sollte, ist es schwierig, ein Auto viel leichter zu machen als beispielsweise ein Vollaluminium Taurus, der immer noch ein Fahrzeug sein wird, das die meisten Verbraucher heute kaufen möchten.

Trotzdem verfolgt das Gespenst des Supersportwagens die Debatte über die Kohlendioxid-induzierte globale Erwärmung und nährt den öffentlichen Druck auf die Regierung, radikalere Reformen anzuordnen. Wenn wir aus Kevlar einen besseren Tennisschläger machen können, lautet das Argument, warum können wir nicht aus dem gleichen Material ein besseres Auto machen? Eine Antwort lautet: Obwohl die Verbraucher bereit sind, für ihre fortschrittlichen Tennisschläger aus Verbundwerkstoffen das Dreifache zu zahlen, sind sie wahrscheinlich nicht bereit (oder in der Lage), für ein fortschrittliches Verbundfahrzeug den gleichen Preisaufschlag zu zahlen.

Ein Supersportwagen, wie er im Programm für eine neue Fahrzeuggeneration vorgesehen ist – einer, der 80 Meilen pro Gallone erreicht, denselben Komfort beibehält und genauso viel kostet wie ein Auto von heute – übersteigt unsere Möglichkeiten heute und in naher Zukunft. Zwei dieser drei Ziele können heute erreicht werden, aber die Kombination aller drei erfordert große technologische Durchbrüche. Es ist daher für die Industrie unpraktisch, die heutigen Automobildesigns und -technologien abzuwerfen, um diese technologische Chimäre zu verfolgen.

Da wir keine erschwingliche, ultraleichte Fahrzeugkarosserie auf Polymerbasis in Serie herstellen können, sollten wir uns stattdessen auf das konzentrieren, was wir können. Wir können zum Beispiel eine Aluminiumkarosserie herstellen, die genauso leistungsfähig ist wie die Stahlalternative, aber nur geringfügig mehr kostet. Die schrittweise Anwendung des breiten Spektrums fortschrittlicher Materialtechnologien, die heute verfügbar sind, kann echte Vorteile in Bezug auf Effizienz, Nutzen und Leistung bringen, ohne dass untragbare Kosten entstehen. Obwohl relativ wenig aufregend und glanzlos, sind inkrementelle Strategien zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts der einzige glaubwürdige Ansatz, um den Übergang zu einem sparsamen, kraftstoffsparenden Fahrzeug zu beginnen.

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