Un camino práctico hacia los coches ligeros

El automóvil es el artefacto tecnológico definitorio del siglo XX. Su familiaridad, sin embargo, oculta su complejidad. No es poca cosa diseñar un automóvil que sea rápido y potente, pero cómodo, seguro y asequible. Tenga en cuenta algunas limitaciones más: durabilidad, facilidad de reparación, espacio suficiente para algunos niños y el perro de la familia, y una fuente de alimentación amplia para las ventanas eléctricas, el aire acondicionado, el reproductor de CD y los asientos con calefacción, y el desafío se vuelve claro . Precisamente porque el automóvil se ha convertido en una parte integral de nuestras vidas, las expectativas del consumidor establecen un conjunto de objetivos de diseño formidables y, a menudo, conflictivos.



Durante los últimos 25 años, los fabricantes de automóviles se han enfrentado a una creciente presión para incorporar también objetivos medioambientales en sus diseños. En particular, los consumidores y el gobierno federal han impulsado mejoras en el ahorro de combustible como una forma de conservar el petróleo y controlar la contaminación. La industria del automóvil ha respondido: el rendimiento de la gasolina de un automóvil nuevo promedio aumentó de 14.2 a 28.2 millas por galón entre 1974 y 1995.

Ahora la presión pública para mejorar la economía de combustible está aumentando nuevamente, en parte debido a la preocupación por la perspectiva del cambio climático global. (Los automóviles representan aproximadamente una cuarta parte de las emisiones de dióxido de carbono, uno de los principales contribuyentes al efecto invernadero). La clave para mejorar la economía de combustible de un vehículo es la reducción de peso: cuanto más pequeño es un vehículo, menos potencia requiere para acelerar y menos energía para mantener una velocidad fija. Tradicionalmente, la industria automotriz ha reducido el peso principalmente reduciendo el tamaño, una estrategia que ha logrado reducir el peso de un automóvil típico de 3,500 libras a 2,500 libras durante los últimos 20 años. Hoy, esa estrategia ha llegado a sus límites. Las mejoras sustanciales solo serán posibles a través de un nuevo enfoque: fabricar la carrocería del automóvil con materiales livianos en lugar de acero al carbono básico.





Aunque la carrocería representa solo alrededor de un tercio del peso de un automóvil, reducir el peso de la carrocería es la condición sine qua non del automóvil liviano y de bajo consumo de combustible. Un automóvil con una carrocería más liviana puede usar un motor más liviano, una suspensión menos masiva y una estructura menos elaborada. Estos ahorros de peso secundarios pueden duplicar los beneficios: por cada 10 libras ahorradas al reducir el peso de la carrocería, se pueden ahorrar otras 10 libras reduciendo el tamaño de otras partes del automóvil.

Es más, muchas tecnologías nuevas diseñadas para mejorar el ahorro de combustible son factibles solo para automóviles que son sustancialmente más livianos que los actuales. Los motores de los automóviles, por ejemplo, deben equilibrar los objetivos de eficiencia (energía por distancia recorrida) y potencia (la fuerza necesaria para acelerar el automóvil). Los motores de combustión interna de alta eficiencia, los motores eléctricos o los motores híbridos que combinan los dos son todos mucho menos potentes que los motores convencionales y alcanzarán un nivel de rendimiento comparable solo con un vehículo mucho más ligero. Reducir la masa de la carrocería es fundamental para crear una sinergia entre el peso ligero y las nuevas tecnologías de motores.

En 1993, un artículo muy influyente del analista de energía Amory Lovins del Rocky Mountain Institute sugirió que los principales fabricantes de automóviles (o cualquier otra persona con el coraje) podrían usar los materiales y tecnologías existentes para producir un vehículo ultraligero y altamente eficiente en combustible. El superdeportivo que imaginó incorporaría plásticos livianos, controles computarizados y un motor híbrido, un sistema de energía que combinaría un motor térmico tradicional y un motor eléctrico, como una locomotora moderna. Pesaría aproximadamente 1,000 libras y alcanzaría más de 150 millas por galón; sin embargo, conservaría las características de seguridad y conveniencia del automóvil actual.



Lovins señaló, correctamente, que los materiales y tecnologías que harían posible un superdeportivo son fundamentalmente incompatibles con los procesos de diseño, fabricación y organización en torno a los cuales se estructura la industria del automóvil. Por lo tanto, argumentó que solo una revolución en la industria conduciría a un superdeportivo; Los esfuerzos para mejorar el rendimiento y la economía de combustible mediante la adopción incremental de nuevos materiales y tecnologías costarían demasiado y rendirían muy poco.

El concepto de superdeportivo atrajo una gran atención entre los ambientalistas, los líderes de la industria automotriz y los legisladores e incluso ayudó a inspirar una alianza inusual, aunque sus objetivos no alcanzan los de Lovins. En 1994, las compañías automotrices de EE. UU. Y el gobierno federal unieron fuerzas para lanzar el Programa para una nueva generación de vehículos, un agresivo proyecto de investigación y desarrollo cuyo objetivo es producir un automóvil que cumpla con un estándar de economía de combustible tres veces mayor que las 27.5 millas actuales. por galón y que ofrece el rendimiento y la comodidad de un automóvil convencional, por el mismo precio. Al combinar los recursos de los laboratorios nacionales y los principales fabricantes de automóviles de EE. UU., Los investigadores de PNGV esperan desarrollar un vehículo prototipo en 10 años y producirlo y comercializarlo en masa dentro de 20.

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La cuestión no es si se puede construir un vehículo ultraligero que ofrezca mejoras revolucionarias en el ahorro de combustible. Los fabricantes de automóviles ya saben que se puede. La pregunta es si un automóvil de este tipo puede hacerse asequible y qué tipo de cambios en la industria del automóvil serán necesarios para acercarnos a ese objetivo. En particular, los fabricantes de automóviles y los defensores de los superdeportivos están debatiendo los costos y beneficios de dos clases de materiales que podrían servir como sustitutos livianos del acero en las carrocerías de los vehículos: el aluminio, que puede adoptarse con solo cambios incrementales en los procesos de diseño y fabricación de la industria; y plásticos, que no pueden.

Ventajas y desventajas del aluminio



El aluminio, un metal ligero con un 45 por ciento de densidad como el acero convencional, se ha utilizado como material estructural importante en la industria aeroespacial durante muchos años. Aunque es cara, la hoja de aluminio se vende a aproximadamente 1,50 dólares la libra, en comparación con los 30 centavos la libra de la hoja de acero, los investigadores de la industria del automóvil han comenzado a investigar la posibilidad de sustituir el acero por aluminio en las carrocerías de los vehículos.

Una de las principales ventajas de cambiar al aluminio, en comparación con otros materiales ligeros, es que se puede formar utilizando muchas de las técnicas que ya se han aplicado para fabricar automóviles con acero. Por tanto, la industria podría seguir utilizando gran parte de su equipo existente. Y diseñar para aluminio no es drásticamente diferente de diseñar para acero, una ventaja importante en una industria en la que los ingenieros son reacios a experimentar con materiales relativamente nuevos.

Por supuesto, el hecho de que las carrocerías de los automóviles no sean en gran parte de aluminio hoy sugiere que el material también tiene desventajas. Además de ser más caro que el acero, el aluminio es solo un tercio más rígido, una limitación crucial en el diseño de la carrocería de los automóviles. La rigidez se puede aumentar un poco cambiando la geometría del diseño (las formas curvas son más rígidas que las planas), pero esto es problemático en una industria donde la forma y el estilo son conceptos de ventas importantes. Una solución más sencilla es hacer que los paneles de la carrocería de aluminio planos (guardabarros, capotas y puertas) sean más gruesos que los paneles de acero para garantizar que funcionen igualmente bien. Sin embargo, esto impone mayores costos de material y compensa en cierta medida la ventaja de peso.

Otro problema es la alta conductividad eléctrica del aluminio, que dificulta la soldadura por puntos. La soldadura por puntos es el método estándar para ensamblar carrocerías de automóviles de acero. Las dos partes que se unen se sujetan entre dos electrodos y se aplica corriente eléctrica, lo que calienta las dos partes en el punto de contacto, lo que conduce a la unión por difusión. (El metal en realidad no se derrite, ya que esto reduciría el rendimiento del material y provocaría corrosión y fallas en la pieza).

Debido a que el aluminio conduce el calor mejor que el acero, se necesita mucha más electricidad y electrodos más grandes para que el metal esté lo suficientemente caliente para unirse. Y debido a que los electrodos permanecen en contacto con el aluminio por más tiempo mientras se aplica la corriente, es más probable que los átomos de aluminio se difundan en el electrodo, acortando su vida útil. Por lo tanto, los vehículos de aluminio probablemente dependerán de técnicas de ensamblaje alternativas, incluida la soldadura por costura (en la que se aplica una tira de metal fundido más o menos como un pegamento), adhesivos y sujetadores mecánicos.

Unibody versus Space Frame

El desafío al que se enfrenta la industria del automóvil es cómo diseñar un automóvil de aluminio para capturar las ventajas del material y minimizar las desventajas. Hay dos posibilidades en competencia: un monocasco, abreviatura de cuerpo unificado, el diseño utilizado para los automóviles de acero; o un diseño de marco espacial, esencialmente una gran estructura de celosía cubierta con una piel delgada.

En un solo cuerpo, los paneles de la carrocería del vehículo se unen para formar una estructura de carcasa. Esto hace un uso eficiente de la alta rigidez de los paneles de la carrocería. Aunque el aluminio no es tan rígido como el acero, si los paneles se hacen lo suficientemente gruesos y se utilizan las técnicas de unión adecuadas, el diseño unibody funcionará bien con este material.

Sin embargo, el diseño unibody plantea dos problemas relacionados. Primero, es relativamente difícil (y por lo tanto caro) hacer superficies complejas, como cortes o curvas elaboradas, a partir de paneles de carrocería de metal relativamente rígidos. Si los diseñadores intentan eludir este problema utilizando materiales que son más fáciles de formar, surge el segundo problema: debido a que el monobloque deriva la mayor parte de su rendimiento estructural de la forma en que se unen sus partes, esas partes deben estar compuestas de materiales que se puedan unir fácilmente. . Sin una forma económica de sujetar dos materiales diferentes entre sí, el diseño de un solo cuerpo requiere esencialmente que el fabricante de automóviles fabrique automóviles utilizando una sola clase de materiales.

En respuesta a estas objeciones, los diseñadores están explorando el marco espacial. En este diseño, la estructura del vehículo está compuesta, en efecto, por una celosía de rieles metálicos, similar a una armadura de puente. El vehículo no depende de los paneles de la carrocería para el rendimiento estructural y, de hecho, se puede conducir sin ningún panel adjunto. Este diseño no funciona bien para el acero, en parte porque los rieles de acero complejos no son mucho más fáciles de fabricar que los complejos paneles de carrocería de acero. Hoy en día, el consenso entre los fabricantes de automóviles es que el monobloque es la forma más eficiente de fabricar un vehículo de acero para el mercado masivo.

Sin embargo, el marco espacial está ganando una renovada atención por parte de los diseñadores que trabajan con materiales alternativos, especialmente aluminio. Es más fácil fabricar rieles complejos con aluminio que con acero porque, a diferencia del acero, el aluminio se puede extruir -formarlo en formas tubulares complejas- en un proceso similar al de la fabricación de pasta. Estos rieles huecos extruidos pueden ser mucho más rígidos que las barras sólidas de peso equivalente. La extrusión se adapta fácilmente a la producción en masa; ya se utiliza a gran escala para fabricar formas de construcción como marcos de ventanas y tuberías. Se han desarrollado varios diseños para vehículos con bastidor espacial de aluminio, cada uno de los cuales utiliza diferentes combinaciones de extrusiones, piezas fundidas y láminas de metal. Si bien el jurado aún está deliberando, con la combinación correcta de materiales, el marco espacial puede desafiar algún día al monobloque en la producción de automóviles convencional.

¿Es el aluminio asequible?

Un vehículo de aluminio basado en cualquiera de los diseños nos acercaría más al objetivo de construir un automóvil liviano a un costo relativamente moderado. Una carrocería de acero típica pesa poco menos de 600 libras, mientras que una carrocería completamente de aluminio pesa alrededor de 325 libras y varios diseños de marco espacial de aluminio pesarían entre 285 y 385 libras. Por tanto, cualquiera de los dos diseños podría reducir el peso de la carrocería casi a la mitad; un motor, una suspensión, una transmisión, etc. más livianos podrían duplicar la cantidad de libras ahorradas. (Por supuesto, se puede agregar peso en otras áreas para compensar las deficiencias del nuevo diseño; por ejemplo, un automóvil liviano no puede depender de sus componentes estructurales para proteger a los pasajeros en caso de un choque y, por lo tanto, deberá emplear sistemas adicionales. , como los airbags, que añaden algo de peso).

¿Cuántos ahorros de combustible se generan al aligerar solo la carrocería? Reducir el peso del vehículo en 300 libras puede aumentar la economía de combustible hasta en un 15 por ciento. Esto aumentaría el consumo de combustible de un automóvil típico de tamaño mediano, como el Ford Taurus, de aproximadamente 22 a aproximadamente 25 millas por galón, y reduciría las emisiones de dióxido de carbono (CO2) de aproximadamente 410 gramos de CO2 por milla conducida a aproximadamente 355 gramos por milla. El ahorro de peso secundario duplicaría la mejora en el ahorro de combustible y la reducción de emisiones. Mejoras más dramáticas en la economía de combustible darían como resultado disminuciones proporcionales en las emisiones de CO2, pero estas requerirían medidas mucho más drásticas que la mera reducción del peso: tecnologías de motor más eficientes, por ejemplo, y probablemente menos espacio y menos comodidades de las que el consumidor estadounidense normalmente espera.

Es probable que un automóvil de aluminio liviano basado en cualquiera de estos diseños sea algo más caro que el automóvil de acero actual cuando se produce en grandes volúmenes, según los análisis de costos de los miembros del Laboratorio de Sistemas de Materiales del MIT. Con volúmenes de producción muy bajos (menos de 20.000 vehículos por año), los marcos espaciales de aluminio son en realidad más baratos que los unibody de acero: el diseño de marco espacial menos costoso costaría alrededor de $ 4,500, en comparación con $ 5,800 para un unibody de acero y $ 7,200 para un unibody de aluminio. .

Sin embargo, estos volúmenes de producción son demasiado bajos para los vehículos del mercado masivo. Los modelos populares como el Ford Taurus se producen en volúmenes de 300.000 a 500.000. Incluso los vehículos de nicho (coches de lujo como el Lincoln Continental) tienen una producción de entre 40.000 y 80.000. Para que se considere asequible, un vehículo ligero debe poder fabricarse de forma económica en grandes cantidades.

Con volúmenes de producción de alrededor de 100.000, el diseño unibody de acero es el más barato, con un costo unitario estimado de 2.500 dólares. Los marcos espaciales de aluminio son un poco más caros, el diseño más barato cuesta alrededor de $ 2,800, mientras que el monocasco de aluminio cuesta alrededor de $ 3,600. Para tiradas de producción más típicas de 300.000, el costo de la carrocería de acero se reduce a un estimado de 1.400 dólares, y la carrocería de aluminio se vuelve más barata que la estructura espacial de aluminio (2.000 dólares en comparación con 2.400 dólares).

Los perfiles de costos cambiantes para los tres diseños son el resultado de diferencias en sus procesos de fabricación. El estampado de metales, el proceso mediante el cual se fabrican los unicuerpos de acero y aluminio, es más capaz de capturar economías de escala que la extrusión. Como resultado, los costos unitarios de ambos tipos de unicuerpos disminuyen a medida que se producen en mayor cantidad; la diferencia de costo entre ellos se explica en gran medida por la diferencia en el costo de la materia prima.

El marco espacial sigue un patrón diferente. Debido a que los costos de capital de la extrusión son mucho más bajos que los del estampado de acero, los marcos espaciales son menos costosos que los unibodies en volúmenes de producción bajos. Pero las piezas extruidas requieren acabado y tratamiento térmico, que requieren mucho tiempo. Además, la velocidad a la que se pueden formar las piezas extruidas es mucho más lenta que la velocidad a la que se pueden fabricar las piezas estampadas. Como resultado, los costos unitarios no disminuyen tan drásticamente cuando aumentan los volúmenes de producción. Los volúmenes de producción más altos finalmente cambian la economía a favor del monocasco.

Dado que un vehículo con carrocería de aluminio va a costar entre $ 300 y $ 1,100 más que un vehículo con carrocería de acero, ¿los aumentos en la economía de combustible compensarán el aumento del costo durante la vida útil del vehículo? La respuesta depende de una variedad de factores: el peso total (y el costo) del vehículo, la eficiencia de su motor y el precio del combustible. Sin embargo, el aumento en la economía de combustible atribuible al cuerpo de aluminio solo se amortizaría solo si el precio de la gasolina aumentara. Si el precio de la gasolina se mantiene entre $ 1.20 y $ 1.50 por galón, el dinero ahorrado en gasolina no sería suficiente para compensar el costo más alto: el costo del ciclo de vida de una carrocería de aluminio producido en volúmenes de 300,000 seguiría siendo aproximadamente $ 300 más que eso. de un cuerpo de acero. Pero si el precio de la gasolina subiera a $ 2,30 por galón, el propietario del automóvil de aluminio se recuperaría durante la vida útil del vehículo. Es razonable pensar que, en estas circunstancias, los consumidores podrían estar dispuestos a pagar el mayor costo inicial de un automóvil de aluminio.

El atractivo de los plásticos

Los defensores del enfoque revolucionario, sin embargo, enfatizan las ventajas de los plásticos como una alternativa ligera más radical al acero. Los plásticos son más del doble de ligeros que el aluminio y se pueden formar en una variedad mucho más amplia de formas. Además, el equipo utilizado para fabricar plásticos cuesta mucho menos que el pesado equipo de estampado necesario para fabricar piezas metálicas. Estas cualidades han atraído el interés de los fabricantes de automóviles desde la década de 1960.

Hoy en día, la industria ha incorporado plásticos en una variedad de usos; forman los componentes interiores de la mayoría de los automóviles, por ejemplo, así como las cubiertas de los parachoques y los guardabarros. Los fabricantes y diseñadores también han utilizado compuestos poliméricos (plásticos reforzados con vidrio o fibras de carbono) en las carrocerías de los autos de carrera y algunos vehículos producidos comercialmente. En la década de 1980, cuando los fabricantes de automóviles buscaban nuevas formas de reducir la masa de los vehículos, muchos en la industria comenzaron a investigar el uso de compuestos poliméricos para sustituir el acero en las carrocerías de los automóviles.

Como el aluminio, los materiales compuestos tienen sus desventajas. Por un lado, son más caros que otros materiales automotrices. La mezcla de resina plástica cuesta entre $ 1 y $ 10 por libra y los precios de la fibra de vidrio comienzan alrededor de $ 1 por libra. Los compuestos poliméricos de fibra de vidrio tienen un precio competitivo con el aluminio o el acero solo cuando se usan en pequeñas cantidades o en formas complejas que son prohibitivamente caras de formar a partir de metal.

Además, los plásticos ordinarios tienen entre una trigésima parte y una sexagésima parte de la rigidez del acero, mientras que los plásticos reforzados son aproximadamente una decimoquinta parte de la rigidez del acero. Los usos tradicionales de los plásticos en el interior de los automóviles capturan las ventajas del peso ligero y la facilidad de formación sin requerir un alto grado de rigidez. Los monocuerpos, sin embargo, tienen que ser rígidos para funcionar con eficacia. Por lo tanto, los paneles estructurales compuestos de plástico reforzado deben ser mucho más gruesos que sus contrapartes metálicas, compensando el peso reducido y aumentando los costos aún más.

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Los compuestos de fibra de carbono han atraído el interés de la industria como alternativa a los compuestos de fibra de vidrio porque son más rígidos. Los paneles compuestos de estos materiales se pueden hacer más delgados y, por lo tanto, más livianos que sus contrapartes reforzadas con vidrio. Sin embargo, los compuestos de fibra de carbono son prohibitivamente caros: los precios de la fibra de carbono comienzan en $ 20 la libra y aumentan drásticamente con los aumentos en la resistencia y rigidez de la fibra.

Los monocuerpos basados ​​en polímeros también son difíciles de fabricar. Aunque las carrocerías hechas de materiales compuestos reforzados requerirían solo un tercio de la cantidad de piezas que las carrocerías metálicas convencionales, estas partes tendrían que fabricarse para que encajen exactamente entre sí, algo que está más allá del estado de la técnica del ensamblaje actual. Dado que la resina plástica y las fibras de carbono se contraen a diferentes velocidades a medida que se enfrían, las piezas están destinadas a deformarse y encogerse levemente de formas que varían de manera impredecible de una pieza a otra. Eso no es inusual, el acero también cambia de forma cuando se enfría, pero los materiales como el acero se pueden doblar y torcer para darle forma. Por ejemplo, los trabajadores de la línea de montaje usan mazos de madera y dos por cuatro para asegurarse de que las puertas de acero de los automóviles cuelguen correctamente y sellen cuando estén cerradas. Los componentes de plástico reforzado no se pueden deformar de esta manera (el plástico se rompe antes que doblarse), por lo que no hay una manera fácil de compensar las imperfecciones leves en la forma en que encajan las piezas.

Finalmente, producir un vehículo asequible requiere una producción a gran escala, con volúmenes de al menos 30.000 unidades por año y posiblemente un orden de magnitud mayor. Si bien los componentes plásticos no estructurales se pueden fabricar fácilmente a esta escala, las tecnologías de procesamiento para plásticos reforzados se adaptan mejor a lotes de cientos o miles en lugar de cientos de miles. La forma más barata de pasar a la producción en masa de materiales poliméricos sería acelerar el proceso, haciendo muchas más piezas con el mismo equipo. Pero los procesos involucrados en la fabricación y conformación de materiales reforzados basados ​​en polímeros no son particularmente adecuados para este tipo de ampliación sencilla.

El problema crítico es que el procesamiento de este tipo de plásticos es intrínsecamente lento. Las partes se forman preparando una mezcla de ingredientes y esperando que se enfríen o reaccionen químicamente. Para piezas del tamaño de los paneles de la carrocería de un automóvil, este proceso puede llevar un minuto o más. En comparación, las piezas de acero se pueden estampar en menos de 10 segundos. Es difícil encontrar formas de aumentar la velocidad de las reacciones químicas o la velocidad de transferencia de calor: si el plástico se enfría demasiado rápido, se vuelve quebradizo y si las reacciones químicas se aceleran, se vuelven difíciles de controlar.

Entonces, para fabricar una gran cantidad de piezas de plástico, los fabricantes de automóviles necesitarían comprar varias máquinas y establecer líneas de producción paralelas, pasos que compensarían con creces la ventaja de capital de la producción de plástico y aumentarían los gastos administrativos. Si bien las líneas de producción paralelas pueden parecer factibles en teoría, son muy difíciles de coordinar en la práctica. Como resultado, los fabricantes de automóviles han tendido a evitar los procesos que requieren más de dos líneas de producción paralelas.

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Ultralite = Ultracostly

¿Cuánto peso podría ahorrar una carrocería de plástico y a qué costo? El sistema de polímeros más radical es el Ultralite, un automóvil conceptual basado en compuestos de fibra de carbono que fue desarrollado por investigadores de GM con el mandato de obtener el mayor rendimiento de combustible posible. El automóvil, que fue construido a mano, incorporó una variedad de tecnologías de ahorro de peso y combustible. Aunque el automóvil era capaz de recorrer más de 100 millas por galón, no se puede considerar un prototipo para un vehículo de mercado masivo: no contenía el espacio o las características de seguridad que la mayoría de los consumidores considerarían esenciales y nunca fue probado en carretera o en choques. . Sin embargo, con 308 libras, representa la carrocería más liviana hasta ahora construida con materiales poliméricos.

Aunque el Ultralite pesa aproximadamente lo mismo que un marco espacial de aluminio, costaría mucho más producirlo en grandes volúmenes. En volúmenes de producción de 100.000, por ejemplo, cada monobloque estilo Ultralite costaría alrededor de 6.400 dólares. Esta estimación se basa en la suposición de que los precios de la fibra de carbono se mantendrán en alrededor de $ 20 por libra. Los defensores de los materiales poliméricos han argumentado que el precio de las fibras de carbono disminuirá a medida que aumente la demanda. Pero incluso si el precio de las fibras de carbono cayera a $ 5 por libra, una tendencia que no prevemos, ya que la producción de fibras de carbono no es necesariamente susceptible de economías de escala, el cuerpo de plástico todavía costaría $ 3500, en comparación con $ 2500 para un acero. unibody y $ 2,800 por un marco espacial de aluminio en volúmenes de producción comparables. Además, a mayores volúmenes de producción, el precio de un monobloque de acero o aluminio caerá considerablemente, mientras que el precio de un monobloque con uso intensivo de polímeros bajará mucho menos, lo que la convierte en una opción incluso menos sólida desde el punto de vista económico.

Es poco probable que el aumento en la economía de combustible atribuible a la carrocería por sí sola compensaría el mayor costo de una carrocería a base de polímero. A precios de $ 1.20 a $ 1.50 por galón de gasolina, la carrocería Ultralite todavía costaría unos $ 4.500 más que una carrocería de acero o aluminio durante su ciclo de vida. De hecho, las carrocerías intensivas en polímero reforzado con fibra de carbono aún costarían alrededor de $ 4,000 más que las carrocerías de acero, incluso si los precios de la gasolina subieran a $ 4,00 por galón, como es el caso en Europa.

Qué están haciendo los fabricantes ahora

Dado el estado de la técnica de fabricación, la industria del automóvil ha ido adoptando un enfoque incremental para el uso de nuevos materiales, adoptando gradualmente nuevas aplicaciones de aluminio, polímeros y aceros avanzados. Por ejemplo, Ford está trabajando en estrecha colaboración con varias compañías de aluminio en un proyecto llamado Concept 2000 para producir de 20 a 40 sedanes Taurus totalmente de aluminio, que la compañía ahora está probando y evaluando. El vehículo, que utiliza un diseño unibody, es solo unos pocos cientos de libras más liviano que su contraparte de acero, en gran parte porque los ingenieros del proyecto no cambiaron el tren motriz o la suspensión ni rediseñaron el vehículo para lograr otros ahorros de peso secundarios. El proyecto fue concebido solo como una prueba de la capacidad de fabricación de un automóvil totalmente de aluminio, con el objetivo de identificar los cambios en la tecnología de conformado que serían necesarios para producirlo. Aún no está claro si Ford considera que el experimento fue exitoso.

Alcoa y Audi han colaborado en el Audi A8, un sedán de lujo basado en un bastidor espacial de aluminio que se produce en volúmenes reducidos y se comercializa en Europa. Gran parte de los ahorros de peso obtenidos por el uso de aluminio se anulan con accesorios destinados a aumentar el atractivo del automóvil en un mercado de alta gama. Sin embargo, el vehículo demuestra la viabilidad de un diseño que utiliza extrusiones y fundiciones de aluminio, así como la hoja forjada utilizada en los paneles.

La industria del automóvil también está intentando desarrollar técnicas de producción para colocar plásticos en vehículos producidos en masa (en particular, las líneas de automóviles Saturn de GM), pero incluso aquí los componentes plásticos no son elementos estructurales críticos del vehículo. Todos los Saturns, por ejemplo, utilizan paneles de carrocería de plástico para cubrir un marco espacial de acero. Debido a que no tienen ningún papel estructural, los paneles no están hechos de compuestos reforzados sino de plásticos ordinarios, que pueden producirse en cantidades de cientos de miles. La elección del material se rige menos por consideraciones de peso que por cosméticos: los paneles de plástico dan al vehículo su forma distintiva y resisten abolladuras y rayones. De hecho, el ahorro de peso logrado mediante el uso de paneles de plástico se compensa, al menos en parte, por la necesidad de utilizar más acero en los componentes estructurales para mantener el nivel de rendimiento esperado.

Los fabricantes de automóviles han descubierto que, con un esfuerzo agresivo, pueden sustituir los polímeros por acero en un puñado de aplicaciones importantes no tradicionales, como techos, capotas, bandejas de suelo y soportes de motores, pero muchos también están descubriendo que los costos son demasiado altos y la ahorro de peso poco impresionante. GM también ha experimentado con compuestos de fibra de vidrio en los paneles de la carrocería de sus furgonetas APV durante varios años, pero recientemente concluyó que el material es demasiado caro. La empresa planea volver a utilizar acero.

Si bien continúan experimentando con polímeros reforzados con fibra de vidrio en vehículos de nicho de mercado, una plataforma bien establecida para la innovación, los fabricantes de automóviles parecen haber decidido que estos materiales no son útiles en aplicaciones con volúmenes de producción superiores a 80.000, porque en estos volúmenes los beneficios no justifique los costos. Además, parece que la industria ya está utilizando plásticos en la mayoría de las aplicaciones que mejor se adaptan a las fortalezas del material. Las sustituciones adicionales de acero por plásticos serán mucho más difíciles de lograr, porque estos son los usos que aprovechan específicamente las propiedades de los metales.

Otro material que puede influir en el cambio incremental es el acero de alta resistencia. El espesor de las piezas de acero utilizadas en los automóviles suele estar determinado por el grado de rigidez que requieren, pero en aproximadamente el 20 por ciento de las aplicaciones la propiedad importante es la resistencia. Por ejemplo, una viga en cada puerta del automóvil protege a los pasajeros en caso de accidente. Las nuevas aleaciones de acero de alta resistencia son dos o tres veces más resistentes que el acero al carbono convencional, por lo que una viga hecha del nuevo material podría pesar entre la mitad y un tercio de la viga que se usa en las puertas de los automóviles en la actualidad. Varias empresas siderúrgicas con sede en diferentes países han contratado a Porsche Engineering Services para crear un diseño de carrocería que incorpore todas las aplicaciones potenciales del acero ligero. Estiman que la carrocería podría pesar entre un 10 y un 20 por ciento menos que una carrocería de acero convencional, a un costo hasta un 15 por ciento más alto.

Mientras tanto, el Programa para una Nueva Generación de Vehículos está investigando los usos potenciales de aceros, plásticos y aluminio avanzados, así como de sustancias tan exóticas y caras como el magnesio y el titanio. En esta etapa inicial, los investigadores están tratando de identificar las tecnologías que podrían formar la plataforma para un vehículo avanzado asequible. Parece que están centrando sus esfuerzos en el concepto de un motor híbrido diesel-eléctrico, por ejemplo, y en el aluminio como material dominante para aplicaciones estructurales (aunque el vehículo sin duda incorporará una variedad de materiales avanzados para otros usos). No es que el programa finalmente tenga éxito en el desarrollo de un vehículo que sea asequible, y hay rumores de que los conocedores creen que no lo será, el esfuerzo dará a la industria automotriz una experiencia valiosa con nuevos materiales y tecnologías.

Concentrándonos en lo que podemos hacer

Cualquiera que sea la estrategia que adopte la industria, un vehículo fabricado con materiales livianos claramente costará más que el automóvil convencional actual. La economía de combustible de estos vehículos también dependerá de mucho más que el cambio a materiales livianos; las ganancias significativas requerirán cambios en las expectativas de los consumidores. Dadas nuestras suposiciones sobre qué tan espacioso debe ser un automóvil, qué tan rápido debe acelerar, qué tan rápido debe ir y qué tan cómodo debe ser viajar en él, es difícil hacer un automóvil mucho más liviano que, digamos, el de aluminio. Tauro que seguirá siendo un vehículo que la mayoría de los consumidores de hoy quieren comprar.

Sin embargo, el espectro del superdeportivo acecha el debate sobre el calentamiento global inducido por el dióxido de carbono y alimenta la presión pública para que el gobierno imponga reformas más radicales. Si podemos hacer una mejor raqueta de tenis con Kevlar, dice el argumento, ¿por qué no podemos hacer un mejor automóvil con el mismo tipo de material? Una respuesta es: aunque los consumidores pueden estar dispuestos a pagar tres veces más por sus avanzadas raquetas de tenis de material compuesto, es poco probable que estén dispuestos (o puedan) pagar el mismo precio superior por un coche de material compuesto avanzado.

Un superdeportivo como el previsto por el Programa para una Nueva Generación de Vehículos, uno que alcance 80 millas por galón, mantenga el mismo nivel de conveniencia y cueste lo mismo que el automóvil actual, está más allá de nuestras capacidades hoy y en el futuro cercano. Dos de estos tres objetivos se pueden lograr hoy, pero poner los tres juntos requerirá grandes avances tecnológicos. Por lo tanto, no es práctico para la industria deshacerse de los diseños y la tecnología de los automóviles actuales para perseguir esta quimera tecnológica.

Debido a que no podemos producir en masa una carrocería de vehículo a base de polímero ultraligero y asequible, deberíamos concentrarnos en lo que podemos hacer. Por ejemplo, podemos fabricar una carrocería de aluminio que funcione tan bien como la alternativa de acero, pero que cueste solo un poco más. La aplicación incremental del amplio espectro de tecnologías de materiales avanzados disponibles en la actualidad puede generar beneficios reales en eficiencia, utilidad y rendimiento sin incurrir en costos insoportables. Aunque relativamente poco emocionantes y poco glamorosas, las estrategias incrementales para la reducción del peso del vehículo son el único enfoque creíble para comenzar la transición a un vehículo económico y de bajo consumo de combustible.

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