Une route pratique vers des voitures légères

L'automobile est l'artefact technologique déterminant du vingtième siècle. Sa familiarité, cependant, dément sa complexité. Ce n'est pas une mince affaire de concevoir une voiture qui est rapide et puissante mais confortable et sûre et toujours abordable. Prenez en compte quelques contraintes supplémentaires - durabilité, facilité de réparation, suffisamment de place pour quelques enfants et le chien de la famille, et une alimentation électrique suffisante pour les vitres électriques, la climatisation, le lecteur CD et les sièges chauffants - et le défi devient clair . Précisément parce que l'automobile est devenue une partie intégrante de nos vies, les attentes des consommateurs établissent un ensemble d'objectifs de conception redoutables et souvent contradictoires.

Au cours des 25 dernières années, les constructeurs automobiles ont fait face à une pression croissante pour intégrer également des objectifs environnementaux dans leurs conceptions. En particulier, les consommateurs et le gouvernement fédéral ont insisté pour que l'économie de carburant soit améliorée afin de conserver le pétrole et de contrôler la pollution. L'industrie automobile a réagi : la consommation d'essence d'une voiture neuve moyenne est passée de 14,2 à 28,2 miles par gallon entre 1974 et 1995.

Aujourd'hui, la pression publique pour améliorer l'économie de carburant augmente à nouveau, en partie à cause des inquiétudes suscitées par la perspective d'un changement climatique mondial. (Les automobiles représentent environ un quart des émissions de dioxyde de carbone, un contributeur majeur à l'effet de serre.) La clé pour améliorer l'économie de carburant d'un véhicule est la réduction de poids : plus un véhicule est petit, moins il a besoin de puissance pour accélérer et moins d'énergie pour maintenir une vitesse fixe. Traditionnellement, l'industrie automobile a réduit le poids principalement en réduisant les effectifs, une stratégie qui a réussi à réduire le poids d'une voiture typique de 3 500 livres à 2 500 livres au cours des 20 dernières années. Aujourd'hui, cette stratégie a atteint ses limites. Des améliorations substantielles ne seront possibles que grâce à une nouvelle approche : fabriquer la carrosserie automobile à partir de matériaux légers au lieu d'acier au carbone de base.

Bien que la carrosserie ne représente qu'environ un tiers du poids d'une automobile, la réduction du poids de la carrosserie est la condition sine qua non d'une automobile légère et économe en carburant. Une voiture avec une carrosserie plus légère peut utiliser un moteur plus léger, une suspension moins massive et une structure moins élaborée. Ces économies de poids secondaires peuvent à peu près doubler les avantages : pour chaque 10 livres économisées en réduisant le poids de la carrosserie, 10 livres supplémentaires peuvent être économisées en réduisant la taille d'autres parties de la voiture.

De plus, de nombreuses nouvelles technologies conçues pour améliorer l'économie de carburant ne sont réalisables que pour des voitures nettement plus légères que celles d'aujourd'hui. Les moteurs automobiles, par exemple, doivent équilibrer les objectifs d'efficacité (énergie par distance parcourue) et de puissance (la force nécessaire pour accélérer la voiture). Les moteurs à combustion interne à haut rendement, les moteurs électriques ou les moteurs hybrides qui combinent les deux sont tous beaucoup moins puissants que les moteurs conventionnels et n'atteindront un niveau de performance comparable qu'avec un véhicule beaucoup plus léger. Réduire la masse de la carrosserie est essentiel pour créer une synergie entre légèreté et nouvelles technologies de motorisation.

En 1993, un article très influent de l'analyste énergétique Amory Lovins du Rocky Mountain Institute a suggéré que les principaux constructeurs automobiles (ou toute autre personne ayant du bon sens) pourraient utiliser les matériaux et les technologies existants pour produire un véhicule ultraléger et très économe en carburant. La supercar qu'il envisageait incorporerait des plastiques légers, des commandes informatisées et un groupe motopropulseur hybride, un système d'alimentation qui combinerait un moteur thermique traditionnel et un moteur électrique, comme une locomotive moderne. Il pèserait environ 1 000 livres et atteindrait bien plus de 150 miles par gallon, tout en conservant les caractéristiques de sécurité et de commodité de l'automobile d'aujourd'hui.

Lovins a souligné, à juste titre, que les matériaux et les technologies qui rendraient une supercar possible sont fondamentalement incompatibles avec les processus de conception, de fabrication et d'organisation autour desquels l'industrie automobile est structurée. Il a donc soutenu que seule une révolution dans l'industrie conduirait à une supercar; les efforts visant à améliorer l'économie de carburant et les performances grâce à l'adoption progressive de nouveaux matériaux et technologies coûteraient trop cher et rapporteraient trop peu.

Le concept de supercar a attiré beaucoup d'attention parmi les environnementalistes, les dirigeants de l'industrie automobile et les décideurs politiques et a même contribué à inspirer une alliance inhabituelle, bien que ses objectifs soient quelque peu en deçà de ceux de Lovins. En 1994, les constructeurs automobiles américains et le gouvernement fédéral ont uni leurs forces pour lancer le Programme pour une nouvelle génération de véhicules, un projet ambitieux de recherche et développement dont l'objectif est de produire une voiture répondant à une norme d'économie de carburant trois fois supérieure aux 27,5 milles d'aujourd'hui. par gallon et qui offre les performances et la commodité d'une voiture conventionnelle pour le même prix. En associant les ressources des laboratoires nationaux et des grands constructeurs automobiles américains, les chercheurs du PNGV espèrent développer un prototype de véhicule d'ici 10 ans et le produire en série et le commercialiser d'ici 20 ans.

La question n'est pas de savoir si un véhicule ultra-léger offrant des améliorations révolutionnaires en matière d'économie de carburant peut être construit. Les constructeurs automobiles le savent déjà. La question est de savoir si une telle voiture peut être rendue abordable et quels types de changements dans l'industrie automobile seront nécessaires pour nous rapprocher de cet objectif. En particulier, les constructeurs automobiles et les partisans des supercars débattent des coûts et des avantages de deux classes de matériaux qui pourraient servir de substituts légers à l'acier dans les carrosseries de véhicules : l'aluminium, qui peut être adopté avec seulement un changement progressif dans les processus de conception et de fabrication de l'industrie ; et les plastiques, qui ne le peuvent pas.

Avantages et inconvénients de l'aluminium

Un métal léger 45 pour cent aussi dense que l'acier conventionnel, l'aluminium est utilisé comme matériau de structure majeur dans l'industrie aérospatiale depuis de nombreuses années. Bien qu'elle soit chère, la tôle d'aluminium se vend environ 1,50 $ la livre, contre environ 30 cents la livre pour les tôles d'acier. Les chercheurs de l'industrie automobile ont commencé à étudier la possibilité de remplacer l'aluminium par l'acier dans les carrosseries de véhicules.

L'un des principaux avantages du passage à l'aluminium, par rapport à d'autres matériaux légers, est qu'il peut être formé en utilisant de nombreuses techniques déjà appliquées dans la fabrication d'automobiles en acier. Ainsi, l'industrie pourrait continuer à utiliser une grande partie de son équipement existant. Et la conception pour l'aluminium n'est pas très différente de la conception pour l'acier, un avantage important dans une industrie où les ingénieurs hésitent à expérimenter avec des matériaux relativement peu éprouvés.

Bien sûr, le fait que les carrosseries d'automobiles ne soient pas en grande partie en aluminium aujourd'hui suggère que le matériau présente également des inconvénients. En plus d'être plus cher que l'acier, l'aluminium n'est qu'environ un tiers de sa rigidité, une limitation cruciale dans la conception de la carrosserie automobile. La rigidité peut être légèrement augmentée en modifiant la géométrie de la conception (les formes incurvées sont plus rigides que les formes plates), mais cela pose problème dans une industrie où la forme et le style sont des concepts de vente importants. Une solution plus simple consiste à fabriquer des panneaux de carrosserie plats en aluminium (ailes, capots et portes) plus épais que les panneaux en acier pour garantir qu'ils fonctionnent aussi bien. Cela impose cependant des coûts de matériaux plus élevés et compense dans une certaine mesure l'avantage de poids.

Un autre problème est la conductivité électrique élevée de l'aluminium, qui rend le soudage par points difficile. Le soudage par points est la méthode standard pour l'assemblage de carrosseries d'automobiles en acier. Les deux parties à assembler sont serrées entre deux électrodes et un courant électrique est appliqué, chauffant ainsi les deux parties au point de contact, conduisant à une liaison par diffusion. (Le métal ne fond pas réellement, car cela réduirait les performances du matériau et entraînerait de la corrosion et une défaillance des pièces.)

Parce que l'aluminium conduit mieux la chaleur que l'acier, il faut beaucoup plus d'électricité et des électrodes plus grosses pour rendre le métal suffisamment chaud pour se lier. Et parce que les électrodes restent en contact avec l'aluminium plus longtemps pendant que le courant est appliqué, les atomes d'aluminium sont plus susceptibles de se diffuser dans l'électrode, ce qui raccourcit sa durée de vie utile. Les véhicules en aluminium s'appuieront donc probablement sur des techniques d'assemblage alternatives, notamment le soudage à la molette (dans lequel une bande de métal en fusion est appliquée plus ou moins comme de la colle), les adhésifs et les fixations mécaniques.

Unibody contre Space Frame

Le défi de l'industrie automobile est de savoir comment concevoir une automobile en aluminium de manière à capter les avantages du matériau et à en minimiser les inconvénients. Il existe deux possibilités concurrentes : une monocoque, abréviation de unitized body, la conception utilisée pour les automobiles en acier ; ou une conception à ossature spatiale, essentiellement une grande structure en treillis recouverte d'une peau mince.

Dans un monocoque, les panneaux de carrosserie du véhicule sont assemblés pour former une structure de coque. Cela permet d'utiliser efficacement la grande rigidité des panneaux de carrosserie. Bien que l'aluminium ne soit pas aussi rigide que l'acier, si les panneaux sont suffisamment épais et que des techniques d'assemblage appropriées sont utilisées, la conception monocoque fonctionnera bien avec ce matériau.

Cependant, la conception monocoque pose deux problèmes liés. Premièrement, il est relativement difficile (et donc coûteux) de réaliser des surfaces complexes, telles que des découpes ou des courbes élaborées, à partir de panneaux de carrosserie métalliques relativement rigides. Si les concepteurs tentent de contourner ce problème en utilisant des matériaux plus faciles à former, le deuxième problème se pose : parce que le monocoque tire la plupart de ses performances structurelles de la façon dont ses pièces sont fixées, ces pièces doivent être composées de matériaux qui peuvent facilement être assemblées. . Sans moyen peu coûteux de fixer deux matériaux différents l'un à l'autre, la conception monocoque oblige essentiellement le constructeur automobile à fabriquer des voitures en utilisant une seule classe de matériaux.

En réponse à ces objections, les designers explorent le cadre spatial. Dans cette conception, la structure du véhicule est composée, en effet, d'un treillis de rails métalliques, semblable à une ferme de pont. Le véhicule ne repose pas sur les panneaux de carrosserie pour les performances structurelles et peut en fait être conduit sans aucun panneau attaché. Cette conception ne fonctionne pas bien pour l'acier, en partie parce que les rails en acier complexes ne sont pas beaucoup plus faciles à fabriquer que les panneaux de carrosserie en acier complexes. Aujourd'hui, le consensus parmi les constructeurs automobiles est que le monocoque est le moyen le plus efficace de fabriquer un véhicule grand public en acier.

Cependant, le cadre spatial suscite une attention renouvelée de la part des concepteurs travaillant avec des matériaux alternatifs, en particulier l'aluminium. Il est plus facile de fabriquer des rails complexes en aluminium qu'en acier car, contrairement à l'acier, l'aluminium peut être extrudé - façonné en formes tubulaires complexes - dans un processus similaire à la fabrication de pâtes. Ces rails creux extrudés peuvent être beaucoup plus rigides que les barres pleines de poids équivalent. L'extrusion s'adapte facilement à la production de masse ; il est déjà utilisé à grande échelle pour fabriquer des formes de construction telles que des cadres de fenêtres et des tuyaux. Plusieurs conceptions de véhicules à cadre spatial en aluminium ont été développées, chacune utilisant différentes combinaisons d'extrusions, de moulages et de tôles. Alors que le jury n'est toujours pas là, avec la bonne combinaison de matériaux, le cadre spatial pourrait un jour défier le monocoque dans la production automobile grand public.

L'aluminium est-il abordable?

Un véhicule en aluminium basé sur l'une ou l'autre conception nous rapprocherait de l'objectif de construire une voiture légère à une augmentation de coût relativement modérée. Un monocoque en acier typique pèse un peu moins de 600 livres, tandis qu'un monocoque tout en aluminium pèse environ 325 livres et divers modèles de châssis en aluminium pèseraient entre 285 et 385 livres. Ainsi, l'une ou l'autre conception pourrait réduire le poids du corps de près de moitié; un moteur, une suspension, une transmission, etc. plus légers pourraient doubler le nombre de livres économisées. (Bien sûr, du poids peut être ajouté dans d'autres domaines pour compenser les lacunes de la nouvelle conception, par exemple, une voiture légère ne peut pas compter sur ses composants structurels pour protéger les passagers en cas d'accident et devra donc utiliser des systèmes supplémentaires , comme les airbags, qui ajoutent du poids.)

Combien d'économies de carburant sont générées en allégeant uniquement la carrosserie ? Réduire le poids du véhicule de 300 livres peut augmenter l'économie de carburant jusqu'à 15 pour cent. Cela augmenterait la consommation d'essence d'une voiture de taille moyenne typique, telle que la Ford Taurus, d'environ 22 à environ 25 miles par gallon, et réduirait les émissions de dioxyde de carbone (CO2) d'environ 410 grammes de CO2 par mile parcouru à environ 355. grammes par mile. Les économies de poids secondaires doubleraient l'amélioration de l'économie de carburant et la réduction des émissions. Des améliorations plus spectaculaires de l'économie de carburant entraîneraient des diminutions proportionnelles des émissions de CO2, mais celles-ci nécessiteraient des mesures beaucoup plus drastiques qu'un simple allègement : des technologies de moteur plus efficaces, par exemple, et probablement moins d'espace et moins de commodités que ce que le consommateur américain attend généralement.

Une voiture légère en aluminium basée sur l'une ou l'autre de ces conceptions est susceptible d'être un peu plus chère qu'une voiture en acier d'aujourd'hui lorsqu'elle est produite en grandes quantités, selon les analyses de coûts effectuées par les membres du Materials Systems Laboratory du MIT. À des volumes de production très faibles (moins de 20 000 véhicules par an), les châssis spatiaux en aluminium sont en fait moins chers qu'un monocoque en acier : la conception de châssis spatial le moins cher coûterait environ 4 500 $, contre 5 800 $ pour un monocoque en acier et 7 200 $ pour un monocoque en aluminium .

Cependant, ces volumes de production sont beaucoup trop faibles pour des véhicules grand public. Les modèles populaires tels que la Ford Taurus sont produits en volumes de 300 000 à 500 000. Même les véhicules de niche - les voitures de luxe comme la Lincoln Continental - ont une production comprise entre 40 000 et 80 000. Pour être considéré comme abordable, un véhicule léger doit pouvoir être fabriqué à peu de frais en grande quantité.

Avec des volumes de production d'environ 100 000, le monocoque en acier est la conception la moins chère, à un coût unitaire estimé à 2 500 $. Les cadres spatiaux en aluminium sont un peu plus chers - la conception la moins chère coûte environ 2 800 $ - tandis que le monocoque en aluminium coûte environ 3 600 $. Pour des séries de production plus typiques de 300 000, le coût du monocoque en acier tombe à environ 1 400 $, et le monocoque en aluminium devient moins cher que le cadre spatial en aluminium (2 000 $ contre 2 400 $).

Les profils de coûts changeants pour les trois conceptions résultent de différences dans leurs procédés de fabrication. L'emboutissage des métaux - le processus par lequel les monocorps en acier et en aluminium sont fabriqués - est mieux à même de réaliser des économies d'échelle que l'extrusion. En conséquence, les coûts unitaires des deux types de monocorps diminuent à mesure qu'ils sont produits en plus grande quantité ; le différentiel de coût entre eux s'explique en grande partie par la différence de coût de la matière première.

Le cadre spatial suit un modèle différent. Parce que les coûts d'investissement de l'extrusion sont bien inférieurs à ceux de l'emboutissage de l'acier, les structures spatiales sont moins chères que les monocorps à faible volume de production. Mais les pièces extrudées nécessitent une finition et un traitement thermique, ce qui prend du temps. De plus, la vitesse à laquelle les pièces extrudées peuvent être formées est bien plus lente que la vitesse à laquelle les pièces embouties peuvent être fabriquées. En conséquence, les coûts unitaires ne diminuent pas aussi radicalement lorsque les volumes de production augmentent. Des volumes de production plus élevés finissent par déplacer l'économie en faveur du monocoque.

Étant donné qu'un véhicule avec une carrosserie en aluminium va coûter de 300 $ à 1 100 $ de plus qu'un véhicule avec une carrosserie en acier, l'augmentation de la consommation de carburant compensera-t-elle l'augmentation des coûts au cours de la durée de vie du véhicule ? La réponse dépend de divers facteurs : le poids total (et le coût) du véhicule, l'efficacité de son moteur et le prix du carburant. Cependant, l'augmentation de l'économie de carburant attribuable à la seule carrosserie en aluminium ne serait rentable que si le prix de l'essence devait augmenter. Si le prix de l'essence reste compris entre 1,20 et 1,50 $ le gallon, l'argent économisé sur l'essence ne suffirait pas à compenser le coût plus élevé : le coût du cycle de vie d'un monocoque en aluminium produit en volumes de 300 000 resterait environ 300 $ de plus que cela. d'un monocoque en acier. Mais si le prix de l'essence montait à 2,30 $ le gallon, le propriétaire de la voiture à base d'aluminium atteindrait le seuil de rentabilité pendant la durée de vie du véhicule. Il est raisonnable de penser que dans ces circonstances, les consommateurs pourraient être disposés à payer le coût initial plus élevé d'une voiture à base d'aluminium.

L'attrait des plastiques

Les partisans de l'approche révolutionnaire, cependant, soulignent les avantages des plastiques en tant qu'alternative légère plus radicale à l'acier. Les plastiques sont plus de deux fois plus légers que l'aluminium et peuvent être façonnés dans une plus grande variété de formes. De plus, l'équipement utilisé pour fabriquer les plastiques coûte beaucoup moins cher que l'équipement d'emboutissage lourd requis pour fabriquer des pièces métalliques. Ces qualités ont suscité l'intérêt des constructeurs automobiles depuis les années 1960.

Aujourd'hui, l'industrie a incorporé les plastiques dans une variété d'utilisations ; ils forment les composants intérieurs de la plupart des voitures, par exemple, ainsi que les pare-chocs et les ailes. Les fabricants et les concepteurs ont également utilisé des composites polymères - des plastiques renforcés de fibres de verre ou de carbone - dans les carrosseries de voitures de course et de certains véhicules commerciaux. Dans les années 1980, alors que les constructeurs automobiles cherchaient de nouvelles façons de réduire la masse des véhicules, de nombreux acteurs de l'industrie ont commencé à étudier l'utilisation de composites polymères pour remplacer l'acier dans les carrosseries d'automobiles.

Comme l'aluminium, les matériaux composites ont leurs inconvénients. D'une part, ils sont plus chers que les autres matériaux automobiles. Le mélange de résine plastique coûte entre 1 $ et 10 $ la livre et les prix de la fibre de verre commencent autour de 1 $ la livre. Les composites polymères en fibre de verre sont compétitifs par rapport à l'aluminium ou à l'acier uniquement lorsqu'ils sont utilisés en petites quantités ou dans des formes complexes dont le coût de fabrication à partir du métal est prohibitif.

De plus, les plastiques ordinaires sont entre un trentième et un soixantième de la rigidité de l'acier, tandis que les plastiques renforcés sont environ un quinzième de la rigidité de l'acier. Les utilisations traditionnelles des plastiques dans les intérieurs automobiles capturent les avantages de la légèreté et de la facilité de formation sans nécessiter un degré élevé de rigidité. Les monocorps, cependant, doivent être rigides pour fonctionner efficacement. Les panneaux structuraux composés de plastiques renforcés doivent donc être beaucoup plus épais que leurs homologues métalliques, compensant ainsi le poids réduit et augmentant encore les coûts.

Les composites en fibre de carbone ont suscité l'intérêt de l'industrie en tant qu'alternative aux composites en fibre de verre car ils sont plus rigides. Les panneaux composés de ces matériaux peuvent être plus minces et donc plus légers que leurs homologues renforcés de verre. Cependant, les composites en fibre de carbone sont prohibitifs : les prix de la fibre de carbone commencent à 20 $ la livre et augmentent considérablement avec l'augmentation de la résistance et de la rigidité des fibres.

Les monocorps à base de polymère sont également difficiles à fabriquer. Bien que les corps faits de composites renforcés ne nécessiteraient qu'un tiers autant de pièces que les corps métalliques conventionnels, ces pièces devraient être conçues pour s'emboîter exactement, ce qui dépasse l'état de l'art de l'assemblage aujourd'hui. Étant donné que la résine plastique et les fibres de carbone se contractent à des vitesses différentes au fur et à mesure qu'elles refroidissent, les pièces sont liées à se déformer et à rétrécir légèrement de manière qui varie de manière imprévisible d'une pièce à l'autre. Ce n'est pas inhabituel - l'acier change de forme en refroidissant aussi, mais des matériaux comme l'acier peuvent être pliés et tordus en forme. Par exemple, les travailleurs de la chaîne de montage utilisent des maillets en bois et des deux par quatre pour s'assurer que les portes des voitures en acier pendent correctement et se ferment lorsqu'elles sont fermées. Les composants en plastique renforcé ne peuvent pas être déformés de cette manière - le plastique se brisera plus tôt que de se plier - il n'y a donc pas de moyen facile de compenser les légères imperfections dans l'ajustement des pièces.

Enfin, produire un véhicule abordable nécessite une production à grande échelle, avec des volumes d'au moins 30 000 unités par an et éventuellement un ordre de grandeur supérieur. Alors que les composants en plastique non structurels peuvent facilement être fabriqués à cette échelle, les technologies de traitement des plastiques renforcés sont mieux adaptées aux lots de centaines ou de milliers plutôt que de centaines de milliers. Le moyen le moins cher de passer à la production de masse de matériaux polymères serait d'accélérer le processus, en fabriquant beaucoup plus de pièces avec le même équipement. Mais les processus impliqués dans la fabrication et la mise en forme des matériaux à base de polymère renforcé ne se prêtent pas particulièrement à ce type de mise à l'échelle directe.

Le problème critique est que le traitement de ces types de plastiques est intrinsèquement lent. Les pièces sont formées en préparant un mélange d'ingrédients et en attendant qu'ils refroidissent ou réagissent chimiquement. Pour des pièces de la taille de panneaux de carrosserie automobile, ce processus peut prendre une minute ou plus. Par comparaison, les pièces en acier peuvent être embouties en moins de 10 secondes. Il est difficile de trouver des moyens d'augmenter la vitesse des réactions chimiques ou le taux de transfert de chaleur - si le plastique se refroidit trop rapidement, il devient cassant, et si les réactions chimiques sont accélérées, elles deviennent difficiles à contrôler.

Pour fabriquer un grand nombre de pièces en plastique, les constructeurs automobiles devraient donc acheter plusieurs machines et mettre en place des lignes de production parallèles - des étapes qui compenseraient largement l'avantage capital de la production de plastique et augmenteraient les frais généraux administratifs. Bien que des lignes de production parallèles puissent sembler réalisables en théorie, elles sont très difficiles à coordonner dans la pratique. En conséquence, les constructeurs automobiles ont eu tendance à éviter les processus qui nécessitent plus de deux lignes de production parallèles.

Ultralite = Ultra-coûteux

Combien de poids un monocoque en plastique peut-il économiser et à quel prix ? Le système polymère le plus radical est l'Ultralite, un concept-car basé sur des composites en fibre de carbone qui a été développé par des chercheurs de GM ayant pour mandat d'obtenir la consommation d'essence la plus élevée possible. La voiture, qui a été construite à la main, intégrait une variété de technologies d'économie de poids et de carburant. Bien que la voiture soit capable de parcourir plus de 100 miles par gallon, elle ne peut pas être considérée comme un prototype pour un véhicule grand public : elle ne contenait pas l'espace ou les caractéristiques de sécurité que la plupart des consommateurs considéreraient comme essentielles et n'a jamais été testée sur route ou en cas de collision. . Néanmoins, à 308 livres, elle représente la carrosserie la plus légère à ce jour construite en matériaux polymères.

Bien que l'Ultralite pèse à peu près le même poids qu'un cadre spatial en aluminium, il coûterait beaucoup plus cher à produire en gros volumes. À des volumes de production de 100 000, par exemple, chaque monocoque de style Ultralite coûterait environ 6 400 $. Cette estimation est basée sur l'hypothèse que les prix de la fibre de carbone resteront à environ 20 $ la livre. Les partisans des matériaux polymères ont fait valoir que le prix des fibres de carbone diminuera à mesure que la demande augmentera. Mais même si le prix des fibres de carbone tombait à 5 $ la livre - une tendance que nous ne prévoyons pas, car la production de fibres de carbone ne se prête pas nécessairement à des économies d'échelle - le monocoque en plastique coûterait toujours 3 500 $, contre 2 500 $ pour un acier monocoque et 2 800 $ pour un cadre spatial en aluminium à des volumes de production comparables. De plus, à des volumes de production plus élevés, le prix d'un monocoque en acier ou en aluminium baissera considérablement, tandis que le prix d'un monocoque à forte intensité de polymère baissera beaucoup moins, ce qui en fera un choix encore moins économique.

Il est peu probable que l'augmentation de l'économie de carburant attribuable au corps seul compense le coût plus élevé d'un corps à base de polymère. À des prix de 1,20 $ à 1,50 $ le gallon d'essence, la carrosserie Ultralite coûterait encore quelque 4 500 $ de plus qu'une monocoque en acier ou en aluminium au cours de son cycle de vie. En fait, les carrosseries à forte intensité de polymères renforcés de fibres de carbone coûteraient encore environ 4 000 $ de plus que les carrosseries en acier, même si les prix de l'essence montaient à 4,00 $ le gallon, comme c'est le cas en Europe.

Ce que les fabricants font maintenant

Compte tenu de l'état de l'art de la fabrication, l'industrie automobile a adopté une approche progressive de l'utilisation de nouveaux matériaux, adoptant progressivement de nouvelles applications de l'aluminium, des polymères et des aciers avancés. Par exemple, Ford travaille en étroite collaboration avec plusieurs sociétés d'aluminium sur un projet appelé Concept 2000 pour produire 20 à 40 berlines Taurus tout en aluminium, que la société teste et évalue actuellement. Le véhicule, qui utilise une conception monocoque, ne pèse que quelques centaines de livres de moins que son homologue en acier, en grande partie parce que les ingénieurs du projet n'ont pas modifié le groupe motopropulseur ou la suspension ni repensé le véhicule pour réaliser d'autres économies de poids secondaires. Le projet n'était destiné qu'à tester la capacité de fabrication d'une voiture tout en aluminium, dans le but d'identifier les changements dans la technologie de formage qui seraient nécessaires pour la produire. Il n'est pas encore clair si Ford considère l'expérience comme un succès.

Alcoa et Audi ont collaboré sur l'Audi A8, une berline de luxe basée sur un cadre spatial en aluminium qui est produite à faible volume et commercialisée en Europe. Une grande partie des économies de poids réalisées grâce à l'utilisation de l'aluminium sont annulées par des équipements destinés à renforcer l'attrait de la voiture sur un marché haut de gamme. Le véhicule démontre cependant la viabilité d'une conception qui utilise des extrusions et des moulages d'aluminium ainsi que la tôle forgée utilisée dans les panneaux.

L'industrie automobile tente également de développer des techniques de production pour mettre des plastiques sur les véhicules produits en série (notamment les gammes de voitures Saturn de GM), mais même ici, les composants en plastique ne sont pas des éléments structurels essentiels du véhicule. Toutes les Saturn, par exemple, utilisent des panneaux de carrosserie en plastique pour couvrir un cadre spatial en acier. Parce qu'ils n'ont pas de rôle structurel, les panneaux ne sont pas constitués de composites renforcés mais de plastiques ordinaires, qui peuvent être produits par centaines de milliers. Le choix du matériau est moins dicté par des considérations de poids que par des considérations esthétiques : les panneaux en plastique donnent au véhicule sa forme distinctive et résistent aux chocs et aux rayures. En effet, le gain de poids obtenu grâce à l'utilisation de panneaux en plastique est au moins en partie compensé par la nécessité d'utiliser davantage d'acier dans les composants de structure pour maintenir le niveau de performance attendu.

Les constructeurs automobiles ont découvert qu'avec un effort agressif, ils peuvent remplacer l'acier par des polymères dans une poignée d'applications non traditionnelles majeures, telles que les toits, les capots, les planchers et les berceaux de moteur, mais beaucoup découvrent également que les coûts sont trop élevés et que les gain de poids peu impressionnant. GM a également expérimenté des composites en fibre de verre sur les panneaux de carrosserie de ses fourgonnettes APV pendant un certain nombre d'années, mais a récemment conclu que le matériau était tout simplement trop cher. L'entreprise prévoit de revenir à l'utilisation de l'acier.

Alors qu'ils continuent à expérimenter des polymères renforcés de fibres de verre dans des véhicules de marché de niche - une plate-forme bien établie pour l'innovation - les constructeurs automobiles semblent avoir décidé que ces matériaux ne sont pas utiles dans les applications avec des volumes de production supérieurs à 80 000, car à ces volumes les avantages ne justifient pas les coûts. De plus, il semble que l'industrie utilise déjà des plastiques dans la plupart des applications les mieux adaptées aux résistances du matériau. D'autres substitutions de plastiques à l'acier seront beaucoup plus difficiles à réaliser, car ce sont les utilisations qui capitalisent spécifiquement sur les propriétés des métaux.

Un autre matériau qui peut jouer un rôle dans le changement progressif est l'acier à haute résistance. L'épaisseur des pièces en acier utilisées dans les automobiles est généralement déterminée par le degré de rigidité qu'elles nécessitent, mais dans environ 20 pour cent des applications, la propriété importante est la résistance. Par exemple, une poutre dans chaque portière de voiture protège les passagers en cas d'accident. Les nouveaux alliages d'acier à haute résistance sont deux à trois fois plus résistants que l'acier au carbone conventionnel, de sorte qu'une poutre faite de ce nouveau matériau pourrait peser de la moitié à un tiers du poids de la poutre utilisée dans les portes de voiture aujourd'hui. Un certain nombre de sociétés sidérurgiques basées dans différents pays ont engagé Porsche Engineering Services pour concevoir une carrosserie intégrant toutes les applications potentielles de l'acier léger. Ils estiment que le corps pourrait peser 10 à 20 % de moins qu'un monocoque en acier conventionnel, à un coût jusqu'à 15 % plus élevé.

Le programme pour une nouvelle génération de véhicules, quant à lui, étudie les utilisations potentielles des aciers, des plastiques et de l'aluminium avancés, ainsi que des substances exotiques et coûteuses comme le magnésium et le titane. À ce stade précoce, les chercheurs tentent d'identifier les technologies qui pourraient constituer la plate-forme d'un véhicule avancé abordable. Ils semblent concentrer leurs efforts sur le concept d'un moteur diesel-électrique hybride, par exemple, et sur l'aluminium en tant que matériau dominant pour les applications structurelles (bien que le véhicule incorporera sans aucun doute une variété de matériaux avancés pour d'autres utilisations). le programme ne réussit pas en fin de compte à développer un véhicule abordable - et il y a des rumeurs selon lesquelles les initiés pensent que ce ne sera pas le cas - l'effort donnera à l'industrie automobile une expérience précieuse avec de nouveaux matériaux et technologies.

Se concentrer sur ce que nous pouvons faire

Quelle que soit la stratégie adoptée par l'industrie, un véhicule fait de matériaux légers va clairement coûter plus cher qu'une voiture conventionnelle d'aujourd'hui. L'économie de carburant de ces véhicules dépendra également de bien plus que le passage à des matériaux légers ; des gains importants nécessiteront des changements dans les attentes des consommateurs. Compte tenu de nos hypothèses sur l'espace qu'une voiture devrait être, la vitesse à laquelle elle devrait accélérer, la vitesse à laquelle elle devrait aller et le confort de conduite, il est difficile de rendre une voiture beaucoup plus légère que, disons, le tout en aluminium Taurus qui sera toujours un véhicule que la plupart des consommateurs d'aujourd'hui voudront acheter.

Néanmoins, le spectre de la supercar hante le débat sur le réchauffement climatique induit par le dioxyde de carbone et alimente la pression publique pour que le gouvernement impose des réformes plus radicales. Si nous pouvons fabriquer une meilleure raquette de tennis en Kevlar, l'argument est le suivant : pourquoi ne pouvons-nous pas fabriquer une meilleure automobile avec le même type de matériau ? Une réponse est la suivante : bien que les consommateurs soient prêts à payer trois fois plus pour leurs raquettes de tennis composites avancées, il est peu probable qu'ils soient disposés (ou capables) de payer le même supplément de prix pour une voiture composite avancée.

Une supercar comme celle envisagée par le Programme pour une nouvelle génération de véhicules - une qui atteint 80 miles par gallon, maintient le même niveau de commodité et coûte le même prix que la voiture d'aujourd'hui - est au-delà de nos capacités aujourd'hui et dans un avenir proche. N'importe lequel de ces trois objectifs peut être atteint aujourd'hui, mais la mise en commun des trois nécessitera des avancées technologiques majeures. Il est donc peu pratique pour l'industrie de se débarrasser des conceptions et de la technologie automobiles d'aujourd'hui pour poursuivre cette chimère technologique.

Parce que nous ne pouvons pas produire en série une carrosserie de véhicule abordable et ultralégère à base de polymère, nous devrions plutôt nous concentrer sur ce que nous pouvons faire. Par exemple, nous pouvons fabriquer un corps en aluminium qui fonctionne aussi bien que l'alternative en acier mais qui ne coûte que légèrement plus. L'application incrémentielle du large éventail de technologies de matériaux avancées disponibles aujourd'hui peut apporter de réels avantages en termes d'efficacité, d'utilité et de performances sans encourir des coûts insupportables. Bien que relativement peu excitantes et peu séduisantes, les stratégies progressives de réduction du poids des véhicules sont la seule approche crédible pour amorcer la transition vers un véhicule économique et économe en carburant.

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