Bil, karosseri (bilde)
er bilens ytre deler. Det er vanligvis laget av stål men kan også lages av aluminium eller plast. Formen bestemmes til dels etter plassbehov, dels etter hva som egner seg best aerodynamisk sett og dels etter ønsker om design.
Stål
Karosseriet består i nesten alle moderne biler av formpressede stålplater i tykkelse fra 0,5 til 3 millimeter. Fabrikkene bruker karosseristål fordi materialet har god formbarhet og styrke. En av fordelene med stål, som er et smibart jernmetall, er at det kan tilsettes en lang rekke stoffer og slik få helt nye egenskaper. Samtidig er stål forholdsvis enkelt å arbeide med og å sammenføye, som regel med punktsveising. Spesielle typer karosseristål kan lett legeres opp og få meget høy styrke (fasthet), typisk fire til seks ganger vanlig karosseristål. Disse har gjerne en bruddfasthet på 250 MPa (megapascal), mens de avanserte HSLA-stålene (High Strength, Low Alloy, mikrolegerte finkornstål) som brukes i knutepunkter osv., yter 1000 MPa og 1250 MPa eller mer. Sterkere stål gir lettere bil. Men prisen øker fordi HSAL koster mer. Det koster mer fordi det krever mer i produksjonen, av prosesskontroll og kostbare tilsettinger.
Lettere bil? Et interessant spørsmål er: Må biler være så tunge? Økt vekt koster mer i innkjøp og mer i drift, og gir økte utslipp. En tom, mellomstor bil veier gjerne oppunder 1400 kilo. Av dette utgjør drivverk, nakent karosseri, hjuloppheng og innredning rundt 1000 - 1100 kilo. Resten er hjul, dører, glass og diverse forsterkninger. Mange fabrikker har forsket på å bygge lettere. Lettmetall og plastkompositter er en teoretisk mulighet. Men studiene indikerer at det er svært vanskelig å få til vesentlig lavere tørrvekt uten at prisen stiger voldsomt. Karosseriet alene veier ca 200-300 kilo. Det lages som nevnt av stållegeringer fordi stål er rimelig og som regel lett å forme. Det kan dessuten leveres i ulike styrkegrader (styrke = fasthet). Stivere og sterkere stål er mer krevende å forme og brukes i knutepunkter og stolper/bjelker. Fordi ståler en legering med jern* veier det nesten alltid 7,8 kilo per kubikk desimeter. Aluminium veier 2,8 og magnesium 1,8. Titan veier 4,7 men er dyrt. Å erstatte stål med aluminium lønner seg ikke så mye som man skulle tro, fordi fasthet og stivhet er så mye lavere. En konstruksjon av aluminium må bygges tykkere og blir derfor tyngre enn egenvekten skulle tilsi. Ingeniører regner som tommelfingerregel med at en konstruksjon av stål bare kan erstattes av en i aluminium med en vektgevinst på 30-40 prosent. Om stålkarosseriet veier 300 kilo skulle man altså kunnes senke vekten med ca 100 kilo, ned til ca 200. En bil på 1200 kilo tomvekt skulle altså komme ned i 1100 kilo. Og dette ville koste svært mye både i materialer og produksjon; prisen på karosseriet ville øke sterkt.Drivverket har i våre dager som regel aluminiumsmotor. Moderne legeringer er fine å støpe no av samtidig som de har høy trykkfasthet om støpingen skjer porefritt. Drivaksler lages av stål pga av ytelsen per kilo. Tannhjul osv må lages av spesialstål pga slitasjen. Girkassehus er allerede laget av aluminium/magnesium. Skivebremsene er av stål pga slitasjen. Mye av dette kunne lages av spesielle plastkompositter men prisen gjør det umulig. Lettmetall? Når aluminium og magnesium legeres med diverse tilsettinger øker styrken. Ren, tynnvalset aluminium kan du rive med fingrene (folie) men med en prosent eller to av silisium, kobber, mangan osv i smelten øker styrken med det mangedobbelte.Plastkompositter? Løpene i Formel 1 kjøres med biler der karosseriet er av plast. Moderne kampfly lages av plast. Men dette er karbonfiber- og kevlarforsterket epoksyplast. Svært dyrt og kostbart å bygge med fordi prosessen stort sett er manuell og tidkrevende. *Stål er jern du kan smi. Om du i smelten tilsetter stoff som binder karbon (kull) slik at innholdet synker til 0,1 prosent og lignende, øker styrken kraftig fordi jernatomene da nesten bare forholder seg til hverandre, ikke til karbon og forurensninger. Også andre stoffer kan tilsettes for å styrke jernets atombinding, for eksempel niob, nitrogen, titan, mangan osv. Da øker styrken (bruddfastheten) mange ganger, fra 250 MPa til 1000, 1200 og mer. MPa betyr megapascal og definerer trykk.
Aluminium: Noen fabrikker bruker lettmetall i hele eller deler av karosseriet, og BMW, Jaguar og Audi har bygget store, kostbare modeller helt i aluminium. Dette gjør de for å senke vekten. Et karosseri av aluminium vil veie mindre enn et like stort karosseri i stål. Teknisk sett: Aluminiums densitet er 2,70 g/cm3 og ståls er 7,8 g/cm3, men fordi aluminium er svakere (mindre bruddfast), må man bruke litt mer av det, ca. 30 %, i belastede deler. I deksler osv. brukes også magnesium, med en densitet på bare 1,74 g/cm3. Et problem med aluminium i tillegg til den høye prisen og de svakere mekaniske egenskapene i forhold til stål, er at metallet leder varme så bra. Mye av varmen fra en punktsveis ledes utover platen, og smeltesveising blir ineffektivt og upålitelig. Derfor nagles (se klinking) og limes (de dyre) aluminiumbilene. Plast brukes i økende grad i biler, det hevdes at massen i en mellomstor bil nå er hele 140 kg. Plast veier enda mindre enn aluminium og økt mengde - der man erstatter metall med plast - vil kunne bidra til å holde bilens totalvekt nede. Man bruker nesten bare termoplast, dvs. smelteplast, særlig fordi disse plasttypene er lett formbare og forholdsvis greie å gjenbruke. Enkelte bilmodeller har fått karosserideler i plast, f.eks. skjermer. Eksempel Citroën ZX og Renault Megane Scénic.
El-bil av plast
Utviklingen av elektrisk drevne kjøretøyer har til nå vært sterkt hemmet av batterikapasiteten. Fortsatt har fabrikkene til gode å lage en serieprodusert elbil som under hverdagens krevende forhold klarer særlig mer enn 12-15 mil. Bilene må dessuten lades i timevis hvert eneste døgn. Dessuten tar elektrokjemiske batterier mye plass. Skal fremtidens elbil virkelig være praktisk må den være lettere og ha betydelig større batterikapasitet.
En lett bil som samtidig tåler kollisjon kan ikke lages av stål. Aluminium kan være en løsning men mye av vektgevinsten forsvinner fordi legeringer av aluminium har lavere bruddfasthet og stivhet enn stål. Du må bruke mer metall og da øker vekten. Bare kostbare legeringer for kampfly tåler påkjenningene. Men da kan man like gjerne bygge bilen av noe som er like dyrt men sterkt som stål og mye lettere enn aluminium: Karbonfiberforsterket plast.
En løsning som kan være brukbar for folk med normal inntekt, er arbeidet som våren 2011 skjer hos Mercedes (MegaCity EV), BMW, Volkswagen og Renault i Europa, og hos Toyota og Honda i Asia, der alle sies å jobbe nettopp med CFRP elbiler. CFRP betyr Carbon Fiber Reinforced Polymer. Et karosseri av dette stoffet veier halvparten av et like sterkt og stivt stålkarosseri. Det er dessuten en fordel at man kan bygge et plastkarosseri slik at det blir et batteri. CFRP er elektrisk ledende slik at i det minste godt beskyttede deler av karosseriet kan brukes som batteri. Dette oppnås når plasten forsterkes av elektrisk ledende materialer som karbonfiber. Plast og fiber kan plasseres slik at kompositten da virker som en kondensator.
Sterkere med nano
Kjemikonsernet Bayer GmbH sier nå at de har utviklet en ny generasjon plastbaserte nanorørsom i stor grad kan gjøre lettmetall og plast mye stivere og sterkere. Rørene er så små at det går trillioner av dem i et kaffekorn. Men de går inn i et materiales mikrostruktur og styrker denne slik at den ikke lenger så lett kan rives opp. Særlig kan deler i understell og rammeverk lages av nanoforsterkede materialer, som valses inn i metallet mens dette er oppvarmet til plastisk (myknet) tilstand. Bayer har allerede laget prototyper til slike bildetaljer og sier at morgendagens bil må bli vesentlig lettere enn dagens, skal man klare de kommende og enda strengere utslippskravene i EU og USA. Utslippene av karbondioksid vokser nemlig rettlinjet med forbruket av fossilbasert drivstofff som bensin og dieselolje. Nanorørene fra Bayer heter Baytubes og lages av (norsk) etylengass via katalyse i en prosess som de har patentert.
Les mer om nanoteknologi i artikkelen om bil og sikkerhet
Plast i bil: Det blir mer og mer plast i moderne biler. Snart er det over 150 kilo plast i en vanlig bil. Du ser den over alt i innredningen, men også i motorrommet og på alle andre steder. Utvendig, f.eks.: Lakk er ikke bare lakk. Lakk er plast. Når fabrikkene velger lakk tenker de på bilens markedsposisjon og hvordan den må se ut for å bli en salgssuksess. Det er ikke ingeniørene alene som bestemmer lakkens kvalitet, økonomene sier sitt. Konkurransen fra Asia gjorde at vestlige bilprodusenter måtte forbedre også lakken på de rimeligere bilene, ikke bare motor, understell og utstyr. Japanerne leverte billige biler med fin finish da de for alvor trengte inn i Europa på 1970-tallet.Så hva er billakk? Lakk laget av plast (harpiks) og tørrende oljer kalles oljelakk. Prosessen er krevende: Plast lages ved kjemisk reaksjon mellom tørrende oljer og et isocyanat, i epoksy-esterlakk er epoksyharpiks kokt inn i tørrende oljer eller alkyder. Valg av løsemidler avhenger av bindemiddeltype, sprøyteteknikk, ønsket tørke/herdehastighet, arbeidsmiljø, pris osv. De pleier å være aromater (toluen, xylen), klorerte hydrokarboner, estere, ketoner og alkoholer. Det finnes strenge HMS-forskrifter for merking av emballasjen.
Vannbåren lakk: En del lakk fremstilles som vandig løsning, og blir da mer miljøvennlig. Olje og vann lar seg ikke mikse? Jo, om lakken gis motsatt polaritet (elektrisk ladning) som lar den binde seg til vannmolekylene. Lakk av epoksy- eller polyuretantype fremstilles også som pulver som etter påføring blir smeltet og herdet til en sammenhengende film. I pigmentert lakk brukes uløselige uorganiske eller organiske pigmenter for å få farge og dekkevne, eller for å hindre korrosjon. I fargede klarlakker brukes løselige organiske fargestoffer. Visse lakktyper får et metallisk utseende med fint aluminiumpulver, gjerne sammen med et finkornet pigment. Lakk inneholder dessuten antioksidanter, lysfiltre, tiksotropiske og matteringsmidler, biocider, fukte- og dispergeringsmidler og andre hjelpestoffer. Den mekaniske styrken og ripefastheten kommer av hvilken plasttype som brukes og hvordan denne herdes. Her er mulighetene enorme, generelt vil mer robust epoksylakk koste mer. Men om lakkfilmen er for tykk kan den bli for stiv, og sprekke opp når karosseriet beveger seg. Og rusten finner sin vei... Poenget blir altså å finne en lakkmiks som ser pen ut, og som tåler mekanisk og kjemisk juling i bilens levetid. Sterk, seig og elastisk plastlakk er tingen, men koster flesk. Derfor vil en billig bil ofte ha billig lakk, og omvendt.
Annen plast i bil: Før kunne en bil inneholde opptil ti-tolv ulike plasttyper. Fordi kravene til resirkulering og gjenbruk er blitt mye strengere, er mange biler nå bare utstyrt med tre-fire typer plast. Den viktigste er fortsatt den eldste, ABS. Bokstavene står for akrylnitril-butadien-styren. Plasten brukes fordi den er allsidig, kan lages solid men elastisk, og kan gjennomfarges etter ønske. Plast som ikke er forsterket (armert) med fiber er lett og veier sjelden mer enn metallet magnesium, ca 1,7 kilo per kubikk desimeter (liter). Mange er så lette at de kan flyte på vann. Andre plasttyper er polyester (glassfiberarmert), polypropylen og epoksy, mens de fleste lykteglass nå ikke lages av glass, men av den slagfaste plasten polykarbonat. Å lage hele karosseriet av plast blir en formidabel sprøytejobb, dyr og tidkrevende. Ikke sparer man veldig mye vekt heller, for fordi plast ikke er så sterkt som stål, må du bruke veldig mye mer for å få styrke i karosseriet. Plast foran og bak og i dørplater osv. er OK. En ting til: Også lim er plast. Lim er menneskets eldste sammenføyningsmateriale, sammen med nagler og festemidler av sener og bein. Lenge var lim laget av kokt bindevev fra dyr eller fisk (beinlim). Dagens lim er moderne plastsystem basert på epoksy, polyuretan og ulike akrylsystem.