Verstärkungen von Kunststoffen durch Gewebe oder Fasern sind gemeinhin bekannt. Das Spektrum reicht hierbei von armierten Folien, mit einer Armierung aus 2-dimensionalen Gewebe bis hin zu laminierten Kunststoff-Karosserieteilen, die bevorzugt im Rennsport oder in der Luftfahrt eingesetzt werden. Hierbei werden mehrere Lagen von Geweben, die zumeist aus organischen Fasern bestehen, übereinandergelegt und mit einem Kunstharz getränkt. Derartige Verfahren liefern zwar leichte Struktur- bauteile, sind jedoch in der automobilen Serienfertigung aus Kostengründen nicht wirtschaftlich einzusetzen.

Weitere Arten von Verstärkungen werden im Bereich von Verbrennungskraftmaschinen z. B. bei Pleuel, Kolben oder Zy- linderlaufbuchsen angewendet. Als Beispiel sei hier die US 4,266,596 genannt. Diese Schrift beschreibt die Herstellung eines Composite-Werkstoffes durch die unidirektionale Bünde- lung von Fasern. Hierdurch wird eine Steigerung der Festig- keit, insbesondere von hochbelasteten Motorbauteilen erzielt, für großflächige Dünnwandige Bauteile z. B. im Karosseriebau sind diese Faserverstärkungen ungeeignet, da mit der höheren Festigkeit eine deutliche Versprödung des Werkstoffes einher- geht.

Die Aufgabe besteht deshalb darin, ein Strukturelement darzu- stellen, dass gegenüber dem Stand der Technik kostengünstiger herzustellen ist und eine höhere Bruchdehnung aufweist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Strukturelement nach Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren nach Patentanspruch 8.

Das erfindungsgemäße Strukturelement ist im Allgemeinen als ein dünnwandiges Blech oder Halbzeug ausgebildet und ist durch ein Gewebe verstärkt. Das Gewebe durchdringt das Struk- turelement zumindest teilweise und ist dabei zweidimensional oder dreidimensional angeordnet. Das Gewebe besteht aus anor- ganischen Fasern oder Drähten, die sich gut in eine metalli- sche Matrix insbesondere durch Gießen des Metalles integrieren lassen.

Unter dem Begriff Gewebe werden im Folgenden alle Strukturen verstanden, bei denen Fasern (Kurzfaser oder Endlosfasern) und/oder Drähte (= metallische Fasern) miteinander verknüpft sind. Hierzu gehören insbesondere gewebte, gewirkte, gestick- te oder geflochtene Strukturen sowie Vliese, Filze oder ande- re ungeordnete Strukturen. Unter einer zweidimensionalen Struktur wird hierbei z. B. eine Webstruktur verstanden, bei der sich die Fasern im Wesentlichen in zwei Raumrichtungen (x-und y-Richtung) erstrecken. Dies gilt auch für Webstruk- turen, die in mehreren Lagen übereinander geschichtet sind.

Eine dreidimensionale Struktur hingegen ist z. B. eine Strickstruktur oder ein Nadelvlies, bei denen die Fasern so- wohl in x-und y-Richtung als auch in z-Richtung verlaufen.

Grundsätzlich kommen für die Fasern oder Drähte alle anorga- nischen Materialien in Frage. Besonders geeignet sind jedoch metallische Drähte (insbesondere auf Eisenbasis), oder kera- mische Fasern (auch Kohlenstofffasern), die eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit gegenüber einem flüssigen Metall auf- weisen. Gewebe können auch aus verschiedenartigen Fasern und/oder Drähten bestehen. Fasern und Drähte werden im Fol- genden vereinfachend Fasern genannt.

Bleche, die eine erfindungsgemäße Verstärkung aufweisen, ha- ben gegenüber herkömmlichen Bleche deutlich höhere Bruchdeh- nungen. Das verstärkende Gewebe verformt sich elastisch und verhindert das Ausbreiten von Rissen in der metallischen Mat- rix. Somit kann ein höheres Maß an Stoßenergie vom Struktur- element aufgenommen werden, als dies bei herkömmlichen Strukturelementen der Fall ist.

Die Energieabsorption des verstärkten Strukturelementes wird noch optimiert, wenn die Verstärkung makroskopisch ausgestal- tet ist. Makroskopisch bedeutet hierbei, dass die Faserstärke sowie die Maschenweite des Gewebes annähernd in der selben Größenordnung wie die Wandstärke des Strukturelementes liegt, wobei das Gewebe unterschiedliche Faserstärken enthalten kann. Bei üblichen Bauteilen bedeutet dies, dass die Faser- stärke zwischen 1 um und 10 mm liegt, in der Praxis werden 0,2 mm bis 1 mm bevorzugt (Anspruch 2). Dies gilt ebenso für die Maschenweite des Gewebes, diese liegen zwischen 2 um und 20 mm, in der Praxis zwischen 0,4 mm und 2 mm (Anspruch 3).

Die Matrix und das Gewebe gehen in vorteilhafter Weise nicht monolithisch ineinander über, sondern weisen entweder eine Zwischenschicht oder eine mikroskopisch unterbrochene Anbin- dung auf. Dies führt zu einem sogenannten Pull-Out-Effekt.

Dieser bewirkt eine Energieabsorption durch eine mikroskopi- sche Bewegung der Fasern in der Matrix. Erzielt wird dieser Effekt, indem entweder die Fasern beschichtet oder aufgerauht werden. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Elastizitäts-Nodul (E-Modul) der Faser größer ist als der E- Modul der Matrix (Anspruch 4).

Metallische Fasern weisen neben der bereits erwähnten guten chemischen Verträglichkeit gegenüber der metallischen Matrix und der hohen Bruchdehnung auch eine gute mechanische Form- barkeit auf, so dass das Gewebe bereits nahezu in der Form des Strukturelementes darstellbar ist (Anspruch 5).

Bevorzugt besteht die Matrix aus den Leichtmetallen Aluminium oder Magnesium, andererseits kann auch Stahl zum Einsatz kom- men. Diese Metalle, insbesondere ihre Legierungen sind übli- che Konstruktionsmetalle und lassen sich gut gießen. Zudem sind die genannten Werkstoffe kostengünstig verfügbar und sind in größeren Mengen wirtschaftlich anwendbar (Anspruch 6).

Das erfindungsgemäße Strukturelement findet bevorzugt Anwen- dung in Fahrzeugkarosserien. Als geeignete Bauteile seien hierbei Integralträger, Längsträger Innenteile von Türen oder Säulen genannt. Diese Bauteile sind insbesondere in Crashsi- tuationen für die Absorption der Crashenergie verantwortlich.

Die erfindungsgemäße Verstärkung dieser Strukturelemente kann herkömmliche Crashstrukturen noch verbessern oder teurere Konstruktionen ersetzen (Anspruch 7).

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils nach Patentanspruch 8.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Gewebe, insbesondere ein Gewebe durch einen Formungsprozeß, z. B. durch Pressen oder Biegen in die Form des darzustellenden Strukturelementes gebracht wird. Durch bestimmte Strick-oder Wirkverfahren ist es auch möglich, direkt komplexe Formen ab- zubilden und dabei auf ein mechanisches Formgebungsverfahren weitgehend zu verzichten.

Im Anschluß an die Formgebung des Gewebes wird dieses in eine Gießform eingelegt und arretiert. Dies kann z. B. magnetisch oder durch Formschluß erfolgen. Im weiteren Verlauf des Ver- fahrens wird die Gießform mit flüssigem Metall gefüllt, wo- durch das Strukturelement ausgebildet wird. Nach dem Erstarren des Metalls wird das Strukturelement aus der Gieß- form entformt. Das Gewebe wird somit vollständig von dem Mat- rixmetall umschlossen. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit eine sehr kostengünstige Methode dar, komplexe Struk- turelemente mit der erfindungsgemäßen Verstärkung herzustel- len.

Zur Erzielung des genannten Pull-Out-Effektes ist es zweckmä- ßig, die Fasern des Gewebes vor der Herstellung des Gewebes oder vor dem Formprozeß oder vor dem Einlegen des Gewebes in die Gießform zu beschichten oder aufzurauhen. Als Verfahren zur Beschichtung bieten sich Tauchbeschichtung, physikalische oder chemische Abscheidungsverfahren wie z. B. Phosphatieren an. Als aufrauhende Oberflächenbehandlungen eignen sich u. a. tribochemische Behandlungen, Behandlungen mit Säure oder Lau- ge, Sandstrahlen oder Behandlung durch elektrochemische Reak- tionen (Anspruch 9).

Besonders geeignete Gießverfahren zur Herstellung des erfin- dungsgemäßen Strukturelements sind Druckgießverfahren. Hierzu zählen sowohl das herkömmliche Druckgießen, das Squeeze- Casting oder Niederdruckgießverfahren. Die Druckbeaufschla- gung des Gießmetalls führt zu einer homogeneren Verteilung des Matrixmetalls um das verstärkende Gewebe herum. Lunker und Blasen können bei einer optimierten Anbindung zwischen Gewebe und Matrix minimiert werden. Üblicherweise wird bei den genannten Verfahren ein Druck zwischen 10 bar (Nie- derdruckguß) und 1000 bar (Druckguß) angewendet. Neben den Druckgießverfahren ist insbesondere beim Stahlguß ein Schwerkraftguß zur Herstellung des erfindungsgemäßen Struk- turelements geeignet (Anspruch 10).

Im Folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt schematisch das Verfahren zur Her- stellung des erfindungsgemäßen Strukturelementes.

Fig. 1 zeigt in der linken Hälfte die einzelnen, aufeinander- folgenden Verfahrensschritte, wobei ein Beschichten, bzw.

Aufrauhen der Fasern, das üblicherweise vor der Gewebeher- stellung erfolgt, nicht dargestellt ist. In der rechten Hälf- te ist schematisch der Zustand eines Strukturelementes in den einzelnen Verfahrensschritten dargestellt.

Das dargestellte Gewebe ist hier in einer einfachen Webform zweidimensional ausgestaltet. Prinzipiell sind alle maschi- nell herstellbaren Verbindungen von Fasern denkbar. Im zwei- ten Verfahrensschritt wird das Gewebe so umgeformt, dass es annähernd der Form des Strukturelementes entspricht (Gewebe- formgebung). Hierzu wird das Gewebe in ein Preßwerkzeug ge- legt, das die gewünschten Außenkonturen abbildet. Prinzipiell ist es möglich, diesen Verfahrensschritt direkt in der Gieß- form vorzunehmen, indem man das ungeformte Gewebe in die Gießform einlegt und diese schließt.

Im nächsten Verfahrensschritt wird das geformte Gewebe in die Gießform gelegt, dort arretiert (Einlegen des Gewebes in Gießform) und die Gießform mit flüssigem Metall befüllt (Gie- ßen). Schematisch ist in Fig. 1 das Gießen im Schwerkraftguß dargestellt, was insbesondere beim Stahlguß zweckmäßig ist.

Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium werden bevorzugt unter Druck vergossen. Hierzu kommt üblicherweise eine Druck- gußmaschine oder eine Squeeze-Casting-Maschine zum Einsatz.

Anschließend erfolgt das Entformen und des fertigen Struktur- elements, das gegebenenfalls leicht nachbearbeitet wird (z.

B. Entgraten).