Leichtbaustrukturen sind in der Verkehrstechnik, insbesondere in der Automobiltechnik eine wichtige Grundlage zur Reduzie- rung des Treibstoffverbrauches. Leichtbaustrukturen können ü- ber die Wahl der Werkstoffe (z. B. Aluminium) oder durch konstruktive Maßnahmen (Verwendungen von geringeren Wandstär- ken von Stahlkonstruktionen in Verbindungen mit Verstrebun- gen) oder durch Kombinationen dieser Maßnahmen realisiert werden.

Bei immer geringere werdenden Wandstärken der Bleche steigt die Gefahr des Einbeulens (geringere Beulfestigkeit) und des katastrophalen Einknicken des Strukturbauteils im Crashfall.

Aus diesem Grund wurden in den letzen Jahren versucht, Me- tallschäume, die ein hohes Energieaufnahmevermögen aufweisen, in Aluminiumstrukturbauteilen oder auch in dünnwandigen Stahlstrukturbauteilen zu integrieren.

Die DE 198 13 092 Al beschreibt ein Strukturelement aus Stahlblech, das mit einem Aluminiumschaum verstärkt ist. Zur Herstellung dieses Strukturelementes wird in ein Hohlprofil über eine Öffnung Aluminiumpulver, das mit einem Treibmittel versehen ist, gefüllt. Anschließend wird das Aluminiumpulver durch eine Temperaturbehandlung, die im Bereich des Schmelz- punktes von Aluminium liegt, aufgeschäumt.

Der Nachteil dieser Erfindung besteht darin, dass die Tempe- ratur zum Aufschäumen so hoch gewählt werden muß, dass die Maßhaltigkeit des Strukturelementes erheblich beeinträchtigt wird, Aluminium als formgebendes Material des Strukturelemen- tes kommt bei dieser Erfindung nicht in Frage. Des Weiteren wird durch die unterschiedlichen elektrochemischen Spannungen an den Grenzflächen zwischen dem Aluminiumschaum und der Stahloberfläche eine Kontaktkorrosion erzeugt, die die Le- bensdauer des Strukturbauteils deutlich herabsetzt.

Aus der DE 92 10 257 U1 ist es bekannt, einen Aluminiumschaum in ein Hohlprofil einzukleben oder das Hohlprofil auf den Me- tallschaum aufzuschrumpfen. Die erste Möglichkeit hat den Nachteil, dass Toleranzen und Spielräume, die bei der Ferti- gung des Hohlprofils und des Aluminiumschaumbauteils auftre- ten nicht befriedigend ausgeglichen werden können. Eine vollständige Kraftübertragung zwischen Metallschaum und Hohl- profil ist somit nicht möglich. Das Aufschrumpfen erfordert wiederum Wärmebehandlungen, die sowohl das Gefüge des Hohl- profils als auch des Metallschaums nachhaltig schädigen und die mechanischen Eigenschaften des Bauteils negativ beein- flussen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, ein schaum- verstärktes Strukturelement bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik eine deutlich verringerte Korrosions- neigung, eine höhere Steifigkeit und eine höher Beulfestig- keit aufweist.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Strukturelement nach Patentanspruch 1 und in einem Verfahren nach Patentanspruch 6.

Das erfindungsgemäße Strukturelement nach Patentanspruch 1 weist ein Hohlprofil auf, das die äußere Form des Struktur- elementes darstellt und einen Hohlraum bildet. Ein derartiges Strukturelement ist an sich als Bauelement einsetzbar und selbsttragend. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaf- ten, insbesondere der Beulfestigkeit, ist das Strukturelement mit einem Metallschaum (Schaumelement), der den Hohlraum zu- mindest teilweise ausfüllt, verstärkt.

Das erfindungsgemäße Strukturelement weist zudem eine Trenn- schicht zwischen dem Schaumelement und einer inneren Oberflä- che des Hohlprofils auf, die aus einem expandierten Material besteht. Das expandierte Material geht auf ein expansionsfä- higes Material zurück, das bei einer Temperaturbehandlung und/oder einer chemischen Behandlung sein Volumen vergrößert.

Dies kann ein Expansionsklebstoff oder ein Quellschaum oder ein niedrig schmelzender Metallschaum sein. Besonders geeig- net sind Schäume auf der Basis von Polyurethanen oder Epoxid.

Diese Trennschicht verhindert eine Kontaktkorrosion, die in der Regel dann auftritt, wenn Metalle mit unterschiedlichen elektrochemischen Potentialen miteinander in Berührung kom- men.

Ein weiterer Vorteil der Trennschicht ist, dass durch diese Schicht Toleranzen, die bei der Fertigung des Hohlprofils bzw. des Schaumelementes, die zum Einbringen des Schaumele- ments in den Hohlraum notwendig sind, kompensiert werden kön- nen. Dieser Vorteil des erfindungsgemäßen'Strukturelementes kommt auch dann zum tragen, wenn das Hohlprofil durch einen nichtmetallischen Werkstoff, wie z. B. Polyethylen oder einen Verbundwerkstoff wie z. B. kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) dargestellt wird.

Ferner übernimmt die erfindungsgemäße Trennschicht kraftüber- tragende Funktionen zwischen dem Schaumelement und dem Hohl- profil des Strukturelements und trägt somit zur Steigerung der Karosseriesteifigkeit bei.

Die Dicke der Trennschicht beträgt in der Regel zwischen 0,5 mm und 15 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm.

In den meisten Fällen wird das Hohlprofil des erfindungsgemä- ßen Strukturelementes durch Bleche geformt. Dies bietet Vor- teile beim Einbringen des Schaumelements in den Hohlraum, insbesondere wenn das Hohlprofil aus zwei oder mehreren Ein- zelteilen (Teilprofil) gefertigt wird. Ebenso ist es möglich, das Hohlprofil durch Strangpreßprofile oder Gußteile darzu- stellen. In diesen Fällen sollte der Hohlraum mindestens an einer Seite offen zugänglich sein, damit das Schaumelement in den Hohlraum des Hohlprofils eingeführt werden kann (Anspruch 2).

Die gebräuchlichsten Strukturwerkstoffe sind insbesondere in der Automobiltechnik Legierungen auf Eisenbasis oder Alumini- umbasis oder Magnesiumbasis. Die Vorteile dieser Werkstoffe liegen in ihrer guten Verarbeitbarkeit und in den relativ ge- ringen Herstellungskosten. Die bereits erwähnte Korrosions- bildung zwischen dem Schaumelement und dem metallischen Hohlprofil ist durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Trenn- schicht aus expansionsfähigem Material weitgehend unterbun- den. Die Verwendung von Hohlprofilen aus Kunststoffen kann dennoch in einzelnen Fällen zweckmäßig sein, wenn erhöhte Fertigungskosten bei einer weiteren Gewichtsreduktion des Strukturelementes akzeptiert werden können (Anspruch 3).

Die Kräfte, die auf das Strukturelement wirken, sind auf be- vorzugte Raumrichtungen ausgerichtet. Es ist demnach im Sinne der Erfindung zweckmäßig, den Hohlraum insbesondere entlang dieser Kraftrichtungen mit Metallschaum auszufüllen, so dass diese Kräfte kompensiert werden können. Hierdurch erfolgt bei annähernd gleicher Stabilität des Strukturelementes eine wei- tere Gewichtsreduktion, ferner werden Materialkosten einge- spart, da weniger Metallschaum eingesetzt wird (Anspruch 4).

Metallschäume auf der Basis von Aluminium und/oder Zink wei- sen ein hohes Maß an Energieaufnahmevermögen auf und sind auf Grund der relativ geringen Schmelztemperatur von dieser Me- talle mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand her- stellbar (Anspruch 5).

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung nach Patentanspruch 6 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturelementes, das durch ein Hohlprofil gebildet wird und durch ein Schaum- element verstärkt wird. Die für die Patentansprüche eins bis fünf genannten Vorteile gelten ebenfalls für das Verfahren nach Patentanspruch 6.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Schaumelement und/oder ein Hohlprofil, die in ihrer Form an einander angepaßt sind, mit einem expansionsfähigen Material versehen werden. Hierbei ist es möglich das z. B.

Schaumelement in ein Bad mit flüssigem expansionsfähigen Ma- terial zu tauchen oder es mit dem expansionsfähigen Material zu bestreichen oder zu besprühen. Hierbei ist es notwendig, die Viskosität des expansionsfähigen Materials auf die Anfor- derung der genannten Aufbringungstechniken anzupassen.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird das mit expansions- fähigen Material beschichtete Schaumelement in den Hohlraum eingeführt. Es ist hierbei notwendig, dass das Hohlprofil bei diesem Verfahrensschritt eine hinreichend große Öffnung auf- weist, durch die das Schaumelement eingebracht werden kann und die im weiteren Verfahrensablauf verschlossen wird. Nach diesem Verfahrensschritt befindet sich ein definierter Spiel- raum zwischen dem Schaumelement und dem Hohlprofil. Zur Ver- meidung eines gegenseitigen Verschiebens zwischen dem Hohlprofil und dem Schaumelement ist es zweckmäßig, das Schaumelement am Hohlprofil mechanisch, z. B. durch Klammern oder Schrauben zu fixieren.

Besonders geeignet ist hierfür ein mehrteiliges Hohlprofil, bei der die einzelnen Teile durch Verkleben, Verschweißen, Nieten, Falzen oder durch lösbare Verbindungen zusammengefügt werden. Das Einbringen des Schaumelements in ein mehrteiliges Hohlprofil vereinfacht den Verfahrensprozeß erheblich.

Im Anschluß erfolgt eine Wärmebehandlung, z. B. nach dem Ka- thoden-Tauchlackieren die im Rahmen der Prozeßführung zur Herstellung von Karosserieteilen ohnehin notwendig ist. Wäh- rend dieser Wärmebehandlung expandiert das expansionsfähige Material und es wird eine kraftschlüssige Verbindung mit dem Hohlprofil gebildet, die gleichzeitig als Korrosionsschutz zwischen dem Hohlprofil und dem Schaumelement dient. Durch die Einbindung in eine verfahrensnotwendige Wärmebehandlung können zusätzlich Verfahrenskosten eingespart werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden an Hand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 ein Schaumelement in Form eines Quaders.

Fig. 2 ein Schaumelement mit einem x-förmigen Querschnitt.

Fig. 3 ein Schaumelement aus Fig. 1, teilweise mit einem ex- pansionsfähigen Material versehen.

Fig. 4 ein Strukturelement mit einem Hohlprofil und einem quaderförmigen Schaumelement nach Fig. 1.

Fig. 5 ein Strukturelement mit einem Hohlprofil und einem Schaumelement nach Fig. 2.

Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils ein Beispiel für ein Schaumelement 2 und 2. Das Schaumelement 2 aus Figur 1 ist als Vollkörper ausgebildet und der Form des Strukturelementes angepaßt. Die quaderförmige Darstellung ist exemplarisch, e- benso könnte das Schaumelement in gebogener und/oder abgerun- deter Form dem Strukturelement angepaßt sein.

Die Figur 2 zeigt ein Schaumelement 2, das das Strukturele- ment teilweise, insbesondere in Richtung der wesentlichen Be- lastungen ausfüllt. Exemplarisch ist das Schaumelement mit einem x-förmigen Querschnitt ausgebildet. Die Winkel des x sind den Anforderungen des Strukturbauteils anzupassen. Eben- so sind andere, z. B. T-förmige, 0-förmig, L-förmige oder komplexere Querschnitte denkbar.

Die Figur 3 zeigt das Schaumelement 2 das, in diesem Fall teilweise mit einem expansionsfähigen Material 4 versehen ist. Das expansionsfähige Material 4 ist so aufgebracht, dass eine Berührung zwischen einem Hohlprofil 6 des Strukturele- ments 1 und einem Schaumelement 2 vermieden wird.

Die Figuren 4 und 5 zeigen Beispiele für ein Strukturelement, zum einen mit einer Vollschaumfüllung (Figur 4) bzw. mit ei- ner teilweisen Schaumfüllung mit einem x-förmigen Querschnitt (Figur 5). Beide Strukturelemente weisen eine erfindungsgemä- ße Trennschicht 7 zwischen dem Hohlprofil 6 und dem Schaum- element 5 auf. Das Hohlprofil 6 des Strukturelementes aus den Figuren 5 und 6 ist einteilig ausgebildet und an einer Naht 8 punktgeschweißt. Ebenso ist es möglich, die Oberfläche 6 des Strukturelementes 1 mehrteilig, insbesondere in Form von zwei Halbschalen zu gestalten.

Das Strukturbauteil ist bevorzugt als Karosserieteil in einem Automobil ausgestaltet. Es kann hierbei tragende Funktionen in der Bodengruppe (z. B. als Schweller, Längs-oder Querträ- ger des Motors) übernehmen oder als A-, B-oder C-Säule im Karosserieaufbau eingesetzt sein. Die Form des Strukturele- mentes ist demnach den konstruktionsbedingten Anforderungen angepaßt. Zudem können erfindungsgemäße Strukturelemente im Fahrwerksbereich und in Motoren eingesetzt werden.

Die Naht 8 ist in den Figuren 4 und 5 lediglich schematisch dargestellt. Generell können alle in der Herstellung von Strukturbauteilen üblichen Fügeverfahren angewandt werden, das gilt insbesondere für das Falzen, Schweißen, Kleben, Lö- ten, Schrauben oder Nieten.

Die folgenden Beispiele beschreiben ein Verfahren zur Her- stellung eines erfindungsgemäßen Strukturelementes.

Beispiel 1 Ein Schaumelement auf Aluminiumbasis (Legierung AlSi12), das eine Porosität von 70% und somit eine Dichte von 0,81 g/cm3 aufweist und mit einer oberflächlichen Gußhaut mit einer Di- cke von etwa 0,3 mm bedeckt ist, ist in Form einer A-Säule eines Pkws ausgestaltet. Dieses Schaumelement wird in ein Polyurethan-Bad getaucht. Die Eigenschaften des flüssigen Po- lyurethans, insbesondere die Viskosität und die Haftung sind so eingestellt, dass die Dicke einer haftenden Polyurethan- schicht etwa 0,2 mm beträgt.

Das Hohlprofil 6 des Strukturelementes wird aus einem Stahl- blechteil geformt. Das Blechteil ist bereits so umgeformt, dass es einen Hohlraum bildet, der entlang seiner Längsseite eine Öffnung aufweist, durch die das Schaumelement in den Hohlraum eingelegt wird. Das Schaumelement wird durch eine Klammer, Schraube, Niete oder ein anderes Befestigungsmittel an der Oberfläche fixiert. Anschließend erfolgt das Fügen des Blechteils an der Naht 8 zu einer geschlossenen Oberfläche.

Die Form des Hohlprofils ist so ausgebildet, dass sich zwi- schen dem Hohlprofil und dem beschichteten Metallschaum ein geringfügiger etwa 3 mm breiter gleichmäßiger Spalt befindet.

Durch eine Wärmebehandlung zwischen 170° C und 180° C für et- wa 15 min, expandiert die Polyurethanbeschichtung des Schaum- elements, hierdurch wird der Spalt zwischen Hohlprofil und Schaumelement geschlossen die erfindungsgemäße Trennschicht wird ausbildet. Die Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise gleichzeitig mit einem Trocknungsprozeß, der nach der Katho- den-Tauchlackierung notwendig ist. Die vorläufigen Fixierun- gen werden abschließend entfernt.

Beispiel 2 Ein Schaumelement analog zu Beispiel 1 wird über eine Düse, die von einem Roboterarm geführt wird mit Polyurethan in Form einer pastösen Masse beschichtet. Das beschichtete Schaumele- ment wird in ein rinnenförmiges Teilprofil aus einer Alumini- umlegierung eingelegt und fixiert. Das Schaumelement steht über den Rand des Profils über. Ein weiteres Teilprofil wird aufgesetzt, die beiden Profile werden an den Nahtstellen mit einem temperaturbeständigen Klebstoff zu einem Hohlprofil verklebt.

Analog dem Beispiel 1 besteht auch ein Spalt zwischen dem Hohlprofil und dem Schaumelement, der während einer Wärmebe- handlung durch das expedierende Polyurethan ausgefüllt wird.

Die Wärmebehandlung erfolgt indem das Strukturbauteil durch eine Induktionsspule geführt wird. Das hierdurch erwärmte A- luminium überträgt seine Wärme auf das Polyurethan, wodurch die Expansion ausgelöst wird.