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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer ein Turbinenrad und eine Welle umfassenden Turbinenrad-Anordnung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine mittels dieses Verfahrens hergestellte Turbinenrad-Anordnung sowie einen Abgasturbolader mit einer solchen Turbinenrad-Anordnung. Die Erfindung betrifft schließlich eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgasturbolader.
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Die Verwendung von Titanaluminid als Material für ein Turbinenrad von Ladeeinrichtungen, insbesondere von Abgasturboladern, ist seit geraumer Zeit Stand der Technik. Allerdings erweist sich das Fügen eines solchen Turbinenrads aus Titanaluminid an eine Welle aus Stahl in der Regel als problematisch, da Titanaluminid für die bevorzugten Fügetechniken, nämlich das Strahlschweißen und das Heißlöten, nicht geeignet ist. Des Weiteren besteht bei einer Schweißverbindung zwischen einer Welle aus Stahl und dem Turbinenrad aus Titanaluminid die Gefahr einer Rissbildung.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Herstellungsverfahren für eine Turbinenrad-Anordnung mit einem Turbinenrad aus Titanaluminid zu schaffen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine derartige Turbinenrad-Anordnung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, an einem Turbinenrad aus Titanaluminid mittels eines additiven Herstellungsverfahrens drehfest einen Teil einer Welle der Turbinenrad-Anordnung zu erzeugen, alternativ dazu, die gesamte Welle vollständig mittels besagten additiven Herstellungsverfahrens zu erzeugen.
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Vom Begriff ”additives Herstellungsverfahren” sind dabei alle Herstellungsverfahren umfasst, welche das Bauteil unmittelbar aus einem Computermodell heraus schichtweise aufbauen. Ein solches, additives Herstellungsverfahren ist dem Fachmann auch unter der Bezeichnung „generatives Herstellungsverfahren„ sowie ”Rapid Forming” bekannt. Unter dem Begriff ”Rapid Forming” sind dabei insbesondere Produktionsverfahren zur schnellen und flexiblen Herstellung des Bauteils mittels werkzeugloser Fertigung direkt aus CAD-Daten zusammengefasst.
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Mittels des additiven Herstellungsverfahrens ist es möglich, die Gestaltung eines Bauteils – vorliegend der Welle der Turbinenrad-Anordnung – funktionsgebunden und nicht mehr werkzeuggebunden zu konstruieren.
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Durch die Verwendung besagten, additiven Herstellungsverfahrens können Probleme bei der Schweißverbindung zwischen dem Turbinenrad aus Titanaluminid und der Welle, die typischerweise aus einem Stahl besteht, vermieden werden. Denn aus einem ein auf das Turbinenrad aufgebrachten Metallpulvers kann mit Hilfe des additiven Herstellungsverfahrens wenigstens ein Wellenteil der Welle – im Extremfall sogar die gesamte Welle – hergestellt werden, welche dabei eine drehfeste Verbindung mit dem Turbinenrad ausbildet.
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An besagtem Wellenteil aus dem Metall kann dann mittels einer herkömmlichen stoffschlüssigen Verbindung drehfest ein zweites Wellenteil gefügt werden.
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Da das erste Teil nicht wie das Turbinenrad aus Titanaluminid besteht, sondern aus einem Metall, lässt sich eine zuverlässige stoffschlüssige Verbindung mit dem zweiten Wellenteil der Welle, das typischerweise aus einem Stahl besteht, herstellen. Alternativ ist es auch denkbar, im Zuge des additiven Herstellungsverfahrens die gesamte Welle aus Metall herzustellen. In beiden Fällen entfällt das aus herkömmlichen Turbinenrad-Anordnungen mit Turbinenrädern aus Titanaluminid bekannte Problem der Ausbildung einer hochstabilen drehfesten Befestigung des Turbinenrads an einer Welle aus einem Metall, insbesondere aus einem Stahl.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer ein Turbinenrad und eine Welle umfassenden Turbinenrad-Anordnung wird in einem Verfahrensschritt a) ein Turbinenrad aus Titanaluminid (TiAl) bereitgestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt b) wird wenigstens ein Teil der Welle der Turbinenrad-Anordnung erzeugt, und zwar mit Hilfe eines additiven Herstellungsverfahrens, mittels welchem die Welle drehfest am Turbinenrad der Turbinenrad-Anordnung erzeugt wird.
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Das Turbinenrad ist in einer bevorzugten Ausführungsform durch Gießen hergestellt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird zum wenigstens teilweisen Erzeugen der Welle in Schritt b) ein Metall in Pulverform auf dem Turbinenrad aufgebracht. Diese Maßnahme erleichtert die Durchführung des additiven Herstellungsverfahrens.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt b) ein Adapterelement erzeugt, welches zum drehfesten Befestigen an einem zweiten Wellenteil der Welle dient, welches nicht mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestellt wird. Mittels eines solchen Adapterelements kann eine stabile Fügeverbindung zwischen dem Titanaluminid des Turbinenrads und dem Metall, insbesondere dem Stahl, der Welle erzeugt werden.
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Besonders bevorzugt besteht das Adapterelement aus einem Metall. Dies erlaubt die Ausbildung einer hochstabilen stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Adapterelement und einem weiteren, zweiten Wellenteil der Welle, welches typischerweise ebenfalls aus einem Metall besteht.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt c) das erste Wellenteil mittels einer stoffschlüssigen und/oder formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung an das zweite Wellenteil der Welle gefügt. Dies ermöglicht eine besonders stabile, drehfeste Fixierung der beiden Wellenteile zur Ausbildung der Welle aneinander.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung besteht das zweite Wellenteil aus Stahl. Auch diese Maßnahme erleichtert die Ausbildung einer hochstabilen, stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Adapterelement und einem weiteren, zweiten Wellenteil der Welle, welches typischerweise ebenfalls aus einem Metall besteht.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erste Wellenteil als Adapterelement ausgebildet, welches die Geometrie eines Zapfens oder einer Hülse oder eines Topfes aufweist. Die genannten Geometrien sind besonders einfach herzustellen, so dass sich das Herstellungsverfahren zur Herstellung der Turbinenrad-Anordnung weiter vereinfachen lässt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Turbinenrad in einem Längsschnitt entlang einer Mittellängsachse einen Turbinenrad-Abschnitt auf, in welchem ein Hinterschnitt vorgesehen ist, in welchem in Schritt b) das Adapterelement erzeugt wird. Dies erlaubt die Ausbildung einer mechanisch besonders stabilen formschlüssigen Verbindung zwischen dem Adapterelement und dem Turbinenrad auf.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung werden zum wenigstens teilweisen Erzeugen der Welle in Schritt b) sukzessive wenigstens zwei Adapterelemente aus unterschiedlichen Materialien erzeugt. Diese Maßnahme erlaubt die anwendungsspezifische Verwendung unterschiedlicher Materialien für die Welle der Turbinenrad-Anordnung.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt b) die gesamte Welle der Turbinenrad-Anordnung vollständig mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestellt. Dies erlaubt die Herstellung der für die Turbinenrad-Anordnung zentralen Komponente, nämlich der Welle, direkt im Zuge des additiven Herstellungsverfahrens, ohne das weitere Verfahrens- oder Montageschritte zur Fertigstellung der Welle erforderlich wären. Dies führt zu einer deutlichen Vereinfachung des gesamten Herstellungsverfahrens der Turbinenrad-Anordnung, wodurch erhebliche Kostenvorteile bei der Herstellung einhergehen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Turbinenrad-Anordnung mit einem Turbinenrad und einer drehfest mit dem Turbinenrad verbundenen Welle, wobei die Turbinenrad-Anordnung vorzugsweise unter Durchführung des voranstehend vorgestellten Verfahrens hergestellt ist. Dies bedeutet, dass die Welle wenigstens teilweise mittels eines additiven Herstellungsverfahrens am Turbinenrad erzeugt ist. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens einschließlich dessen bevorzugter Ausführungsformen übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße Turbinenrad-Anordnung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Welle ein mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestelltes erstes Wellenteil und ein zweites Wellenteil, welches mittels des als Adapterelement wirkenden ersten Wellenteils drehfest am Turbinenrad befestigt ist. Bei dieser Variante ist das zweite Wellenteil nicht mittels des additiven Verfahrens hergestellt. Die beiden Wellenteile sind besonders bevorzugt mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, besonders bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, drehfest miteinander verbunden. Da für das zweite Wellenteil vorzugsweise ein von Titanaluminid verschiedenes Material verwendet wird, entfallen mit diesem Materialsystem verbundene Probleme bei der Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung.
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Besonders zweckmäßig kann das Adapterelement als Zapfens oder Hülse oder als Adaptertopf ausgebildet sein. Bei dieser Variante kann das zweite Wellenteil ohne direkten mechanischen Kontakt mit dem Turbinenrad drehfest und mechanisch stabil an diesem befestigt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist das als Adapterelement ausgebildete erste Wellenteil wenigstens teilweise in einer am Turbinenrad vorhandenen und/oder in einer am zweiten Wellenteil vorhandenen Ausnehmung aufgenommen. Beide Maßnahmen, für sich genommen oder in Kombination, erlauben die Realisierung einer mechanisch besonders stabilen Verbindung des zweiten Wellenteils mit dem Turbinenrad mittels des ersten Wellenteils.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform steht vom Turbinenrad axial ein Fortsatz ab. Bei dieser Variante weist das Adapterelement in einem Längsschnitt entlang einer Mittellängsachse eine Aufnahme mit einem Hinterschnitt auf. In besagter Ausnehmung ist formschlüssig der Fortsatz des Turbinenrads aufgenommen. Dies erlaubt eine besonders stabile Fixierung des Adapterelements am Turbinenrad.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Abgasturbolader mit einer voranstehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Turbinenrad-Anordnung und mit einem drehfest an der Welle der Turbinenrad-Anordnung angebrachten Verdichterrad.
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Die Erfindung betrifft schließlich eine Brennkraftmaschine mit einer Frischluftanlage und einem mit der Frischluftanlage zusammenwirkenden, erfindungsgemäßen Abgasturbolader.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1a/1b das erfindungsgemäße Verfahren illustrierende Darstellungen eines Turbinenrads,
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2 ein Beispiel für eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Turbinenrad-Anordnung mit einem Turbinenrad und mit einer mittels eines additiven Herstellungsverfahrens am Turbinenrad angebrachten Welle,
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3 die Turbinenrad-Anordnung der 2 nach drehfester Anbringung eines Verdichterrads an der Welle der Turbinenrad-Anordnung.
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4 ein Beispiel einer unter Durchführung der drei Verfahrensschritte a), b) und c) des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Turbinenrad-Anordnung in einem Längsschnitt entlang der Drehachse des Turbinenrads.
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5–10 konstruktive Ausgestaltungsvarianten des Beispiels der 4.
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Im Folgenden wird anhand der 1a und 1b das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für eine Turbinenrad-Anordnung 1 illustriert. 1a zeigt ein Turbinenrad 2 aus Titanaluminid (TiAl), welches in einem Verfahrensschritt b) zur additiven Behandlung bereitgestellt wird. Das Turbinenrad 2 kann mittels Gießens hergestellt sein. Man erkennt, dass das Turbinenrad 2 einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 3 besitzt, von dessen erster Stirnseite 4a mehrere integral am Grundkörper 3 ausgeformte Laufschaufeln 5 abstehen. Auf einer der ersten Stirnseite 4a gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 4b ist konzentrisch zum Grundkörper 3 ein ebenfalls zylindrischer Flanschabschnitt 7 ausgeformt, welcher entlang der axialen Richtung A des Turbinenrads 2 eine radiale Stufe 6 aufweisen kann. Auf der vom Grundkörper 3 abgewandten Stirnseite des Flanschabschnitts 7 wird mittels eines additiven Herstellungsverfahrens ein Teil einer Welle der Turbinenrad-Anordnung 1 hergestellt, die drehfest am Flanschabschnitt 7 und somit am Turbinenrad 2 befestigt wird.
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Mittels besagten additiven Herstellungsverfahrens wird in Verfahrensschritt b) ein in der 1b dargestelltes Adapterelement 9 erzeugt, welche ein erstes Wellenteil 10 der zu erzeugenden Welle 8 ausbildet. Zum Erzeugen des Adapterelements 9 bzw. des ersten Wellenteils 10 wird im Zuge von Schritt b) ein geeignetes Metall in Pulverform auf dem Flanschabschnitt 7 des Turbinenrads 2 angeordnet. An das erste Wellenteil 10 kann in einem weiteren Verfahrensschritt c) drehfest ein weiteres, zweites Wellenteil der Welle 8 gefügt werden, welches in grobschematischer Darstellung in 4 gezeigt ist:
Die 4 zeigt eine unter Durchführung der drei Verfahrensschritte a), b) und c) hergestellte Turbinenrad-Anordnung 1 in einem Längsschnitt entlang einer Mittellängsachse M des Turbinenrads 2, durch welche auch eine Drehachse D definiert ist. Die Turbinenrad-Anordnung 1 umfasst neben dem Turbinenrad 2 das das erste Wellenteil 10 der Welle 8 ausbildende Adapterelement 9 und das drehfest an das erste Wellenteil 10 gefügte zweite Wellenteil 11. Das erste und das zweite Wellenteil 10, 11 bilden dabei die Welle 8 der Turbinenrad-Anordnung 1 aus. Im Beispiel der 4 ist das das erste Wellenteil 10 bildende Adapterelement 9 als Zapfen 12 ausgebildet, welcher vom Turbinenrad 2 weg in das zweite Teil 11 übergeht. Das zweite Wellenteil 11 verlängert also das erste Wellenteil 10 vom Turbinenrad 2 weg.
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Die 2 bezieht sich auf eine Variante des Verfahrens gemäß den 1a/1b, bei welcher in Schritt b) mittels des additiven Herstellungsverfahrens nicht nur ein erstes Wellenteil 10 der Welle 8, sondern die gesamte Welle 8 hergestellt wird. Die Ausbildung eines Adapterelements 9 entfällt bei dieser Variante.
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Die 3 zeigt eine Weiterbildung der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Turbinenrad-Anordnung 1, bei welcher an der Welle 8 mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere mittels einer Schweißverbindung, drehfest ein Verdichterrad 29 aus Aluminium befestigt ist. Wird als Material für die mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestellte Welle 8 ein geeignetes Metall gewählt, so lässt sich besagte stoffschlüssige Verbindung zwischen Welle 8 und Verdichterrad 29 problemlos realisieren.
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Die 5 bis 10 zeigen weitere mögliche konstruktive Ausgestaltungsformen des Adapterelements 9 als Teil der Turbinenrad-Anordnung 1.
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Im Beispiel der 5 ist das Adapterelement 9 als Adapterhülse 13 ausgebildet, welche teilweise in einer in der zweiten Stirnseite 4b des Turbinenrads 2 vorgesehenen Aufnahme 14 aufgenommen ist. Das zweite Wellenteil 11 ist gemäß 5 in die Adapterhülse 13 eingesteckt oder eingeschoben. Die Adapterhülse 13 ist also radial zwischen dem zweiten Wellenteil 11 und dem Turbinenrad 2 angeordnet. Vorzugsweise sind das Turbinenrad 2, die Adapterhülse 13 und das zweite Wellenteil 11 konzentrisch zueinander und relativ zur Mittellängsachse M der Welle 8 angeordnet.
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Im Beispiel der 6 ist am Turbinenrad 2 anstelle einer Ausnehmung, wie im Beispiel der 5, ein axial abstehender Fortsatz 15 ausgebildet, welcher als Flanschabschnitt 7 dient. Der Fortsatz 15 ist in eine erste axiale Öffnung 16a der Adapterhülse 13 eingeschoben, das zweite Wellenteil 11 in eine der ersten axialen Öffnung 16a axial gegenüberliegende, zweite Öffnung 16b. Bevorzugt berühren sich der Fortsatz 15 und das zweite Wellenteil 11 stirnseitig, so dass der gesamte Hülsen-Innenraum 17 vom zweiten Wellenteil 11 und dem Fortsatz 15 ausgefüllt ist.
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Die Variante der 7 unterscheidet sich vom Beispiel der 5 durch eine Ausbildung des Adapterelements 9 als Adaptertopf 26 mit einem Topfboden 18 und einem vom Topfboden 18 in axialer Richtung A vom Turbinenrad 2 weg abstehenden Topfkragen 19. In dem topfartigen Adapterelement 9 ist das zweite Wellenteil 11 aufgenommen. Im Beispiel der 9 steht das zweite Wellenteil 11 nicht direkt mechanisch mit dem Turbinenrad 2 in Kontakt.
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In der Variante der 8 ist das Adapterelement 9 als Zapfen 20 ausgebildet, der teilweise in einer in der Stirnseite 4b ausgebildeten Ausnehmung 21 aufgenommen ist. Bevorzugt ist der Zapfen 20 formschlüssig in der Ausnehmung 21 aufgenommen. Der Zapfen 20 kann sich axial vom Turbinenrad weg konisch verjüngen oder als Radius ausgebildet sein.
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Im Beispiel der 9 ist auf der Stirnseite 4b des Turbinenrads 2 in analoger Weise zum Beispiel der 4 ein den Flanschabschnitt 7 des Turbinenrads 2 ausbildender Fortsatz 22 ausgebildet. Im Fortsatz 22 ist stirnseitig eine Ausnehmung 23 ausgebildet. In analoger Weise ist im zweiten Wellenteil 11 auf einer dem Turbinenrad 2 zugewandten Stirnseite 24 eine weitere Ausnehmung 25 ausgebildet. Das Turbinenrad 2 und das zweite Wellenteil 11 sind mittels des Adapterelements 9 miteinander verbunden, welches in den beiden Ausnehmungen 23, 25 aufgenommen ist und diese vorzugsweise vollständig ausfüllt.
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Im Beispiel der 10 steht vom Turbinenrad 2 in analoger Weise zum Beispiel der 6 vom Turbinenrad 2 axial ein Fortsatz 15 ab. Bei dieser Variante weist das Adapterelement 9 in dem in 10 gezeigten Längsschnitt entlang der Mittellängsachse M des Turbinenrads 2 eine Aufnahme 27 mit einem Hinterschnitt 28 auf, in welcher formschlüssig der Fortsatz 15 des Turbinenrads 2 aufgenommen ist. Das in Schritt b) verwendete additive Herstellungsverfahren kann bei dieser Variante dazu herangezogen werden, ein den Fortsatz 15 einhüllendes Adapterelement 9 zu erzeugen, so dass zwischen Fortsatz 15 und Adapterelement 9 eine besonders stabile formschlüssige Verbindung ausgebildet wird.
