DE102015224947A1 - A method of manufacturing a turbine wheel assembly comprising a turbine wheel and a shaft - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer ein Turbinenrad (2) und eine Welle (8) umfassenden Turbinenrad-Anordnung (1), umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Turbinenrads (2) aus Titanaluminid (TiAl), b) Wenigstens teilweises Erzeugen der Welle (8) am Turbinenrad (2) mittels eines additiven Herstellungsverfahrens.The invention relates to a method for producing a turbine wheel assembly (1) comprising a turbine wheel (2) and a shaft (8), comprising the following steps: a) providing a turbine wheel (2) of titanium aluminide (TiAl), b) at least partial Generating the shaft (8) on the turbine wheel (2) by means of an additive manufacturing process.

Description

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.The invention relates to a method for producing a turbine wheel assembly comprising a turbine wheel and a shaft. The invention further relates to a turbine wheel arrangement produced by means of this method and to an exhaust gas turbocharger with such a turbine wheel arrangement. Finally, the invention relates to an internal combustion engine with such an exhaust gas turbocharger.

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.The use of titanium aluminide as the material for a turbine wheel of charging devices, in particular exhaust gas turbochargers, has been state of the art for quite some time. However, joining such a titanium aluminide turbine wheel to a steel shaft is generally problematic because titanium aluminide is not suitable for the preferred joining techniques, beam welding and hot soldering. Furthermore, there is a risk of cracking in a welded joint between a steel shaft and the titanium aluminide turbine wheel.

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.It is an object of the present invention to provide an improved method of manufacturing a turbine wheel assembly with a titanium aluminide turbine wheel. It is a further object of the invention to provide such a turbine wheel assembly.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.

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.The basic idea of the invention is thus to non-rotatably generate a part of a shaft of the turbine wheel arrangement on a titanium aluminide turbine wheel by means of an additive manufacturing method, alternatively to generate the entire shaft completely by means of said additive manufacturing method.

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.The term "additive manufacturing process" encompasses all manufacturing processes which build up the building component directly from a computer model. Such an additive production process is also known to the person skilled in the art under the name "generative production process" as well as "rapid forming". The term "rapid forming" here in particular production methods for fast and flexible production of the component by means of tool-free production are summarized directly from CAD data.

Mittels des additiven Herstellungsverfahrens ist es möglich, die Gestaltung eines Bauteils – vorliegend der Welle der Turbinenrad-Anordnung – funktionsgebunden und nicht mehr werkzeuggebunden zu konstruieren.By means of the additive manufacturing method, it is possible to construct the design of a component - in this case the shaft of the turbine wheel assembly - function bound and no longer tool-bound to construct.

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.By using said additive manufacturing process, weld joint problems between the titanium aluminide turbine wheel and the shaft, which is typically a steel, can be avoided. Because of a metal powder applied to the turbine wheel, at least one shaft part of the shaft - in extreme cases even the entire shaft - can be produced with the aid of the additive manufacturing method, which forms a rotationally fixed connection to the turbine wheel.

An besagtem Wellenteil aus dem Metall kann dann mittels einer herkömmlichen stoffschlüssigen Verbindung drehfest ein zweites Wellenteil gefügt werden.At said shaft part of the metal can then be joined by means of a conventional cohesive connection rotatably a second shaft part.

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.Since the first part does not consist of the titanium aluminide like the turbine wheel, but rather of a metal, a reliable cohesive connection with the second shaft part of the shaft, which typically consists of a steel, can be produced. Alternatively, it is also conceivable to manufacture the entire shaft from metal in the course of the additive manufacturing process. In both cases eliminates the known from conventional turbine wheel assemblies with turbine wheels made of titanium aluminide problem of forming a highly stable rotationally fixed attachment of the turbine wheel to a shaft made of a metal, in particular of a steel.

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.In the method according to the invention for producing a turbine wheel arrangement comprising a turbine wheel and a shaft, a turbine wheel of titanium aluminide (TiAl) is provided in a method step a). In a further method step b) at least a part of the shaft of the turbine wheel assembly is generated, with the aid of an additive manufacturing method, by means of which the shaft is rotatably generated at the turbine wheel of the turbine wheel assembly.

Das Turbinenrad ist in einer bevorzugten Ausführungsform durch Gießen hergestellt.The turbine wheel is made by casting in a preferred embodiment.

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.In a preferred embodiment, a metal in powder form is applied to the turbine wheel for at least partially generating the shaft in step b). This measure facilitates the implementation of the additive manufacturing process.

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.In a further preferred embodiment, an adapter element is produced in step b), which serves for the rotationally fixed fastening to a second shaft part of the shaft, which is not produced by means of the additive manufacturing method. By means of such an adapter element can a stable joint between the titanium aluminide of the turbine wheel and the metal, in particular the steel, the shaft are generated.

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.Particularly preferably, the adapter element consists of a metal. This allows the formation of a highly stable cohesive connection between the adapter element and a further, second shaft part of the shaft, which typically also consists of a metal.

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.In an advantageous development, in an additional method step c) the first shaft part is joined to the second shaft part of the shaft by means of a cohesive and / or positive and / or non-positive connection. This allows a particularly stable, non-rotatable fixation of the two shaft parts to form the shaft to each other.

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.In an advantageous development, the second shaft part is made of steel. This measure also facilitates the formation of a highly stable, integral connection between the adapter element and a further, second shaft part of the shaft, which typically also consists of a metal.

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.In a further preferred embodiment, the first shaft part is formed as an adapter element, which has the geometry of a pin or a sleeve or a pot. The geometries mentioned are particularly easy to produce, so that the manufacturing process for producing the turbine wheel assembly can be further simplified.

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.In a further preferred embodiment, the turbine wheel in a longitudinal section along a central longitudinal axis on a turbine wheel section, in which an undercut is provided, in which in step b) the adapter element is generated. This allows the formation of a mechanically particularly stable form-fitting connection between the adapter element and the turbine wheel.

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.In an advantageous development, at least partially generating the shaft in step b) successively generates at least two adapter elements made of different materials. This measure allows the application specific use of different materials for the shaft of the turbine assembly.

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.In another preferred embodiment, in step b), the entire shaft of the turbine assembly is made entirely by the additive manufacturing process. This allows the production of the turbine wheel assembly central component, namely the shaft, directly in the course of the additive manufacturing process, without the further process or assembly steps would be required to complete the shaft. This leads to a significant simplification of the entire manufacturing process of the turbine wheel assembly, which is associated with significant cost advantages in the production.

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.The invention further relates to a turbine wheel arrangement with a turbine wheel and a shaft rotatably connected to the turbine wheel, wherein the turbine wheel assembly is preferably made by performing the method presented above. This means that the shaft is generated at least partially by means of an additive manufacturing process on the turbine wheel. The above-explained advantages of the method according to the invention, including its preferred embodiments, are therefore also transferred to the turbine wheel arrangement according to the invention.

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.In a preferred embodiment, the shaft comprises a first shaft part produced by means of the additive manufacturing method and a second shaft part, which is fastened in a rotationally fixed manner to the turbine wheel by means of the first shaft part acting as an adapter element. In this variant, the second shaft part is not produced by means of the additive method. The two shaft parts are particularly preferably non-rotatably connected to each other by means of a cohesive connection, particularly preferably by means of a welded connection. Since a material other than titanium aluminide is preferably used for the second shaft part, problems associated with this material system are eliminated in the formation of the integral connection.

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.Particularly expedient, the adapter element can be designed as a pin or sleeve or as an adapter pot. In this variant, the second shaft part without direct mechanical contact with the turbine wheel rotatably and mechanically stable attached to this.

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.In an advantageous development, the first shaft part configured as an adapter element is accommodated at least partially in a recess provided on the turbine wheel and / or in a recess provided on the second shaft part. Both measures, taken alone or in combination, allow the realization of a mechanically particularly stable connection of the second shaft part with the turbine wheel by means of the first shaft part.

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.In a preferred embodiment, an extension projects axially from the turbine wheel. In this variant, the adapter element in a longitudinal section along a central longitudinal axis a Recording with an undercut on. In this recess, the extension of the turbine wheel is positively received. This allows a particularly stable fixation of the adapter element on the turbine wheel.

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.The invention further relates to an exhaust-gas turbocharger with a turbine-wheel arrangement according to the invention which has been presented above and with a compressor wheel mounted non-rotatably on the shaft of the turbine-wheel arrangement.

Die Erfindung betrifft schließlich eine Brennkraftmaschine mit einer Frischluftanlage und einem mit der Frischluftanlage zusammenwirkenden, erfindungsgemäßen Abgasturbolader.Finally, the invention relates to an internal combustion engine having a fresh air system and an exhaust gas turbocharger according to the invention interacting with the fresh air system.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

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.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematisch:It show, each schematically:

1a/1b das erfindungsgemäße Verfahren illustrierende Darstellungen eines Turbinenrads, 1a / 1b the method according to the invention illustrating representations of a turbine wheel,

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, 2 an example of a turbine wheel arrangement produced by means of the method according to the invention with a turbine wheel and with a shaft attached to the turbine wheel by means of an additive manufacturing method,

3 die Turbinenrad-Anordnung der 2 nach drehfester Anbringung eines Verdichterrads an der Welle der Turbinenrad-Anordnung. 3 the turbine wheel assembly of the 2 after rotationally attaching a compressor wheel to the shaft of the turbine assembly.

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. 4 an example of a turbine wheel assembly produced by carrying out the three process steps a), b) and c) of the method according to the invention in a longitudinal section along the axis of rotation of the turbine wheel.

5–10 konstruktive Ausgestaltungsvarianten des Beispiels der 4. 5 - 10 constructive design variants of the example of 4 ,

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.The following is based on the 1a and 1b the inventive manufacturing method for a turbine wheel assembly 1 illustrated. 1a shows a turbine wheel 2 Titanium aluminide (TiAl), which is provided in a process step b) for additive treatment. The turbine wheel 2 can be made by casting. It can be seen that the turbine wheel 2 a substantially cylindrical body 3 owns, from the first front side 4a several integral on the main body 3 molded blades 5 protrude. On one of the first front page 4a opposite second end face 4b is concentric to the main body 3 a likewise cylindrical flange section 7 formed along the axial direction A of the turbine wheel 2 a radial step 6 can have. On the of the main body 3 remote end face of the flange portion 7 becomes a part of a shaft of the turbine wheel assembly by means of an additive manufacturing process 1 manufactured, the rotationally fixed to the flange portion 7 and thus on the turbine wheel 2 is attached.

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.By means of said additive manufacturing process is in process step b) in the 1b illustrated adapter element 9 which produces a first shaft part 10 the wave to be generated 8th formed. To generate the adapter element 9 or the first shaft part 10 becomes in the course of step b) a suitable metal in powder form on the flange portion 7 of the turbine wheel 2 arranged. To the first shaft part 10 can in a further process step c) rotatably another, second shaft portion of the shaft 8th be added, which in a rough schematic representation in 4 shown is:
The 4 shows a turbine wheel assembly prepared by performing the three process steps a), b) and c) 1 in a longitudinal section along a central longitudinal axis M of the turbine wheel 2 , by which a rotation axis D is defined. The turbine wheel arrangement 1 includes next to the turbine wheel 2 that the first wave part 10 the wave 8th forming adapter element 9 and the rotationally fixed to the first shaft part 10 joined second shaft part 11 , The first and the second shaft part 10 . 11 form the wave 8th the turbine wheel assembly 1 out. In the example of 4 this is the first wave part 10 forming adapter element 9 as a cone 12 formed, which from the turbine wheel 2 away in the second part 11 passes. The second wave part 11 thus extends the first wave part 10 from the turbine wheel 2 path.

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.The 2 refers to a variant of the method according to the 1a / 1b in which in step b) by means of the additive manufacturing method not only a first shaft part 10 the wave 8th but the entire wave 8th will be produced. The formation of an adapter element 9 not applicable to this variant.

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.The 3 shows a development of the turbine wheel assembly produced by the method according to the invention 1 at which on the shaft 8th by means of a material connection, in particular by means of a welded connection, rotatably a compressor wheel 29 made of aluminum. Used as material for the shaft made by the additive manufacturing process 8th chosen a suitable metal, so can be said cohesive connection between shaft 8th and compressor wheel 29 easily realize.

Die 5 bis 10 zeigen weitere mögliche konstruktive Ausgestaltungsformen des Adapterelements 9 als Teil der Turbinenrad-Anordnung 1.The 5 to 10 show further possible structural embodiments of the adapter element 9 as part of the turbine wheel arrangement 1 ,

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.In the example of 5 is the adapter element 9 as adapter sleeve 13 formed, which partially in one in the second end face 4b of the turbine wheel 2 intended recording 14 is included. The second wave part 11 is according to 5 in the adapter sleeve 13 inserted or inserted. The adapter sleeve 13 is therefore radially between the second shaft part 11 and the turbine wheel 2 arranged. Preferably, the turbine wheel 2 , the adapter sleeve 13 and the second shaft part 11 concentric with each other and relative to the central longitudinal axis M of the shaft 8th arranged.

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.In the example of 6 is at the turbine wheel 2 instead of a recess, as in the example of 5 , an axially protruding extension 15 formed, which as a flange portion 7 serves. The extension 15 is in a first axial opening 16a the adapter sleeve 13 inserted, the second shaft part 11 in one of the first axial opening 16a axially opposite, second opening 16b , Preferably, the extension touch 15 and the second shaft part 11 the front side, so that the entire sleeve interior 17 from the second shaft part 11 and the extension 15 is filled.

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.The variant of 7 differs from the example of 5 by a design of the adapter element 9 as an adapter pot 26 with a pot bottom 18 and one from the bottom of the pot 18 in the axial direction A from the turbine wheel 2 away protruding pot collar 19 , In the cup-like adapter element 9 is the second wave part 11 added. In the example of 9 is the second wave part 11 not directly mechanically with the turbine wheel 2 in contact.

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.In the variant of 8th is the adapter element 9 as a cone 20 formed, partially in one in the front 4b trained recess 21 is included. The pin is preferred 20 positively in the recess 21 added. The pin 20 may be tapered axially away from the turbine wheel or formed as a radius.

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.In the example of 9 is on the front page 4b of the turbine wheel 2 in an analogous manner to the example of 4 a the flange section 7 of the turbine wheel 2 forming extension 22 educated. In the extension 22 is frontally a recess 23 educated. In an analogous manner, in the second shaft part 11 on a turbine wheel 2 facing end face 24 another recess 25 educated. The turbine wheel 2 and the second shaft part 11 are by means of the adapter element 9 interconnected, which in the two recesses 23 . 25 is received and this preferably completely fills.

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.In the example of 10 stands from the turbine wheel 2 in an analogous manner to the example of 6 from the turbine wheel 2 axially an extension 15 from. In this variant, the adapter element 9 in the 10 shown longitudinal section along the central longitudinal axis M of the turbine wheel 2 a recording 27 with an undercut 28 on, in which form-fitting the extension 15 of the turbine wheel 2 is included. The additive manufacturing method used in step b) can be used in this variant, the extension 15 enveloping adapter element 9 to produce, so that between extension 15 and adapter element 9 a particularly stable positive connection is formed.

Claims (17)

Verfahren zum Herstellen einer ein Turbinenrad (2) und eine Welle (8) umfassenden Turbinenrad-Anordnung (1), umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Turbinenrads (2) aus Titanaluminid (TiAl), b) Wenigstens teilweises Erzeugen der Welle (8) am Turbinenrad (2) mittels eines additiven Herstellungsverfahrens.Method for producing a turbine wheel ( 2 ) and a wave ( 8th ) comprising a turbine wheel arrangement ( 1 ), comprising the following steps: a) providing a turbine wheel ( 2 ) of titanium aluminide (TiAl), b) at least partially generating the shaft ( 8th ) on the turbine wheel ( 2 ) by means of an additive manufacturing process. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum wenigstens teilweisen Erzeugen der Welle (8) in Schritt b) ein Metall in Pulverform auf dem Turbinenrad (2) aufgebracht wird.A method according to claim 1, characterized in that for at least partially generating the shaft ( 8th ) in step b) a metal in powder form on the turbine wheel ( 2 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) mittels des additiven Herstellungsverfahrens ein Adapterelement (9) erzeugt wird, welche ein erstes Wellenteil (10) der Welle (8) ausbildet, wobei das erste Wellenteil (10) zum drehfesten Befestigen an einem zweiten Wellenteil (11) der Welle (8) dient, welches nicht mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestellt ist.A method according to claim 1 or 2, characterized in that in step b) by means of the additive manufacturing process, an adapter element ( 9 ) is generated, which a first shaft part ( 10 ) the wave ( 8th ), wherein the first shaft part ( 10 ) for rotationally fixed attachment to a second shaft part ( 11 ) the wave ( 8th ), which is not manufactured by the additive manufacturing method. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Adapterelement (9) aus einem Metall besteht.Method according to claim 3, characterized in that the adapter element ( 9 ) consists of a metal. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zusätzlichen Verfahrensschritt c) das erste Wellenteil (10) mittels einer stoffschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung und/oder kraftschlüssigen Verbindung an das zweite Wellenteil (11) der Welle (8) gefügt wird.A method according to claim 3 or 4, characterized in that in an additional method step c) the first shaft part ( 10 ) by means of a cohesive and / or positive connection and / or non-positive connection to the second shaft part ( 11 ) the wave ( 8th ) is added. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wellenteil (11) aus Stahl besteht.Method according to one of claims 3 to 5, characterized in that the second shaft part ( 11 ) consists of steel. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wellenteil (10) als Adapterelement (9) ausgebildet wird, welches die Geometrie eines Zapfens oder einer Hülse oder eines Topfes aufweist.Method according to one of claims 3 to 6, characterized in that the first shaft part ( 10 ) as an adapter element ( 9 ) is formed, which has the geometry of a pin or a sleeve or a pot. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (2) in einem Längsschnitt entlang einer Mittellängsachse des Turbinenrads (2) einen Turbinenrad-Abschnitt aufweist, in dem ein Hinterschnitt (28) vorgesehen ist, in welchem in Schritt b) das Adapterelement (8) erzeugt wird.Method according to one of claims 3 to 7, characterized in that the turbine wheel ( 2 ) in a longitudinal section along a central longitudinal axis of the turbine wheel ( 2 ) has a turbine wheel section in which an undercut ( 28 ) is provided, in which in step b) the adapter element ( 8th ) is produced. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum wenigstens teilweisen Erzeugen der Welle (8) in Schritt b) sukzessive wenigstens zwei Adapterelemente (9) aus unterschiedlichen Materialien erzeugt werden.Method according to one of claims 3 to 8, characterized in that for at least partially generating the shaft ( 8th ) in step b) successively at least two adapter elements ( 9 ) are produced from different materials. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die gesamte Welle (8) der Turbinenrad-Anordnung (1) hergestellt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that in step b) the entire shaft ( 8th ) of the turbine wheel assembly ( 1 ) will be produced. Turbinenrad-Anordnung (1), – mit einem Turbinenrad (2) aus Titanaluminid und einer drehfest mit dem Turbinenrad (2) verbundenen Welle (8), vorzugsweise aus Stahl, insbesondere hergestellt mittels des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Turbine wheel arrangement ( 1 ), - with a turbine wheel ( 2 ) made of titanium aluminide and a rotationally fixed with the turbine wheel ( 2 ) connected shaft ( 8th ), preferably made of steel, in particular produced by means of the method according to one of the preceding claims. Turbinenrad-Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (8) ein mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestelltes erstes Wellenteil (10) umfasst und zusätzlich zum ersten Wellenteil (10) ein zweites Wellenteil (11) umfasst, welches mittels des als Adapterelement (9) wirkenden ersten Wellenteils (10) drehfest am Turbinenrad (2) befestigt ist.Turbine wheel arrangement according to claim 10, characterized in that the shaft ( 8th ) a first shaft part produced by the additive manufacturing method ( 10 ) and in addition to the first shaft part ( 10 ) a second shaft part ( 11 ), which by means of the as an adapter element ( 9 ) acting first wave part ( 10 ) rotatably on the turbine wheel ( 2 ) is attached. Turbinenrad-Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Adapterelement (9) als Zapfen (20) oder als Hülse oder als Adaptertopf (26) ausgebildet ist.Turbine wheel arrangement according to claim 11 or 12, characterized in that the adapter element ( 9 ) as a pin ( 20 ) or as a sleeve or as an adapter pot ( 26 ) is trained. Turbinenrad-Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Adapterelement (9) wenigstens teilweise in einer am Turbinenrad (2) vorhandenen und/oder in einer am zweiten Wellenteil (11) vorhandenen Ausnehmung (23) aufgenommen ist.Turbine wheel arrangement according to one of claims 11 to 13, characterized in that the adapter element ( 9 ) at least partially in a turbine wheel ( 2 ) and / or in one of the second shaft part ( 11 ) existing recess ( 23 ) is recorded. Turbinenrad-Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass – vom Turbinenrad (2) axial ein Fortsatz (22) absteht, – das Adapterelement (9) in einem Längsschnitt entlang seiner Mittellängsachse eine Aufnahme (27) mit einem Hinterschnitt (28) aufweist, in welcher formschlüssig der Fortsatz (22) des Turbinenrads (2) aufgenommen ist.Turbine wheel arrangement according to one of claims 11 to 14, characterized in that - from the turbine wheel ( 2 ) axially an extension ( 22 ), - the adapter element ( 9 ) in a longitudinal section along its central longitudinal axis a receptacle ( 27 ) with an undercut ( 28 ), in which form-fitting the extension ( 22 ) of the turbine wheel ( 2 ) is recorded. Abgasturbolader, – mit einer Turbinenrad-Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 15 und mit einem drehfest an der Welle (8) angebrachten Verdichterrad (29).Exhaust gas turbocharger, - with a turbine wheel arrangement ( 1 ) according to one of claims 11 to 15 and with a rotationally fixed to the shaft ( 8th ) mounted compressor wheel ( 29 ). Brennkraftmaschine, – mit einer Frischluftanlage und mit einem mit der Frischluftanlage zusammenwirkenden Abgasturbolader nach Anspruch 16.Internal combustion engine, - With a fresh air system and with a cooperating with the fresh air system exhaust gas turbocharger according to claim 16.
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