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Die Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Laufrads gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
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Derartige Laufräder für Strömungsmaschinen, insbesondere für Abgasturbolader für Verbrennungskraftmaschine, sowie Verfahren zum Herstellen derartiger Laufräder sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Ein solches Laufrad umfasst eine Nabe sowie eine Mehrzahl von Laufradschaufeln, welche sich von der Nabe weg erstrecken. Üblicherweise erstrecken sich die Laufradschaufeln bezogen auf die radiale Richtung des Laufrads nach außen von der Nabe weg, wobei die Laufradschaufeln beispielsweise mit der Nabe verbunden beziehungsweise an der Nabe angeordnet beziehungsweise gehalten sind.
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Der Abgasturbolader wird beispielsweise genutzt, um Brennräume der Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft zu versorgen. Hierzu umfasst der Abgasturbolader beispielsweise eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Turbine sowie einen von der Turbine antreibbaren Verdichter, mittels welchem die Luft verdichtet wird. Dabei kann das Laufrad beispielsweise als Verdichterrad des Verdichters ausgebildet sein, wobei die Luft mittels des Verdichterrads verdichtet wird. Ferner ist es denkbar, dass das Laufrad als Turbinenrad der Turbine ausgebildet ist, wobei das Turbinenrad von dem Abgas angeströmt und dadurch angetrieben wird.
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Beispielsweise ist aus der
DE 10 2013 205 956 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laufrads bekannt. Bei dem Verfahren werden die Laufradschaufeln durch ein generatives Herstellungsverfahren hergestellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Laufrad und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine verbesserte Herstellung des Laufrads realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Laufrad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Laufrad der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine verbesserte Herstellung des Laufrads realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Nabe durch ein Gießverfahren, insbesondere durch Feingießen, hergestellt ist, wobei die Laufradschaufeln durch das generative Fertigungsverfahren auf die Nabe aufgebracht sind. Dies bedeutet, dass die Laufradschaufeln durch das generative Herstellungsverfahren hergestellt und mittels des generativen Fertigungsverfahrens, das heißt während ihrer Herstellung, auf die Nabe, insbesondere Schicht für Schicht, aufgebracht werden.
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Somit liegt der Erfindung die Idee zugrunde, für die Herstellung des Turbinenrads, das heißt für die Herstellung der Nabe und der Laufradschaufeln, zwei unterschiedliche Fertigungs- beziehungsweise Herstellungsverfahren zu verwenden. Ein erstes dieser Fertigungsverfahren ist das genannte Gießverfahren, mittels welchem die Nabe hergestellt wird. Die Nabe weist beispielsweise eine einfache Geometrie auf, welche mittels des Gießverfahrens einfach und zeit- und kostengünstig hergestellt werden kann. Um beispielsweise geringe Wanddicken der Nabe beziehungsweise eines Radrückens zu ermöglichen, wird als das Gießverfahren beispielsweise Feingießen beziehungsweise ein Feingussverfahren verwendet.
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Das zweite Fertigungsverfahren ist das zuvor genannte generative Fertigungsverfahren, welches beispielsweise als ein 3D-Druckverfahren, insbesondere als ein generatives Schmelzverfahren wie beispielsweise selektives Laserschmelzen, ausgebildet ist. Mittels des generativen Fertigungsverfahrens wird ein Werkstoff, aus welchem die Laufradschaufeln hergestellt werden, beispielsweise auf die bereits hergestellte, insbesondere auf die bereits gusstechnisch hergestellte, Nabe aufgebracht, sodass die Laufradschaufeln während ihrer eigentlichen Herstellung bereits auf die Nabe aufgebracht und insbesondere mit der Nabe verbunden werden. Durch die Verwendung eines generativen Fertigungsverfahrens können auch komplexe Geometrien der Laufradschaufeln auf einfache und zeit- und kostengünstige Weise hergestellt werden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Laufradschaufeln mittels des generativen Fertigungsverfahrens auf die vorzugsweise bereits vorgegossene Nabe gedruckt werden.
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Insbesondere wurde gefunden, dass es die Fertigung der beispielsweise geometrisch komplexen Laufradschaufeln mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere mittels selektiven Laserschmelzens, ermöglicht, besonders ausgeprägte beziehungsweise starke Hinterschnitte und dünne Schaufeldicken zu realisieren. Dadurch können im Vergleich zu herkömmlichen Laufrädern umfangreiche Designfreiheiten dargestellt werden. Ferner können Performance-Steigerungen bezüglich Thermodynamik und Lebensdauer des Laufrads realisiert werden.
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Üblicherweise wird ein beispielsweise als Turbinenrad ausgebildetes Laufrad mittels eines Feingussverfahrens hergestellt, wobei sowohl die Nabe als auch die Laufradschaufeln mittels des Feingussverfahrens und somit durch Gießen hergestellt werden. Hierdurch können komplexe Geometrien und enge Fertigungstoleranzen dargestellt werden. Herkömmlicherweise zum Einsatz kommende Gussverfahren, insbesondere Feingussverfahren, sind jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv. Des Weiteren sind der Komplexität der Geometrien der Laufradschaufeln enge Grenzen gesetzt, was weitere Performance- und Lebensdauersteigerungen erschwert. Insbesondere sind enge Grenzen hinsichtlich der Realisierung von Hinterschnitten und hinsichtlich der Wanddicken der Laufradschaufeln gesetzt. Ebenfalls nachteilig bei herkömmlichen Laufrädern sind Schwankungen in den Bauteiltoleranzen und in der Feingussstruktur. Dies kann zu starken Lebensdauer- und Performance-Schwankungen führen. Hervorgerufen wird dies insbesondere durch den schwer zu kontrollierenden Gussprozess bezüglich des Kontakts einer Schmelze mit Sauerstoff und die typische Schwindung beim Gießen des Laufrads. Die zuvor genannte Schmelze ist ein noch flüssiger Gusswerkstoff, aus welchem das Laufrad herkömmlicherweise hergestellt wird. In der Folge wird der Feingussprozess sehr kostenintensiv und zeitaufwendig.
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Um diese Nachteile und Probleme zu vermeiden, ist es nun erfindungsgemäß vorgesehen, die zuvor genannten, voneinander unterschiedlichen Fertigungsverfahren zu verwenden, um die Nabe und die Laufradschaufeln herzustellen.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 6 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine verbesserte Herstellung des Laufrads realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Nabe durch ein Gießverfahren hergestellt wird, wobei die Laufradschaufeln durch das generative Fertigungsverfahren auf die Nabe aufgebracht werden. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Laufrads sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit vorgesehen, die Laufradschaufeln durch ein generatives Fertigungsverfahren herzustellen sowie mittels des generativen Fertigungsverfahrens auf die Nabe aufzubringen, sodass die Laufradschaufeln während ihrer Herstellung an sich auf die Nabe, insbesondere Schicht für Schicht, aufgebracht beziehungsweise aufgetragen werden. Die Herstellung der Laufradschaufeln geht somit zeitgleich mit der Anordnung der Laufradschaufeln an der Nabe und insbesondere mit der Verbindung der Laufradschaufeln mit der Nabe einher. Mit anderen Worten ist es im Rahmen der Erfindung nicht vorgesehen, zunächst die Laufradschaufeln herzustellen und nach der jeweiligen Herstellung der Laufradschaufeln diese mit der Nabe zu verbinden, sondern erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die bereits hergestellte Nabe bereitzustellen und die Laufradschaufeln mittels des generativen Fertigungsverfahrens herzustellen und dabei gleichzeitig auf die Nabe aufzutragen und mit der Nabe zu verbinden. Die Herstellung der Laufradschaufeln geht somit zeitgleich mit dem Aufbringen der Laufradschaufeln auf die Nabe und mit dem Verbinden der Laufradschaufeln mit der Nabe einher.
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Hierdurch ist es insbesondere möglich, das beispielsweise als Turbinenrad ausgebildete Laufrad prozesssicher herzustellen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Laufradschaufeln beispielsweise in einem Arbeitsgang hergestellt und mit der Nabe verbunden werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Laufradschaufeln stoffschlüssig mit der Nabe verbunden werden. Beispielsweise kann in einem Arbeitsgang durch das Aufschmelzen des Materials der Nabe aufgrund der Verfahrenshitze bei der Herstellung der Laufradschaufeln eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Laufradschaufeln und der Nabe erzielt werden, wodurch das Laufrad zeit- und kostengünstig hergestellt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Laufradschaufeln formschlüssig mit der Nabe verbunden werden. Hierbei dringt beispielsweise der Werkstoff, aus welchem die Laufradschaufeln hergestellt werden, in Poren beziehungsweise in das Material der Nabe ein und kann sich mit der Nabe verankern beziehungsweise formschlüssig verbinden. Dadurch erfolgt beispielsweise eine formschlüssige Verbindung zwischen der vorzugsweise vorgegossenen Nabe und den nachträglich hergestellten und insbesondere auf die Nabe aufgedruckten Laufradschaufeln. Somit werden zwei voneinander unterschiedliche Fertigungsverfahren in Form des Gießverfahrens und des generativen Fertigungsverfahrens genutzt, um das Laufrad herzustellen.
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Insbesondere ist es möglich, besonders geringe beziehungsweise enge Fertigungstoleranzen im Bereich der Laufradschaufeln zu realisieren, wodurch Verformungsschwankungen zumindest gering gehalten werden können. Ferner kann eine besonders gleichmäßige Gefügestruktur dargestellt werden, sodass auch Lebensdauerschwankungen im Vergleich zu herkömmlichen Laufrädern reduziert werden können.
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Da beispielsweise die Nabe eine einfache Geometrie aufweist, kann das Gießverfahren besonders einfach durchgeführt werden. Da es erfindungsgemäß vorgesehen ist, nur die Nabe, nicht jedoch die Laufradschaufeln durch das Gießverfahren herzustellen, kann das Gießverfahren im Vergleich zu herkömmlichen Laufrädern deutlich vereinfacht werden, insbesondere bezüglich der Schwindung, sodass das Verfahren kostengünstig durchgeführt werden kann. Ferner wurde gefunden, dass durch die Kombination der voneinander unterschiedlichen Fertigungsverfahren die Ausbringung aus dem beispielsweise als Feingussprozess ausgebildeten Gießverfahren im Vergleich zu herkömmlichen Laufrädern erhöht werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Perspektivansicht eines Laufrads für eine Strömungsmaschine, mit einer Nabe, und mit einer Mehrzahl von sich von der Nabe weg erstreckenden Laufradschaufeln, welche durch ein generatives Herstellungsverfahren hergestellt sind, wobei die Nabe durch ein Gießverfahren hergestellt ist, und wobei die Laufradschaufeln durch das generative Fertigungsverfahren auf die Nabe aufgebracht sind; und
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2 eine schematische Perspektivansicht der Nabe ohne die Laufradschaufeln.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Laufrad für eine Strömungsmaschine. Die Strömungsmaschine ist beispielsweise ein Abgasturbolader, welcher eine Komponente einer Verbrennungskraftmaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens, ist. Der Abgasturbolader wird genutzt, um beispielsweise als Zylinder ausgebildete Brennräume der beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungsmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft zu versorgen. Hierzu umfasst der Abgasturbolader einen Verdichter, welcher in einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Der Ansaugtrakt ist von der den Brennräumen zuzuführenden Luft durchströmbar, wobei die den Ansaugtrakt durchströmende Luft mittels des Verdichters verdichtet wird. Ferner umfasst der Abgasturbolader eine in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnete Turbine. Der Abgastrakt ist von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar, wobei die Turbine von dem Abgas antreibbar ist. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, ist der Verdichter von der Turbine antreibbar. Da ferner die Turbine von dem Abgas antreibbar ist und da mittels des Verdichters die Luft verdichtet wird, wird im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt.
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Beispielsweise ist das Laufrad 10 als ein Turbinenrad der Turbine ausgebildet, welche ein in dem Abgastrakt angeordnetes Turbinengehäuse umfasst. Dabei ist das Turbinenrad um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar in dem Turbinengehäuse angeordnet. Der Verdichter umfasst ein in dem Ansaugtrakt angeordnetes und von der Luft durchströmbares Verdichtergehäuse sowie ein in den Fig. nicht dargestelltes Verdichterrad, welches um die zuvor genannte Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar in diesem aufgenommen ist. Das Verdichterrad ist über eine Welle mit dem Turbinenrad drehfest verbunden. Das Abgas kann das Turbinenrad (Laufrad 10) anströmen und dadurch antreiben, sodass das Verdichterrad über die Welle von dem Turbinenrad angetrieben wird. Die Luft wird mittels des Verdichterrads verdichtet.
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Das Laufrad 10 weist eine Nabe 12 auf. Ferner weist das Laufrad 10 eine Beschaufelung 14 auf, welche eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 16 umfasst. Da das Laufrad 10 in dem in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel als Turbinenrad ausgebildet ist, sind die Laufradschaufeln 16 als Turbinenradschaufeln ausgebildet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Turbine als Radialturbine ausgebildet ist, sodass das Laufrad 10 beispielsweise als Radialturbinenrad ausgebildet ist. Während des Betriebs der Turbine strömt das Abgas das Laufrad 10 beispielsweise zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung an, wobei das Abgas das Laufrad 10 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung abströmt. Hierdurch wird das Laufrad 10 (Turbinenrad) angetrieben.
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Aus 1 ist besonders gut erkennbar, dass die Laufradschaufeln 16 in Umfangsrichtung des Laufrads 10 aufeinanderfolgend angeordnet sind und sich von der Nabe 12 weg erstrecken. Insbesondere erstrecken sich die Laufradschaufeln 16 in radialer Richtung des Turbinenrads (Laufrad 10) von der Nabe 12 nach außen hin weg.
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Um nun eine besonders vorteilhafte und insbesondere zeit- und kostengünstige Herstellung des Laufrads 10 zu realisieren, ist die Nabe 12 durch ein Gießverfahren hergestellt. Bei dem Gießverfahren handelt es sich vorzugsweise um Feingießen beziehungsweise um ein Feingussverfahren, mittels welchem die Nabe 12 hergestellt ist beziehungsweise wird. Ferner ist es vorgesehen, dass die Laufradschaufeln 16 durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt und mittels des generativen Fertigungsverfahrens auf die Nabe 12 aufgebracht sind. Mit anderen Worten ist es im Rahmen der Herstellung des Laufrads 10 vorgesehen, dass die Nabe 12 durch Gießen hergestellt wird und in hergestelltem Zustand, das heißt vorgegossen bereitgestellt wird. Dabei werden die Laufradschaufeln 16 durch das generative Herstellungsverfahren hergestellt und im Rahmen des generativen Herstellungsverfahrens, das heißt während die Laufradschaufeln 16 hergestellt werden, auf die bereits hergestellte beziehungsweise vorgegossene Nabe 12, insbesondere Schicht für Schicht, aufgebracht, insbesondere aufgetragen.
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Die Laufradschaufeln 16 werden beispielsweise aus einem Werkstoff gebildet, welcher beispielsweise aufgeschmolzen und insbesondere in aufgeschmolzenem beziehungsweise flüssigem oder pastösem Zustand im Rahmen des generativen Fertigungsverfahrens auf die bereits hergestellte und beispielsweise vorgegossene Nabe 12 aufgebracht beziehungsweise aufgetragen wird. Insbesondere wird der Werkstoff auf die Nabe 12 aufgedruckt, sodass das generative Fertigungsverfahren beispielsweise ein 3D-Druckverfahren ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass als das 3D-Druckverfahren beziehungsweise als das generative Fertigungsverfahren selektives Laserschmelzen (SLM) zum Einsatz kommt, mittels welchem die Laufradschaufeln 16 hergestellt und dabei gleichzeitig auf die Nabe 12 gedruckt werden.
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Aus 2 ist erkennbar, dass die Nabe 12 eine einfache Geometrie aufweist, sodass die Nabe 12 auf besonders einfache und kostengünstige Weise durch Gießen, insbesondere durch Feingießen, hergestellt werden kann. Gegenüber der Nabe 12 weisen die Laufradschaufeln 16 eine wesentlich komplexere Geometrie auf, welche jedoch durch den Einsatz des generativen Fertigungsverfahrens ebenfalls auf besonders einfache, zeit- und kostengünstige Weise hergestellt werden kann. Insbesondere ermöglicht die Fertigung der geometrisch komplexen Laufradschaufeln 16 mittels des generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere mittels selektiven Laserschmelzens, die Realisierung von besonders ausgeprägten beziehungsweise starken Hinterschnitten und die Realisierung von besonders dünnen Wanddicken der Laufradschaufeln 16. Dadurch können umfangreiche Designfreiheiten geschaffen werden. Ferner kann im Vergleich zu herkömmlichen Laufradschaufeln eine Performance-Steigerung bezüglich Thermodynamik und Lebensdauer geschaffen werden. Insgesamt lässt sich eine besonders prozesssichere Herstellung des Laufrads 10 mit nur geringen Ausschussraten realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013205956 A1 [0004]
