Verfahren zum Kodieren bei der Wärmebehandlung eines Werkstücks

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kodieren bei der Wärmebehandlung eines Werkstücks.

Die Wärmebehandlung ist ein Verfahren oder eine Verbindung mehrerer Verfahren zur Behandlung eines Werkstückes, wobei das Werkstück Änderungen der Temperatur oder des Temperaturablaufes unterworfen wird, um bestimmte Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Dabei können umgebende Mittel Änderungen, z.B. des Kohlenstoff- oder Stickstoffgehaltes, herbeiführen.

Unter Wärmebehandlung werden Verfahren zur Behandlung von Werkstoffen durch thermische, chemisch-thermische oder mechanisch-thermische Einwirkung verstanden um, optimale Gebrauchseigenschaften zu erreichen.

In der Wärmebehandlung unterscheidet man grundsätzlich zwischen Verfahren, die eine durchgreifende Gefügeumwandlung bewirken und Verfahren, die lediglich eine Umwandlung an der Oberfläche eines Werkstückes verursachen. Zu den erstgenannten Verfahren gehören beispielsweise das Glühen und das Härten, d. h. die thermischen Verfahren. Die zweitgenannten Verfahren zählen zu den Diffusions- und Beschichtungsverfahren bzw. zu den thermochemischen Verfahren (z. B. Aufkohlen, Einsatzhärten, Nitrieren, Borieren).

Eine weitere Möglichkeit der Einteilung kann in fertigungsorientierte oder

beanspruchungsorientierte Verfahren erfolgen.

Fertigungsorientierte Verfahren sind das Spannungsarmglühen, das Weichglühen, das Normalglühen, das Grobkornglühen, das Diffusionsglühen, das Rekristallisationsglühen und das Vergüten. Unter Glühen versteht man das Anwärmen, Durchwärmen und Abkühlen von Halbzeugen und Werkstücken zur Erzielung definierter Werkstoffeigenschaften. Glühen ist ein Teilgebiet der Wärmebehandlung und zählt zu den Fertigungsverfahren durch Änderung der

Stoffeigenschaft. Man unterteilt den Glühvorgang zumeist in mindestens drei Phasen:

- Anwärmen (auch Aufwärmen oder Hochwärmen)

In der Anwärmphase wird das Werkstück auf die Haltetemperatur gebracht.

- Halten

In der Haltephase wird das Werkstück bei einer konstanten Haltetemperatur gehalten. Sie dient dem Temperaturausgleich im Werkstück und der Gleichgewichtseinstellung chemischer und physikalischer Vorgänge im Werkstoff. Die dazu notwendige Dauer wird Haltezeit genannt und ist außer von dem zu erzielenden Ergebnis auch von der Werkstückgeometrie und der Anordnung der Werkstücke im Glühofen bzw. der Wärmebehandlungsanlage abhängig.

- Abkühlen

In der Abkühlphase wird das Werkstück wieder auf Umgebungstemperatur gebracht. Beanspruchungsorientierte Verfahren sind die thermische Wärmebehandlung und die thermochemische Wärmebehandlung.

Verfahren zur thermischen Wärmebehandlung sind z.B. das Härten, das Vergüten, das Bainitisieren und das Randschichthärten.

Das Härten von Stahl bewirkt eine Erhöhung seiner mechanischen Widerstandsfähigkeit durch gezielte Änderung und Umwandlung seines Gefüges. Es kann durch

Wärmebehandlung mit anschließendem schnellen Abkühlen erfolgen. Beispiele für das Härten sind z.B. die Umwandlungshärtung, die Ausscheidungshärtung und die

Kaltverfestigung.

Das Vergüten beschreibt die kombinierte Wärmebehandlung von Metallen, bestehend aus Härten und anschließendem Anlassen. Im Allgemeinen ist hierbei der Werkstoff Stahl gemeint, jedoch auch bei Nichteisenmetallen wie Titanlegierungen ist diese Art von thermischer Gefügebildung und -änderung üblich.

Verfahren zur thermochemische Wärmebehandlung sind z.B. das Aufkohlen, das

Carbonitrieren, das Nitrieren, das Alumieren, das Silicieren, das Vanadieren, das Borieren und das Nitrocarburieren. Vor allem Werkstoffe wie Metalle und deren Legierungen sowie Kunststoffe werden zur gezielten Einstellung ihrer Eigenschaften wärmebehandelt. Wärmebehandlungen an

Keramiken werden üblicherweise nur im Rahmen des Herstellungsprozesses (beim Sintern) durchgeführt.

Sintern ist ein Verfahren zur Herstellung oder Veränderung von Werkstoffen. Dabei werden feinkörnige keramische oder metallische Stoffe - oft unter erhöhtem Druck - erhitzt, wobei die Temperaturen jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bleiben, so dass die Gestalt (Form) des Werkstückes erhalten bleibt. Dabei kommt es in der Regel zu einer Schwindung, weil sich die Partikel des Ausgangsmaterials verdichten und Porenräume aufgefüllt werden. Man unterscheidet grundsätzlich das Festphasensintern und das

Flüssigphasensintern, bei dem es auch zu einer Schmelze kommt.

Beim Sintern werden zumeist körnige oder pulvrige Stoffe vermischt und dann durch Erwärmung miteinander verbunden oder verdichtet. Im Gegensatz zur reinen Schmelze werden hierbei jedoch keine oder zumindest nicht alle Ausgangsstoffe aufgeschmolzen. Die Ausgangsstoffe werden also, umgangssprachlich formuliert,„zusammengebacken". Es handelt sich deshalb um ein Urformverfahren. Beim Sintern vergrößern sich die einzelnen Körner, so dass die Oberflächenenergie sinkt. Zugleich steigt der Anteil abgesättigter chemischer Bindungen, so dass sich der Körper insgesamt verfestigt.

Heißisostatisches Pressen (HIP) ist eine Entwicklung in der Fertigungstechnik, bei der Pulver und Feststoffe, besonders Keramiken und Metalle, gleichzeitig heiß gepresst und gesintert werden. Das Werkstück wird dabei in einen deformierbaren, dichten Behälter eingesetzt.

Dieser Behälter kommt in einen beheizbaren Druck-Kessel und das Werkstück wird bei

Temperaturen bis zu 2000 °C und Drücken von 100 bis 200 MPa unter Schutzgas verdichtet.

Der Gasdruck wirkt so von allen Seiten auf das Werkstück, so dass das Werkstück isotrope Eigenschaften erhält. Offene Poren können dabei nicht nachverdichtet werden, da das Gas in diese Poren eindringen wird. Das Nachverdichten kann nur bei geschlossener Porosität erfolgen.

Ein übergreifendes Problem bei der Wärmebehandlung von Werkstücken besteht darin, dass es momentan nicht möglich ist, Werkstücke auf einfache und sichere Weise von

Fälschungen bzw. billigen Kopien zu unterscheiden. Es ist meist schwierig festzustellen, ob ein Werkstück vom Originalhersteller (Original Equipment Manufacture (OEM)) hergestellt ist oder ob ein Werkstück eine von einem Dritten hergestellte Kopie ist, da diese sich auf Grund ihres Erscheinungsbildes kam voneinander unterscheiden lassen. Jedoch können erhebliche qualitative Unterschiede (Festigkeit, Elastizität, Härte, Porosität, Duktilität, etc.) bestehen.

Insbesondere ist problematisch, dass es das generative Fertigen ermöglicht, Werkstücke ohne aufwändige Entwicklungs- oder Produktionskosten bzw. Herstellungsverfahren in geringer Stückzahl einfach nachzubauen bzw. zu fälschen In der Industrie besteht der Bedarf an eindeutigen Kennzeichnungen der Werkstücke, um besonders bei Schadensfällen die Haftungsfrage klären zu können.

Bestehende Möglichkeiten zum Kodieren eines Werkstücks mittels Prägen oder Gravieren sind hinsichtlich der Geometrie oder der Funktionalität des Werkstücks beschränkt.

Beispielsweise ist das Oberflächengravieren mittels Laser wirtschaftlich nur sinnvoll, wenn dieses in den Herstellungsprozess integriert ist. Zudem erfordert es eine spezielle

Positionierung des Laserstrahls hinsichtlich seines Winkels bezüglich des Werkstücks. Sogenannte DNA-paintings sind leicht entfernbar. Zudem ist es bekannt, Werkstücke mittels Radiofrequenzverfahren zu identifizieren. Diese Technologie ist jedoch sehr teuer und insbesondere ist es schwierig uns kostspielig, diese auf einzelne Werkstücke aufzubringen. Daher markieren Hersteller zumeist eine komplette Vorrichtung bzw. eine Maschine an einer einzelnen Stelle und nicht jedes einzelne Werkstück dieser Maschine. Daher schützt eine derartige Markierung einer kompletten Maschine nicht vor Fälschungen, wenn beispielsweise Ersatzteile in diese Maschine eingebaut werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches, sicheres und zuverlässiges Verfahren zum Kodieren bei der Wärmebehandlung von Werkstücken bereitzustellen, möglichst ohne zusätzliche Arbeitsschritte. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Kodieren bei der Wärmebehandlung

Werkstücks vorgesehen. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Bereitstellen eines Werkstücks, Erwärmen des Werkstücks in einer Prozessgasatmosphäre mit einer Wärmequelle, um das Werkstück einer Wärmebehandlung zu unterziehen.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zu zumindest einem vorbestimmten Zeitintervall während des Erwärmens dem Werkstück eine gasförmige

Kodierungskomponente oder ein eine Kodierungskomponente enthaltendes Kodierungsgas derart zugesetzt wird, dass die Verwendung der Kodierungskomponente im fertigen Objekt detektierbar ist, und dass Informationen über die Kodierungskomponente protokolliert werden. Die gasförmige Kodierungskomponente kann ein oder mehrere Isotope zumindest eines Gases umfassen, wobei der Anteil des zumindest einen Isotops gegenüber dem natürlich vorkommenden Anteil dieses Isotops im Gas verändert ist.

Die Kodierungskomponente kann auch gasförmige Legierungselemente umfassen, wobei der Anteil des gasförmigen Legierungselements vorzugsweise derart gewählt ist, dass das gasförmige Legierungselement die Materialeigenschaften des Werkstücks nur unwesentlich verändert.

Die Einlagerung der gasförmigen Legierungselemente ist derart groß, dass die

Legierungselemente im fertigen Werkstück z.B. mittels metallurgischer und/oder chemischer und/oder Magnet Resonanz Analyseverfahren detektierbar sind.

Unter Protokollieren kann das Werkstückbezogene Speichern der Daten in elektronischer Form oder das Ausdrucken der Informationen auf einem Zertifikat, z.B. auch in

maschinenlesbarer Form verstanden werden.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, ein Werkstück auf einfache und kostengünstige Weise sicher und zuverlässig zu kodieren. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass zum Kodieren des Werkstücks kein zusätzlicher Fertigungsschritt notwendig ist. Das Kodieren erfolgt dadurch, dass zumindest zu einem vorbestimmten Zeitintervall während der Wärmebehandlung des Werkstücks das Werkstück zumindest bereichsweise mit einer Kodierungskomponente beaufschlagt wird. Ist diese gasförmige Kodierungskomponente chemisch aktiv, geht sie mit dem Metall eine Reaktion ein und das Reaktionsprodukt (z.B. ein Oxid, Nitrid, Carbid) wird in die metallische Struktur eingebettet. Aber auch Kodierungsmoleküle die nicht reagieren (weil z.B. die lokale Temperatur zu niedrig ist) können in die kleinen Zwischenräume der körnigen Struktur eingefangen werden. Dieser Mechanismus funktioniert auch bei inerten Gasen, die können in ihrem Ursprungszustand im Werkstück gefangen bleiben. Die Kodierungskomponente kann im fertigen Werkstück beispielsweise mittels chemischer Analyseverfahren oder mittels eines Massenspektrometers detektiert werden. Das kann in einem Labor oder mit mobilen Geräten erfolgen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Produktionsparameter aufgrund des Kodierens nicht verändert oder angepasst werden müssen.

Zudem ist vorteilhaft, dass die Kodierung keinen zusätzlichen Produktionsschritt erfordert.

Das Protokollieren von Kodierungsinformationen kann bspw. das Abspeichern von

Kodierungsinformationen in einer Datenbank, auf einem Chip, etc. umfassen.

Die Kodierung kann über ein komplettes Werkstück oder nur gezielt an vorbestimmten Stellen oder Bereichen des Werkstückes eingebracht werden. Dadurch, dass die Kodierungsinformationen protokolliert und/oder in einer Datenbank abgespeichert werden, wird genau festgehalten bzw. protokolliert, zu welchem Zeitpunkt welche Kodierungskomponente an welcher Stelle des Werkstückes eingebracht wurde..

Die Kodierungsinformationen können Angaben über die Art und/oder den Anteil der

Kodierungskomponente und/oder über die Lage der Kodierungskomponente im Objekt und/oder über die Seriennummer des Objekts enthalten.

Aufgrund der Kodierungsinformationen lässt sich zu einem späteren Zeitpunkt auf einfach Art und Weise feststellen, nämlich indem der Bereich des Werkstücks, in dem die

Kodierungskomponente eingebracht wurde, untersucht wird, ob es sich um ein

OriginalWerkstück handelt oder nicht.

Eine solche Kodierung ist nahezu fälschungssicher, da einem potenziellen Fälscher die Kodierungsinformationen nicht zur Verfügung stehen und diese von außen nicht sichtbar sind. Somit kann anhand der Kodierungsinformationen das fertige Objekt hinsichtlich seiner Kodierungskomponente beispielsweise mittels eines chemischen Analyseverfahrens oder mittels eines Massenspektrometers detektiert werden. Unter einer Wärmebehandlung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein fertigungsorientiertes Verfahren wie z.B. das Spannungsarmglühen, das Weichglühen, das Normalglühen, das Grobkornglühen, das Diffusionsglühen, das Rekristallisationsglühen und das Vergüten oder ein beanspruchungsorientiertes Verfahren zur thermischen

Wärmebehandlung wie z.B. das Härten, das Vergüten, das Bainitisieren und das

Randschichthärten oder ein beanspruchungsorientiertes zur thermochemischen

Wärmebehandlung, wie z.B. das Aufkohlen, das Carbonitrieren, das Nitrieren, das

Alumieren, das Silicieren, das Vanadieren, das Borieren und das Nitrocarburieren oder das Sintern oder das Heißisostatische Pressen (HIP) verstanden. Die Wärmebehandlung kann beispielsweise in einem Ofen, einem Durchlaufofen, einem Herdofen oder in einer

Prozesskammer durchgeführt werden.

Die Erfindung wird mit besonderen Vorteilen bei der Wärmebehandlung von Metallen eingesetzt. Insbesondere wird das Werkstück dabei in einem bestimmten Verlauf erwärmt und/oder abgekühlt, um die Stoff- bzw. Werkstoffeigenschaften zu verändern. Hierbei kann insbesondere auch eine Modifizierung der Kristallstruktur des Werkstoffs (insbesondere

Metalls) und/oder der Einbau von Fremdatomen in die Kristallstruktur herbeigeführt werden. Der Begriff Wärmebehandlung soll dagegen keine reinen Verbrennungsprozesse umfassen, bei denen ein Stoff mit einem Oxidationsmittel reagiert und ein neuer Stoff, nämlich das Oxid des ursprünglichen Stoffes, entsteht.

Diesbezüglich wird auf die in der Beschreibungseinleitung genannten Verfahren zur Wärmebehandlung Bezug genommen.

Die der Wärmebehandlung unterworfenen Werkstücke können im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus Materialien wie z.B. Polymer, Keramik, Kunstharz, Kunststoff und

vorzugsweise Metall ausgebildet sein.

Ein generatives Fertigen, bei dem ein Bauteil schichtweise aufgebaut wird, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht als Wärmebehandlung angesehen. Das Prozessgas kann ein inertes Gas, wie z.B. Stickstoff, Argon, Helium, oder ein Aktivgas, wie z.B. O2, CO2, oder H ₂ oder auch Mischungen daraus umfassen.

Eine Mischung aus Prozessgas und Kodierungskomponente wird im Folgenden auch als Kodierungsgas bezeichnet.

Als Kodierungskomponente, die mit einem entsprechenden Prozessgas vermischt oder auch in reiner Form verwendet werden kann, ist vorzugsweise Sauerstoff 18 Kohlendioxid (C ¹⁸ 0 ₂ ), Kohlenstoff 13 Kohlendioxid ( ¹³ C0 ₂ ), Kohlenstoff 13 Kohlenmonoxid ( ¹³ CO), Deuterium (D ₂ ), Stickstoff 15 ( ¹⁵ N ₂ ) und Sauerstoff 18 ( ¹⁸ 0 ₂ ) vorgesehen.

Die Kodierungskomponente umfasst somit beispielsweise ein oder mehrere Isotope eines Gases, vorzugsweise des Prozessgases, wobei der Anteil eines Isotops gegenüber dem natürlichen Anteil der Isotope im Gas verändert ist. Das bedeutet das Verhältnis der Isotope ist gegenüber dem natürlich vorkommenden Verhältnis verändert. Beispielsweise wird bei Stickstoff das Verhältnis von ¹⁴ N (Häufigkeit = 99,634) zu ¹⁵ N (Häufigkeit = 0,366) derart verändert, dass der Anteil an ¹⁵ N erhöht und der Anteil an ¹⁴ N verringert ist oder umgekehrt. Beispielsweise wird bei Kohlenstoff das Verhältnis von ¹² C (Häufigkeit = 98,9) zu ¹³ C

(Häufigkeit = 1 ,1 ) derart verändert, dass der Anteil an ¹³ C erhöht und der Anteil an ¹² C verringert ist oder umgekehrt. Beispielsweise kann bei Wasserstoff das Verhältnis von ¹ H (Häufigkeit = 98,9885) zu ² H (Häufigkeit = 0,0115) derart verändert werden, dass der Anteil an ² H erhöht und der Anteil an ¹ H verringert ist oder umgekehrt.

Es kann bspw. vorgesehen sein, dass die Häufigkeit der Isotope gegenüber der natürlich vorkommenden Häufigkeit in etwa um oder mehr als 0,5% oder 1 ,0% oder 1 ,5% oder 2,5% oder 5,0% oder 10,0% oder 25% oder 50,0% oder 75% oder 100% oder 150% oder 200% oder 500% oder 1000% erhöht oder verringert ist.

Als Isotope sind vorzugsweise Stickstoff 15 und Stickstoff 14 und/oder Kohlenstoff 12, Kohlenstoff 13 und/oder Kohlenstoff 14 und/oder auch beispielsweise Sauerstoff-16 und/oder Sauerstoff 18 vorgesehen. Weiterhin kann auch Argon -36, -38,-39, -40 vorgesehen sein.

Grundsätzlich denkbar ist auch die Verwendung von Wasserstoff 2 oder Wasserstoff 3 sowie Helium 3 und Helium 4 Isotopen. Um komplexere Kodierungen vorzusehen, können auch zwei oder mehr verschiedene Isotope in der Kodierungskomponente enthalten sein. Demgemäß kann die

Kodierungskomponente ein oder mehrere andere als die natürlich vorkommenden Isotope des Prozessgases umfassen. Bspw. können Sauerstoff-Isotope mit Stickstoff-Isotopen oder auch C-Isotope im C0 ₂ mit H-Isotopen in H ₂ kombiniert werden

Als Wärmequelle kann eine Heizeinrichtung, die z.B. Strahlungsheizeinrichtung, eine Konvektionsheizeinrichtung oder eine Kontaktheizeinrichtung vorgesehen sein. Eine Vorrichtung zum Kodieren von Werkstücken bei der Wärmebehandlung umfasst beispielsweise eine Aufnahmeeinrichtung auf der ein Werkstück anordbar ist, und eine Wärmequelle zum Erwärmen des Werkstücks, um das Werkstück einer Wärmebehandlung zu unterziehen. Weiter ist eine Kodierungskomponentezuführeinrichtung vorgesehen, die mit einer Steuereinrichtung derart verbunden ist, dass zu zumindest einem vorbestimmten Zeitintervall während der Wärmebehandlung dem Werkstück eine Kodierungskomponente oder ein eine Kodierungskomponente enthaltendes Kodierungsgas derart zugeführt wird, dass die Verwendung der Kodierungskomponente im fertigen Werkstück detektierbar ist, wobei die gasförmige Kodierungskomponente vorzugsweise ein oder mehrere Isotope zumindest eines Gases umfasst und der Anteil des zumindest einen Isotops gegenüber dem natürlich vorkommenden Anteil dieses Isotops im Gas verändert ist und/oder wobei die gasförmige Kodierungskomponente gasförmige Legierungselemente enthält.

Zudem kann eine Datenbank zum Abspeichern von Kodierungsinformationen vorgesehen sein.

Weiterhin kann die Kodierungskomponentezuführeinrichtung eine Mischkammer zum Beimischen der Kodierungskomponente zum Prozessgas umfassen, wobei aus der Mischkammer dem Werkstück zumindest bereichsweise eine Kodierungskomponente oder ein Prozessgas oder eine Mischung aus Prozessgas und Kodierungskomponente zuführbar ist. Demgemäß weist die Mischkammer einen ersten Einlass zum Zuführen eines

Prozessgases und einen zweiten Einlass zum Zuführen einer Kodierungskomponente oder einen zweiten Einlass zum Zuführen eines eine Kodierungskomponente enthaltenden Prozessgases und einen Auslass der mit einer Düse verbunden ist auf. Eine solche externe Mischkammer ist vorteilhaft, da sich bestehend Anlagen bzw. Vorrichtungen damit derart erweitern lassen, dass eine Kodierung eines Werkstücks möglich ist. Die Kodierungskomponentezuführeinrichtung kann auch eine Düse umfassen, um ein Werkstück lokal während der Wärmebehandlung mit einer Kodierungskomponente zu beaufschlagen. Diese Düse kann bspw. mittels einer Robotereinrichtung automatisch verfahrbar sein.

Weiterhin kann eine Prozesskammer vorgesehen sein.

Die Prozesskammer kann auch selbst zwei Einlässe aufweisen, wobei ein Einlass zum Zuführen von Prozessgas und der andere Einlass zum Zuführen einer

Kodierungskomponente oder eines eine Kodierungskomponente enthaltenden Prozessgases (Premix) aus entsprechenden Vorratsbehältern vorgesehen ist

Das Prozessgas ist derart ausgebildet bzw. zusammengesetzt, dass es die chemisch metallurgisch erwünschten Eigenschaften des Werkstückes gewährleisten kann und zusätzlich eine eindeutige Werkstückkennzeichnung bzw. Kodierung ermöglicht. Somit müssen Werkstück bezogene Prozessgase mit entsprechender Kodierungskomponente bereitgestellt werden. Die Kodierungskomponente kann auch als Premix aus einem

Gasvorratsbehälter bereitgestellt werden, der sowohl Prozessgas als auch einen

entsprechenden Anteil an Kodierungskomponente enthält. Dieser den Premix enthaltende Gasvorratsbehälter bildet dann die Kodierungskomponentezuführeinrichtung aus.

Die Kodierungskomponentezuführeinrichtung kann somit die Mischkammer, der Premix- Vorratsbehälter oder der Vorratsbehälter enthaltend die Kodierungskomponente sein. Die Zugabe der Kodierungskomponente kann von einer Steuereinrichtung gesteuert werden. Diese Steuereinrichtung kann eine Kodierungskomponentereglereinrichtung mit einem geschlossenen Regelkreis umfassen, die die Zugabe regelt. Die

Kodierungskomponentereglereinrichtung erfasst mittels eines Sensors einen Ist-Wert eines oder mehrerer Volumenströme in der Prozesskammer und/oder der Mischkammer, vergleicht diesen mit einem vorgegebenen Sollwert eines oder mehrerer Volumenströme und über ein Stellglied wird dann der vorgegebene Sollwert eingestellt.

Unter Volumenstrom bzw. Ströme werden die Werte der entsprechenden Gasströme verstanden, die von der Kodierungskomponentezuführeinrichtung der Prozesskammer zugeführt werden. Ein Kodierungsgas zum Kodieren bei der Wärmebehandlung eines Werkstücks umfasst ein Prozessgas und enthält eine Kodierungskomponente, wobei die gasförmige

Kodierungskomponente ein oder mehrere Isotope zumindest eines Gases umfasst und der Anteil des zumindest einen Isotops gegenüber dem natürlich vorkommenden Anteil dieses Isotops im Gas verändert ist.

Durch Verwendung eines derartigen Kodierungsgases ist eine nachträgliche eindeutige Kennzeichnung bzw. Identifikation eines Werkstückes möglich. Die Kodierungskomponente des Kodierungsgases wird und während des Fertigungsprozesses in das Werkstück eingebracht und Bestandteil des Werkstückes.

Das Prozessgas kann ein inertes Gas, wie z.B. Argon, Helium, Neon, Krypton, Xenon oder Radon und/oder ein Aktivgas, wie z.B. 02, C02, H2, und N2 oder auch Mischungen daraus umfassen.

Die Kodierungskomponente kann vorzugsweise Sauerstoff 18 Kohlendioxid (C1802), Kohlenstoff 13 Kohlendioxid (13C02), Kohlenstoff 13 Kohlenmonoxid (13C02), Deuterium (D2), Stickstoff 15 (15N2) und Sauerstoff 18 (1802) oder auch Mischungen daraus umfassen.

Die Häufigkeit des Isotops kann gegenüber der natürlich vorkommenden Häufigkeit in etwa um 0,5% oder um 1 ,0% oder um 1 ,5% oder um 2,5% oder um 5,0% oder um 10,0% oder um 25% oder um 50,0% oder um 75% oder um 100% oder um 150% oder um 200% oder um 500% oder um 1000% erhöht oder verringert sein.

Beispiele für konkrete Vorgaben zur Erhöhung oder Verringerung der Isotopenverhältnisse sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.

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Die Kodierungskomponente kann mindestens ein Isotop eines Aktivgases enthalten, das mit dem Werkstoff des herzustellenden Werkstücks derart reagiert, dass es im Werkstück verbleibt. Die Kodierungskomponente kann zumindest ein Isotop eines inerten Gases umfassen, wobei sich das Isotop in das Werkstück einlagert.

Die Kodierungskomponente kann mehrere unterschiedliche Isotope (Isotope verschiedener Gase) in vorbestimmten Verhältnissen enthalten, wobei die

verschiedenen Isotope im Werkstück die Kodierung ausbilden.

Die Isotope können Isotope des Gases sein, das die Hauptkomponente des

Prozessgases ausbildet. Die Isotope können auch Isotope sein, die im Prozessgas nicht vorkommen.

Stickstoff ¹⁵ N-lsotope können sich abhängig vom Legierungselement, der Temperatur, der Konzentration und/ oder der Reaktionszeit manchmal inert und manchmal reaktiv verhalten.

Wasserstoff-Isotope können auch im gasförmigen Zustand in Mikroporositäten eingelagert sein, mit atomaren Sauerstoff 0 ₂ reagieren und sich auflösen oder sie können metallische Hydride mittels Adsorption auf metallischen Oberflächen ausbilden und im Werkstück verbleiben.

Kohlenstoff-Isotope ¹² C und ¹³ C werden in Form von Kohlendioxid bereitgestellt, welches dann im Verfahren abgetrennt wird.

Einige Isotope von H, N, CO können dem Verfahren als Teil einer chemischen Verbindung wie z. B: C ¹⁸ , 0 ₂ , ¹³ C0 ₂ , N ² H ₃ und ¹⁵ NH ₃

Das Kodierungsgas kann zum Kodieren von Werkstücken gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren vorgesehen sein. Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und Figur 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Im Folgenden wird eine Vorrichtung 1 zum Kodieren von Werkstücken bei der Wärmebehandlung beschrieben. Grundsätzlich ist, wie bereits vorstehend erwähnt, nahezu jede Vorrichtung 1 zur Wärmebehandlung von Werkstücken zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.

Die Erfindung wird in allgemeiner Form beispielhaft an Hand einer Vorrichtung 1 zur Wärmebehandlung erläutert (Figur 1 ).

Die Vorrichtung 1 umfasst eine Aufnahmeeinrichtung 2 auf der ein 3 Werkstück zur Wärmebehandlung anordbar ist.

Im Bereich der Aufnahmeeinrichtung 2 ist eine Wärmequelle bzw. eine Heizeinrichtung 4 zum Erwärmen des Werkstücks 3 angeordnet.

Weiterhin ist eine Gaszuführeinrichtung 5 vorgesehen. Die Gaszuführeinrichtung 5 umfasst einen Gasvorratsbehälter 6. Der Gasvorratsbehälter 6 ist über einen

Leitungsabschnitt 7 mit einer Düse 8 verbunden. Die Düse 8 ist mittels eines Roboters (nicht dargestellt) verfahrbar.

Im Gasvorratsbehälter 6 ist ein Kodierungsgas oder eine gasförmige

Kodierungskomponente bevorratet. Weiterhin ist eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) zum Steuern der Zugabe der Kodierungskomponente vorgesehen. Die Steuereinrichtung umfasst eine

Kodierungskomponentereglereinrichtung mit einem geschlossenen Regelkreis, die die Zugabe regelt. Die Kodierungskomponentereglereinrichtung kann einen P-Regler, einen I-Regler, einen D-Regler und Kombinationen daraus, wie z.B. einen PID-Regler umfassen. Die Kodierungskomponentereglereinrichtung erfasst mittels eines Sensors einen Ist-Wert der einen oder mehrere Volumenströme in der Prozesskammer 2 und/oder der Mischkammer, vergleicht diesen mit einem vorgegebenen Sollwert eines oder mehrerer Volumenströme und über ein Stellglied wird dann der vorgegebene Sollwert eingestellt.

Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung an Hand eines zweiten

Ausführungsbeispiels näher beschrieben (Figur 2). Sofern nichts anderes beschrieben ist, weist dieses Ausführungsbeispiel dieselben technischen Merkmale wie das erste Ausführungsbeispiel auf.

Die Vorrichtung umfasst eine Prozesskammer 9, die durch eine Kammerwandung 10 nach außen hin abgeschlossen ist und einen Prozessraum 11 begrenzt. In der Prozesskammer 9 wird die Wärmebehandlung eines Werkstücks durchgeführt. Die Aufnahmeeinrichtung und die Heizeinrichtung sind in der Prozesskammer 9 angeordnet.

Zudem ist eine Prozessgaszuführeinnchtung 12 vorgesehen, mittels der die

Prozesskammer 9 mit einem Prozessgas beaufschlagbar ist.

Die Prozessgaszuführeinnchtung 12 weist einen Prozessgasvorratsbehälter 13 für das Prozessgas auf, wobei der Prozessgasvorratsbehälter 13 über einen Leitungsabschnitt 14 mit der Prozesskammer 9 verbunden ist. Alternativ kann eine Mischkammer (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Die

Mischkammer weist einen Einlass zum Zuführen von Prozessgas aus dem

Prozessgasvorratsbehälter 13 für Prozessgas und einen Einlass zum Zuführen von Kodierungskomponente aus dem Gasvorratsbehälter 6 für die Kodierungskomponente auf.

Das Prozessgas und die Kodierungskomponente können auch als Premix aus einem Gasvorratsbehälter (nicht dargestellt) bereitgestellt werden, der sowohl Prozessgas als auch einen entsprechenden Anteil an Kodierungskomponente enthält. Dieser den Premix enthaltende Gasvorratsbehälter bildet dann die

Kodierungskomponentezuführeinrichtung aus und ist mit der Prozesskammer 2 direkt zusätzlich zum dem Vorratsbehälter 7 für das Prozessgas verbunden oder mit der Misch kammer verbunden.

Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren anhand des zweiten

Ausführungsbeispiels beschrieben.

Dabei wird im ersten Schritt ein Werkstück auf der Aufnahmeeinrichtung angeordnet.

Anschließend wird in einem zweiten Schritt der Prozesskammer 9 mittels der

Prozessgaszuführeinrichtung 12 als Prozessgas ein inertes Schutzgas, wie z. B. Stickstoff, zugeführt.

In einem nächsten Schritt wird das Werkstück mittels der Heizeinrichtung erwärmt, um das Werkstück einer Wärmebehandlung zu unterziehen.

Entweder kontinuierlich oder zu einem vorbestimmten Zeitpunkt wird der

Prozesskammer 9 dann die Kodierungskomponente mittels der Gaszuführeinrichtung zugeführt. In der Regel befindet sich in der Prozesskammer 9 permanent Prozessgas. Ist das Prozessgas Stickstoff oder ein Stickstoffhaltiges Gemisch (gleiches für Argon), dann kann auch ein Kodierungsgas vorgesehen sein. Das kodierungsgas kann entweder als Premix bereitgestellt werden oder in einer Mischkammer nach Bedarf bereitgestellt werden. Das Kodierungsgas umfasst das Prozessgas und die Kodierungskomponente derart, dass der Anteil an Stickstoff-15 und Stickstoff-14 Isotopen gegenüber dem natürlichen Anteil an Stickstoff-15 und Stickstoff-14 Isotopen bzw. deren Verhältnis verändert ist. Beispielsweise bei Stickstoff ist das Verhältnis von ¹⁵ N (Häufigkeit = 99,634) zu ¹⁵ N (Häufigkeit = 0,366) derart verändert, dass der Anteil an ¹⁵ N erhöht und der Anteil an ¹⁴ N verringert ist (oder umgekehrt).

Durch die Kodierungskomponente erhält ein einzelner Bereich des Werkstücks, sofern dieser direkt mit der Kodierungskomponente beaufschlagt wird oder auch das gesamte Werkstück eine einzigartige Isotopen-Signatur. Die Kodierungsinformationen werden in einer Datenbank abgespeichert. Alle zur Wärmebehandlung des Werkstücks notwendigen Parameter sind ebenfalls elektronisch gespeichert. Die Kodierungskomponentenzuführeinrichtung kann mit einer Schnittstelle der

Vorrichtung derart verbunden sein, dass genau gespeichert wird, zu welchem Zeitpunkt bzw. zu welchem vorbestimmten Zeitintervall während des Schmelzens des

Ausgangsmaterials dem Schutzgas eine Kodierungskomponente zugeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich präzise feststellen bzw. detektieren, wo die Kodierung im Werkstück angeordnet ist.

Diese Kodierungsinformationen können in vorteilhafter Weise noch mit den

Seriennummern des Werkstücks verknüpft werden. Ein Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom vorstehend beschriebenen Verfahren lediglich dadurch, dass es nicht in einer

Prozesskammer ausgeführt wird und vorzugsweise nur eine Gaszuführeinrichtung zum Beaufschlagen des Werkstücks mit einer gasförmigen Kodierungskomponente oder einem Kodierungsgas vorgesehen ist.

Erfindungsgemäß können die verwendeten Isotope Isotope des Prozessgases sein, d.h. das beispielsweise bei Verwendung von Stickstoff als Schutzgas das Verhältnis von Stickstoff-15 zu Stickstoff-14 Isotopen verändert ist. Beispielsweise kann auch Kohlendioxid, welches Kohlenstoff-12, Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14 Isotope enthält, vorgesehen sein.

Bei der Wärmebehandlung von Aluminium beispielsweise können Argon, Sauerstoff- Isotope und Stickstoff- Isotope kombiniert werden. Bei der Wärmebehandlung von Edelstahl oder Nickel-basierten Legierungen kann eine Kombination von Kohlenstoff Isotopen in C0 ₂ und Wasserstoff Isotopen in H ₂ verwendet werden.

Inerte Isotope sind prinzipiell Werkstoff unabhängig einsetzbar, da die Einbettung in die Mikroporositäten ein rein mechanischer Vorgang ist. Es ist aber auch möglich, dem Prozessgas als Kodierungskomponente andere Isotope eines anderen Gases zusammen mit einem Anteil dieses anderen Gases zuzusetzen. In einem nächsten Schritt lässt sich das fertige Werkstück mit Hilfe einer

Detektionseinrichtung, wie beispielsweise einem Massenspektrometer

(Gaschromatograph), analysieren und somit die Kodierung bzw. die Originalität des Werkstücks überprüfen. Eine Analyse mittels Magnetresonanz oder auch chemische Analyseverfahren sind möglich.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist als Kodierungskomponente zusätzlich oder alternativ ein gasförmiges

Legierungselement vorgesehen. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, ein Inertgas wie Argon als Prozessgas zu verwenden, welches einen geringen Anteil zwischen 1 ppm und 10.000ppm Stickstoff-15 als Kodierungskomponente enthält. In dem metallischen Ausgangsmaterial ist Titanium enthalten. Demgemäß reagiert bei der Herstellung des dreidimensionalen Werkstücks ein kleiner Anteil des Titanium mit dem Stickstoff-15 und bildet Titaniumnitrid-15. Dieses ist in seinen chemischen und physikalischen Eigenschaften nicht von Titaniumnitrid-14 zu unterscheiden und daher kann dies nicht mittels chemischer Analyseverfahren detektiert werden. Jedoch ist es möglich, das Werkstück mit einem Massenspektrometer zu analysieren. Dabei wird dann festgestellt, dass das Werkstück unter einer Stickstoff Atmosphäre mit erhöhtem Stickstoff-15-Anteil hergestellt wurde. Somit es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ein Werkstück oder bestimmte Bereiche eines Werkstücks zu kodieren und diese Kodierung anschließend zu detektieren.

Bezuqszeichenliste:

1 Vorrichtung

2 Aufnahmeeinrichtung

3 Werkstück

4 Heizeinrichtung

5 Gaszuführeinrichtung

6 Gasvorratsbehälter

7 Leitungsabschnitt

8 Düse

9 Prozesskammer

10 Kammerwandung

1 1 Prozessraum

12 Prozessgaszuführeinrichtung

13 Prozessgasvorratsbehälter

14 Leitungsabschnitt