Anwendung computertomographischer Daten in Werkzeugen der Produktentwicklung

Die vorliegende Arbeit zeigt einen Prozess zur direkten Anwendung computertomographischer Daten in der Produktentwicklung. Grundlage bilden die nach der Erfassung und einer mathematischen Rekonstruktion generierten Schichtbildsequenzen. Dieser Prozess besteht aus zwei unabhängigen Umgebungen, einer CT- und einer CAD-Umgebung. Beide sind interaktiv über einen dritten Baustein der Überführung und Interpretation miteinander verbunden. Die CT-Umgebung dient zur Initialisierung, Visualisierung und Verwaltung der computertomographischen Daten. Die CAD-Umgebung bildet als etabliertes Werkzeug in der Produktentwicklung die systematische Basis zum modellieren und validieren der analytischen dreidimensionalen Modelldaten. Über eine bidirektionale Kommunikations- und Interaktionsebene ist es möglich, ausgehend vom CAD-System, Informationen aus den CT-Daten gezielt, variabel und nutzerspezifisch für mechanisch konstruktive Modellierungsprozesse zu generieren.:Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Problemstellung 1.3 Zielstellung 1.4 Aufbau der Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 CT-Daten und deren Weiterverarbeitung 2.1.1 Allgemeines 2.1.2 Datenstruktur und Abbildungseigenschaften 2.1.3 Visualisierungsformen 2.1.4 Repräsentationsformen und Datenformate 2.1.5 Segmentierungsverfahren 2.1.6 Bestimmung charakteristischer Objektmerkmale 2.2 Methoden und Werkzeuge der Konstruktion 2.2.1 Übersicht 2.2.2 Modellierung auf Basis diskreter Oberflächen 2.2.3 Flächenrückführung 2.2.4 Direkte und parametrische Modellierung 2.2.5 Modellierung mit Bilddaten 2.3 Prozessuale und technische Analyse 3 Computertomographische Daten in der CAD-Umgebung 3.1 Das Konzept 3.1.1 Definition der Rahmenbedingungen 3.1.2 Anforderungen an die Prozesskette 3.1.3 Objektinformationen aus CT-Daten 3.1.4 Voraussetzungen in CAD-Systemen 3.2 Der Entwurf des Gesamtprozesses 3.3 Die Datenvorbereitung 3.3.1 Eingangsinformationen und Visualisierungsformen 3.3.2 Ausrichtung und Registrierung 3.3.3 Eingrenzen des Betrachtungsbereiches 3.4 Das Prinzip der Datenüberführung und Interpretation 3.5 Die Kommunikations- und Interaktionsebene 3.5.1 Methodenbeschreibung 3.5.2 Ergänzende Schnittansichten 3.5.3 Erstellen eines Freiformschnittes 3.5.4 Kontur- und Geometrieableitung 3.5.5 Partiell oberflächenbasierte Modellerstellung 4 Applikation und exemplarische Anwendung 4.1 Technische Realisierung 4.2 Beschreibung der Systemumgebung 4.3 Neukonstruktion eines individuellen Schädelimplantats 4.3.1 Anatomische Grundlagen 4.3.2 Problemstellung und Analyse 4.3.3 Modellierung 4.4 Anpassungskonstruktion des Räderwerkes einer historischen Taschenuhr 4.4.1 Technische Grundlagen 4.4.2 Problemstellung und Analyse 4.4.3 Modellierung 4.5 Auswertung 5 Zusammenfassung und Ausblick 5.1 Zusammenfassung 5.2 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anlage

Entwicklung von Bildverarbeitungsmethoden zur quantitativen Analyse der Biomechanik des Kniegelenks auf der Basis magnetresonanztomographischer Daten

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von dreidimensionalen Bildverarbeitungsmethoden zur in-vivo-Analyse der Biomechanik des Kniegelenks auf der Basis magnetresonanztomographischer Bilddaten. Die Verwendung eines offenen Magnetresonanztomographen ermöglicht die Generierung von Bilddatensätzen des Kniegelenks sowohl in unterschiedlichen Flexionsstellungen als auch bei gleichzeitiger Aktivierung der Beinmuskulatur. Nach Segmentierung und dreidimensionaler Rekonstruktion von Femur, Tibia und Patella können durch Einführung eines Tibiaplateau-basierten Koordinatensystems und die Berechnung einer epikondylären Achse für das Femur femoro-tibiale Translation und Rotation analysiert werden. Ein Patella-basiertes Koordinatensystem und femorale Referenzpunkte ermöglichen eine Analyse der Patellakinematik. Zudem können mittels Triangulierung segmentierter Kontaktstrecken die Größen der femoro-tibialen und femoro-patellaren Knorpelkontaktflächen bestimmt werden. Nach einer Studie zur Intra-Untersucher-Reproduzierbarkeit wird die Biomechanik im Kniegelenk in einer klinischen Studie untersucht. Verglichen werden die femoro-tibialen Translations- und Rotationsmuster, die Patellakinematik und die Größen der femoro-tibialen und femoro-patellaren Knorpelkontaktflächen einer gesunden Probanden-Gruppe, mit den Ergebnissen einer Gruppe von Patienten mit schwerer Gonarthrose. Die entwickelten Methoden erwiesen sich als sehr reproduzierbar und genau. Es konnte gezeigt werden, dass Dorsaltranslation und Außenrotation des Femur bei Knieflexion von 0° auf 90° bei schwerer Gonarthrose deutlich verringert sind. Zusätzlich kommt es bei den Arthrose-Patienten während der Knieflexion zu einer Zunahme des Patella-Tilt und des Patella-Shift nach lateral. Die Analyse der Kontaktflächen zeigte, dass es bei schwerer Gonarthrose zu einer ausgeprägten Vergrößerung der femoro-tibialen und femoro-patellaren Knorpelkontaktflächen kommt. Die entwickelten Methoden können damit zum Verständnis von Entwicklung und Verlauf von Kniegelenkserkrankungen wie der Gonarthrose beitragen

Quantifizierung des menschlichen Fettgewebes für die temperaturgestützte Todeszeitschätzung mit der Finite-Elemente-Methode

Die temperaturgestützte Todeszeitbestimmung (TTS) ist eine wesentliche Methode zur Bestimmung des Todeszeitpunktes in der frühen postmortalen Phase. Die Simulation des Temperatur-Zeit-Verlaufes der Leichenabkühlung mittels Finite-Elemente-Methode bietet gegenüber empirischen Methoden Vorteile für die TTS. Das individuell verschieden akkumulierte Fett- und Muskelgewebe beeinflusst entscheidend die Abkühlung des Körpers und damit die Todeszeitschätzung. Die Abbildung der Leichenkonstitution und ihrer Gewebetypen ist für die rechnerische Simulation des Abkühlprozesses obligat. Bisherige Methoden verwenden vorwiegend CT-Einzelschnittbilder, Umfangsmaße oder Daten aus manuellen Leichensektionen. In Anwendung eines neuartigen CT-basierten Ansatzes (CFES-Algorithmus) können Volumina und Massen von Fett- und Muskelgewebe im Leichenabdomen quantifiziert werden. Hier wurde untersucht, welchen Einfluss eine individualgetreue Abbildung von Fett- und Muskelgewebe im Finite-Elemente-Modell (FEM) auf die TTS hat. Mittels CFES erfolgte die Quasi-Segmentierung und Quantifizierung von Fett- und Muskelgewebe basierend auf Grauwerthistogrammen aus CT-Schnittbildern von 32 Leichenabdomen. Zum Vergleich wurden klassische anthropometrische Verfahren angewandt. An Hand von CFES-Schätzungen und anthropometrischen Messergebnissen wurden für zwei Leichen individualisierte schichtdicken- und volumenorientierte FE-Modelle generiert. Simulierte TTS-Ergebnisse wurden mit gemessenen Temperatur-Zeit-Verläufen verglichen. Die schichtdickenorientierten FE-Modelle zeigten die höchste Genauigkeit der FE-basierten TTS-Auswertung (rel. Fehler 5%). Die volumenorientierten FEM erzielten eine höhere Genauigkeit als bisherige Standardmodelle ohne Individualisierung. Das Berücksichtigen abdominaler Körperfettvolumen und ihrer Lokalisierung sind für die TTS wichtig. Der CFES-Algorithmus steigert die Genauigkeit der FE-basierten TTS. Die CFES-Leistung ist durch gezielte Auswahl der CT-Parameter optimierbar

Forum Bauinformatik 2009 : 23. bis 25. September 2009, Universität Karlsruhe (TH)

Tagungsband des 21. Forum Bauinformatik am 23. bis 25. September 2009 an der Universität Karlsruhe (TH). Beiträge von jungen Wissenschaftlern aus den Bereichen Simulationsmodelle, Numerische Methoden, Visualisierung, Informationsvermittlung, Prozess- und Produktmodellierung sowie weiterer informationstechnischer Anwendungen im Bauwesen

Neues Konzept zur 2D- und 3D-Visualisierung kontinuierlicher, multidimensionaler, meteorologischer Satellitendaten

Die Visualisierung und die Unterscheidbarkeit kontinuierlicher, multidimensionaler Messdaten stößt mit bekannten Techniken oft bereits für wenige Parameter an ihre Grenzen. Für die Darstellung von räumlich-zeitlichen Satellitendaten wird ein neues Konzept für die Visualisierung kontinuierlicher, multidimensionaler, meteorologischer Satellitendaten vorgestellt. Schwerpunkte sind die 3D-Visualisierung, der Einfluss von Animationen und die Entwicklung einer 2D- und 3D-Visualisierungssoftware

Konzepterstellung zur ereignisorientierten Initiierung einer Bewertung von automobilen Produktionsprogrammen im mittelfristigen Zeithorizont

Die zunehmende technische Komplexität von Kraftfahrzeugen und die Vielfalt der angebotenen Varianten dient der Befriedigung der Individualisierungsanforderungen der Endkunden auf dynamischen Absatzmärkten. Zudem kommt es zu einer steigenden Anzahl an Fahrzeuganläufen und -ausläufen, da sich Fahrzeugmodelle in verschiedenen Märkten in unterschiedlichen Phasen des Produktlebenszyklus befinden. Die zunehmende Verlagerung der Wertschöpfung vom Automobilhersteller weg zu den Lieferanten führt zu global verteilten, vielschichtigen Liefernetzwerken mit langen Vorlaufzeiten zur Kapazitätsbereitstellung. In diesem Spannungsfeld erforderlicher Einplanungsflexibilität der Absatzplanung und vorausschauender Einplanungsstabilität und -güte der Kapazitätsbereitstellung siedelt sich das Forschungsfeld dieser Dissertation an. Das Ziel ist es, einen anwendungsorientierten Beitrag zur Entwicklung eines proaktiven Ansatzes mittelfristiger Programmbewertung im Kontext der Automobilindustrie zu leisten. Manuelle Planungsprozesse stoßen aufgrund steigender Komplexität und erforderlicher Planungsschnelligkeit zunehmend an ihre Grenzen und bilden die Wirkungszusammenhänge unzureichend ab. Um diese Problemstellung zu adressieren, werden die theoretischen Grundlagen zur Produktionsprogrammplanung aufbereitet. Hierbei liegt der Fokus auf der prozessualen Ausgestaltung der dazugehörigen Geschäftsprozesse. Der aktuelle Forschungsstand sieht keine detaillierte Kapazitätsprüfung im mittelfristigen Horizont vor, um die Versorgungssicherheit des Produktionsprogramms zu verbessern, da die Sekundärbedarfsermittlung nach der Freigabe des Produktionsprogramms erfolgt. Im Kontext der Aufbereitung identifizierter Autoren zum Forschungsumfeld wird der Handlungsbedarf einer ereignisorientiert initiierten Bewertung automobiler Produktionsprogramme erstmalig identifiziert. Zur Adressierung dieser Forschungslücke und des unternehmerischen Praxisbedarfs wird ein qualitatives Forschungsdesign ausgestaltet. Den Auswertungsgegenstand bilden Experteninterviews, eine Dokumentenanalyse sowie Prozessbeobachtungen bei einem deutschen Automobilhersteller, der durch seine Privat- und Geschäftskunden über eine große Variantenvielfalt und Prozesskomplexität verfügt. Das Forschungsdesign erfasst Schwachstellen im Ist-Prozess und Anforderungen einer ereignisorientiert initiierten Bewertung automobiler Produktionsprogramme in der Praxis. Basierend auf den empirischen und praxisnahen Anforderungen wird erstmalig ein anwendungsorientierter Beitrag geleistet, der eine Prüfung der Versorgungssicherheit und der finanziellen Veränderungen ermöglicht und die Prozessbeteiligten über einen iterativen Rückkopplungsprozess miteinander vernetzt. Der Nutzen wird über diverse Beiträge zur Validierung, wie die Überprüfung gesetzter Anforderungen und die Untersuchung eines realen Anwendungsfalls, bestätigt. Die Dissertation endet mit einer kritischen Beurteilung des Forschungsdesigns und der erarbeiteten Forschungsergebnisse zur Ermittlung des zukünftigen Forschungsbedarfs.The increasing technical complexity of cars and the high number of offered options due to an increasing number of new production ramp-ups and outlets, as vehicle models are at different stages of the product life cycle in different markets, lead to new challenges in the automotive industry and especially the mid-term demand and capacity management. The increasing shift of value creation away from the car manufacturer into the supplier networks leads to global, multi-layered supply networks. This results in increasing requirements for the production planning as the first interface between sales and production departments. The dissertation aims to make an application-oriented contribution to the development of an event-oriented approach of a medium-term evaluation of an automotive production-planning program. Existing planning processes reach their limits and fail to represent the requirements of a holistic and fast capacity check with an iterative feedback process to identify restrictions regarding critical parts. Within this conflict between required planning flexibility and stability, the research field of this doctoral thesis settles to address the mentioned requirements. The international research information on the theoretical background of production program planning and graphic process modelling serves to derive the research gap. The current state of research does not include a detailed capacity checking in the mediumterm horizon to improve the security of supply of the production program, as the determination of the dependent requirements takes place after the release of the production program. The need for action of an evaluation of automotive production programs with regard to security of supply and financial incremental changes in the medium-term view is identified for the first time. The developed qualitative research design addresses the empirical research gap and the identified practical needs. The creation of an extensive database results from expert interviews, a document analysis and process observations at a German automobile manufacturer with an almost unlimited variety of options due to its private and business customer segments. This research approach captures and structures the challenges and requirements of the process-related adoption of an event-oriented evaluation of automotive production programs in the medium-term horizon. The firsttime contribution of an application-oriented approach relies on the empirical and practical requirements, it enables a holistic assessment of security of supply to enhance transparency of the process participants via an adoptable process based on an iterative feedback loop. Various contributions for validation confirm the benefits of the developed solution, such as the review of set requirements and the investigation of a real use case of the automotive industry. The dissertation ends with a critical appraisal of the research design and its elaborated research results to identify future research needs