Bibliographie der Veröffentlichungen von Angehörigen der Technischen Hochschule Ilmenau: aus d. Jahren 1975 - 1976

Übersicht: Bibliographie der Veröffentlichungen von Angehörigen der Technischen Hochschule Ilmena

Entwicklungsumgebung für den rechnerunterstützten Entwurf von Mikrokomponenten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Konstruktionsumgebung für den rechnerunterstützten Entwurf mikromechanischer Komponenten auf der Grundlage des naßchemischen, anisotropen Tiefenätzens von monokristallinem Silizium entwickelt. Die Inhalte spannen einen Bogen vom Stand der Konstruktionsmethodik mikrotechnischer Systeme über die Konzeption und Implementierung einer neuen Entwurfssystematik bis hin zu deren Einsatz im Entwurf einer komplexen mikromechanischen Funktionsstruktur. Das Konzept der Umgebung trägt der Tatsache Rechnung, daß bislang kaum standardisierte mikrotechnische Bauteile am Markt verfügbar sind und sich daher primär die Aufgabe einer Neukonstruktion und Charakterisierung seiner Funktionskomponenten stellt. Die Komplexität und Heterogenität mikrotechnischer Bauelemente verhinderte bislang die einheitliche und überschaubare Integration einer rechnerunterstützten Entwicklung mikrotechnischer Komponenten und Systeme. Dem Funktionskonzept des mikrotechnischen Bauteils steht zudem vielfach ein restriktiver Einfluß der Fertigungstechnologie auf den Gestaltungsraum gegenüber. Die derzeit praktizierte, analytische Entwurfsmethodik, ausgehend vom Layout einer zweidimensionalen Maske auf die dreidimensionale (3D) Mikrostruktur zu schließen, ist daher schwierig und fehlerträchtig. Im Fall des anisotropen Ätzens gilt dieses insbesondere für komplexe Strukturen, deren Form nicht direkt aus dem Si-Kristall abgeleitet werden kann. In der Entwurfspraxis führt dies häufig zu einer Einengung des theoretisch nutzbaren Gestaltungsraums. Vor diesem Hintergrund realisiert die Konstruktionsumgebung folgende Zielsetzungen: - anwendergerechte Abbildung und Steuerung des Entwurfsablaufs anisotrop geätzter Mikrostrukturen und Dekomposition der Entwurfsaufgabe im Rahmen eines einheitlichen Integrationskonzepts der vorhandenen Entwurfswerkzeuge sowie Unterstützung einer kooperativen Aufgabenbearbeitung der Entwurfsaufgabe auf der Basis eines Workflow-Managementsystems. Das workflowbasierte Organisationskonzept der Umgebung unterstützt die einheitliche Integration weiterer domänenspezifischer Konstruktionsabläufe. - Verbesserung der Gestaltungsmethodik mikromechanischer Funktionskomponenten und Erweiterung des technologischen Anwendungsspektrums der anisotropen Ätztechnik durch die teilweise Umkehrung des klassischen Entwurfs-Grundformalismus. Grundlage ist die Entwicklung eines neuenWerkzeugs zur automatisierten Synthese lithographischer Maskenlayouts aus der 3DKomponentenbeschreibung (Layoutsynthese) auf der Basis genetischer Algorithmen. Die Layoutsynthese nutzt hierzu einen in die Konstruktionsumgebung integrierten Ätzsimulator. Das Programmsystem ist langfristig auf die Angliederung weiterer, lithographieorientierter Prozeßsimulationen ausgelegt. - Implementierung eines durchgängigen Informationsflusses im Entwurfsprozeß, ausgehend von der funktionalen Konzeption bis hin zur strukturellen Verifikation des Bauteils. Die Realisierung erfolgt im wesentlichen durch die Entwicklung einer Transformation der Ätzsimulationsergebnisse in ein Geometriemodell der Finite-Elemente-Methode auf der Grundlage rekursiver Octree- Datenstrukturen. Der Ansatz schließt die Lücke in der von der Entwurfssystematik unterstützten Wechselbeziehung einer zugleich technologie- und strukturorientierten Gestaltentwicklung mikromechanischer Funktionselemente. Zur Demonstration der Effektivität der Konstruktionsumgebung wird anhand des Entwurfs eines aus Sicht der Prozeßtechnik komplexen mikromechanischen Funktionsstruktur der Nutzen der Entwurfsmethodik und seiner Implementierung im Rahmen der vorliegenden Konstruktionsumgebung nachgewiesen. Die simulatorischen und technologischen Ergebnisse des Beispiels verdeutlichen insbesondere die erweiterten Gestaltungsmöglichkeiten anisotrop geätzter Mikrostrukturen

Ethohydraulische Modellierung

Die Ethohydraulik hat als vergleichsweise junge Transdisziplin zum Ziel, einen reproduzierbaren, kausalen Zusammenhang zwischen dem Verhalten aquatischer Lebewesen (Ethologie) und der Strömungscharakteristik (Hydraulik) zu finden. Diese Grundlagen werden dazu eingesetzt, die anthropogen beeinflussten und querverbauten Gewässer für die Fischfauna wieder durchgängig zu gestalten und deren Biodiversität zu erhalten. Unter ethohydraulischer Modellierung wird in dieser Arbeit die Verknüpfung genannter Disziplinen in sowohl physikalischen als auch hydrodynamisch-numerischen Modellen verstanden, bei denen auch vielfältige Methoden angrenzender Fachgebiete mit einfließen. Die Modelle selbst decken verschiedene Skalen von neuroethologischen Untersuchungen über kleinräumige schwimmkinematische Betrachtungen der Körperbewegung bis hin zu langen Wanderrouten entlang unserer Binnengewässer ab. Um Fische gezielt zu leiten, ist ein Verständnis ihrer Sinneswelt ebenso wichtig wie ein Verständnis für den verhaltensauslösenden Strömungsreiz. Daher wird in dieser Arbeit zunächst ein tiefgehender Einblick in die Biologie von Fischen mit ihren sensorischen Systemen, in ihr vielfältiges Verhalten sowie in mögliche Beobachtungsmethoden zur Verhaltensanalyse gegeben. Anschließend wird detailliert auf die kinematischen und dynamischen Grundlagen der Strömung sowie deren messtechnische und numerische Analyse eingegangen. Diese umfangreiche Zusammenstellung ethohydraulischer Grundlagen bildet ein Kernstück der Arbeit. Damit sollen neue Denkanstöße gegeben und Analysemöglichkeiten dargelegt werden. Außerdem werden die ethohydraulischen Untersuchungen an einem Schrägrechensetup (55° und 30° zur Anströmung) im wasserbaulichen Forschungslabor der TU Darmstadt dargelegt. Dort wurden zum einen die hydromechanischen Signaturen mithilfe einer neuartigen fischförmigen Druckmesssonde (FSS; Fischsinnessonde) und einem Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) aufgezeichnet. Zum anderen wurde das Verhalten potamodromer Fischarten beobachtet. Basierend auf den durchgeführten Tests werden zunächst die Messungen mit der FSS auf unterschiedlichste Weise ausgewertet. Dabei wird deutlich herausgearbeitet, dass der Fischkörper als eine Art Geschwindigkeits-Druck-Wandler wirkt. Nicht nur der frontal auftreffende Geschwindigkeitsanteil ist in Form des Staudrucks detektierbar, sondern auch der auf die Flanken auftreffende, senkrecht zur Oberfläche wirkende Geschwindigkeitsanteil korreliert mit dem dort vorhandenen Druck sowie dessen bilateralem Gradienten. Dies gilt sowohl für die konvektiv transportieren Wirbelstrukturen als auch für den mittleren, lokal wirkenden Druckwert. Neben neuen, auf den FSS-Messungen basierenden Hypothesen bezüglich der hydrodynamischen Bildgebung des betrachteten Setups mit dem Seitenlinienorgan, dem Strömungssinn der Fische, werden außerdem Empfehlungen für die weitere Optimierung der Sonde gegeben. Weiterhin werden in bisherigen fischökologischen Untersuchungen analysierte und für die Ethohydraulik relevante Verhaltensweisen zusammengestellt. Diese sollen einen ersten Ansatz zur Vereinheitlichung der Terminologie darstellen. Zudem wird auf die mögliche Quantifizierung und Operationalisierung des Fischverhaltens und abschließend auf einige, für ethohydraulische Untersuchungen relevante, hydrodynamische Parameter eingegangen sowie deren Relevanz diskutiert. Die Erkenntnisse aus diesen Analysen werden in abschließenden Empfehlungen zur gezielten Weiterentwicklung von Methoden zur ethohydraulischen Modellierung zusammengefasst, wobei Strömungs- und Verhaltensgradienten eine bedeutende Rolle einnehmen

Verknüpfung aerodynamischer und optischer Eigenschaften nichtkugelförmiger atmosphärischer Grobstaubpartikel

Die entsprechend der Quellstärke größte Fraktion des atmosphärischen Aerosols ist der natürliche Grobstaub (Seesalz, Mineralstaub und primär biologische Partikel). Nahezu alle natürlichen Grobstaubpartikel in trockener Phase weisen mehr oder weniger starke Abweichungen von der sphärischen Form auf. Der Einfluss der Asphärizität auf die aerodynamischen und optischen Eigenschaften kann durch sogenannte Formfaktoren unter Verwendung einer Referenzgröße berücksichtigt werden. Für wissenschaftliche Fragestellungen, die sowohl auf aerodynamischen wie auch optischen Aspekten beruhen, bedarf es einer vollständigen Betrachtung des Einflusses der Partikelmorphologie, um ein physikalisch plausibles Ergebnis zu erhalten. Gegenstand dieser Arbeit ist die Analyse der Relationen zwischen aerodynamischen und optischen Eigenschaften. Ziel ist die approximative Darstellung der optischen Formfaktoren durch den aerodynamischen Formfaktor als Maßzahl der Asphärizität. Hierfür wurden sowohl geometrische Formparameter als auch aerodynamische und optische Formfaktoren für ein Ensemble von regelmäßigen und unregelmäßigen Partikeln simuliert. Der Approximation der optischen Formfaktoren durch den aerodynamischen Formfaktor werden theoretische Überlegungen und Ergebnisse numerischer Simulationen vorangestellt. Die optischen Formfaktoren sind dabei primär eine Funktion des Größenparameters (Partikelgröße und Wellenlänge) und des aerodynamischen Formfaktors. In Laborexperimenten wurden beide Abhängigkeiten unter Verwendung von Proben mit Partikeln unterschiedlicher Asphärizität validiert. Die resultierende Approximation ermöglicht eine einfache und konsistente Beschreibung des Einflusses der Partikelmorphologie auf die aerodynamischen und optischen Eigenschaften. Dies ist eine unabdingbare Voraussetzung für eine genauere Analyse von Partikeleigenschaften, die aus aerodynamisch und optisch basierten In-situ-Messungen abgeleitet werden

Entwicklung einer Dünnschichtverkappungstechnologie für oberflächennahe Mikrostrukturen

In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Verfahren zur Dünnschichtverkappung von oberflächennahen Mikrostrukturen vorgestellt. Ausgehend von den speziellen Anforderungen an die Verkappung oberflächennaher Mikrostrukturen, insbesondere von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis, wurden die Verwendung eines Fluor-Kohlenstoff-Polymers als Opferschichtmaterial und die Eignung unterschiedlicher Schichtstapel zur Realisierung der Dünnschichtkappe untersucht. Die resultierende Technologie ermöglicht eine durchgehend trockenchemische Prozessierung. Für die Abschätzung der notwendigen Schichtdicken und den geometrischen Entwurf der Kappenstrukturen, wurden auf Basis der Plattentheorie analytische und numerische Modelle erstellt. Verschiedene Materialkombinationen bestehend aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Aluminium wurden hinsichtlich ihrer mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften untersucht und bewertet. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung und Optimierung der Opferschichtprozesse, sowie deren Integration in die Gesamttechnologie. Die Eignung der plasmagestützten Prozesse zur Abscheidung und Strukturierung des Opferpolymers wurde durch die Fertigung von verkapselten Beschleunigungssensoren nachgewiesen. Ein ausreichender hermetischer Verschluss der Dünnschichtkappe konnte durch die Messung der viskosen Dämpfung an Feder-Masse-Schwingern bestätigt werden

Laserauftragschweißen hochlegierter Duplexstähle

In der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung korrosionsbeständiger Beschichtungen auf einem niedrig legierten Druckbehälterstahl beschrieben. Die Funktionsschichten aus Duplexstahl werden über den Prozess des Laserauftragschweißens sehr aufmischungsarm erzeugt. Abhängig von den Prozessparametern entstehen 1 bis 2 mm dicke, nahezu defektfreie, Schichten mit einer Porosität von unter 1 %. Neben der Untersuchung mechanischer und tribologischer Kennwerte, sowie der Korrosionsbeständigkeit ein- bzw. mehrlagiger Beschichtungen spielt die Analyse der Gefügestruktur eine entscheidende Rolle. Besonders die Verteilung von Stickstoff ist bei der Erstarrung des Materials sowie dessen Phasenverteilung von besonderer Bedeutung Abschließend wird mit der Entwicklung eines Scanner-basierten Schweißprozesses aufgezeigt, wie die Auftragsrate auch im Hinblick auf Kostenersparnis und Ressourcenschonung deutlich gesteigert werden kann.The thesis describes the development of corrosion resistant layers on low-alloyed pressure vessel steel P265GH. The functional layers are produced by a low dilution laser cladding process. Depending on process parameters nearly defect free clads with a thickness of 1 to 2 mm and a porosity of less than 1 % are created. With a high energy density and a narrow melt pool on the surface of the substrate it is possible to reduce dilution to below 3 % without any misconnection. The parameters of the laser cladding process are based on numerical calculations and were transferred to the available laser system. Laser power, process speed and powder feed rate are the main influencing factors. Besides that the geometrical alignment of the components is crucial for the shape of single tracks and layers. For the build-up welding process, powder-metallurgical iron-based stainless steels with Cr/Ni-equivalents between 1,5 and 3,4 are used, resulting in microstructures with austenite fractions between 100 and 20 %. The rapidly solidified microstructure is divided in zones of different heat treatment. Dependent on local heat input, different phase ratios and morphologies form. Nitrogen has a particular influence on the phase evolution of the duplex stainless steels. A spatially resolved analysis of the welding microstructure shows that nitrogen, in contrast to the substitutional elements chrome, nickel and molybdenum, is strongly enriched in the austenitic phase. However, with the formation of large ferritic grains in the rapidly solidified zone, chromium nitrides precipitate. Reasons for that are the low solubility of nitrogen in the cubic body-centered lattice and short diffusion lengths due to rapid solidification. The development of a scanner-based cladding process shows how to enhance the deposition rate. This demonstrates the potential of a laser cladding process with regard to cost savings and preservation of resources

Terahertz-Computer-Tomographie mit Zeitbereichsspektroskopie-Systemen

Diese Arbeit befasst sich mit dem optischen, zerstörungsfreien Verfahren der Terahertz (THz)-Computer-Tomographie (CT). Das Ziel dieser Arbeit ist die Überwindung einzelner physikalisch-technischer Herausforderungen zur Schaffung der Grundlagen für eine Übertragung dieser neuen Technologie in den Industrieeinsatz. Hierbei galt es, alle Mehrinformationen von zeitaufgelösten Spektroskopie-Systemen zu nutzen, auftretende optische Effekte der langwelligen Strahlung zu untersuchen, Korrekturmaßnahmen zu finden sowie die Messgeschwindigkeit bisheriger Systeme zu erhöhen. Ausgehend von der Verwendung gepulster Zeitbereichsspektroskopie (TDS) konnten im Rahmen der Arbeit neben den üblichen Absorptionsinformationen die zusätzlichen Informationen von Zeit und Spektrum kurzer THz-Pulse erfasst und für die volumetrische Rekonstruktion der inneren Strukturen und Eigenschaften verwendet werden. Hierbei wurden Substanzen sowohl räumlich lokalisiert als auch spektral identifiziert. Es wurde erstmals die THz-CT mit einem neuen mehrkanaligen TDS-System unter Verwendung von 15 Detektionskanälen aus LTG-InGaAs/InAlAs bei der Anregungswellenlänge von 1030 nm eines Ultrakurzpuls-Faserlasers demonstriert. Im Rahmen der Systementwicklungen entstanden neue Laser-generierte Antireflexstrukturen für hochbrechende THz-Optiken, welche die Signalqualitäten in Zukunft drastisch verbessern können. Infolge der Langwelligkeit der Strahlung wurden mit den Kanten- und Brechungseffekten zwei optische Haupteffekte untersucht, klassifiziert und Lösungsstrategien bezüglich der Korrektur und Verbesserung ihrer Artefakte in Rekonstruktionsbilder aufgezeigt. Hierbei entstanden Methoden zur Detektion mehrere Pulse im Zeitsignal, Entfaltungsoperationen zur Verbesserung der optischen Bildqualität als auch ein geometrisch-optisches Simulationswerkzeug für Analyseverfahren oder weitere Systementwicklungen

Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Kariesdiagnostik mittels Widerstandsmessung und elektronischer Abschirmtechnik

Problemstellung und Zielsetzung: Zeitgleich mit der sinkenden Kariesprävalenz hat sich das klinische Erscheinungsbild der okklusalen Karies verändert, was höhere Anforderungen an die Diagnostik mit sich bringt. Das Auftreten der sogenannten „Hidden Caries“ (auch okkulte Karies, Fluorid-Syndrom oder versteckte Karies genannt), welche auf die topische und systemische Applikation von Fluoriden zurückgeführt wird zeigt ein visuelles klinisches Bild, bei dem der Zahnschmelz gesund erscheint, das Dentin aber kariös unterminiert ist. Bisherige Verfahren der elektrischen Widerstandsmessung am menschlichen Zahn unterlagen insbesondere der Notwendigkeit einer definierten Trocknung, um einerseits Nebenschlüsse bei zu feuchten Zähnen und andererseits Fehlkontakte bei zu trockenen Zähnen zu vermeiden. Insbesondere die mangelnde Reproduzierbarkeit der Messwerte und viele falsch-positive Testergebnisse verhinderten eine Etablierung der bisherigen Methoden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer neuen Technik, die unabhängig vom Feuchtigkeitsniveau der Mundhöhle hoch reproduzierbare Ergebnisse mit einer klinisch verwendbaren Sensitivität und Spezifität liefert. Material und Methode: Eine Auswahl von 75 nicht kavitierten unbeschädigten extrahierten Molaren und Prämolaren wurden in künstlichem Speichel gelagert, der auf die elektrische Leitfähigkeit von natürlichem Speichel eingestellt wurde. Pro Zahn wurden entlang der zentralen Fissur und/oder Grübchen drei Messpunkte ausgewählt, die über ein Koordinatenraster an digitalen Fotografien reproduzierbar wieder auffindbar waren. Die digitalen Fotos dienten dabei auch zur visuellen Befundung nach dem ICDAS II-Verfahren. Alle Zähne wurden für die Messungen in individuell aus Kunststoff gegossenen Halterungen in Dappenbehältern positioniert und tauchten mit ihren Wurzeln in dem künstlichen Speichel ein. Die elektrischen Widerstandsmessungen fanden nach drei Methoden durch zwei Untersucher in fünf Messreihen statt, die jeweils im Abstand von mehreren Wochen durchgeführt wurden: - Widerstandsmessung mit einem Wechselstrom-Ohmmeter - Widerstandsmessung unter Verwendung eines Isoliergels aus Agar-Agar - Widerstandsmessung unter Verwendung eines Isoliergels aus Agar-Agar und Einsatz der neuen Messtechnik und einer dafür entwickelten Messeinheit bestehend aus einer Messelektrode und einer sie zirkulär umgebenden Kompensationselektrode zur Vermeidung von Nebenschlüssen durch den Feuchtigkeitsfilm auf dem Zahn Die Ergebnisse wurden durch DVT-Untersuchungen und histologische Aufarbeitung validiert. Zur statistischen Auswertung der Reproduzierbarkeit wurde der Rangkorrelationskoeffizient nach Spearman (rs) bestimmt und Streudiagramme (Scatter plots) sowie Bland-Altman-Plots erstellt. Als Parameter der diagnostischen Güte wurden Werte für Sensitivität, Spezifität, Likelihood-Quotienten, ROC-Kurven mit den entsprechenden AUC-Werten, sowie positive und negative Vorhersagewerte und Accuracy bestimmt. Zum Vergleich der diagnostischen Verfahren ICDAS II, elektrische Widerstandsmessungen, digitale Volumentomografie und Histologie wurden Kreuztabellen erstellt. Verwendet wurden die Programme SPSS 24 und Microsoft Excel 2016. Ergebnisse: Für die Reproduzierbarkeit der neuen Messtechnik ergab sich eine fast perfekte Korrelation nach Spearman (Intra-Untersucherreproduzierbarkeit: rs = 0,913 ¬– 0,944; Inter-Untersucherreproduzierbarkeit: rs = 0,939) und entsprechender visueller Darstellung der sehr guten Reproduzierbarkeit in den Scatter- und Bland-Altman-Plots. Für das D1-Niveau (Schmelz- und Dentinkaries) konnte ein mittlerer Sensitivitätswert von 0,71 und ein mittlerer Spezifitätswert von 0,98 ermittelt werden. Die entsprechenden Likelihood-Quotienten zeigten Werte von LR(+) = 42,87 (ausgezeichnete diagnostische Evidenz) und LR(-) = 0,30 (schwache/mäßige diagnostische Evidenz). Die prädiktiven Vorhersagewerte für das D1-Niveau ergaben aussagekräftige Werte von PPV = 0,965 und NPV = 0,790; der Accuracywert betrug 87,35. Als Ergebnis der ROC-Analyse ergaben sich AUC-Werte (Area Under the ROC-Curve) von 0,828 – 0,863 (gute diagnostische Gesamtgenauigkeit). Die Kariesprävalenz betrug hier 47,0 %. Auf D3-Niveau (Dentinkaries) ergaben sich mittlere Sensitivitäts- und Spezifitätswerte von 0,84, bzw. 0,97. Die entsprechenden Likelihood-Quotienten für das D3-Niveau zeigten Werte von LR(+) = 33,60 und LR(-) = 0,16 (jeweils ausgezeichntete diagnostische Evidenz). Das Ergebnis des positiven prädiktiven Wertes (PPV) ergab hier einen Wert von 0,949, der negative prädiktive Wert (NPV) betrug 0,871. Die Accuracy auf D3-Niveau ergab einen Wert von 92,95. Die AUC-Werte waren hier 0,907 – 0,923 (ausgezeichnete diagnostische Gesamtgenauigkeit). Die Kariesprävalenz betrug hier 37,4 %. Diskussion und Schlussfolgerung: Im Rahmen der Limitationen einer In-vitro-Studie konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, ein elektronisches Widerstandsmessverfahren für (versteckte) okklusale Läsionen zu entwickeln, dass durch die Eliminierung des Störfaktors „Speichel“ als leitendem Elektrolyten ohne definierte Trockung des zu untersuchenden Zahns diagnostische Ergebnisse auf einem klinisch verwendbaren Niveau liefert, die hoch reproduzierbar sind. Eine Verwendung der neuen Technik für approximale Läsionen erscheint nach ersten Vorversuchen möglich. Weitere standardisierte Studien an Zähnen der ersten und zweiten Dentition in vitro und in vivo, die die hier erhobenen Daten stützen, wären wünschenswert