Process Development for a High-throughput Fine Line Metallization Approach Based on Dispensing Technology

AbstractIn order to enhance prosperous dispensing technology towards an industrial application, besides a continuous process development, especially throughput rate has to be increased. In this study, paste rheology of two different dispensing pastes was transferred to CFD-simulation (CFD: Computational Fluid Dynamics) to investigate different nozzle geometries and print head designs. In the following, a single nozzle dispensing setup was used to verify simulative values by comparing them with those obtained from experimental investigations. Consequently, the single nozzle process was scaled to a parallel application, where a homogeneous pressure and flow distribution within the print head turned out to be crucial to achieve a homogeneous mass flow at all nozzles. In various iteration steps, the influence of fabrication tolerances especially concerning the nozzle geometry was isolated and print head designs were optimized based on CFD towards maximum process stability. Based on these results, a novel 10 nozzle fine line dispensing unit was designed and fabricated. Finally, successful cell production with resulting finger widths of less than 35μm could be demonstrated using the novel prototype

Analyse der Deformationseigenschaften exzidierter humaner Stimmlippen mittels optischer Stereo-Triangulation

Die bei der Phonation auftretenden Stimmlippenschwingungen lassen sich im Luftkanal an künstlichen Stimmlippen simulieren. Für eine realitätsnahe Dynamik müssen die Materialeigenschaften der künstlichen und menschlichen Stimmlippen aneinander angepasst werden. Die elastischen Eigenschaften der Stimmlippen werden in statischen Zugversuchen an exzidierten humanen Halb-Kehlköpfen (Sagittal-Schnitt) vermessen. Über Fäden und angehängte Gewichte werden Zugkräfte auf die Stimmlippenoberfläche ausgeübt. Um die Gewebedeformationen zu bestimmen, werden Positionsmarker, welche auf die Stimmlippe aufgenäht sind, mit zwei Digitalkameras aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen. Mittels Stereo-Triangulation werden die 3D-Koordinaten der Marker aus den beiden 2D-Bildern rekonstruiert . Dies ermöglicht eine präzise metrische Bestimmung der Stimmlippendeformationen. Im Experiment wurden Auslenkungen der Stimmlippenoberfläche von maximal 4mm bei angehängten Gewichten bis zu 50g beobachtet. Die Rekonstruktion wurde mit 100mum Rastern überprüft und ergab einen absoluten Messfehler von max. 20mum. Die Ergebnisse fließen als Vorgaben für die Materialeigenschaften in den Bau von Silikonstimmlippen ein. Diese weisen dadurch eine annähernd identische Dynamik wie humane Stimmlippen auf. Die hergestellten künstlichen Stimmlippen werden in einem Luftkanal angeregt und die Dynamik sowie das Strömungsfeld analysiert

Hochgeschwindigkeitsglottographie: Der Einfluss der Kameraaufnahmefrequenz auf objektiv berechnete Parameter

Hintergrund: Die Anwendung der Hochgeschwindigkeitsglottographie (HGG) gewinnt im wissenschaftlichen als auch im klinischen Bereich immer mehr an Bedeutung: HGG erlaubt die exakte Bestimmung von Vibrationseigenschaften der Stimmlippen innerhalb als auch zwischen unterschiedlichen Oszillationszyklen. Mittlerweile erlaubt der Einsatz der HGG Technik auch die objektive Auswertung visuell gewonnener Daten der Phonation. Aktuelle klinische Geräte (z.B. KayPENTAX, Richard Wolf GmbH) besitzen eine zeitliche Aufnahmerate zwischen 2.000-4.000 frames per second (fps) bei bis zu 512x512 Pixel räumlicher Auflösung. Die maximal mögliche Aufnahmedauer liegt zwischen 2 und 8 Sekunden. Für wissenschaftliche Studien stehen weitaus leistungsfähigere Kameras zur Verfügung: bis zu 8.000 fps (Phantom v7.3) in Farbe und bis 20.0000 fps (Photron SA-1.1) in Graustufen, bei einer gleichzeitigen räumlichen Auflösung von maximal 1.024x1.024 Pixel.Um unterschiedliche Studien vergleichen zu können oder um zukünftig klinische Normwerte für Parameter festzulegen muss bestimmt werden, welchen Einfluss unterschiedliche Aufnahmeraten oder räumliche Auflösungen auf die Parameter besitzen.Material und Methoden: Ein Segment normaler Phonation wurden bei einer Probandin mit einer Hochgeschwindigkeitskamera (Photron SA-1.1, 80 mm Linse, starres Endoskop mit 70° Optik) mit 20.000 fps aufgezeichnet. Die Aufnahmen wurden auf 15.000, 10.000, 9.000, 8.000, 7.000, ..., 1.000 fps down gesampelt. Es wurden insgesamt 45 glottale objektive Parameter berechnet.Ergebnisse: Die meisten Parameter zeigen eine Abhängigkeit bezüglich der Aufnahmefrequenz. Bei ansteigender Aufnahmefrequenz nähern sich die Parameterwerte stabilen Werten an (ab 10.000 fps).Diskussion: Im Hinblick auf zukünftigen klinischen Einsatz, muss dies berücksichtigt werden. Entweder legt man frequenzabhängige Normwerte fest oder verwendet nur Parameter, die unabhängig von der zeitlichen Abtastrate sind

Einfluss des Mucus auf Phonationseigenschaften

Hintergrund: Heisere Stimmgebung weist häufig keine sichtbare anatomische Ursache auf. Hingegen werden in der Echtzeit-Video Endoskopie oft asymmetrische Bewegungen, teilweise mit Glottisschlussinsuffizienz beobachtet. Diese Asymmetrien wurden bisher vorwiegend als hypo- oder hyperfunktionelle Dysphonien klassifiziert. In der vorliegenden Studie gehen wir einen Schritt weiter und untersuchen die Hypothese, dass die visko-elastische Schleim-Grenzschicht den Luftstrom, die Stimmlippenbewegungen und das resultierende akustische Signal beeinflussen.Material und Methoden: Es wurden 3 menschliche Kadaverkehlköpfe im Experiment untersucht. Die Schwingungen der Stimmlippen und das akustische Signal wurden parallel mit einer Echtzeit-Videokamera und einem Mikrofon über einen Zeitraum von 250 ms aufgezeichnet. Parallel dazu das akustische Signal. Bei der ersten Versuchsreihe wurde die Schleimhaut-Oberfläche mit physiologischer Kochsalzlösung benetzt. Bei der zweiten Versuchsreihe wurden die Stimmlippen mit synthetischen, mucus-ähnlichen Flüssigkeiten befeuchtet: wässrige Lösung von linearem Polystyrolsulfonat (PSS) hoher Molmasse (M1). In Anlehnung an die Architektur natürlicher Muzine eine Lösung von PSS-Molekülen mit der Architektur zylindrischer Bürsten (M2) Lösung intermolekular verknüpfter PSS-Ketten (M3). Ergebnisse: Die Analyse zeigt durchweg Unterschiede zwischen den Versuchsreihen mit physiologischer Kochsalzlösung vs. der aufgetragenen Polymerlösungen. Die Grenzflächen-Effekte unterschiedlicher künstlicher Mucus-Proben beeinflussen die Stimmlippenschwingungen und das akustische Signal, z.B. durch eine Absenkung der Grundfrequenz und des subglottalen Drucks.Diskussion: Die Ergebnisse sind nur vorläufig. Sie bestätigen unsere Hypothese, dass Schleimhautbenetzung durch Mucus die Grenzschicht und damit die Phonation beeinflusst. Welche Eigenschaften des Mucus im Detail das Phonationsverhalten begünstigen oder verschlechtern, wird Inhalt der folgenden Studien sein

Methodik: Analyse induzierter Asymmetrien mittels 3D-Rekonstruktion der Stimmlippenoberfläche bei in vitro Versuchen

Hintergrund: Im Allgemeinen zeichnet sich eine gesunde Stimme durch periodische und links-rechts symmetrische Oszillation der Stimmlippen aus. Im Falle einer funktionellen Dysphonie weicht das Schwingungsmuster von dem einer gesunden Stimme ab, wobei die links-rechts Asymmetrie der Stimmlippen eine entscheidende Rolle einnimmt. Im Rahmen von in vitro Experimenten können die Versuchsbedingungen definiert eingestellt werden und ermöglichen eine systematische Untersuchung der Auswirkung von Asymmetrien auf den Phonationsprozess. Durch High-Speed-Endoskopie (HSE) kann die Stimmlippenbewegung verlangsamt dargestellt und analysiert werden. Hierbei ist die Untersuchung des Bewegungsmusters jedoch auf zwei Dimensionen (lateral und longitudinal) begrenzt.Material und Methoden: Die Kombination von HSE und einem Laserprojektionssystem (LPS) ermöglicht es die dreidimensionale Bewegung der Stimmlippenoberfläche darzustellen. Das LPS erzeugt ein reguläres Punktegitter auf der sichtbaren Stimmlippenoberfläche. Diese Punkte werden genutzt, um mittels Stereotriangulation die Oberfläche dreidimensional zu rekonstruieren. Durch Rotation der Aryknorpel in einem in vitro Experiment, wurden Stimmlippenasymmetrien künstlich erzeugt, um eine funktionelle Dysphonie nachzustellen. Die Stimmlippenoberfläche wurde bei einer gehaltenen Phonation mit dem oben beschriebenen System aufgenommen.Ergebnisse: Mit einem Aryknorpelmanipulator konnten definierte Asymmetrien der Stimmlippen induziert werden. Mit einem Fehler von weniger als 15 µm konnte die 3D-Stimmlippenbewegung rekonstruiert werden. Exemplarische Daten für symmetrische sowie asymmetrische Stimmlippenschwingungen im Rahmen eines in vitro Experiments werden vorgestellt.Diskussion: Das vorgestellte System erlaubt es die Oberflächenbewegung der Stimmlippen dreidimensional darzustellen. Somit Im Folgenden können objektive, 3D-basierte Parameter aus der Stimmlippenbewegung extrahiert und zur (induzierten) Asymmetrie und zu akustischen Parametern korreliert werden

Bestimmung lokaler Gewebesteifigkeit entlang der Stimmlippenkante mittels optischer Stereo-Triangulation am Beispiel exzidierter Stimmlippen von Schweinen

Hintergrund: Die Dynamik der Stimmlippen während der Phonation wird mit Hilfe von numerischen und physikalischen Modellen simuliert. Für realitätsnahe Simulationen werden Modelle mit möglichst natürlichen Materialeigenschaften und somit einem realen Schwingungsverhalten entwickelt. Als Datenquelle hierfür eignen sich besonders in vitro Experimente.Material und Methoden: Elastische Eigenschaften von 10 Schweine-Stimmlippen werden in statischen Zugversuchen an exzidierten Halb-Kehlköpfen vermessen. Dabei werden selektiv Zugkräfte an drei markanten Punkten entlang der Stimmlippenkante in das Epithel oder den Muskel eingeleitet. Zur Bestimmung der auftretenden Deformationen werden 3x3 Positionsmarker ins Epithel eingenäht, deren 3D-Koordinaten mittels zweier Digital-Kameras per Stereo-Triangulation berechnet werden. Die lokalen Auslenkungen von Muskel bzw. Epithel auf der Stimmlippenoberfläche werden vermessen.Ergebnisse: Die Ergebnisse zeigen ein nichtlineares Deformationsverhalten von Muskel und Epithel für ansteigende Krafteinwirkung. Von Posterior nach Anterior wurde eine Veränderung der Gewebesteifigkeit, d.h. nicht homogene Materialeigenschaften sowie ein variabler Elastizitätsmodul, beobachtet.Diskussion: Die Ergebnisse lassen folgern, dass synthetische Stimmlippen komplexer als bisher gebaut werden müssen, um realitätsnahe Eigenschaften aufzuweisen. Für zukünftige klinische Anwendungen lässt die Methode Rückschlüsse auf Bereiche mit minimalem Einfluss auf die Dynamik zu, welche sich für operative Eingriffe eignen könnten

Auswertung: Analyse induzierter Asymmetrien mittels 3D-Rekonstruktion der Stimmlippenoberfläche bei in vitro Versuchen

Hintergrund: Heiserkeit, basierend auf funktionellen Dysphonien, wird oft mit Asymmetrien der Stimmlippenschwingung und mit Glottisschlussinsuffizienz in Verbindung gebracht. Als Ursache für eventuelle Spannungsasymmetrien werden 'Fehlfunktionen' im Zusammenspiel zwischen intrinsischer und extrinsischer Kehlkopfmuskulatur verantwortlich gemacht. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von 3D-Bewegungen von Stimmlippen und des akustischen Signals in Abhängigkeit von induzierten Spannungsasymmetrien und subglottalen Drücken (Psub).Material und Methoden: 39 Messreihen wurden an einem exzidierten menschlichen Kehlkopf vorgenommen, wobei pro Durchlauf die Asymmetrie und der Druck als Parameter fixiert waren. Die 3D-Rekonstruktion der Stimmlippenoberflächen erfolgte mittels kalibrierter Hochgeschwindigkeitskamera und einem Laser Projektionssystem. Parallel zu den optischen Messungen erfolgte die Aufzeichnung der akustischen Signale. Die Asymmetrie (D) der Stimmlippen wurde durch Anwendung definierter Drehmomente links (DL) und rechts (DR) im Bereich der Aryknorpel realisiert. Psub wurde mittels eines Drucksensors während jedes Messlaufs gemessen.Ergebnisse: Bei den Auswertungen wurde in einem ersten Schritt davon ausgegangen, dass die Eigenschaften (3D-Bewegung und Akustik) ausschließlich von der angelegten Asymmetrie abhängen. Abhängigkeiten von Psub wurden nicht spezifisch untersucht. Die zugehörigen Korrelationskoeffizienten (r) mit der Asymmetrie wiesen im Allgemeinen auf schwache Zusammenhänge hin. Nachfolgend wurden die gleichen Daten untersucht, wobei pro Auswertung die jeweils andere Variable (Psub bzw. Asymmetrie) als Parameter fixiert wurde. Es zeigte sich, dass im Allgemeinen deutlich höhere Korrelationen auftraten.Diskussion: Diese vorläufigen aber neuen Ergebnisse zeigen, dass sowohl Asymmetrie als auch Psub entscheidend die 3D-Bewegung und akustischen Eigenschaften beeinflussen und beide Parameter deshalb berücksichtigt werden sollten

3D-Echtzeit-Rekonstruktion der Stimmlippenoberfläche für in vitro- und in vivo-Messungen

Hintergrund: Ein Teil des akustischen Primärsignals wird durch Turbulenzen im ausgeatmeten Luftstrom erzeugt. Maßgeblich hierfür sind die Form und das 3D-Bewegungsverhalten der Stimmlippen . Die Zusammenhänge zwischen akustischem Signal sowie Form und Verhalten der Stimmlippen sollen in in vivo-Messreihen ermittelt werden.Aktuelle in vivo-Messmethoden berücksichtigen die dreidimensionalen Bewegungen der Stimmlippe nicht (z.B. Endoskopie), liefern nur begrenzt Informationen darüber (z.B. Endoskopie und Zwei-Punkt-Laser-Verfahren) oder sind nicht in Echtzeit verfügbar (z.B. MRI-Aufnahmen).Material und Methoden: Wir präsentieren ein Verfahren, bei dem mit Hilfe einer HG-Kamera und einem Laserprojektionssystem die gesamte sichtbare Stimmlippenoberfläche während der Phonation trianguliert wird. Die Methode wird exemplarisch an einem Schweinekehlkopf und künstlichen Stimmlippen angewendet. Die Messdaten werden zum Zweck der verbesserten Visualisierung selektiv in Tiefen-Kymogramme überführt.Ergebnisse: Die Messergebnisse zeigen deutliche Asymmetrien zwischen den linken und rechten Stimmlippen. Des Weiteren kann der Verlauf der Randkantenverschiebung beim Schweinekehlkopf deutlich erkannt und quantifiziert werden .Diskussion: Da die Messergebnisse von der gesamten Stimmlippenoberfläche vorliegen, lassen sich sowohl lokale als auch globale Schlüsse ziehen. So kann z.B. die Asymmetrie der linken und rechten Stimmlippen die Entstehung der Turbulenzen durch den Coanda-Effekt erklären. Zusätzlich lässt der Verlauf der Randkantenverschiebung darauf schließen, dass diese durch die Kollision der Stimmlippen erzeugt wird, im Gegensatz zu der in vorgestellten Theorie