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Aufgrund des fortschreitenden Klimawandels müssen neue Wege gefunden werden, um diesen zu verlangsamen, bzw. die Emission von Treibhausgasen zu reduzieren. Ein Weg dieses Ziel zu erreichen ist das CO2-Recycling direkt an der Quelle. Durch die hohe thermische und chemische Beanspruchung der hierfür eingesetzten Elektroden bieten sich gerade technische Keramiken als Elektrodenmaterialien an. Eine jener in Frage kommenden Keramiken ist Siliziumkarbid (SiC). Bei SiC handelt es sich um einen Wide-Bandgap-Halbleiter mit hoher thermischer und chemischer Stabilität. Da die Herstellung, des für Elektroden benötigten, hochreinen, porösen SiC sehr aufwendig und damit auch teuer ist, wird schon seit einiger Zeit nach anderen Verfahren, als den industriell eingesetzten Standardverfahren, zur Herstellung von hochreinem SiC geforscht. In der vorliegenden Arbeit wird die Bildung von Siliziumkarbid in isostatisch gepressten Graphiten mittels karbothermischer Reduktion verschieden dotierter Sol-Gel-Granulaten und cerschiedener poröser Graphite untersucht. Zu diesem Zweck werden die Proben unterschiedlichen Anzahlen an Zyklen des in einem Induktionsofen, durchgeführten Hochtemperaturprozesses ausgesetzt. Dabei wird das Granulat thermisch zersetzt, wobei es unter anderem zu einer Gasphasenreaktion mit dem Kohlenstoff der Graphittemplates kommt und damit zur Umwandlung von Kohlenstoff zu SIC. Von den so gewonnenen Proben werden in einem Micro-CT Schichtaufnahmen erstellt. Das Ergebnis soll ein Erkenntnisgewinn bezüglich der Umwandlungstiefe und entstandenen Strukturen in den unterschiedlichen Graphittemplates, je nach Anzahl der durchlaufenen Zyklen und verwendetem Precursorgranulat, sein. Nicht untersucht wird das elektrische Verhalten der unterschiedlichen, auf diese Weise örtlich dotierten, Templates.
Here we present the highly sensitive detection of dopamine using gold nanogap IDAs with redox-cycling amplification. Through the combination with a facile electrochemical activation and a chronoamperometric multistep protocol fouling of the gold electrode surface can be prevented and a sensitivity of 14 nA μM -1 with excellent linearity up to 10 μM is achieved. The low-cost and reproducible wafer level fabrication process of the nanogap IDAs plays a key role. Electrode and substrate materials can be nearly arbitrarily chosen. Also the gap sizes could be adjusted down to sub-100 nm dimensions with this versatile approach, allowing for very high signal amplification. In comparison to the current gold standard, fastscan cyclic voltammetry (FSCV) with carbon fiber microelectrodes (CFMEs), which suffers from high background currents, no elaborate data processing and high-end electronic equipment is needed. Employing our flexible, easy and inexpensive method, DA monitoring with a short acquisition period and a detection limit less than 200 nM is successfully demonstrated.
Breath analysis holds great promise for real-time and non-invasive medical diagnosis. Thus, there is a considerable need for simple-in-use and portable analyzers for rapid detection of breath indicators for different diseases in their early stages. Sensor technology meets all of these demands. However, miniaturized breath analyzers require adequate breath sampling methods. In this context, we propose non-contact sampling; namely the collection of breath samples by exhalation from a distance into a miniaturized collector without bringing the mouth into direct contact with the analyzing device. To evaluate this approach different breathing maneuvers have been tested in a real-time regime on a cohort of 23 volunteers using proton transfer reaction mass spectrometry. The breathing maneuvers embraced distinct depths of respiration, exhalation manners, size of the mouth opening and different sampling distances. Two inhalation modes (normal, relaxed breathing and deep breathing) and two exhalation manners (via smaller and wider lips opening) forming four sampling scenarios were selected. A sampling distance of approximately 2 cm was found to be a reasonable trade-off between sample dilution and requirement of no physical contact of the subject with the analyzer. All four scenarios exhibited comparable measurement reproducibility spread of around 10%. For normal, relaxed inspiration both dead-space and end-tidal phases of exhalation lasted approximately 1.5 s for both expiration protocols. Deep inhalation prolongs the end-tidal phase to about 3 s in the case of blowing via a small lips opening, and by 50% when the air is exhaled via a wide one. In conclusion, non-contact breath sampling can be considered as a promising alternative to the existing breath sampling methods, being relatively close to natural spontaneous breathing.
Background: Peripheral arterial disease (PAD) is a common and severe disease with a highly increased cardiovascular morbidity and mortality. Through the circulatory disorder and the linked undersupply of oxygen carriers in the lower limbs, the ongoing decrease of the pain-free walking distance occurs with a significant reduction in patients’ quality of life. Studies including activity monitoring for patients with PAD are rare and digital support to increase activity via mobile health technologies is mainly targeted at patients with cardiovascular disease in general. The special requirement of patients with PAD is the need to reach a certain pain level to improve the pain-free walking distance. Unfortunately, both poor adherence and availability of institutional resources are major problems in patient-centered care.
Objective: The objective of this trackPAD pilot study is to evaluate the feasibility of a mobile phone–based self tracking app to promote physical activity and supervised exercise therapy (SET) in particular. We also aim for a subsequent patient centered adjustment of the app prototype based on the results of the app evaluation and process evaluation.
Methods: This study was designed as a closed user group trial, with assessors blinded, and parallel group study with face-to-face components for assessment with a follow-up of 3 months. Patients with symptomatic PAD (Fontaine stage IIa or IIb) and possession of a mobile phone were eligible. Eligible participants were randomly assigned into study and control group, stratified by their distance covered in the 6-min walk test, using the software TENALEA. Participants randomized to the study group received usual care and the mobile intervention (trackPAD) for the follow-up period of 3 months, whereas participants randomized to the control group received only usual care. TrackPAD records the frequency and duration of training sessions and pain level using manual user input. Clinical outcome data were collected at the baseline and after 3 months via validated tools (6-min walk test, ankle-brachial index, and duplex ultrasound at the lower arteries) and self-reported quality of life. Usability and quality of the app was determined using the user version of the Mobile Application Rating Scale.
Results: The study enrolled 45 participants with symptomatic PAD (44% male). Of these participants, 21 (47%) were randomized to the study group and 24 (53%) were randomized to the control group. The distance walked in the 6-min walk test was comparable in both groups at baseline (study group: mean 368.1m [SD 77.6] vs control group: mean 394.6m [SD 100.6]).
Conclusions: This is the first trial to test a mobile intervention called trackPAD that was designed especially for patients with PAD. Its results will provide important insights in terms of feasibility, effectiveness, and patient preferences of an app-based mobile intervention supporting SET for the conservative treatment of PAD.
We report resent results on the fabrication and characterization of carbon nanogap interdigitated electrode arrays (IDAs) for biosensor applications based on redox cycling. The electrochemical results of the carbon electrodes are compared to our fabricated gold electrodes with similar nanogap distances. The amplification factor and the collection efficiency were recorded by chronoamperometry. Cyclic voltammetry (CV) was utilized to determine the oxidation and reduction potentials as well as for monitoring the electron transfer process. The different deposited carbon materials were characterized by Raman spectroscopy.At present, we successfully fabricated carbon nanogaps down to 80 nm and we are convinced to reach the present fabrication limit of about 30 nm (for gold and platinum electrodes) with carbon as electrode material as well. To the best of our knowledge, this is the first IDA nanogap sensor, which features a gap distance under 100 nm with amorphous carbon as electrode material. Moreover, we present a signal amplification of 32 for carbon electrodes by redox cycling, which is the highest reported amplification so far.
Lead–magnesium niobate lead titanate (PMN-PT) has been proven as an excellent material for sensing and actuating applications. The fabrication of advanced ultra-small PMN-PT-based devices relies on the availability of sophisticated procedures for the micro-machining of PMN-PT thin films or bulk substrates. Approaches reported up to date include chemical etching, excimer laser ablation, and ion milling. To ensure an excellent device performance, a key mandatory feature for a micro-machining process is to preserve as far as possible the crystalline quality of the substrates; in other words, the fabrication method must induce a low density of cracks and other kind of defects. In this work, we demonstrate a relatively fast procedure for the fabrication of high-quality PMN-PT micro-machined actuators employing green femtosecond laser pulses. The fabricated devices feature the absence of extended cracks and well-defined edges with relatively low roughness, which is advantageous for the further integration of nanomaterials onto the piezoelectric actuators.
In dieser Arbeit wird Supervised Learning verwendet, um die Zuverlässigkeit von Schweißverbindungen zu evaluieren.
Um die Schweißqualität zu bestimmen, wurden End of Life Tests durchgeführt. Für die statistische Auswertung und Vorhersage der zu erwartenden Lebensdauer, wurden die Daten basierend auf einer logarithmischen Normalverteilung und mit einer multivariablen linearen Regression modelliert. Um die signifikanten Einflussfaktoren zu identifizieren, wurde eine schrittweise Regression genutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte Modell die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Schweißverbindung akkurat abbildet und präzise Vorhersagen liefern kann.
Die Gebäudeenergieversorgung mittels kombinierter Erneuerbarer Energiesysteme wird in Zukunft häufiger realisiert werden. Dies liegt unter anderem am Fokus der aktuellen Energiepolitik, an der wachsenden Akzeptanz der Bevölkerung und an einer ständigen Verbesserung der Wohngebäudeeigenschaften. Die volatile Charakteristik des erneuerbaren Energieangebots stellt eine Herausforderung dar. Thermische Lastverschiebung ermöglicht es, durch die Speicherung thermischer Energie, Zeiten mit geringem Energieertrag zu überbrücken. Es werden in dieser Masterarbeit drei Methoden zur Lastverschiebung mittels Simulation einer Referenzwohnanlage mit 31 Wohnungen untersucht. Die Gebäudesimulation wird hierfür mit TRNSYS durchgeführt, die Simulation zum Vergleich der unterschiedlichen Methoden mit Polysun. Die untersuchten Methoden sind die Regeneration des Erdsondenfeldes einer Geothermiewärmepumpe, die Anhebung der Maximaltemperatur sensibler Wärmespeicher, sowie die Anhebung der Raumtemperatur in der Referenzwohnanlage. Die Ergebnisse zeigen, dass die Sondenregeneration eine effektive Methode zur Steigerung der Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe und des solaren Deckungsbeitrags darstellt. Die Sondentemperatur kann im Referenzfall zeitweise sogar auf ein höheres Niveau angehoben werden. Durch die zusätzliche Kombination mit einer Erhöhung der Speichermaximaltemperatur, bei hohem solarthermischem Ertrag, kann eine weitere Steigerung der JAZ erreicht werden. Die Solarthermieanlage kann so den größten Temperaturbereich nutzen, was auch die solare Deckungsrate weiter anhebt. Die thermische Gebäudeaktivierung weist das größte Potential für die Steigerung des PV-Eigenverbrauchs auf und verbessert die JAZ der Wärmepumpe durch den vermehrten Betrieb im Niedertemperaturbereich bedeutend; Jedoch wächst der Heizwärmebedarf (HWB) für die untersuchte Referenzwohnanlage aufgrund der Raumtemperaturüberhöhung (RTÜ) dermaßen, dass sie den Benefit der zusätzlich genutzten erneuerbaren Energie übersteigt und diese Methode zur thermischen Lastverschiebung daher nicht empfehlenswert ist. Da die thermische Gebäudeaktivierung in dieser Studie für bestimmte Gebäudeeigenschaften und mittels Fußbodenheizung realisiert ist, wird darauf hingewiesen, dass die Ergebnisse nur bedingt übertragbar sind und bei veränderten Gebäudeeigenschaften stark abweichen können.
In contrast to fossil energy sources, the supply by renewable energy sources likewind and photovoltaics can not be controlled. Therefore, flexibilities on the demandside of the electric power grid, like electro-chemical energy storage systems, are usedincreasingly to match electric supply and demand at all times. To control those flex-ibilities, we consider two algorithms that both lead to linear programming problems.These are solved autonomously on the demand side, i.e., by household computers.In the classic approach, an energy price signal is sent by the electric utility to thehouseholds, which, in turn, optimize the cost of consumption within their constraints.Instead of an energy price signal, we claim that an appropriate power signal that istracked in L1-norm as close as possible by the household has favorable character-istics. We argue that an interior point of the household’s feasibility region is neveran optimal price-based point but can result in a L1-norm optimal point. Thus, pricesignals can not parametrize the complete feasibility region which may not lead to anoptimal allocation of consumption.We compare the price and power tracking algorithms over a year on the base ofone-day optimizations regarding different information settings and using a large dataset of daily household load profiles. The computational task constitutes an embarrassingly parallel problem. To this end, the performance of the two parallel computation frameworks DEF [1] and Ray [2] are investigated. The Ray framework is used to run the Python applications locally on several cores. With the DEF frameworkwe execute our Python routines parallelly in a cloud. All in all, the results providean understanding of when which computation framework and autonomous algorithmwill outperform the other.
In this study, we carried out the structural and thermal characterization of a medical-grade poly (lactide) (PLA) by SEC, TGA, DSC, NMR, ICP-MS and Py-GC/MS. Moreover, we investigated the laser-induced degradation occurring when ultrashort laser pulses (ULP) were employed to cut extremely thin polymer films prepared by solvent-casting. ULP polymer cutting technology is an interesting manufacturing process for its advantages in potential medical applications. In fact, heat transmission to the region surrounding the cuts is limited, so that the incisions are precise and the effects on the regions around them are small. In this way, the need for post-processing is reduced and ULP cutting becomes interesting for industrial applications. However, degradation induced by ULP may occur and compromise the properties of the polymer samples. To investigate this possibility, portions of PLA films, ultrashort laser cut (ULC) and uncut, were analysed by SEC, DSC, NMR and FTIR. Furthermore, PLA oligomers were studied by ESI-MS. Both SEC and NMR showed a decrease in the molecular weight. FTIR, ESI-MS and NMR spectra revealed the presence of olefin end groups originated from a \beta-H transfer mechanism, induced by heat and/or light (Norrish II mechanism). Additionally, the inspection of the ESI mass spectra highlighted the cleavage of ester bonds related to the Norrish I type mechanism, undetected by the other techniques.
Weltweit hatten 2017 840 Millionen Menschen keinen Zugang zu Strom. Hinzu kommen Millionen weitere Menschen, die an unzuverlässige Stromquellen angeschlossen sind. Für das Wirtschaftswachstum, die menschliche Entwicklung und ökologische Nachhaltigkeit ist eine zuverlässige Stromversorgung jedoch von großer Bedeutung.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der Konzeptionierung einer zuverlässigen Stromversorgung für eine Hochschule in Benin (Westafrika), die sich mit einem unzuverlässigen Netzanschluss konfrontiert sieht. Die Konzeptionierung erfolgt mithilfe der Software HOMER.
Aufgrund unsicherer Systembedingungen wurden mehrere Szenarien und der Einfluss verschiedener Systemparameter untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine zuverlässige Stromversorgung durch die Implementierung eines Mini-Grids erreicht werden kann. Dabei hat die Ausgangssituation einen bedeutenden Einfluss auf die Systemauslegung. Für das untersuchte Szenario, in dem die Hochschule keine Stromkosten bezahlte, erwies sich ein PV/Dieselgenerator/Batterien-Mini-Grid als geeignet. Dabei entstehen Stromkosten von mindestens 0,013 USD pro kWh, was leicht erhöhte Kosten gegenüber den Bezugskosten bedeutet. Dieser Kostenzuwachs lässt sich aber mit der erhöhten Zuverlässigkeit rechtfertigen. Auch unter der Annahme, dass die offiziellen Bezugskosten bezahlt werden müssen, erwies sich ein PV/Dieselgenerator/Batterie-Mini-Grid als geeignet. Die Größe der PV-Anlage fällt in diesem Fall deutlich größer aus, was zu einem reduzierten Einsatz des Dieselgenerators führt. Ein untersuchtes Off-Grid erwies sich als unwirtschaftlich.
Somit enthält die Arbeit wichtige Erkenntnisse darüber, wie sich verschiedene Parameter auf ein geeignetes System auswirken. Zudem wurde ein Systemvorschlag ausgearbeitet. Diese Informationen sollen nicht nur den beteiligten Personen vor Ort helfen, sondern auch als Grundlage für zukünftige Projekte dienen.
Abstract: ams AG is a leading provider of sensing solutions developing semiconductor sensors in a wide variety of fields, with optical sensing as one of the key competences. Since integrated photonics is a promising technology for new sensor systems, ams AG has been developing processes for fully integrated CMOS-compatible photonic components based on Si3N4. This talk will provide an overview on the processing of basic photonic building blocks and their optical properties and performance. We will also give examples for applications in the fields of optical coherence tomography and opto-chemical gas sensing. In the 1980s photonics started its way for common use in telecommunication technology, using optical fiber technologies. In recent years, also a variety of photonic sensors has been proposed and developed. One of the major drawbacks of most of these photonic devices has been the lack of integration into existing (semiconductor) production processes, so far. This integration is feasible using SiN material systems to process monolithically integrated CMOS-compatible photonic sensors in the visible and near-infrared spectrum. We will present the basic processing steps for the SiN photonic technology, the development of some critical processing steps such as SiN deposition and SiN etching as well as several photonic components (waveguides, splitters, etc.) with their optical properties. One of the applications presented relates to optical coherence tomography (OCT), a fast growing imaging technique in ophthalmology. Drawbacks of existing OCT systems are their high costs as well as their bulkiness, which prevents a wider spread use of OCT systems.
One way to overcome both cost and size issues is to integrate optical and electrical components on a single chip.
Part of this work was carried out in the framework of the projects COHESION (funded by the Austrian Research Promotion Agency (FFG), no. 848588), OCTCHIP (funded by the EU’ Horizon 2020 research and innovation programme, no. 688173), and COLODOR (M-ERA.NET transnational Call 2015, funded by the Austrian Research Promotion Agency (FFG), no.854066, and the Bundesministerium für Bildung und Forschung, Germany).
Heimische Ladevorgänge von Elektroautos sind ein zusätzlicher Faktor in dem Wandel, dem Verteilnetze ausgesetzt sind. Aufgrund der typischen langen Parkzeiten bietet das Laden von Elektroautos jedoch einen hohen Grad an Flexibilität, mit deren Hilfe die Netzbelastung entscheidend verringert werden kann und weitere Dienstleistungen, auch in höheren Netzebenen, erbracht werden können. Die vorliegende Arbeit bewertet mit dem Instrument der Nutzwertanalyse fünf Ladestrategien, wie die Koordinierung von Ladevorgängen nutzbringend eingesetzt werden kann. Dazu werden im ersten Schritt Kriterien auf Basis der Literaturrecherche sowie der gegebenen Informationsgrundlagen der betrachteten Systeme definiert. Um eine neutralere Bewertung zu ermöglichen, wird die Gewichtung der Kriterien zusätzlich von einem Vertreter eines Verteilernetzbetreibers und einem Energieversorger vorgenommen. Mit den Ergebnissen der Bewertung werden die Systeme hinsichtlich ihres Nutzens unter Berücksichtigung der Bedeutung für die jeweiligen Parteien verglichen. Dabei werden die Stärken und Schwächen der Systeme herausgestellt und mögliche Interessenskonflikte lokalisiert. Ebenfalls wird auf die Eignung der Nutzwertanalyse als Werkzeug zur Bewertung der Systemkonzepte eingegangen. Im Anschluss wird der Grundaufbau eines Systems vorgestellt, welches aufgedecktes Potential zur Weiterentwicklung der bewerteten Systeme nutzt und damit zu einem größeren Gesamtnutzen führen kann.
Optical splitters are passive optical components, which have found applications in a wide range of telecom, sensing, medical and many other scientific areas.
Low-index contrast optical splitters (Silica-on-Silicon (SoS) based waveguide devices) feature many advantages such as low fiber coupling losses and low propagation losses. They are considered an attractive DWDM solution in the telecommunication for all optical signal processing in optical communication systems. Nowadays the steadily increasing data volume in communication networks is driven by a rapid proliferation of home-based and business computers, storage capacities, processing capabilities and the extensive availability of Internet. The challenge is to transfer high data volumes in short periods of time over high distances as lossless as possible. The task of the optical splitters in Fiber-to-the-x (FTTx) network is to split one optical signal in many identical signals bringing for example the same TV signal in different households. Of course, the more buildings can be served by one optical splitter the lower are the installation costs.
High-index contrast optical splitters (such as silicon, silicon nitride or polymer based waveguide devices) feature much smaller waveguide size compared to low index contrast splitters. Such compact devices can easily be implemented on-chip and have already been used in the development of optical sensors, devices for DNA diagnostics and for infrared spectroscopy.
We will present the latest achievements in the design of two mostly used optical splitters (MMI and Y-branch) and discuss their advantages and disadvantages. Finally, some applications of the splitters developed in the frame of various projects will be presented.
This work was carried out in the framework of the project PHOCOP (no. SK-AT-2017-0013) and NAMOPRISIN (no. SK-AT-2017-0005) from the Slovak research and development agency of the Ministry of Education, Science, Research and Sport of the Slovak Republic and SK 16/2018 and 15/2018 from OeAD-GmbH.
Comparison of silicon nitride based 1x8 Y-branch splitters applying different waveguide structures
(2019)
This paper presents design, simulation and optimization of 1x8 Y-branch power splitters based on Si/SiO2/SiN/SiOx material platform. For the designs, two different waveguide structures were used, i.e. ridge and rib waveguides. The splitters were designed for 850 nm spectral optical window and the simulations were performed applying FEM and BPM methods in RSoft photonic tool. The aim of this work was to find minimum physical dimensions of the designed splitters occupying minimal space on PIC chip. The optimization was done with regards to high symmetrical splitting ratio and low insertion loss. Finally, the optical properties of both splitters were studied and compared with each other.
Introducing 3D sub-micrometer technologies based on polymers opened new possibilities of design and fabrication of photonic devices and components in 3D arrangement. 3D laser lithography is direct writing process based on two photon polymerization exhibiting high accuracy and versatility, where numerous resists and even polymer ceramic mixtures can be used. We present design and simulation of polymer based photonic components with a focus on arrayed waveguide gratings (AWG) based on optical multiplexers/demultiplexers and optical splitters. All optical components were designed for 1550 nm operating wavelength, applying two commercial photonics tools. This study creates a basis for the design of optical components in 3D arrangement, which will be fabricated by 3D laser lithography.
Comparison of silicon nitride based 8-channel 100-GHz AWGs applying different waveguide structures
(2019)
This paper presents design and simulation of 8-channel, 100-GHz AWGs based on Si/SiO2/SiN/SiOx material platform. For the designs, two different waveguide structures were used, i.e. ridge and rib waveguides. AWGs were designed for central wavelength of 850 nm applying AWG-Parameters tool. The simulations were performed applying FEM and BPM methods in RSoft and PHASAR photonic tools. The simulation results show considerably lower losses but slightly higher channel crosstalk when applying rib waveguides.
Compact and high-resolution 256-channel silicon nitride based AWG-spectrometer for OCT on a chip
(2019)
We present design, simulation and technological verification of a compact 256-channel, 42-GHz silicon nitride based AWG-spectrometer. The spectrometer was designed for TM-polarized light with a central wavelength of 850 nm, applying “AWG-Parameters” tool. This design is based on a previous study of various AWG designs (8-channel, 100-GHz; 20-channel, 50-GHz; 40-channel, 50-GHz, 80-channel, 50-GHz and 160-channel, 50-GHz AWGs), which were all technologically verified. The spectrometer features small size and high resolution. It is integrated on OCT chip using standard CMOS processes. The SD-OCT system is developed to operate in a wavelength range from 800 nm to 900 nm, having 0.1 nm resolution.
We present the technological verification of a size-optimized 160-channel, 50-GHz silicon nitride-based AWG-spectrometer. The spectrometer was designed for TM-polarized light with a central wavelength of 850 nm applying our proprietary “AWG-Parameters” tool. For the simulations of AWG layout, the WDM PHASAR photonics tool from Optiwave was used. The simulated results show satisfying optical properties of the designed AWG-spectrometer. However, the high-channel count causes a large AWG size with standard design approaches. To solve this problem we designed a special taper enabling the reduction of AWG structure by about 15% while keeping the same optical properties. The AWG design was fabricated and the measured spectra not only confirm the proposed size-reduction but also the improvement of optical properties of the size-optimized AWG.
In den letzten Jahrzehnten gewann Aluminium als vielseitig einsetzbarer Werkstoff immer mehr an Bedeutung. Das Vorarlberger Unternehmen Hydro Extrusion Nenzing ist Teil der Aluminiumverarbeitungsindustrie und stellt stranggepresste Aluminiumprofile her. Beim Strangpressen werden Aluminiumstangen in einem Durchlaufinduktionsofen auf bis zu 520 °C erhitzt und anschließend durch ein formgebendes Werkzeug gepresst. Nach dem induktivem Aufwärmen wird ein Teil der Stange aus dem Ofen gefahren und abgeschert. Die erzeugte Temperaturverteilung an diesem abgescherten Bolzen ist der sogenannte Taper. Das induktive Aufwärmen ist ein wichtiger Teil der Extrusion und steht im Fokus dieser Forschungsarbeit. Ziel dieser Arbeit ist es, den Aufwärmprozess der Aluminiumstangen, mithilfe einer Kombination aus explorativer Datenanalyse und Methoden des maschinellen Lernens, genauer zu verstehen und den resultierenden Taper vorherzusagen. Außerdem werden parallel die signifikanten Einflussparameter, ohne Berücksichtigung von Materialparametern, untersucht.
Nach der explorativen Datenanalyse wurden mithilfe eines k-means-Clusterverfahren zwei Klassifizierungsvarianten entwickelt. In der ersten Variante liegen die Taper nach ihrer Bolzenlänge und Form gegliedert vor. Es zeigte sich, dass die Taper der Bolzen mit ähnlicher Länge auch ähnliche Formen annehmen. Ein einfacher Entscheidungsbaum konnte die 13 Zielklassen zu etwa 85 % vorhersagen. Die Bolzenlänge spielt bei der Vorhersage eine wichtige Rolle. Die zweite Klassifizierungsvariante basiert hingegen ausschließlich auf der Taperform. Die angewendeten Modelle (k-Nearest-Neighbor, Decision Tree, Random Forest) waren jedoch kaum in der Lage, die 11 Klassen abzubilden. Grund für die unzureichende Vorhersageleistung können die vielen Unsicherheiten in der Datenstruktur sein. Die anschließende detaillierte, explorative Analyse der formabweichenden Taper deutet fehlende Merkmale im Datensatz an. Einige Bolzen setzen sich aus zwei Stangenenden zusammen. Diese geteilten Bolzen führen zu abweichenden Aufwärmverhalten, wodurch auffällige Taper entstehen. Die Information ob sich ein Bolzen aus zwei Stangen zusammensetzt fehlt jedoch im Datensatz. Der Aufwärmvorgang der Stangen wird demnach durch ein Wechselspiel der aktuellen Regelung und zwei maßgeblichen Faktoren beeinflusst: die Bolzenlänge und das Auftreten von geteilten Bolzen. Diese Faktoren bestimmen die Stangentemperatur im Ofen, den induzierten Strom und somit den resultierenden Taper. Aufgrund dieser Ergebnisse könnte die temperaturbasierte Regelung zukünftig durch eine Steuerung hinsichtlich des induzierten Stroms ersetzt, dadurch Energie eingespart und Schrott vermieden werden.
A multi-recombinative active matrix adaptation evolution strategy for constrained optimization
(2019)
Analysis of the (μ/μI,λ)-CSA-ES with repair by projection applied to a conically constrained problem
(2019)
Interstitial photodynamic therapy (iPDT) treats malignant brain cancer cells by irradiation with low power laser light. The light is guided into the human body by diffuse emitting fibers. This study targets the light distribution of optical diffusers within the brain tissue. It was shown, that by submerging an optical diffuser into human brain phantom, its radiation profile measured in air converges towards a Gaussian distribution with increasing phantom depth. A camera method using digital averaging filters as well as an integrating sphere setup, both, smoothing the diffuser radiation profile were applied onto the evaluated diffuser.
Investigations on mechanical stability of laser machined optical fibre tips for medical application
(2019)
Light delivery is a challenging task, when it comes to medical applications. The light is guided through optical fibers from the light source towards the treatment region. In case of interstitial light application, the light has to be decoupled from the fibre and spread to the surrounding tissue. To reach larger tissue volumes, this can be either obtained by adding a scattering volume to the tip of the fibre, or by directly modifying the optical fibre itself in order to break the total reflection within the fibre core. Such modifications can be either on the fibre surface itself or internally in the fibre core. One approach to obtain the fibre structuring could be laser induced surface roughening using an ultrafast laser source. While using volume scattering as diffusor at the fibre tip is currently the gold standard for non-thermal applications (< 0.3W/cm), the decoupling of high power laser intensities for thermal treatment options is still challenging. Structuring the fibre core itself usually is related with a loss of mechanical stability. As fibre breakage and potential loss within the human body can have serious consequences, the mechanical stability is one of the quality criterion in diffuser manufacturing. Therefore, investigations about the mechanical stability of laser manufactured optical fibre diffusers are needed.
In order to evaluate the mechanical stability, a 4-point as well as a 2-point breaking test were developed. Different fibre diffusers, based on volume or surface scattering, were manufactured using fs-laser ablation techniques and its breaking strengths were investigated.
It could be shown that for surface fibre modifications, the mechanical stability reduces with increasing defect depth. The stability significantly drops when the laser ablation was performed in the thermal energy range. Volume scattering modified fibres only showed a slight reduction in stability compared to un-machined fibres.
In conclusion, internal fibre modification seems to be the most promising method to establish optical fibre diffusers, which are capable of several watts of emission power, while preserving its mechanical strength.
During two studies the influence of technologies on sleep were analyzed. The first one is about the effect of light on the circadian rhythm and as a consequence on sleep quality of persons in a vegetative state. The second one, which is still running, surveys the influence of several technologies on the sleep of elderly people living in a nursing home.
In Anbetracht einer immer größer werdenden Diskussion über den Klimaschutz und einer anvisierten Energiewende finden umweltschonende Energietechniken immer mehr an Aufmerksamkeit in der Gesellschaft. Die Kombination von Stromerzeugung und gleichzeitiger Wärmeproduktion macht die Biomassevergasung zu einem interessanten Untersuchungsobjekt. Die anfallenden Biokohlestäube versprechen in Zukunft von großem Nutzen zu sein, um zum Beispiel Kohlenstoff in der Erde abzuspeichern. Die sogenannten ”Terra Preta“ Böden steigerten merklich das Interesse am Einsatz von Kohle in der Landwirtschaft, um in Böden verbessernde Eigenschaften zu erzielen. In dieser Masterarbeit wird die Auswirkung der Biokohle einer Schwebefestbettvergaseranlage auf das Pflanzenwachstum, die verfügbaren Nährstoffe und auf die Anzahl der Mikroorganismen untersucht. Hierfür wurden zwei verschiedene Versuchspflanzen herangezogen. Es wurde auf Hafer und Rübse zurückgegriffen. Der Versuch fand unter Laborbedingungen in einem Wachstumsschrank statt. Es wurden Böden mit unterschiedlichen Kohlegehalten hergestellt (0 %, 2,5 % 5 %, 12,5 %). Des Weiteren wurde auf zwei verschiedene Arten eine oberflächenaktivierte Kohle hergestellt. Einmal erfolgte dies durch Ko-Kompostierung der Biokohle in Grünschnitt und das zweite Mal durch die Beladungmit künstlichem Dünger. Die chemische Aktivierung erfolgte über einen Rührversuch. Dabei wurde die Kohle über einen längeren Zeitraum mit dem künstlichen Dünger in einem Gefäß gerührt.
Die Versuchsdauer erstreckte sich jeweils über einen Zeitraum von ca. 3 Wochen. Am Ende der Versuche wurden die Pflanzen geerntet. Anschließend wurde ihre Wuchshöhe und deren Durchmesser erfasst und statistisch ausgewertet. Die Nährstoffe im Boden wurden mittels Macherey Nagel Schnelltest ermittelt. Hierfür wurden Proben sowohl am Anfang als auch am Ende des Experiments genommen und anschließend aufbereitet und ebenfalls statistisch ausgewertet. Es konnte durch den Zusatz von Kohle einen signifikant höherer Mittelwert des Pflanzenwachstums erzielt werden. Und auch bei den Nährstoffen konnten Unterschiede zum Referenzboden nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu konnte bei den Mikroorganismen statistisch kein Unterschied festgestellt werden. Leider traten während des Versuches vermehrt Probleme auf, die aber entsprechend in der Arbeit adressiert und dokumentiert werden. Aus diesem Grund muss darauf verwiesen werden, dass einige Ergebnisse nicht verwertbar waren.
Production and tribological characterization of tailored laser-induced surface 3D microtextures
(2019)
Varying mindsets in Design Thinking. Why they change during the process and how to nudge them
(2019)
Ursprünglich wurde für das K-Projekt „LiTech“ eine mobile und intuitive Robotersteuerung – mit Touchbedienung und Augmented Reality – programmiert. Ziel war es, einen Industrieroboter spontan steuern zu können, mit besonderem Augenmerk auf Laienfreundlichkeit. Das System besteht aus einem Roboter und einem PC der als Bildschirm eine mit kapazitivem Touch ausgestattete und von einem Projektor bespielte Glasscheibe hat. Daten werden als String über eine serielle Schnittstelle übermittelt. Zur Erforschung der Nutzerfreundlichkeit werden Bälle auf einer Ebene hin- und herbewegt. Zur Cloud-Datenauswertung und Erstellung der Visualisierung wurden mittlerweile weitere Forschungszentren der FH Vorarlberg eingebunden. Im laufenden Wintersemester arbeitet ein Praktikant aus Südamerika an der Erweiterung auf den kompletten 3D-Raum mit möglicher Implementierung einer Gestensteuerung. Ziel des Beitrags ist es, den Versuchsaufbau und die Steuerung des Roboters zu beschreiben sowie geplante Weiterentwicklungen aufzuzeigen.