07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/8
Browse
Search Results
Item Open Access FIB-SEM tomography for porosity characterization of inkjet printed nanoparticle gold ink(2024) Ruehl, Holger; Reguigui, Hajer; Guenther, Thomas; Zimmermann, AndréInkjet printing is a versatile technology for the manufacturing of electronic devices to be used in various applications [1,2]. Common inks to create conductive layers are suspensions of a solvent with metal nanoparticles such as gold or silver [3]. After the deposition and solidification of an ink on a substrate, the metal nanoparticles are sintered to realize the conductivity of the printed layer. A porous, solid metal matrix remains, whereby the conductivity of the metal layer tends to be dependent on the porosity. To characterize the porosity of inkjet printed conductive layers, focused ion beam-scanning electron microscope (FIB-SEM) tomography is suggested as a potential characterization method in the presented study. For the experiment, a wafer diced silicon substrate with size of 10 x 10 mm² was used, onto which a 1.2 µm thin layer of commercially available nanoparticle gold ink was inkjet printed and then sintered. Subsequently, a four-step procedure for the FIB-SEM tomography-based porosity characterization was performed: 1) FIB preparation of the volume of interest (VOI), 2) serial sectioning including image acquisition, 3) image processing and 4) 3D-reconstruction and porosity analysis. The steps 1) and 2) were conducted using a FIB-SEM dual beam system ZEISS AURIGA 40 (Carl Zeiss Microscopy Deutschland GmbH, Germany). Prior to serial sectioning, a thin platinum layer was FIB induced deposited on top of the inkjet printed gold layer. A cube-shaped VOI with the size 5000 x 6000 x 5000 nm³ was then prepared by FIB milling. The surface to be sectioned was end face polished and a line trench serving as a reference marker for the image processing was milled along the VOI. The prepared VOI prior to FIB sectioning is shown in Figure 1. a). Next, the serial sectioning was conducted. The ion acceleration voltage was set to 30 kV. The aperture current was set to 50 pA, resulting in an ion beam spot size of 12.5 nm, which corresponds to the section slice thickness. No melting and re-sintering of the solid metal structure could be observed during sectioning. SEM images of the revealing surface areas were acquired with 1024 x 768 pixels image resolution and a pixel size of 5.82 nm. Both a secondary electron (SE) detector as well as a backscattered electron (BSE) detector were used for imaging. In total, a 2D stack of 368 SEM images was recorded. For comparison of individual sections, Figure 1. b) and c) show BSE detector images of the cross-sectioned VOI after slice 70 and slice 140. One can clearly see that the size and distribution of sintered metal particles varies along the VOI, forming a porosity network within the solid gold. Since the images acquired with the BSE detector presented a higher contrast and thus, a better distinction between the pores and the metal structure, these images were used for the image processing and final porosity analysis, for which the software AVIZO (Thermo Fisher Scientific Inc., USA) was used. First, the 2D images were aligned to correct for the shifts which occurred during the serial sectioning. Then, a sub-VOI was cropped out to exclude the reference line. The new 3D VOI was of a size of 3026 x 1164 x 2750 nm³, representing a stack of BSE detector images ranging from slice 30 to 250. Noise interference was minimized by applying a Gaussian filter. Afterwards, thresholding was applied as a segmentation technique to differentiate between pores and the solid gold as well as erosion as morphological operation. As a result, a reconstructed 3D model of the pores located in the solid gold was obtained, as shown in Figure 2. a). Using this 3D pore model, the number of pores and their diameters within the VOI could be determined. For the calculation of the pore diameters, each pore was considered to be of a spherical shape. A total of 1509 pores was counted. The pore diameter distribution is shown in the box plot in Figure 2. b). As it can be obtained from Figure 2. b), a pore size of 23 nm represents the lower quartile, while a pore size of 112 nm represents the upper quartile. The median pore size is 44 nm, while the mean is 63 nm, which indicates a trend towards smaller pores surrounded by larger pores. Based on the obtained results, FIB-SEM tomography with subsequent image processing is assessed by the authors to be a proper method to characterize the porosity of inkjet printed conductive layers, which was tested by means of a nanoparticle gold ink.Item Open Access Technologien für disposable Endoskopieroboter(2024) Giacoppo, Giuliano A.; Pott, Peter P. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die Alterung der Gesellschaft ist ein globales Phänomen, das die Gesundheitssysteme vor Herausforderungen stellt. Verschärft wird die Situation durch einen zunehmenden Mangel an Fachkräften im Gesundheitswesen und begrenzte finanzielle Ressourcen. Kliniken müssen daher eine wachsende Zahl von Patient:innen mit weniger Personal versorgen und gleichzeitig effiziente und ressourcenschonende Behandlungsmethoden einsetzen, um den finanziellen Druck zu mildern. In der Chirurgie werden kürzere Behandlungszeiten, schnellere Genesung und minimalinvasive Eingriffe gefordert. Der Einsatz von robotischen Assistenzsystemen bietet hier Unterstützung, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. In Deutschland nimmt der Einsatz von robotischen Assistenzsystemen stetig zu, da sie zur Weiterentwicklung und Verbesserung von chirurgischen Eingriffen beitragen können. Darüber hinaus können diese Systeme dem Fachkräftemangel entgegenwirken und durch ihre einfache und schnell erlernbare Bedienung die Produktivität der Kliniken steigern. Ein disposabler Endoskopieroboter für den Magen-Darm-Trackt wurde entwickelt. Einwegsysteme sind aus hygienischen Gründen Mehrwegsystemen vorzuziehen und weisen im medizinischen Umfeld eine höhere Ressourceneffizienz auf. Sie reduzieren den Arbeitsaufwand für Reinigung, Sterilisation und Wartung und verbessern die Hygiene durch Vermeidung von Kreuzkontaminationen. Die wissenschaftliche Zielsetzung besteht in der Entwicklung von Technologien für einen disposablen Endoskopieroboter und umfasst die folgenden vier Bereiche: eine aktive Endoskopspitze, ein Instrument, einen Antrieb und einen Abstandssensor für die Endoskopspitze. Für die aktive Endoskopspitze wurde eine kontinuierliche Biegestruktur bestehend aus zwei Segmenten entwickelt. Die Kinematik wurde modelliert, die erforderlichen Zugkräfte für die Seilzüge zur Auslenkung der Endoskopspitze berechnet und experimentell validiert. Es wurde ein Instrument als pseudokontinuierlicher diskreter Gelenkroboter entwickelt, dessen Funktion das Greifen und Manipulieren von Gewebe ist, um Platz an der Eingriffsstelle zu schaffen. Die Positionierung sowie das Aufbringen von Interaktionskräften am distalen Ende des Instruments wurden überprüft. Es wurde eine Kinematikanalyse durchgeführt. Darauf aufbauend wurde ein Algorithmus entwickelt. Dieser berechnet die erforderlichen Zugkräfte für die Seilzüge, um das Instrument in seiner Position zu halten, in Abhängigkeit einer externen Kraft. Es wurde deutlich, dass sich Twisted String Antriebe (TSA) als kostengünstige, leichte und platzsparende Antriebe für Endoskopieroboter eignen. Die von TSA umgewandelten Drehbewegungen eines Motors resultieren in einer linearen Zugkraft der Strings. Es wurde untersucht, in welchem Maße ein TSA über eine Oberfläche geführt werden kann, ohne dass dies eine wesentliche Beeinflussung seines Verhaltens zur Folge hat. Durch den Einsatz geführter TSA konnte eine kompakte Bauweise des Endoskopieroboters realisiert werden. Es wurden verschiedene Abstandssensoren für die Endoskopspitze untersucht, um umliegendes Gewebe zu erfassen. Dadurch soll eine autonome Ausrichtung der Endoskopspitze ermöglicht werden, sodass der Verlauf der Gewebekontur im Körper gefolgt werden kann, wie etwa der Weg durch den Dickdarm. Die Machbarkeit von optische Näherungssensoren, kapazitive Abstandssensoren sowie optisches Ballon-Tracking und optisches Drahtkorb-Tracking für den Einsatz in einem Endoskopieroboter, wurde gezeigt. Die präsentierten Technologien erlauben eine Balance zwischen Performance und Ressourcenschonung, was die Entwicklung eines disposablen Endoskopieroboters ermöglicht. In einer realitätsnahen Umgebung wurde ein Endoskopieroboter aufgebaut und dessen Funktion sowie Handhabbarkeit überprüft. Die Resultate demonstrieren, dass der Endoskopieroboter für die intendierte Verwendung grundsätzlich geeignet ist.Item Open Access Extrakorporale Messung von Interaktionskräften zur Darstellung mit einem seilgetriebenen haptischen Eingabegerät für die Roboter-assistierte Chirurgie(2024) Schäfer, Max B.; Pott, Peter P. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die Roboter-assistierte Chirurgie, im Speziellen die Telemanipulation, bietet zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen chirurgischen Methoden. Hierzu zählt ein potentiell besseres chirurgisches Ergebnis sowie ergonomisches und ermüdungsfreies Arbeiten auch über längere Nutzungsdauern hinweg. Im Falle mechatronischer Systeme im medizinischen Umfeld treffen systembezogene Anforderungen mehrerer Beteiligter aufeinander. Das Wohl von Patienten und Patientinnen steht dabei an oberster Stelle, wird jedoch direkt beeinflusst von finanziellen Aspekten und der Nutzerinteraktion zwischen dem Arzt oder der Ärztin und dem System. Die offensichtlichen Vorteile des Einsatzes von Telemanipulationssystemen in der Roboter-assistierten Chirurgie motivieren deren weitere Verbesserung. Die Nutzerinteraktion stellt dabei einen zentralen Aspekt dar, der die Performance des Gesamtsystems maßgeblich beeinflusst. Ein fehlender haptischer Eindruck des Situs für die operierende Person ist dabei ein häufig genannter Mangel. Die Integration von haptischem Feedback und die Umsetzung einer bewegungskongruenten und damit intuitiv nutzbaren Eingabe haben das Potential, die Identifikation zwischen nutzender Person und Telemanipulationsumgebung zu steigern und damit Nutzerinteraktion und chirurgisches Ergebnis zu verbessern. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Evaluierung von Methoden zur Realisierung von haptischem Feedback für die Roboter-assistierte Chirurgie. Die erste wissenschaftliche Zielsetzung bezieht sich dabei auf die Erfassung von Interaktions- und Greifkräften zwischen Instrumentenendeffektor und Gewebe, ohne dass speziell angefertigtes Instrumentarium zu einem Kostentreiber bezüglich Bereitstellung und Wiederaufbereitung wird. Zur Erfassung von Interaktionskräften wird eine extrakorporale Sensoreinheit verwendet und die damit erreichbare Qualität der Interaktionskraftmessung untersucht. Darüber hinaus wird eine indirekte Methode zur Erfassung der Greifkräfte aus dem Motorstrom der Greifaktuierung implementiert und evaluiert. Im Rahmen der zweiten wissenschaftlichen Zielsetzung wird ein Eingabegerät entwickelt, das eine zur Ausgabekinematik bewegungskongruente Eingabe ermöglicht. Die Hypothese ist, dass seilgetriebene Parallelkinematiken zur Darbietung von haptischem Feedback mit hoher mechanischer Bandbreite und der Realisierung eines anwendungs- spezifischen Eingabegerätes für die Roboter-assistierte Chirurgie besonders geeignet sind. Die Eignung wird an einem planaren Prüfstand untersucht, sowie anschließend ein haptisches Eingabegerät mit sieben Freiheitsgraden entwickelt. Zur Ableitung von Anforderungen und zur anwendungsnahen Erprobung der beiden Zielsetzungen zur Interaktionskrafterfassung und -darstellung wird weiterhin ein Telemanipulationssystem im Sinne einer modularen und rekonfigurierbaren Forschungsplattform aufgebaut. Die gewählten Methoden zur Interaktions- und Greifkrafterfassung ermöglichen eine für die intendierte Anwendung ausreichende Qualität der Messung bei sehr geringem technischem Aufwand. Die erreichte Messgenauigkeit bezüglich des Betrags einer Interaktionskraft liegt mit einem relativen mittleren Fehler von 9,4 % unterhalb der differentiellen Wahrnehmungsschwelle des Menschen und damit im Bereich der Anforderungen. Bezüglich der Wirkungsrichtung einer Interaktionskraft wurde ein mittlerer absoluter Fehler von 14,4 % erreicht, was ebenfalls im Bereich der vorher definierten Anforderungen und innerhalb der differentiellen Wahrnehmungsschwellen liegt. Die Ableitung von Greifkräften auf Basis des Motorstroms erreicht eine zufriedenstellende Auflösung von etwa 1,5 % der maximal erreichbaren Greifkraft eines Endeffektortyps. Die gewählten Methoden zur Erfassung von Interaktions- und Greifkräften ermöglichen die Verwendung konventioneller chirurgischer Instrumente ohne Modifikation und können damit zu einer ressourcenschonenden Umsetzung und einem hohen Verbreitungsgrad der Technologie beitragen. Das entwickelte haptische Eingabegerät ermöglicht die Darbietung von dynamischem haptischen Feedback und Eingabebewegungen mit einem hohen Maß an Bewegungskongruenz zur Kinematik des Instruments im Trokar. Im gesamten Arbeitsraum des Eingabegerätes können translatorische Feedbackkräfte in Höhe von 5 N mit einer mechanischen Bandbreite von 19,3 Hz dargestellt werden. Weiterhin wurde eine mechanische Bandbreite bezüglich des haptischen Feedbacks aus der Greifbewegung von 73,5 Hz erreicht. Die generelle Eignung von seilgetriebenen Parallelkinematiken zur Darstellung von haptischem Feedback mit hoher mechanischer Bandbreite wurde aufgezeigt, genauso wie die Umsetzbarkeit als anwendungsspezifisches Eingabegerät für die Roboter-assistierte Chirurgie.Item Open Access Mustersprache für Innovationsdiffusion in urbanen Systemen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2024) Braun, Steffen; Riedel, Oliver (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Wie können Städte als komplexe Systeme innovationsoffener und wandlungsfähiger für zukünftige Herausforderungen werden? Die Dissertation adressiert die Systematisierung von kooperativen Innovations- und Diffusionsprozessen zwischen Städten im globalen Kontext der urbanen Transformation und technologieoffenen Stadtentwicklung. Mit qualitativen und quantitativen Forschungsmethoden der Wissensentdeckung in Datenbanken werden bisherige Co-Innovationsprozesse urbaner Systeme explorativ analysiert, wiederkehrende Merkmale als Muster identifiziert und validiert. Im Rahmen der Forschungsarbeit wurde eine erste universelle Mustersprache für Innovationsdiffusion in urbanen Systemen (uiPL) entlang von Wissensstrukturmodellen aus moderner Architektur und Software Engineering entwickelt, um diese als Erfolgsfaktoren für die Städte der Zukunft zu organisieren, in einer verständlichen, ganzheitlichen Form festzuhalten und die Kooperation zwischen Beteiligten zu fördern - eine interdisziplinäre Sprache für Forschung, Unternehmen, Politik und Verwaltung.Item Open Access Erweiterte Regelungsmethoden für adaptive Tragwerke am Beispiel des Demonstrator-Hochhauses D1244(2024) Dakova, Spasena; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Item Open Access Leiterplattenbasierte Sensoren mit Ausleseelektroniken auf Basis von Zeitmesstechnik(2024) Bülau, André; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Impact of repetitive, ultra-short soft X-ray pulses from processing of steel with ultrafast lasers on human cell cultures(2024) Holland, Julian; Lungu, Cristiana; Weber, Rudolf; Emperle, Max; Graf, ThomasUltrafast lasers, with pulse durations below a few picoseconds, are of significant interest to the industry, offering a cutting-edge approach to enhancing manufacturing processes and enabling the fabrication of intricate components with unparalleled accuracy. When processing metals at irradiances exceeding the evaporation threshold of about 10 10 W/cm² these processes can generate ultra-short, soft X-ray pulses with photon energies above 5 keV. This has prompted extensive discussions and regulatory measures on radiation safety. However, the impact of these ultra-short X-ray pulses on molecular pathways in the context of living cells, has not been investigated so far. This paper presents the first molecular characterization of epithelial cell responses to ultra-short soft X-ray pulses, generated during processing of steel with an ultrafast laser. The laser provided pulses of 6.7 ps with a pulse repetition rate of 300 kHz and an average power of 500 W. The irradiance was 1.95 ×10 13 W/cm 2 . Ambient exposure of vitro human cell cultures, followed by imaging of the DNA damage response and fitting of the data to a calibrated model for the absorbed dose, revealed a linear increase in the DNA damage response relative to the exposure dose. This is in line with findings from work using continuous wave soft X-ray sources and suggests that the ultra-short X-ray pulses do not generate additional hazard. This research contributes valuable insights into the biological effects of ultrafast laser processes and their potential implications for user safety.Item Open Access Mapping varieties of farmers’ experience in the digital transformation : a new perspective on transformative dynamics(2024) Knitsch, Valentin; Daniel, Lea; Welz, JulianeThe COVID-19 pandemic has highlighted the vulnerabilities of the global food system, underscoring the need for a sustainable transformation of the food system. With the advent of new digital technologies emerging as critical tools for achieving the agricultural shift, it is important to understand farmers’ adoption decisions better. This study aims to systematically uncover and delineate the varied forms of experiences farmers have with new digital technologies and investigate how these experiences impact the organizational adoption decisions on the farm. In this study, twenty interviews with apple growers, wine makers, and intermediaries from a German region encompassing Saxony, Thuringia, and Saxony-Anhalt were conducted and analyzed. Through the lens of the modified adaptive capacity wheel and alongside the interview data, five relevant types of experiences were identified. These types of experiences are closely related to farmers’ adaptation motivation (AM) and adaptation belief (AB), potentially influencing their future decisions about the adoption of digital technologies. This study highlights the importance of creating meaningful experiences with technologies to strengthen farmers’ AM and AB.