Bøger i FAU Studien aus dem Maschinenbau serien

Worldwide, carcinomas are the second leading cause of death after cardiovascular diseases. Of these, more than 25 % are caused by cancer in the gastrointestinal tract. However, screening still misses about 20 % of carcinomas. An optimal solution would be a red flag technology to locate the suspicious area. Despite the use of many optical technologies and advancements in traditional endoscopic technologies, most methods have failed to significantly improve the detectability of carcinomas in the GI. Therefore, it has been suggested in the literature to use spectroscopic quantitative measurements, which is achieved by hyperspectral imaging. However, in this work, a multispectral endoscope system for in vivo use is used for human (stomach) and mouse (colon) studies. In the human study, the tumours could only be found to a limited extent with the standard methods (MCC = 0.32; ACC2=0.68). Nevertheless, this is a significant improvement compared to previous results. The introduction of spectral spatial variation as a spatial-spectral feature improves the results significantly again. Compared to the human study, the results from the mouse model show better classification results: ACC2 = 0.73 and MCC = 0.47.Thus, for the development of an endoscopic red flag technique, a point technique for correct pre-labelling of the data is needed. Moreover, the results of this MSI in vivo study with spatial features are similar to the recent HSI ex vivo studies. Therefore, it is likely that MSI will remain part of future research.

In this thesis the simple, contact-free speckle-analysis is investigated for its application in photoacoustic detection. First, a simulation model is created which theoretically confirms the detectability of photoacoustic surface deformations by speckle-analysis. Subsequently, the feasibility of contact-free detection is demonstrated by experiments on phantoms and ex-vivo tissue using a high-speed camera system. For these measurements multiple speckles are analyzed and within these experiments the endoscopic applicability of the technique by using an imaging fiber bundle is demonstrated. In order to speed up the acquisition of speckles, the high-speed camera system is replaced by a diode-based sensor of lower resolution. With this faster system the feasibility of contact-free photoacoustic detection and its automation by single speckle-analysis is experimentally demonstrated. Both used analysis techniques are compared based on their characteristics such as sensitivity, measuring range, linearity and measuring depth. Furthermore, investigationson ex-vivo tissue are used to show that the speckle wavelength is a crucial parameter for the quality of a speckle pattern and speckle-analysis. Finally, the possibility of photoacoustic imaging for speckle-analysis is demonstrated by testing a reconstruction approach by simulations and by a first experiment.In dieser Arbeit wird die kontaktfreie Speckleanalyse, für ihre Anwendung zur photoakustischen Detektion untersucht. Zuerst wird ein Simulationsmodell erstellt, das die Erfassbarkeit von photoakustischen Oberflächendeformationen durch die Speckleanalyse theoretisch bestätigt. Im Anschluss wird die Machbarkeit der kontaktfreien Detektion anhand von Experimenten an Phantomen und ex-vivo Gewebe mit einem Kamerasystem demonstriert. Für diese Messungen werden mehrere Speckles analysiert und im Rahmen dieser Experimente wird die endoskopische Anwendbarkeit der Technik anhand eines Faserbündels gezeigt. Um die Aufnahme der Speckles zu beschleunigen, wird das Kamerasystem durch einen diodenbasierten Sensor niedrigerer Auflösung ersetzt. Mit diesem schnelleren System wird die Machbarkeit der kontaktfreien photoakustischen Detektion und deren Automatisierbarkeit durch die Einzelspeckleanalyse experimentell nachgewiesen. Beide verwendeten Analysetechniken werden auf Basis ihrer Eigenschaften wie Empfindlichkeit, Messbereich, Linearität und Messtiefe verglichen. Weiterhin wird anhand von Untersuchungen an ex-vivo-Gewebe gezeigt, dass die Wellenlänge ein entscheidender Parameter für die Qualität eines Specklemusters und der Speckleanalyse ist. Schließlich wird die Möglichkeit der photoakustischen Bildgebung für die Speckleanalyse demonstriert, indem ein Rekonstruktionsansatz anhand von Simulationen und durch ein erstes Experiment getestet wird.

Laser powder bed fusion of metals by a laser beam (PBF-LB/M), due to its industrial applicability, represents a promising additive manufacturing technology for future production. The layerwise and selective melting of a powder layer enables an increased freedom in design. However, local process deviations can impede the mechanical properties. Therefore, applicable sensors are necessary for their detection and further industrial adoption of the process.This thesis reports on identified correlations of properties of spatter particles to the microscopic process behavior and process zone formation and their applicability within the industrial process environment. For this first, a dedicated particle tracking velocimetry method is developed to spatially and temporally resolve the trajectories of the individual particles. Statistical spatter measurements are correlated to process observations revealing their connection to evaporation-driven mechanisms of the process. The applicability for the quantification of process-relevant measures of the microscopic process zone as well as the robustness of the identified correlations against changing process environments are investigated. Based on this, the transferability of the results from the lab environment into an industrially applicable sensing approach is demonstrated, enabled by a dedicated data processing approach for the derivation of spatter properties in real-time.Aufgrund seiner industriellen Anwendbarkeit stellt das Laserstrahlschmelzen von Metallen im Pulverbett ein vielversprechendes Fertigungsverfahren für die Produktion der Zukunft dar. Das selektive und schichtweise Aufschmelzen einer Pulverschicht eröffnet im Vergleich zu konventionellen Verfahren eine größere Gestaltungsfreiheit. Lokale Prozessabweichungen können jedoch die Bauteileigenschaften beeinflussen und daher sind entsprechende Sensoren zur Erfassung dieser für einen breiteren industriellen Einsatz notwendig.In dieser Arbeit werden Korrelationen zwischen den Eigenschaften von Spritzerpartikeln zur mikroskopischen Ausformung der Prozesszone untersucht. Hierfür wird zunächst eine Methode zur Partikelverfolgung entwickelt, welche es erlaubt die Trajektorien der einzelnen Partikel zeitlich und räumlich aufzulösen. Die statistischen Eigenschaften der Partikel werden mit Prozessuntersuchungen abgeglichen, wodurch ihre Korrelation zu verdampfungsgetriebenen Mechanismen innerhalb der Prozesszone ersichtlich wird. Anschließend wird die Anwendbarkeit der Korrelationen zur Quantifizierung mikroskopischer Prozesszonenmerkmale untersucht, sowie der Einfluss sich ändernder Prozessbedingungen auf die identifizierten Beziehungen. Durch eine prototypische Umsetzung mittels Parallelisierung der Datenverarbeitung und der Spezifizierung auf Basis der Messergebnisse wird abschließend die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf einen industriell einsetzbaren Sensoransatz demonstriert.