Bøger udgivet af FAU University Press

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.

The topic of this work is the analysis of control loops under the influence of input/output timing deviations. Such deviations from the ideal periodic timing can lead to increased control error or even to instability. To address this issue, methods are presented to determine a safe tolerance band for the timing deviation. Two alternatives are addressed: stability analysis at design time and timing adaptation at run time. In both cases, the methods support multiple inputs and outputs with individual timing uncertainties.For the analysis at design time, the work presents methods to determine stability and maximal control error at design time for a given input/output time window. The linear case is analyzed using linear impulsive systems. Progress towards solving the nonlinear case is made by reachability analysis of hybrid automata in connection with the Continuization method.For a flexible adaptation at run time, the framework of convergence rate abstractions is developed. By this, the decision about the permissible input/output timing can be made according to the current situation and with little computational overhead. Hence, larger temporal deviations can be permitted for a short time as long as the timing remains good enough in the long-term average to preserve stability.Die Arbeit befasst sich mit dem Verhalten von Regelkreisen unter dem Einfluss von zeitlichen Abweichungen der Ein- und Ausgabe. Solche Abweichungen von einem idealen periodischen Zeitraster können zu größerer Regelabweichung und bis hin zu Instabilität führen. Die Arbeit stellt Methoden vor, um ein erlaubtes Toleranzband für die zeitliche Abweichung zu bestimmen. Dies umfasst zum einen die Stabilitätsanalyse zum Entwurfszeitpunkt und zum anderen die Adaption zur Laufzeit. Insbesondere wird der Mehrgrößenfall betrachtet, in dem mehrere Sensoren und Aktoren jeweils eigene zeitliche Unsicherheiten aufweisen.Für die Analyse zum Entwurfszeitpunkt werden Methoden zur die Analyse der Stabilität und maximalen Regelabweichung für ein gegebenes Ein-/Ausgabe-Zeitfenster vorgestellt. Für den linearen Fall wird dies anhand eines linear impulsives Systemmodells umgesetzt. Als Lösungsweg für den nichtlinearen Fall wird die Erreichbarkeitsanalyse hybrider Automaten in Vebrindung mit der Continuzation-Transformation untersucht.Zum anderen wird eine Methode zur flexiblen Anpassung der Ein-/Ausgabe-Zeitfenster an die aktuelle Situation entwickelt. Hierzu wird das Konzept der Konvergenzraten-Abstraktion entwickelt, um zur Laufzeit mit mit geringem Rechenaufwand eine Entscheidung über das zulässige Zeitfenster zu treffen. Somit kann kurzzeitig eine größere zeitliche Abweichung zugelassen werden, solange das durchschnittliche Timing hinreichend gut bleibt um die Stabilität zu erhalten.

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.

Am Körper tragbare Sensoren, so genannte Wearables, werden im Sportbereich immer populärer. Wearables bieten Nutzern die Möglichkeit, Rückmeldung über Technik und sportliche Leistung in Echtzeit zu erhalten, während sie Wissenschaftlern Einblicke in die Biomechanik und Physiologie von Sportlern außerhalb des Labors ermöglichen. Eine der ersten Sportarten, in welcher viele Athleten Wearables nutzten, war der Ausdauerlauf. Seit der Einführung von Smartphones und Smartwatches haben viele Läufer begonnen, sich selbst zu tracken und ein digitales Trainingstagebuch zu führen. Durch die große Anzahl an Nutzern weltweit, die ihre Daten an Fitness Plattformen übertragen haben, entstanden große Datenbanken, die nun Big Data Analysen \mbox{ermöglichen. Diese} Art von Analysen bieten Wissenschaftlern die Möglichkeit, generische Schlussfolgerungen aus longitudinalen Studien basierend auf einer größeren Anzahl an Nutzern zu ziehen als jemals zuvor.Die in dieser Dissertation präsentierten Studien zeigen zum einen, wie Rohdaten von am Körper tragbaren inertialen Messeinheiten im Ausdauerlaufen zu interpretierbaren Laufparametern verarbeitet werden und zum anderen, wie Big Data von Fitness Plattformen genutzt werden kann, um Erkenntnisse im Marathon Training zu erlangen.

Invasive computing is a paradigm for designing and programmingfuture parallel computing systems. For systems with 1,000 or more cores on a chip, resource-aware programming is of utmost importance to obtain high utilisation as well as computational, energy and power efficiency. Invasive computing provides a programmer explicit handles to specify and argue about resource requirements desired or required in different phases of execution: In an invade phase, an application asks the operating system to allocate a set of processor, memory and communication resources to be claimed. In a subsequent infect phase, the parallel workload is spread and executed on the obtained claim of resources. Finally, if the degree of parallelism should be lower again, a retreat operation frees the claim again, and the application resumes a sequential execution. To support this idea of self-adaptive and resource-aware programming, not only new programming concepts, languages, compilers, and operating systems were needed to be developed, but also revolutionary architectural changes in the design of MPSoCs (multiprocessor systems-on-a-chip) to efficiently support invasion, infection, and retreat operations. This book gives a comprehensive overview of all aspects of invasive computing.

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.