Query: Simulation von Lichtbeugung an Kreuzgitter-Strukturen und deren Anwendung in der 

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abstract: Diese Arbeit behandelt sowohl die Simulation von Lichtbeugung an Kreuzgitterstrukturen als auch deren Anwendung in der Scatterometrie, einer Messtechnik fur die Prozesskontrolle in der Halbleiterfertigung. Kreuzgitterstrukturen weisen eine Periodizitat entlang von zwei Koordinatenachsen auf. Bei der Verwendung von bekannten Fourier basierten Methoden erhoht sich hierdurch die Komplexitat von numerischen Beugungssimulationen auf O(M^6) im Vergleich zu Gittern mit nur einer Richtung der periodischen Fortsetzung, bei denen sich lediglich ein Wert von O(M^3) ergibt. Hierbei ist M die Anzahl der berucksichtigten Fourier Koeffizienten oder Moden. Die Fourier Reihen der unbekannten elektrischen und magnetischen Felder konvergieren mit wachsendem M gegen die wahren Werte. Dieser enorme Anstieg der Rechenzeit als Funktion der erwunschten Genauigkeit fuhrt zu einem hohen Mas an Forschungsaktivitaten, die auf eine Reduktion der Rechenzeit abzielen. Fur viele Simulationsaufgaben, speziell im Bereich der Prozesskontrolle in der Halbleiterfertigung, ist die Anwendung optimierter Algorithmen ausschlaggebend und entscheidet oft daruber, ob ein gegebenes Problem uberhaupt mit der augenblicklich verfugbaren Rechenleistung zu bewaltigen ist. Diese Arbeit liefert einen Betrag zur Reduzierung der Rechenzeiten, indem eine Verbesserung einer der verbreitetsten Methoden vorgeschlagen wird, der Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) Mit dieser Verbesserung ist die Konvergenz des RCWA Algorithmus fur die meisten betrachteten Beispiele besser als bei alternativen Formulierungen der Methode. In manchen Fallen, bei denen andere Formulierungen optimal an die Symmetrie der Struktur angepasst sind, ist das Konvergenzverhalten lediglich vergleichbar. In keinem Fall wird aber schlechtere Konvergenz beobachtet. Den zweite Themenschwerpunkt der Arbeit neben den Simulationsalgorithmen stellt deren Anwendung in der Scatterometrie dar. Im Gegensatz zu vielen anderen optischen Messtechniken zur Prozesskontrolle handelt es sich hierbei um eine nicht abbildende Methode. Licht, das an typischerweise >10^6 gleichformigen Nanostrukturen in perdiodischer Anordnung reflektiert oder gebeugt wird, wird insbesondere im Hinblick auf die Anderung seines Polarisationszustandes untersucht. So wird ein Satz von primaren Messdaten ausgezeichnet, der aber noch keinen direkten Ruckschluss auf die gesuchten Dimensions und Strukturparameter der Nanostrukturen erlaubt. Letztere konnen als sekundare Messgrosen identifiziert werden und konnen nur durch Losen des inversen Beugungsproblems ermittelt werden. Der einfachste Weg hierfur besteht in einer Bibliothekssuche, die die primaren Messdaten mit einer grosen Bibliothek vorab berechneter simulierter Datensatze mit sinnvoller Variation aller interessierender Parameter vergleicht. Diese Arbeit untersucht verschiedene Losungsansatze fur gegenwartige Herausforderungen an die Scatterometrie. Erstens werden unterschiedliche Varianten der Scatterometrie, speziell solche, die noch nicht in kommerziellen Geraten erhaltlich sind, im Hinblick auf die Untersuchung komplexer 3D Strukturen bewertet. Zweitens wird Scatteromatrie an Strukturen mit Seitenwand und Kantenrauheit betrachtet. Hierbei wird die Messbarkeit von Mittelwerten geometrischer Abmessungen einerseits und deren Standardabweichungen andererseits untersucht. Weiterhin wird der Einfluss von Kantenrauheit auf die Genauigkeit von rekonstruierten Grosen studiert. This thesis deals with both the simulation of light diffraction from crossed grating structures and its application in the field of scatterometry, a measurement technique for process control in semiconductor manufacturing. Crossed grating structures feature a periodicity along two coordinate axes. Using common Fourier based methods, the complexity of the diffraction simulation is O(M^6) instead of O(M^3) as in the case of singly periodic structures, M being the number of retained Fourier modes. The Fourier series of the unkown electric and magnetic fields converge to the true values as M is increased. This enormous rise in computation time as a function of the desired precision gives rise to quite a lot of recent research activities to reduce the simulation durations. For many simulation tasks, particularly in the field of process control in semiconductor manufacturing, the application of optimized algorithms is crucial and often decides whether or not some computation task is feasible at all with the presently available computation power. This thesis contributes to the activities to reduce computation times by proposing an improvement of one of the most widely used numerical methods, the rigorous coupled wave analysis (RCWA) With this improvement the convergence of the RCWA algorithm is found to be better than that of alternative formulations for most of the investigated examples. In some cases, however, where other formulations are perfectly adapted to the respective structure symmetries, comparable convergence but never a poorer one has been observed. The second main issue of this thesis besides the simulation algorithms is their application in the field of scatterometry. In contrast to many other optical measurement techniques for process control, scatterometry is a non imaging method. Light reflected or diffracted from an extended array of typically >10^6 identical nano structures in a periodic arrangement is investigated with a particular focus on the change of the polarization state due to the interaction of the light with the structure. This way a set of primary measurement data is collected which does, however, not allow for a direct conclusion on the desired dimension and shape parameters of the nano structures. The latter can be identified as the secondary measurands and can only be determined by solving the inverse diffraction problem. The simplest way to do so consists of a library search which compares the primary measurement data to a large library of pre computed simulated data sets which comprise a variation of all dimension and shape parameters within reasonable boundaries. This thesis investigates different approaches concerning current challenges in the field of scatterometry. Firstly, the capabilities of different variants, particularly those which are not yet available in commercial scatterometers, are investigated with regard to a complex 3D structure. Secondly, scatterometry from structures featuring sidewall roughness and line edge roughness is considered. Here the respective measurability of mean values of geometric admeasurements on the one hand and their fluctuations of the other hand is analyzed. Furthermore, the influence of line edge roughness on the precision of reconstructed quantities is examined.
author_names: Thomas Schuster
title: Simulation von Lichtbeugung an Kreuzgitter Strukturen und deren Anwendung in der Scatterometrie
year: 2010

abstract: ZusammenfassungDie vorliegende Arbeit stellt eine Studie zur rechnergestutzten Modellierung stationarer Fliessverhaltnisse an und in horizontal durchstromten Bohrbrunnen vor. Basierend auf einem neuartigen 3D Navier Stokes Brinkman Gleichungsloser wird ein Losungsansatz fur das interaktive System Porengrundwasserleiter/Filterkies/Filterrohr/Brunnenraum vorgestellt. Er ermoglicht es, stationare Stromungsszenarien gekoppelt aus freiem und porosem Fliessen am Computer zu simulieren. Fur die Anwendung des Gleichungslosers wurde das Expertensystem PHREASIM entwickelt, mit dem Modellgeometrien erstellt und im Anschluss an die Simulation stationare Fliessszenarien visualisiert werden konnen. Zur Validierung wurden in Laborexperimenten beispielhaft verschiedene Brunnenmodellkonstruktionen untersucht und anschliessend mit PHREASIM simuliert. Der Abgleich zwischen Ergebnissen aus Laborexperimenten und Simulationen zeigt, dass mit PHREASIM quasistationare Fliessszenarien bei identischen Randbedingungen und gleichen Geometrien realitatsnah abgebildet werden konnen. Bei genauer Kenntnis der Brunnengeometrien und der stromungsmechanischen Randbedingungen kann mit PHREASIM die Fliesssituation an beliebigen Stellen innerhalb sowie ausserhalb eines horizontal durchstromten Brunnenabschnitts am Computer simuliert werden. Ein Einsatzbereich von PHREASIM ist die Unterstutzung der Interpretation von Fliessmessdaten, die beispielsweise mit dem PHREALOG Fliessmesssystem gewonnen werden.AbstractIn this study, a new numerical solver based on a coupling of the Navier Stokes and Brinkman equations is presented. The solver can model 3D horizontal steady state flow conditions with interactions between the aquifer, gravel pack, well screen, and open borehole at the interface between the borehole and the surrounding porous filter and aquifer, thus solving the critical transition from porous to free flow. The solver is embedded in the workflow of the PHREASIM expert system. It allows for designing a broad variety of well designs and flow scenarios while considering the permeabilities and geometries of the involved microstructures. Stationary flow scenarios can be visualized in any cross section and at any discrete point within the model. In order to verify the validity of the numerical approach, a variety of flow scenarios were investigated in sand tank model experiments and simulated with PHREASIM. By comparing the results of both simulations and experimental measurements performed using identical boundary conditions, PHREASIM proved to be viable for accurately replicating virtually steady state flow conditions. PHREASIM aims to support the interpretation and significance of flow data gained by borehole flow measuring systems like PHREALOG.
author_names: Joachim Driessen

Marc Schottler

Frieder Enzmann

Zahra Lakdawala

Konrad Steiner

Peter Popov

O Iliev

M Drews

Georg Wieber

Michael Kersten
title: PHREASIM Ein Expertensystem zur Simulation von Fliessverhaltnissen in Grundwassermessstellen und deren unmittelbarem Nahfeld
venue: Grundwasser
year: 2015

abstract: Zur High Performance Simulation von Prozessorarchitekturen und deren Modellierung auf Befehlssatzebene kommen haufig Verfahren zur Anwendung, die den auszufuhrenden Zielcode mittels Dynamic Binary Translation (DBT) direkt auf den Prozessor des Simulationshosts abbilden. Wahrend fur Standardoperationen eine gute Abbildbarkeit des Befehlssatzmodells auf den Prozessor des Simulationshosts gegeben ist, lassen sich Modelle komplexer Spezialbefehle oder Peripherie nur ineffizient durch die Befehlssatzarchitektur des Simulationshosts nachbilden. In unserem Beitrag stellen wir die Modellintegration und Co Simulation dieser anwendungsspezifischen Komponenten auf Basis von FPGA Technologie vor. Als Hardwareplatform anwendungsspezifischer Funktionalitat fungiert dabei ein FPGA Accelerator, der mittels PCIe Schnittstelle an das von uns entwickelte RUBICS Simulationsframework (Retargetable Universal Binary Instruction Conversion Simulator) angebunden wird. RUBICS stellt ein flexibles Werkzeug zur Modellierung und Evaluation kompletter, eingebetteter Prozessorarchitekturen (SoC) auf einem hohen Abstraktionsniveau (Befehlsebene, IO Verhalten) basierend auf der ECMA CLR Plattform dar. Ausgehend von einem in einer dedizierten Architekturbeschreibungssprache (ADL) vorliegenden ARMv7 Strukturund Verhaltensmodell wird die exemplarische Modellierung eines FPGA basierten FFT Prozessors als anwendungsspezifisches Peripheriegerat der ARMv7 Architektur aufgezeigt und analysiert.
author_names: Steffen Kohler

Rainer G Spallek
title: Modellierung anwendungsspezifischer Hardware und deren Einbettung in die DBT basierte Prozessor Verhaltenssimulation
venue: GI Jahrestagung
year: 2017

abstract: Within this project methods for the preparation of the unnatural nucleic acids 3' O Methyl pRNA and pDNA (3' Desoxy pRNA) were developed. The pairing properties of these two systems have been examined and compared with that of pRNA. All of the three systems do follow the same pairing rules. Pairing has been observed only on the Watson Crick side forming duplexes in antiparallel direction. All three systems are autonomous pairing systems that do not interact with RNA or DNA. In this series pRNA forms the most stable duplexes. Nucleobase 9H purin 2,6 diamin instead of adenin and 5 methyl cytosine instead of cytosine were introduced to increase the stability of pDNA duplexes. A solution structure of the self complementary pDNA sequence [MGAATTMG]2 was elucidated by NMR. It shows an antiparallel duplex twisted against the major groove with sligthly lefthanded helicity. In analogy to pRNA the interstrand stacking predominates with a inclination angel of approximately 45deg. Proceeding form the NMR structure a MD simulation was performed, in which the duplex has strongly bent after a regeneration time of 1.5 ns; this bent shape was conserved during the remaining simulation time of 4.0 ns. Using automated solid phase synthesis pDNA/RNA hybrid sequences were prepared. Examining the pairing strength, the RNA 2' >4' pDNA linkage at the pDNA/RNA interface was observed to lead to more stable duplexes than the RNA 3' >4' pDNA linkage did. This kind of pDNA/RNA structures have been used to replace structure defining elements like hairpins or stem motifs by pDNA duplexes in complex RNA structures. From the FMN binding RNA aptamer an analogous pDNA/RNA construct has been prepared, that was built of two hybrid sequences. The binding of FMN in the pDNA/RNA construct was shown by fluorescence spectroscopy and the dissociation constant K0 2.6*10 7 M was calculated. Using the same strategy a pDNA/RNA construct of the hammerhead ribozyme was prepared, having substrate cleavage activity in analogy to the natural ribozyme. Cleavage properties of the pDNA/RNA construct at different Mg2+ and Mn2+ concentrations and at different reaction temperatures showed the same trend as those from the natural ribozyme did. Under all measured conditions, the natural ribozyme was about 1.5 times as active as the pDNA/RNA construct. Additional functional groups were introduced at different positions of the pDNA/RNA hybrid sequences using a pre functionalized 6' bromopentyl allofuranosyl building bloc on which the bromide was substituted with MeNH2 resp. EtSH after solid phase synthesis. 25 different functionalized pDNA/RNA ribozyme constructs could be built up in a combinatorial way. From 17 out of the 25 constructs, the cleavage kinetics was measured and the cleavage rate evaluated. The substitution pattern of the most active pDNA/RNA ribozyme analogue was applied on the hammerhead RNA sequence and the doubly methylamino substituted construct prepared. Compared to the natural hammerhead ribozyme, the cleavage rates of this construct were higher with a factor of 2.0 3.3 under all measured conditions.
author_names: Damian Ackermann
title: Synthese und Paarungseigenschaften von pDNA und deren Anwendung bei der Entwicklung funktionalisierter Ribozyme
year: 2004

abstract: Die Unabhangigkeit zeitlich aufeinanderfolgender Beobachtungen ist viel fach eine implizite Eigenschaft von Risikomodellen Dabei zeigt sich die postulierte Unabhangigkeit und Trendfreiheit einer Zeitreihe als metho disch recht komplex. Vereinfachend kann daher auch von der Reprasenta tivitat der historischen (ex post) Beobachtungen fur die zukunftigen (ex ante) Beobachtungen gesprochen werden. Kann die statistische Trendfreiheit in der Praxis vielfach nicht gehalten werden, so sind Modellierer und Anwender gehalten, sich mit den hieraus folgenden Konsequenzen auseinanderzusetzen. Die kritische Analyse der Ergebnisse wie auch der Risikomodelle erweist sich regelmasig, wenn nicht gar weiter zunehmend, als Nucleus des (Risiko )Controllings Die adaquate wie auch proportionale Verwendung der Historischen Simulation fuhrt in SS 44er Prufungen immer wieder zu ungeklarten Fragen und stellt Geprufte und Prufer vor eine zentrale Fragestellung: Mindern Autokorrelationseffekte die Prognosegute in der Starke, dass die Anwendung der Historischen Simulation die Sicherstellung der Risikotrag fahigkeit in Frage stellt? Im Zuge der Beantwortung werden hierfur zunachst die retrograden Mo dellvorteile der Historischen Simulation vorgestellt. Nachfolgend erfolgt eine Erlauterung der Autokorrelation bzw. deren Wirkungsweise. Im An schluss wird die Wirkung von konstruktionsbedingten Autokorrelations effekten in der Historischen Simulation empirisch uberpruft. Hierbei werden auch verschiedene Dimensionen, wie z. B. die Verwendung unterschiedli cher Zinskurven, Haltedauern und Berechnungen der Zinsveranderungen, in die Untersuchung miteinbezogen. Weiterhin sollen Handlungsimplikatio nen fur Kreditinstitute zum Umgang mit Autokorrelationseffekten in der Historischen Simulation, im Sinne der jahrlichen Uberprufung der Ange messenheit vorgestellt werden. Der Beitrag schliest mit einer abschliesen den Zusammenfassung und einem Ausblick auf anverwandte Fragestellun gen zur Zinsrisikomessung mit der Historischen Simulation.
author_names: Noel Boka
title: Zur Sinnhaftigkeit der Historischen Simulation in der Zinsbuchsteuerung
year: 2018

abstract: Die Untersuchung von Ultraschallausbreitung in periodischen Strukturen ist aktuell von grosem Interesse fur eine zielgerichtete Beeinflussung der Schallausbreitung. Die bekanntesten Vertreter periodischer Strukturen sind die sogenannten phononischen Kristalle. Als phononischen Kristall bezeichnet man eine periodische Struktur bestehend aus einer Matrix, in die Storungen aus einem zweiten Material eingebracht worden ist. Dabei unterscheiden sich Matrixmaterial und das eingebrachte Material sehr stark in ihren akustischen Eigenschaften. Ein phononischer Kristall erzeugt Bandlucken, in denen die Schalltransmission durch den Kristall vollstandig unterbunden ist. Auserhalb der Bandlucken hingegen findet eine ungehinderte Schallausbreitung statt. Diese speziellen Eigenschaften konnen beispielsweise dazu genutzt werden, frequenzselektive Wellenleiter zu konzipieren oder Schallfelder zu fokussieren. Die Kristallstrukturen konnen anhand der Anzahl der Dimensionen, in welchen eine Schallausbreitung unterbunden wird, unterteilt werden. So verhindert ein eindimensionaler Kristall nur die Schallausbreitung in eine Raumrichtung, wohingegen ein zwei oder dreidimensionaler Kristall die Schallausbreitung in mehreren Raumrichtungen unterbindet. Fur technische Anwendungen sind aufgrund ihrer einfachen Fertigung insbesondere ein und zweidimensionale Strukturen von Interesse. In den vorgestellten Arbeiten werden ein und zweidimensionale Kristalle theoretisch und experimentell untersucht. Fur den eindimensionalen Fall wurde eine entartete Form des phonischen Kristalls gewahlt, wobei ein Vollzylinder mit periodischer Querschnittsanderung betrachtet wurde. Ziel ist es dabei, die Schallausbreitung in axialer Richtung zu verhindern. Inspiriert wurde diese Anordnung durch die in [1] vorgestellte Tubular Bell Geometrie und dient als Vorarbeit fur die Entwicklung eines Sensorsystems. Im Falle des zweidimensionalen Kristalls wird die Schallausbreitung in einer Platte mit regelmasigen Bohrungen untersucht. Hier soll keine Schallausbreitung in der Ebene stattfinden. Als Voruntersuchungen werden zunachst Berechnungen mit Hilfe der Finiten Elementen Methode (FEM) und der Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) durchgefuhrt. Fur die Berechnung der Dispersionskurven der Strukturen wurde COMSOL Multiphysics genutzt. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse liefern eine Vorhersage der Ubertragungseigenschaften der Strukturen. Zur Simulation der Schallausbreitung in der eindimensionalen Struktur wird ein effizienter, achsensymmetrischer Ansatz der SBFEM verwendet. Hierbei entsteht ein numerisches Modell mit einer sehr geringen Anzahl an Freiheitsgraden. Diese effiziente Beschreibung ermoglicht eine zielgerichtete Optimierung der Geometrie der Struktur in Hinblick auf die geforderten akustischen Eigenschaften. Anhand der Simulationsergebnisse werden Testkorper fur beide Strukturen gefertigt und deren Ubertragungsverhalten im Vergleich mit den numerischen Ergebnissen experimentell uberpruft. [1] Lucklum R. Zubtsov M. Pennec Y. Tubular Bell Ein neuartiger Ultraschall Rohrsensor, 3. Workshop des Fachausschusses der DEGA e.V. Messtechnische Anwendung von Ultraschall 20.06 22.06.2016, Kloster Drubeck
author_names: Paul Wasmer
title: Ultraschallausbreitung in periodischen Strukturen Simulation und Experiment
year: 2018

abstract: 6 Zusammenfassung und Ausblick Die hydrothermal induzierte Phasentransformation konnte fur ATZ Keramik mit tiefenge mittelten und tiefenaufgelosten Methoden charkterisiert und quantifiziert werden. Die zeit und temperaturabhangige Alterungskinetik von ATZ wurde durch neun Tempera turstufen in einem Temperaturbereich von 50 degC bis 134 degC untersucht und die kinetischen Parameter nummerisch bestimmt. Fur 3Y TZP wurde diese Prozedur bei drei Temperaturen im Temperaturbereich von 70 degC bis 134 degC angewendet. Aufgrund des ARRHENIUS Verhaltens der Umwandlungskinetik konnte der zeitliche Verlauf der isotherm stattfinden den hydrothermal induzierten Phasentransformation bei Korpertemperatur simuliert wer den. Die Simulation dient zur Bewertung der Langzeitstabilitat von medizinischen Implanta ten aus ATZ bzw. 3Y TZP. Die Untersuchungen wurden in Wasser und in Wasserdampf bzw. wasserdampfgesattigter Luft durchgefuhrt. Die Langzeitsimulation fur 3Y TZP wurde an hand von Explantat Untersuchungen verifiziert. ATZ zeigt gegenuber 3Y TZP eine hohere Alterungsstabilitat bezogen auf die zeitliche Ent wicklung der monoklinen Phase. Im Hinblick auf die Oberflachenharte, die durch die Pha senumwandlung stark beeinflusst wird, erweist sich ATZ uber einen langen Alterungszeit raum stabiler als 3Y TZP. Bis zu einem monoklinen Gehalt von 40 beweist ATZ einen deutlichen Hartevorteil gegenuber 3Y TZP, dieser entspricht in der Langzeitsimulation fur die Wasserlagerung ca. 35 Jahre. Das wirkt sich insbesondere bei Verschleispaarungen wie beim kunstlichen Huftgelenk positiv aus. Verschleisuntersuchungen an einer neu entwickelten Kugel auf Scheibe Geometrie mit li nearer Kinematik, die dem Huftgelenk nachempfunden wurde, belegen die vorteilhaften Verschleiseigenschaften von ATZ in Form von sehr geringen Abtragsraten und einer intak ten Oberflache nach 720 000 absolvierten Zyklen. Dabei wurde sogar eine Aufhartung der Oberflache durch die Verschleisbeanspruchung um bis zu 8 nachgewiesen. Bei der tiefengemittelten Charakterisierung der hydrothermalen Alterung wurde in beiden Materialtypen festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Phasentransformation neben der Temperatur merklich von der Anderung der H2O Stoffmengenkonzentrantion an der Ober flache der Keramik abhangig ist, was sich mit den unterschiedlichen Aktivierungsenergien fur Wasser bzw. Wasserdampflagerung belegen lasst. Die Aktivierungsenergie Ea der hyd rothermalen Phasentransformation wurde mit Hilfe der ARRHENIUS Beziehung ermittelt und betragt fur ATZ bei Wasserdampflagerung 102 kJ/mol und bei Wasserlagerung 92 kJ/mol. Fur Y TZP betragt die Aktivierungsenergie 114 kJ/mol bei Wasserdampflagerung und 102 kJ/mol bei Wasserlagerung. Der resultierende praexponentielle Faktor k0 unterscheidet sich fur Wasserlagerung und Wasserdampflagerung um eine Grosenordnung, was auf einen leicht andersartigen thermisch aktivierten Gesamtprozess hinweist. Der Avrami Exponent n, der einen Hinweis auf den Mechanismus der Keimbildung sowie deren geometrische Ordnung geben kann, zeigte keine signifikante Abhangigkeit von der Temperatur und vom Umgebungsmedium. Er ist dagegen zeitabhangig und fallt mit zuneh mender Alterungszeit, d.h. mit zunehmendem monoklinem Gehalt von ca. 4 auf 0,5 ab, was auf eine abnehmende Keimbildungsrate hindeutet. In Verbindung mit weiteren Untersu chungen durch unabhangige und zum Teil tiefenauflosende Methoden wie GIXRD, NRA und Knoop Mikroharte Messungen lasst sich der Alterungsmechanismus, bzw. sein zeitlicher und ortlicher Ablauf, durch die drei Stadien A, B und C beschreiben: A 0 5 ma. m ZrO2 Quasi homogene Keimbildung an bevorzugten Orten wie Kornkan ten und Kornecken (n4) Wassertransport wahrscheinlich via Korngrenzendiffusion, Aufhartung der Oberflache B 5 40 ma. m ZrO2 Keimbildung an den Korngrenzflachen bis zur Keimsattigung (n2) monokline Randschicht wachst zeitlich linear, Wassertransport konvektiv uber Mikrorisse, deutlicher Harteverlust der Oberflache C 40 ma. m ZrO2 Wachstum der monoklinen Kristallite von den Korngrenzflachen in die tetragonalen Kristallite unter starker Verzwillingung (n0,5) Abnahme der tetragonalen Kristallitgrose, starke Mikrorissbildung, dramatischer Ruckgang der Oberflachenharte Die Kristallitgrose der monoklinen Phase verbleibt im ATZ uber alle drei Abschnitte bei 30 5 nm. Ein Anwachsen der Kristallite ist mechanische behindert. Kleinere monokline Kristallite sind im ATZ thermodynamisch instabil. Die Kristallitgrose der tetragonalen Phase fallt in den Abschnitten A und B sehr langsam und in C sehr schnell bis auf 25 nm ab. Bei dieser Kristallitgrose ist die tetragonale Phase gegenuber der monoklinen Phase thermody namisch stabil. Diese residualen tetragonalen Kristallite weisen nach vollstandigem Reakti onsablauf einem Anteil von 7 ma. auf. Der Sattigungsgehalt der monoklinen Phase betrug in beiden Materialen unabhangig von der Temperatur bzw. dem Umgebungsmedium 75 der ZrO2 Phase. In Abschnitt C besitzt die residuale tetragonale Phase eine starke Orientierung. Dadurch wird die geometrische Bedingtheit der hydrothermal induzierten Phasenumwandlung ver deutlicht. Die monokline Phase ist uber den gesamten Alterungsprozess stark nach m(1 1 1) orientiert, was mit einer bevorzugten Umklapprichtung der c Achse zur freien Oberflache hin verbunden ist. Mit Hilfe der tiefenaufgelosten Phasenanalyse konnte die Wachstumsgeschwindigkeit der monoklinen Randschicht von der Oberflache in das Volumen untersucht werden. Die Ge schwindigkeit des Schichtwachstums ist in Abschnitt B nicht zeit und tiefenabhangig, son dern konstant mit ausgepragtem ARRHENIUS Verhalten (Temperaturabhangigkeit) Die Akti vierungsenergie der Schichtwachstumsgeschwindigkeit km liegt in der gleichen Grosenord nung wie die der Transformationskonstante k. Die Umwandlungszone schreitet also mit konstanter Geschwindigkeit in das Volumen fort und hinterlasst ein verzweigtes Mikro und Nanoriss System. FESEM Aufnahmen bestatigen das Vorhandensein einer porosen Randschicht, durch die das Wasser nahezu ungehindert eindringen kann. NRA Untersuchungen deuten in Stadium A auf Korngrenzendiffusion hin und bestatigen in Stadium B einen konvektiven Transport des Wassers an die Transformationszone. Eine Dif fusion uber Sauerstoffleerstellen im Gitter konnte anhand von Proben aus 8YSZ nicht nach gewiesen werden. Dagegen kommt es in dem verzweigten Riss und Porensystem in der gealterten Randschicht zum Rucktransport des Wassers an die Oberflache, sobald die Pro ben aus der hydrothermalen Atmosphare genommen, an Luft gelagert oder in die Hochva kuumkammer der NRA Messapparatur eingeschleust werden. Mikrostrukturelle Untersuchungen an eigens entwickelten Verschleispaarungen zeigten nach 720000 Zyklen ahnliche Oberflacheneigenschaften wie im Alterungsstadium A. Man kann daher davon ausgehen, dass die Stadien B und C aus Stabilitatsgrunden in der tribolo gischen Kontaktzone nicht existieren konnen und es dass sich im Falle einer gleichzeitigen, hydrothermalen und tribologischen Beanspruchung um einen stationaren Alterungs und Verschleisprozess handelt. Durch quasiplastische Deformation der monoklinen und tetra gonalen Kristallite wird die Verschleisrate und die Abriebpartikel bei einer hart /hart Paa rung aus ATZ deutlich minimiert, so dass ATZ fur die Huftendoprothetik ein durchaus geeig neten Werkstoff darstellt, der sich auf der Grundlage der in dieser Arbeit gewonnenen Daten uber eine Imlantationsdauer von .mehr als 15 Jahre stabil verhalten kann.
author_names: Jens Schneider
title: Untersuchungen zum Alterungsverhalten und zur Langzeitstabilitat von Y TZP/Al2O3 Dispersionskeramiken (ATZ) fur die Anwendung in der Huft Endoprothetik
year: 2012

abstract: Das masgeschneiderte Material fur eine Anwendung zu finden oder ein Material auf seine Anwendung hin zu optimieren, ist Inhalt zahlreicher Forschungsvorhaben. Dort wo Produktionskosten eine grose Rolle spielen, wird so versucht die Effizienz eines Prozesses weiter zu erhohen. Ein Beispiel hierfur ist die Produktion von Presswerkzeugen in der Automobilindustrie. Die Presswerkzeuge sollten zum Beispiel einen hohen Verschleiswiderstand aufweisen, um die Lebenszeit eines Automobilmodells ohne Nacharbeiten uberdauern zu konnen. Gleichzeitig sollten die Werkzeuge moglichst kostengunstig in der Produktion sein. Der Werkstoff der hier, in der Regel, verwendet wird, ist ein perlitischer Grauguss mit globularen Graphitspharolitausscheidungen. Dieser entspricht dem Anforderungsprofil, das an einen Werkstoff fur ein Presswerkzeug gestellt wird: hohe Verschleisfestigkeit bei geringen Produktionskosten. Ein neuer Weg um den Herstellungsprozess von Umformwerkzeugen effektiver zu gestalten hat sich in den letzten Jahren in der Industrie durchgesetzt. Hierbei wird das zeitraubende manuelle Polieren der Werkzeugoberflachen durch einen maschinellen Einglattungsprozess, dem Maschinellen Oberflachenhammern, ersetzt. Das Oberflachenhammern ein zyklisches Schlagen einer Hartmetallkugel auf die Werkstoffoberflache wird bereits heute in der Serienproduktion der Automobilindustrie verwendet. Durch Fuhrung des Hammerkopfes mit einem Roboter konnen so Frasriefen der Oberflache vollautomatisiert eingeglattet werden. Neben der Einglattung tritt auch eine Kaltverfestigung der Oberflache auf. Vor Verwendung dieses Verfahrens wurde die Oberflache der Umformwerkzeuge, welche oft mehrere Quadratmeter gros ist, per Hand poliert. Um Gewicht im Automobil einzusparen werden zunehmend hoherfeste Bleche verwendet. Dies hat zur Folge, dass die Belastung der Oberflache der Presswerkzeuge ansteigt. Der herkommlich verwendete Grauguss weist hierfur nicht mehr die notigen Materialeigenschaften auf. Es kommt zur Schadigung der Werkzeugoberflache beim Abpressen hoherfester Bleche. Um dieses Problem zu losen werden bisher zwei Wege verfolgt. Zum einen wird an hochbelasteten Stellen des Presswerkzeugs ein hoherfester (lasergeharteter) Stahl verwendet. Zum anderen wird der Grauguss durch Laserharten an der Oberflache in den martensitischen Zustand uberfuhrt. Beide Wege weisen dabei Nachteile auf. Erstens sind Stahle um ein vielfaches teurer als der bisher verwendete Grauguss und zweitens macht das Laserharten, welches einen zusatzlichen Prozessschritt darstellt, den Gesamtherstellungsprozess der Umformwerkzeuge weniger effektiv. Ein weiterer Prozessschritt bedeutet teurere Produktionskosten und des Weiteren kann es zum thermischen Verzug der Werkzeugoberflache kommen. Die durch das Hammern eingebrachte Kaltverfestigung der Oberflache ist alleine jedoch nicht ausreichend, um auf die erwahnten Hartungsprozesse verzichtet zu konnen. Hier setzt diese Arbeit an. Ziel ist es die Mikrostruktur des bisher verwendeten Gusswerkstoffes EN JS2070 in der Weise anzupassen, dass durch das Maschinelle Oberflachenhammern, eine glatte und gleichzeitig ausreichend harte Oberflache erzeugt wird. Diese Oberflache sollte dabei deutlich harter als das Grundmaterial sein, so dass das Tiefziehen hoherfester Bleche moglich wird. Die Mikrostruktur von EN JS2070 soll in der Weise angepasst werden, dass diese auf die ausere Belastung des Hammerns eine martensitische Oberflache bildet. Dafur erfolgt eine zweistufige Warmebehandlung, um das Gefuge von EN JS2070 in ein austenitisch ferritisches (ADI) Gefuge umzuwandeln. Es entsteht metastabiler Austenit, welcher unter Verformung in harten Martensit umwandeln kann. Die notige Verformung soll durch das Oberflachenhammern eingebracht werden. Dabei ergibt sich unter anderem die wissenschaftliche Fragestellung nach dem Einfluss der Warmebehandlungsparameter (Austenitisierungstemperatur, zeit, Ausferritisierungs temperatur, zeit) auf die ADI Mikrostruktur. Der Fokus liegt hier auf dem Anteil an metastabilem Austenit und dessen Kohlenstoffgehalt, da diese beiden Parameter zum einen den Anteil an erzeugbarem Martensit und zum anderen dessen Harte bestimmen. Hieraus soll eine Strategie zur optimalen thermomechanischen Behandlung des Ausgangswerkstoffes abgeleitet werden. Eine detaillierte Analyse des Einflusses von Kohlenstoff auf die Austenitstabiltitat soll durch Kombination aus mikromechanischer Untersuchung und Simulation des Hammerprozesses erreicht werden.
author_names: Jan Scheil
title: Entwicklung von Austenitisch Ferritischem Gusseisen (ADI) aus EN JS2070: Mikrostruktur, mechanische Eigenschaften und deren Auswirkung auf die Oberflachenbearbeitung durch das Maschinelle Oberflachenhammern
year: 2016

abstract: Stahlbetontragwerke sind eine wichtige Konstruktionsweise im Bauwesen und ein wachsendes Anwendungsfeld fur die Zerstorungsfreie Prufung (ZfP) Zur Sicherung der Tragsicherheit, strukturellen Integritat, Bestimmung von Geometrien und zur Detektion konstruktiver Elemente wie z.B. Bewehrung, Verankerungen und Spannkanalen besitzen zerstorungsfreie Prufverfahren in diesem Bereich inzwischen grose Relevanz. Durch den bislang erreichten Fortschritt in der Forschung und Entwicklung haben moderne akustische und elektromagnetische Verfahren eine beachtliche Leistungsfahigkeit erreicht. Von Gerateherstellern sind diese in kommerziellen Produktserien umgesetzt worden und finden eine zunehmend breite Anwendung in der Praxis. In einigen anderen Anwendungsgebieten, in denen die ZfP bereits fester Bestandteil von Uberwachungen ist, wie z.B. im Maschinenbau und insbesondere in der Kerntechnik und der Luftfahrt, existieren umfangreiche Qualitatssicherungssysteme fur die konforme Anwendung und zuverlassige Einbeziehung der ZfP. Dem relativ jungen Entwicklungsstadium moderner ZfP fur Stahlbetonbauteile entsprechend mussen solche Konzepte im Bauwesen erst noch entwickelt bzw. implementiert werden. Dementsprechend hat sich der Unterausschuss Qualitatssicherung (UA S) des Fachausschusses ZfP im Bauwesen (ZfPBau) die Definition und Verbesserung der Qualitat von ZfP Anwendungen sowie insbesondere die verfahrensunabhangige Standardisierung von Prufprozeduren und statistische Absicherung der Prufergebnisse zum Ziel gemacht. Die aktuellen Arbeitsfelder beinhalten die Entwicklung praxisgerechter Konzepte fur Prufprozeduren und deren Erprobung in einem Ringversuch sowie die Konzeption von Testkorpern hinsichtlich unterschiedlicher Aspekte wie Parameterstudien, Validierung, Kalibrierung und Simulation. Dabei werden Ansatze anderer Branchen durchaus einbezogen, die Anpassung an die spezifischen Bedurfnisse und Gegebenheiten des Bauwesens wird jedoch als wesentlich angesehen und stellt somit eine wichtige Vorgabe dar. Da die Tatigkeiten nicht auf einzelne Verfahren begrenzt sind, mussen generelle Vorgehensweisen entwickelt werden, die sich auf die jeweiligen Verfahren konkretisieren lassen. Der Vortrag gibt hierzu erste Einblicke in die Arbeit des Ausschusses.
author_names: Daniel Walther

A Denzel

W Ebsen

B Feistkorn

Sebastian Friese

Martin Grosse

C Kathage

Stephan Kessler

Stephan Kopp

Christina M Krause

Magdalena Maack

S Schickert

M Taffe

A Timofeev

J Wilcke

Marcus Wolf
title: Qualitatssicherung und Validierung der Anwendung zerstorungsfreier Prufungen von Stahlbetonbauteilen im Bauwesen
year: 2018

abstract: Eines der zentralen Probleme der Automatisierungs Kontroll und Sicherheitstechnik stellt die schnelle und prazise Erfassung von bewegten dreidimensionalen Objekten und ihrer raumlichen Orientierung dar. Herkommliche optische Bildsensoren, die lediglich 2D Aufnahmen mit Farbinformation liefern, stosen hierbei schnell an ihre Grenzen. Bei konventionellen nach dem Prinzip der Stereoskopie arbeitenden Verfahren, mit deren Hilfe aus zwei oder mehr 2D Bildern Tiefeninformation gewonnen werden kann, lasst sich das Korrespondenzproblem oftmals nur mit hohem Rechenaufwand oder nur teilweise losen. PMD Sensoren, deren Funktionsprinzip auf Lichtlaufzeitverfahren basiert, liefern dagegen vektorielle dreidimensionale Messwerte eines 3D Raums und ermoglichen somit direkt die 3D Darstellung und Lokalisierung von Objekten. Sie sind selbstbeleuchtend im Infrarotbereich und konnen daher auch bei schlechteren Sichtverhaltnissen (Nebel, Regen, Dunkelheit) im Gegensatz zu konventionellen optischen Systemen weitgehend zuverlassig arbeiten. Dank dieser Eigenschaften bieten PMD Bildsensoren einen wesentlichen Vorteil gegenuber anderen Bildsensoren. Obwohl die neueren Generationen der PMD Sensoren bezuglich der Messgenauigkeit stark verbessert wurden, zeigen dennoch die zahlreichen Untersuchungen der letzten Jahre, dass die gemessenen Tiefenwerte, teilweise prinzipbedingt, von mehreren systematischen Fehlern verfalscht werden (Rauschen, Bewegungsartefakte, fliegende Pixel, Messfehler aufgrund des multistatischen Aufbaus der Kamera usw. Ein sehr effektives Werkzeug bei den Untersuchungen solcher Fehler stellen Simulationen dar. Mit ihrer Hilfe konnen den Anwendern, Algorithmenentwicklern und Systemplanern weitgehend unabhangig vom Entwicklungsstand und fortschritt der PMD Sensorhardware synthetische Referenzdaten erstellt sowie Erkenntnisse gewonnen werden, die in den Bereichen der Entwicklung dazu beitragen konnen, die Fehler zu klassifizieren und die existierenden Prozessierungs und Koregistrierungsansatze weiterhin zu verbessern und zu optimieren. Mit synthetischen Testdaten konnen Algorithmen vorab auf ihre Funktionstuchtigkeit untersucht, Systemkonfigurationen auf ihre Eignung fur eine spezielle Anwendung uberpruft und Anwendern der PMD Technologie vor dem realen Einsatz bereits ein Bild von der Leistungsfahigkeit, bzw. den Leistungsgrenzen einer bestimmten PMD Konfiguration vermittelt werden. Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung und Entwicklung eines solchen universell einsetzbaren PMD Simulators. One of the central problems of automation, control and safety technology is fast and accurate detection of moving objects and their spatial orientation. Conventional optical sensors providing only 2D images with color information are not fully suitable for this. In conventional methods, according to the principle of stereoscopy, two images from the field of interest from different viewpoints are required to capture the object surface. An efficient real time capable solution of the correspondence problem associates with high computational costs and is for some object types only partially solved. In contrast, PMD sensors, whose operating principle is based on the measurement of the light propagation time, provide without further processing three dimensional vector measurements of the environment and thus allow a direct 3D visualization and localization of objects. Another advantage over other image sensors is due to the self illuminating construction the ability to suppress the most of the background light coming from artificial lighting or the sun and to increase thus the dynamic range. The newer generations of PMD sensors have been greatly improved in terms of the measurement accuracy. However, the numerous studies have shown that the measured distance values are superposed with systematic errors (noise, motion artifacts, flying pixels, measurement error due to the multistatic constellation of the camera, etc. Simulations are a very effective tool in the investigation of such errors. They can support algorithm developers and system designers for generating synthetic reference data of the PMD sensor hardware. The results can help to classify the errors and to improve the existing processing and coregistration algorithms. By using synthetic test data algorithms can previously be tested for their ability to function and system designs can be appraised for their suitability for a particular application. This work deals with the modeling and development of such a universal PMD simulator.
author_names: Valerij Peters
title: Phanomenologische Modellierung und multistatische Simulation von Time of Flight 3D PMD Kameras
year: 2013