Verlagspublikationen

Diese wissenschaftliche Arbeit befasst sich mit physiologischen Belastungen von Personen, die aufgrund ökonomischer Gesichtspunkte ihre Tätigkeit nach dem Prinzip des Akkordlohnes ausüben. Dabei ist zu berücksichtigen, dass dieser Entlohnungsgrundsatz einen besonderen Aspekt der Belastung darstellt. Ein weiterer Einflussfaktor ist das Schichtsystem, welches ebenfalls thematisiert wird. Zur Ermittlung der individuellen physiologischen Belastung/Beanspruchung wurden die geläufigsten und der gegenwärtige arbeitswissenschaftliche Forschungsstand an Beurteilungs- und Bewertungsmethoden vorgestellt. Durch eine Matrixbewertung konnte für diese Untersuchung die arbeitswissenschaftlich sinnvollste Bewertungsmethode definiert werden. In dieser Arbeit war dies das CUELA-Verfahren und die Leitmerkmalmethode zur Risikoabschätzung von physiologischen Belastungen bei manuellen Arbeitsprozessen. Auf Basis von dadurch entstandenen Erkenntnissen zum Beispiel in Form von ungünstigen Körperhaltungen oder zu hohen Körperkräften ergaben sich Fragestellungen und wurden Hypothesen aufgestellt. Diese konnten im Laufe der Arbeit systematisch untersucht und beantwortet werden. Eine Untersuchungsmethodik definierte dazu den Umfang der Erhebung. Dabei kam die statistische Versuchsplanung zum Einsatz. Mittels der daraus resultierenden Ergebnisse war eine Überprüfung der Hypothesen möglich. Außerdem konnten andlungsempfehlungen für das Unternehmen und bestehende arbeitswissenschaftliche Defizite abgeleitet werden. So wurde z. B. ein Modell entwickelt, welches eine Kennzahlenberechnung zur physiologischen Gesamtbelastung/-beanspruchung der oberen Extremitäten ermöglicht. Um diesen neuen Modell einen praktikablen Aspekt zu verleihen, wurde eine eigenständige Software entwickelt. Diese ermöglicht dem Benutzer einen effektiven Umgang unter softwareergonomischen Bedingungen. Mit diesen Maßnahmen konnten arbeitswissenschaftliche Beiträge geleistet werden und gleichzeitig durch diverse technische und organisatorische Maßnahmen eine Reduktion von physiologischen Belastungen/Beanspruchungen im Unternehmen erzielt werden.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit den thermischen Eigenschaften reaktiver Mehrschichtsysteme. Reaktive Mehrschichtsysteme sind schichtweise aufgebaute Materialien oder Folien, die zumeist aus Einzelschichtdicken zwischen 1 und 100 nm und einer Gesamtschichtdicke zwischen 1 und 500 [my]m bestehen. In den meisten Fällen sind derartige Schichten aus metallischen oder oxidischen Materialien aufgebaut, die nach dem Erreichen der Aktivierungsenergie exotherm reagieren. Im Fall von metallischen Schichten geschieht die Erzeugung von Wärme meist unter Bildung intermetallischer Phasen. Die Vorteile bei rein metallischen Schichten bzw. Folien liegen darin, dass die Reaktion ohne Zufuhr von Sauerstoff oder anderen Gasen stattfinden kann. Die erreichten Temperaturen können dabei mehr als 1600˚C betragen. Demzufolge sind diese Schichten und Folien gut geeignet, um Bauteile stoffschlüssig zu fügen. Die Reaktionszeiten liegen dabei lediglich im Mikro- und Millisekundenbereich. Dadurch kann die thermische Belastung für die zu fügenden Bauteile sehr viel geringer sein als bei herkömmlichen Fügemethoden, zum Beispiel dem Schweißen. Ziel der folgenden Ausführungen und Untersuchungen war die Analyse verschiedener Materialkombinationen, die als reaktive Mehrschichtsysteme zum Fügen von Bauteilen geeignet erscheinen. Als mögliche Materialkombinationen wurden die Systeme Aluminium-Nickel, Aluminium-Titan, Titan-Silizium und Aluminium-Kupfer untersucht. Diese sollten insbesondere auf die erzeugte Wärmemenge und auf die Reaktionsgeschwindigkeit bzw. die Geschwindigkeit der Reaktionsfront hin untersucht werden. Es hat sich gezeigt, dass auch das Wissen um die Diffusionseigenschaften der Materialien essenziell für die Bestimmung verschiedener thermischer Eigenschaften derartiger Materialsysteme ist. Die Diffusionskoeffizienten für die vier genannten Materialsysteme wurden mittels optischer Glimmentladungsspektroskopie an 2 [my]m dicken Doppelschichtsystemen bestimmt. Resultierend aus der im Vergleich zur Literatur geringeren Aktivierungsenergie für die Diffusion wurde als dominierender Diffusionsmechanismus für diese gesputterten Schichten die Korngrenzendiffusion ermittelt. Die Geschwindigkeiten der Reaktionsfront lagen zwischen 0,5 m/s für das Aluminium-Kupfer System als Beispiel für ein langsam reagierendes System und 22 m/s für das Titan-Silizium System als das am schnellsten reagierende Mehrschichtsystem. Die Reaktionsenergie wurde mittels Differential Thermoanalyse untersucht. Dabei konnte neben den Reaktionsenthalpien auch die Aktivierungsenergie für reaktive Mehrschichtsysteme in Abhängigkeit von der Gesamtschichtdicke ermittelt werden. Es zeigte sich, dass zwei verschiedene Mechanismen als entscheidend für die Reaktion in Betracht kommen. Zum Einen ist bei den Systemen Aluminium-Nickel, Titan-Silizium und Aluminium-Kupfer die Diffusion die treibende Kraft der Reaktion und somit die Aktivierungsenergie der Reaktion auch sehr nah zur Aktivierungsenergie der Diffusion. Zum Anderen zeigte sich im System Aluminium-Titan, dass die Reaktion eher durch Grenzflächenmechanismen bestimmt wird, was zu einer erhöhten Aktivierungsenergie der Reaktion im Vergleich zur Diffusion führt. Weiterhin wurde die Anwendung reaktiver Mehrschichtsysteme zum Bonden zweier Bauteile untersucht. Dazu wurden neben den gesputterten Schichten aus dem Aluminium-Nickel System auch kommerziell erhältliche Nanofoils ® basierend auf dem gleichen Schichtsystem untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Verwendung solcher reaktiven Schichten vergleichsweise gut geeignet ist, um Materialien und Bauteile miteinander zu fügen. Es konnte eine maximale Haftfestigkeit für das Bonden zweier Aluminiumoxid-Substrate mit Hilfe kommerzieller Nanofoils® von 10 bis 30 N/mm 2 erreicht werden. Zudem zeigte sich, welchen Einfluss die Rauheit der Bauteile auf die Qualität des Bonds hat und inwieweit reaktive Schichten im Vergleich zu herkömmlichen Lotmaterialien auf Grund ihrer Wärmeleitfähigkeit nach der Reaktion geeignet sind, um wärmeerzeugende Bauteile mit Wärmesenken zu verbinden. Die erzielten Ergebnisse können als Beitrag für das Erstellen eines Modells genutzt werden, um sowohl die Reaktion als auch den Einfluss der Reaktion und der daraus resultierenden Temperatur auf die umgebenden Materialien und Bauteile abzubilden und zu beschreiben. Sinnvoll wäre in einem nachfolgenden Schritt die Implementierung eines solchen Modells, um einem zukünftigen Anwender reaktiver Mehrschichtsysteme die Möglichkeit zu geben, aus der Vielzahl reaktiver Mehrschichtsysteme die am Besten geeigneten für den jeweiligen Anwendungsbereich zu ermitteln und den Einfluss auf die Bondpartner zu erhalten.

Diese Arbeit befasst sich mit Al-basierter physikalischer Gasphasenabscheidung als alternatives Herstellungsverfahren einer Rückseitenmetallisierung für nPERT Siliziumsolarzellen. Al-basierte Metallisierungssysteme wie Al, Al-Si-Legierung (1 at% Si) und Al-Si/Al- Schichtstapel wurden in Bezug auf Al-Spiking, spezifischem Kontaktwiderstand und Rückseitenreflexion untersucht und verglichen. Bei Verwendung einer Al-Einzelschichtmetallisierung kam es zur Bildung von Al-Spikes. Wurde eine Al-Si-Legierung aufgebracht, konnte das Al-Spiking vermieden werden, jedoch gleichzeitig mit einer Bildung von starkausgeprägten Si-Präzipitaten. Deswegen wurde ein neuer Ansatz mit einem Al-Si/Al-Schichtstapel statt Einzelschichtsystemen entwickelt. Mit diesem Ansatz und mit einer optimierten Dicke der Al-Si-Schicht konnten sowohl das Al-Spiking als auch die Si-Präzipitation deutlich reduziert werden. Der optimierte Al-Si/Al-Schichtstapel zeigte zusätzlich einen ausreichend niedrigen spezifischen Kontaktwidestand und eine hohe Rückseitenreflexion und darüber hinaus eine deutlich höhere thermische Stabilität verglichen mit dem Al-Einzelschichtmetallisierung.

Die Entwicklung von Cochlea-Implantaten (CI) ist eine einzigartige Erfolgsgeschichte in der Neuroprothetik, welche die Behandlung von tauben und zunehmend hochgradig schwerhörigen Patienten ermöglicht. Die Implantation eines CIs ist dabei ein komplexer Eingriff, der ein erhebliches Risiko des Resthörverlusts birgt. Die aktuelle CI-Versorgung ist jedoch dominiert von der wachsenden Forderung nach sicherem Resthörerhalt. Das führt zu hohen Erwartungen an die Verbesserung der CI-Chirurgie und insbesondere an die Insertion der Elektrodenträger. Wesentliche Fortschritte und die damit verbundenen, technischen Herausforderungen sind nur noch durch ganzheitliche und domänenübergreifende Lösungsansätze zu bewältigen, wie sie die Biomechatronik bietet. Daraus folgt das erklärte Ziel dieser Arbeit: eine eng verzahnte Weiterentwicklung aller für den Resthörerhalt relevanten Prozessschritte. Fokussiert auf das chirurgische Vorgehen wurden für die mechanische Schaffung eines minimal-invasiven Zugangs ins Innenohr, dessen anatomieerhaltende Eröffnung und die automatisierte Insertion der CI-Elektrodenträger mechatronische Komponenten entwickelt und evaluiert. Geprägt waren diese Entwicklungen von einer biologisch fundierten Betrachtungsweise, um die anatomischen Aspekte in der Optimierung bestmöglich auszuschöpfen. Den Ausgangspunkt der Arbeit bildete eine systematische Sekundäranalyse zur Biomechanik der Insertion in Kombination mit einer Analogiebetrachtung zu technischen Füge- bzw. Handhabungsprozessen. Daraus folgte, dass die Anpassung der Gestalt des Implantats an die individuelle Form des Innenohrs von zentraler Bedeutung für den Resthörerhalt ist. In der darauf aufbauenden, simulationsgestützten Optimierung des Insertionsprozesses wurde erstmalig gezeigt, dass die patientenspezifische Adaption des Verformungsverhaltens des Elektrodenträgers an die Cochleaanatomie ein erhebliches und bislang ungenutztes Optimierungspotential bietet. Für die notwendige Automatisierung der Insertion wurde ein modulares Insertionstool konzipiert. Dessen Entwurf ging mit Designempfehlungen für zukünftige Elektrodenträger einher, welche erstmalig die räumlichen Anforderungen des minimal-invasiven Zugangs berücksichtigen. Durch die ganzheitliche, biomechatronische Herangehensweise wurde somit aufgezeigt, wie ein sicheres und zukunftsweisendes Operationsverfahren bereitgestellt werden kann.