Anwendung

 

Antimikrobielle Photodynamische Therapie

Schematische Darstellung der aPDT. Urheberrecht: Fraunhofer ILT Schematische Darstellung der aPDT.

Bei der Parodontitisbehandlung findet die laserinduzierte antimikrobielle Photodynamische Therapie (aPDT) heute bereits in leichten Fällen der Parodontitis und als Ergänzung zu den konventionellen mechanischen oder antiinfektiven Behandlungsformen Anwendung. Durch einen photoaktiven Wirkstoff werden unter Einstrahlung von Laserlicht die für die Progression der Erkrankung verantwortlichen Leitkeime selektiv zerstört. Um das Potential dieser Therapieform voll auszuschöpfen, ist ein grundlegendes Verständnis der ablaufenden physikalischen und biochemischen Prozesse notwendig und wird durch eine mathematisch-physikalische Modellierung angestrebt. Insbesondere umfasst diese mathematisch-physikalische Modellierung die Ausbreitung der Laserstrahlung in stark streuenden biologischen Geweben (z.B. dem Zahnhalteapparat) und die Beschreibung der dort ablaufenden photochemischen Reaktionen mithilfe von Ratengleichungen. Die Untersuchungen zielen auf ein dynamisches, räumlich verteiltes mathematisch-physikalisches Modell zur Analyse und Auslegung der aPDT. Mithilfe dieses Ansatzes wird eine Überwachung des Therapieerfolgs ermöglicht.

 

Schneiden

Simulation zum Bohren mit Nanosekunden-Pulsen. Urheberrecht: Fraunhofer ILT Simulation zum Bohren mit Nanosekunden-Pulsen.

Das intelligente Einrichten und die systematische Fehlerdiagnose zur Instandhaltung sind technische Anwendungen auf dem Weg zu der Vision einer virtuellen Schneidmaschine. Mit der virtuellen Schneidmaschine wird die Entwicklung des Schneidens bei definierter Qualität weiter an die physikalischen Grenzen von Laserstrahl, Maschine und Prozess geführt. Durch die Kombination von Diagnose und Simulation wird eine Systematisierung des Zusammenhanges von Schnittqualität und Schneidparametern angegeben. Die Analyse der Schnittqualität führt zu mindenstens drei unterschiedliche Typen von Riefen und vier unterschiedliche Typen von anhaftendem Bart. Die Entstehung der unterschiedlichen Riefen- und Barttypen wird durch einen überschaubaren Satz von Parametern,deren Dynamik und das Zusammenwirken beim Schneiden beschrieben. Die Formulierung von inversen Aufgaben gibt Hinweise auf eine vorteilhafte Strahlformung.

 

Schweißen

Simulation zum Schneiden. Urheberrecht: Fraunhofer ILT Simulation zum Schneiden.

Die Arbeiten zum Schweißen stellen eine Anwendung sowie Erweiterung der Ergebnisse zum Schneiden dar und zielen auf die modellgestützte Qualitätssicherung, die Berechnung des Schweißverzugs und die Analyse der Eignung neuer Laserstrahlquellen. Zum Auffinden von Maßnahmen zur modellgestützen Qualitätssicherung werden die Dynamik der verdampfungsgetriebenen Schmelzströmung und deren Auswirkung auf die Nahtform, die Morphologie der Nahtoberraupe und die Porenbildung untersucht. Die Berechnung des Schweißverzugs mit kommerziell verfügbaren Simulationswerkzeugen ist nicht ausreichend zuverlässig. Um die Ursachen für die mangelnde Qualität der verfügbaren Simulationen aufzufinden, wird die strukturelle Stabilität der zugrundeliegenden Modelle untersucht und um den Einfluss der dynamischen Vorgänge beim Schweißen sowie um eine verfeinerte Behandlung der thermomechanischen Wirkungen erweitert.

 

Bohren

Verschlussbildung beim Bohren mit Mikrosekunden-Pulsen. Urheberrecht: Fraunhofer ILT Verschlussbildung beim Bohren mit Mikrosekunden-Pulsen.

Die Modellbildung und Simulation zum Bohren mit Laserstrahlung zielt im wesentlichen auf: Die Vermeidung von Recast an der Bohrungswand für große Pulsdauer (Mikrosekunden) und die Vergrößerung der Bohrgeschwindigkeit für kleinere Pulsdauer (Piko- bis Nanosekunden). Die Analyse des Bohrens mit großer Pulsdauer führt auf die Identifikation von vier unterschiedlichen Phänomenen, deren dynamisches Zusammenwirken die Bildung von Recast an der Bohrungswand bewirken. Für kleinere Pulsdauer und größere Intensität der Laserstrahlung werden zusätzlich die Trägheit der Schmelze, die Rekondensation des Dampfes an der Bohrungswand, die Reflexion von Strahlung und die Änderung der Zustandsgleichung bei Annäherung an die kritische Temperatur von Bedeutung.