The goal of this thesis is to introduce new methods to create intricate perforated shapes in a computing environment. Modeling shapes with a large number of holes and handles, while requiring minimal human interaction, is an unsolved research problem in computer graphics. In this thesis, we have developed two methods for interactively modeling such shapes. Both methods developed create perforated shapes by building a framework of tube like elements, such that each edge of a given mesh is replaced by a pipe. The first method called Wire modeling replaces each edge with a pipe that has a square cross-section. The result looks like a shape that is created by a framework of matchsticks. The second method, called Column modeling allows more rounded cross-sections for the pipes. The cross-sections can be any uniform polygon, and the users are able to control the number of the segments in the cross-section. These methods are implemented as an extension to an existing modeling system guaranteeing that the pipes are connected and the resulting shape can be physically constructed. Our methods require an initial input mesh that can either be imported from a commercially available software package, or created directly in this modeling system. The system also allows the users to export the models in obj file format, so that the models can be animated and rendered in other software packages.

The goal of this thesis is to introduce new methods to create intricate perforated shapes in a computing environment. Modeling shapes with a large number of holes and handles, while requiring minimal human interaction, is an unsolved research problem in computer graphics. In this thesis, we have developed two methods for interactively modeling such shapes. Both methods developed create perforated shapes by building a framework of tube like elements, such that each edge of a given mesh is replaced by a pipe. The first method called Wire modeling replaces each edge with a pipe that has a square cross-section. The result looks like a shape that is created by a framework of matchsticks. The second method, called Column modeling allows more rounded cross-sections for the pipes. The cross-sections can be any uniform polygon, and the users are able to control the number of the segments in the cross-section. These methods are implemented as an extension to an existing modeling system guaranteeing that the pipes are connected and the resulting shape can be physically constructed. Our methods require an initial input mesh that can either be imported from a commercially available software package, or created directly in this modeling system. The system also allows the users to export the models in obj file format, so that the models can be animated and rendered in other software packages.

The discontinuous Galerkin finite element time-domain (DGFETD) method has been successfully applied to the solution of the coupled curl Maxwell’s equations. In this dissertation, important extensions to the DGFETD method are provided, including the ability to model lumped circuit elements and the ability to model thin-wire structures within a discrete DGFETD solution. To this end, a hybrid DGFETD/SPICE formulation is proposed for high-frequency circuit simulation, and a hybrid DGFETD/Thin-wire formulation is proposed for modeling thin-wire structures within a three-dimensional problem space. To aid in the efficient modeling of open-region structures, a Complex Frequency Shifted-Perfectly Matched Layer (CFS-PML) absorbing medium is applied to the DGFETD method for the first time. An efficient CFS-PML method that reduces the computational complexity and improves accuracy as compared to previous PML formulations is proposed. The methods have been successfully implemented, and a number of test cases are provided that validate the proposed methods. The proposed hybrid formulations and the new CFS-PML formulation dramatically enhances the ability of the DGFETD method to be efficiently applied to simulate complex, state of the art radio frequency systems.

In der Photovoltaikindustrie wird der Diamantdrahtsägeprozess für die Fertigung kristalliner Siliziumwafer eingesetzt. In dieser Arbeit wird ein dynamisches Modell des Drahtsägeprozesses entwickelt, das die Simulation relevanter Prozessvariablen über die Prozesszeit und über die Ausdehnung des Drahtfeldes zulässt. Den Kern der Modellierung bildet ein parametrisches Abtragmodell, das die Abtragrate in Funktion verschiedener Prozessvariablen beschreibt. Die Parameter dieses Modells werden anhand von Messdaten identifiziert. Basierend auf dem validierten Modell werden Ansätze zur Rezeptoptimierung untersucht mit dem Ziel, die Produktivität zu steigern. Abschliessend wird ein ausgewählter Ansatz aus der Rezeptoptimierung experimentell validiert. Aus der Versuchsreihe geht hervor, dass mit den entwickelten Ansätzen eine wesentliche Reduktion der Prozesszeit möglich ist.:1. Einleitung 1.1. Einordnung der Arbeit 1.2. Beschreibung des Drahtsägeprozesses mit Diamantdraht 1.3. Technisch-wissenschaftliche Zielsetzungen 1.4. Stand der Technik 1.5. Gliederung der Arbeit 2. Modellierung des Drahtsägeprozesses 2.1. Überblick und Notation 2.2. Modell für den Kontakt zwischen Draht und Siliziumbrick 2.3. Parametrisches Abtragmodell 2.4. Drahttransformationsmodelle 2.5. Rezeptmodell 2.6. Überblick über das Gesamtmodell 2.7. Implementierung in der Simulationsumgebung 3. Identifikation der Modellparameter und Modellvalidierung 3.1. Messdaten und Experimente 3.2. Methodik der Parameteridentifikation 3.3. Ergebnisse und Diskussion 4. Ansätze zur Rezeptoptimierung 4.1. Zielsetzungen und Grundlagen 4.2. Analyse der Prozessvariablen im quasistationären Zustand 4.3. Beschreibung verschiedener Methoden zur Erhöhung des Abtrages 4.4. Simulationsbasierter Vergleich verschiedener Rezepte 5. Experimentelle Validierung der Rezeptoptimierung 5.1. Überlegungen zur Planung und Durchführung der Versuche 5.2. Abgleich mit dem Simulationsmodell 5.3. Auswertung und Diskussion der Versuchsergebnisse 6. Zusammenfassung und Ausblick / In the photovoltaic industry, the diamond wire sawing process is used for the production of crystalline silicon wafers. In this thesis, a dynamic model of the wire sawing process is presented, which enables the simulation of relevant process variables over the process time and the extension of the wire web. The model comprises a parametric material removal model, which describes the removal rate as a function of different process variables. The parameters of this model are identified using experimental data. Based on the validated model, different approaches to the optimization of the recipe are analyzed with the aim of increasing the productivity of the process. Finally, a selected approach is experimentally validated. The series of experiments reveals that a substantial reduction of the process time is achievable using the developed approaches.:1. Einleitung 1.1. Einordnung der Arbeit 1.2. Beschreibung des Drahtsägeprozesses mit Diamantdraht 1.3. Technisch-wissenschaftliche Zielsetzungen 1.4. Stand der Technik 1.5. Gliederung der Arbeit 2. Modellierung des Drahtsägeprozesses 2.1. Überblick und Notation 2.2. Modell für den Kontakt zwischen Draht und Siliziumbrick 2.3. Parametrisches Abtragmodell 2.4. Drahttransformationsmodelle 2.5. Rezeptmodell 2.6. Überblick über das Gesamtmodell 2.7. Implementierung in der Simulationsumgebung 3. Identifikation der Modellparameter und Modellvalidierung 3.1. Messdaten und Experimente 3.2. Methodik der Parameteridentifikation 3.3. Ergebnisse und Diskussion 4. Ansätze zur Rezeptoptimierung 4.1. Zielsetzungen und Grundlagen 4.2. Analyse der Prozessvariablen im quasistationären Zustand 4.3. Beschreibung verschiedener Methoden zur Erhöhung des Abtrages 4.4. Simulationsbasierter Vergleich verschiedener Rezepte 5. Experimentelle Validierung der Rezeptoptimierung 5.1. Überlegungen zur Planung und Durchführung der Versuche 5.2. Abgleich mit dem Simulationsmodell 5.3. Auswertung und Diskussion der Versuchsergebnisse 6. Zusammenfassung und Ausblick