Ein großer Vorteil von Kunststoffbauteilen ist neben funktionellen Vorzügen die Kosten- und Gewichtsreduzierung durch integrale Gestaltungsmöglichkeiten. Es können Geometrien umgesetzt werden, die mit metallischen Werkstoffen nur unter hohem Aufwand realisierbar sind. Insbesondere im Bereich der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) gibt es hohen Forschungsbedarf hinsichtlich Reduzierung von Herstellungskosten, Erhöhung der Langlebigkeit aber auch der Reparaturfähigkeit. Die Erkennung von Defekten ist dabei eine grundlegende Voraussetzung. Für einen FKV-Serieneinsatz im Automobilbau gibt es jedoch kein bekanntes und ausreichendes Prüfkonzept der Schadenserkennung für die geforderten Stückzahlen. Die aus der Luft- und Raumfahrt bekannten Methoden lassen sich aufgrund ihres hohen apparativen Aufwandes und der eingeschränkten Tauglichkeit bezüglich geometrisch komplexer Bauteile nicht unmittelbar übernehmen. Es bestehen andere Anforderungen an ein Prüfkonzept für FKV-Bauteile im Automobilbau. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zerstörungsfreie Prüfmethoden hinsichtlich ihrer Eignung zur Detektion nicht sichtbarer Schäden systematisch untersucht und bewertet. Der Fokus lag dabei auf Bauteilen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen des Automobils, die sowohl eine flächige als auch eine mehrfach gekrümmte Bauteilstruktur mit nicht-homogenen Wanddicken aufweisen können. In Abhängigkeit von der Art der Schädigung, etwa Einschlüsse, Zwischenfaserrisse oder Delaminationen wurden die unterschiedlichen Verfahren vergleichend in Hinblick auf Detektionssicherheit, -grenzen und Einschränkungen durch gegebene geometrische sowie werkstoffliche Bauteilausführungen bewertet und ein Konzept für eine fertigungsbegleitende Qualitätssicherung entwickelt.

Bei der Assemblierung von Lithium-Ionen-Batterien ist ein zentraler Arbeitsschritt die Herstellung der elektrischen Verbindung von einzelnen Lithium-Ionen-Zellen in Reihen- und/oder Parallelschaltung. Dazu kommen in der Regel Überlappschweißverbindungen aus Blechen mit Dicken von unter 2 mm zum Einsatz. Typischerweise werden Eisen-, Aluminium- und Kupferwerkstoffe genutzt. Dieser Produktionsschritt ist wegen der Wichtigkeit für die gesamte Batteriefunktion in seiner Qualität zu überwachen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein dafür geeignetes Verfahren identifiziert. Es wurden Ultraschallprüfverfahren, Durchstrahlungsverfahren, die Messung des elektrischen Widerstands sowie thermografische Verfahren auf ihre Eignung zur Prüfung derartiger Überlappschweißverbindungen hin untersucht. Dabei zeigte sich, dass die nach dem Stand der Technik verfügbaren Verfahren im betrachteten Anwendungsfall wegen unzureichender Zugänglichkeit, mangelnder Fähigkeit der Fehlerdetektion oder wirtschaftlicher Gründe häufig nur eingeschränkt einsetzbar sind. Demzufolge war ein neues Verfahren zur Prüfung der Schweißnähte zur elektrischen Verbindung von Zellen zu entwickeln. Als Ansatz wurde die optisch angeregte Thermografie gewählt. Diese konnte erfolgreich eingesetzt werden, wenn ein Laser zur Anregung sowie eine Photonendetektorkamera zur Detektion genutzt wurde. Durch die Anwendung der Lockin-Thermografie konnten Rauscheinflüsse auf die Messung minimiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass Lockin-Messungen auch dann ausgewertet können, wenn das gemessene Temperatursignal neben einer harmonischen Schwingung und Rauschen einen stetigen Temperaturtrend aufweist. Die Anwendung von im Rahmen der Arbeit entwickelten Abschirmelementen, die für die Anregungsstrahlung transparent und die von der genutzten Kamera erfassten Strahlung undurchlässig sind, erlaubte die Prüfung metallischer Schweißverbindung in der Nähe von hochabsorptiven Flächen. Unter Nutzung eines neu entwickelten Auswertealgorithmus, der auf die Kompensation des Effekts lateraler Wärmeflüsse im untersuchten Bauteil zielt, konnte die Ergebnisqualität der Thermografie hinsichtlich einer besseren optischen Korrelation der Ergebnisbilder zu Referenzprüfungen sowie einer verringerten Messunsicherheit der angebundenen Fläche verbessert werden. Insgesamt zeigte sich das Verfahren in seiner weiterentwickelten Form als für die Prüfung tauglich.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Ziel 1.2 Einführung in die Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge 2.1.1 Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu anderen Energiespeichern in der Elektromobilität 2.1.2 Aufbau und Funktion von Lithium-Ionen-Batterien 2.2 Fertigungstechnik der Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.2.1 Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.2.2 Schweißverfahren zur Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.3 Schweißnahtanforderungen und -fehler 2.4 Zerstörungsfreie Prüfung von Kontaktierverbindungen 2.4.1 Qualitätssicherung von Kontaktierverbindungen 2.4.2 Anforderungen an zerstörungsfreie Prüfverfahren 2.4.3 Ultraschallprüfung 2.4.4 Durchstrahlungsprüfung 2.4.5 Messung des elektrischen Widerstands 2.4.6 Oberflächenprüfung 2.4.7 Infrarotthermografie 3 Vorauswahl eines geeigneten Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung 3.1 Untersuchte Verfahren 3.2 Ultraschallverfahren 3.3 Durchstrahlungsverfahren 3.4 Messung des elektrischen Widerstands 3.5 Infrarotthermografie 3.6 Verfahrensauswahl 4 Anwendung der optisch angeregten Thermografie zur Schweißnahtprüfung 4.1 Herausforderungen bei der Messung von Kontaktierschweißverbindungen von Lithium-Ionen-Batterien 4.2 Narzisseffekt und Perspektivenkorrektur 4.3 Techniken der optischen Anregung 4.4 Signalaufbereitung durch Lockin-Verfahren 4.4.1 Lockin-Thermografie 4.4.2 Lockin-Thermografie im Nicht-Gleichgewichtszustand 5 Unterdrückung des Einflusses von Reflexionen bei der thermografischen Prüfung von Kontaktierverbindungen 5.1 Hintergrund 5.2 Lösungsansatz 5.3 Werkstoffauswahl 5.4 Erprobung 6 Kompensation des Einflusses lateraler Wärmeströme 6.1 Mehrdimensionaler Wärmefluss 6.2 Simulation des Einflusses lateraler Wärmeströme 6.2.1 Simulationsmodell 6.2.2 Simulationsresultate 6.3 Entwicklung eines Kompensationsalgorithmus 6.3.1 Ansatz 6.3.2 Ergebnis 6.3.3 Sensitivitätsanalyse 6.3.4 Fazit der simulativen Untersuchung des Kompensationsalgorithmus 6.4 Umsetzung und Verifikation des Kompensationsalgorithmus 6.4.1 Untersuchte Proben 6.4.2 Emissionsgradmessung 6.4.3 Ergebnisqualität 6.4.4 Grenzen des Algorithmus 7 Zusammenfassung 8 Ausblick / The electrical connection of a multitude of lithium-ion cells is of high importance for producing lithium-ion batteries. These connections are usually carried out with lap welds of steel, aluminium and copper sheets with a thickness of less than 2 mm. Due to its importance the electrical connection should be subject to non-destructive evaluation. Therefore, a suitable method was identified to evaluate the electrical connection. Technologies based on ultrasonic, radiographic and thermographic evaluation as well as measurement of electrical resistance have been studied regarding their potential to non-destructively test aforementioned lap welds. It was found that in the studied case state of the art technologies are limited by restraints regarding accessibility, cycle time and detectability of ctitical flaws. Therefore, a new technique for non-destructive testing of lap welds between cell connections, had to be be defined. Optically excited thermography was considered a promising approach. Optically excited thermography was applied successfully using a laser as excitation source and a photon detector camera to record infrared radiation. The application of the lock-in principle allowed significant noise reduction. It was shown that the evaluation of temperature sequences using the lock-in algorithm does not depend on a temperature signal that shows strict harmonic behaviour but could also be applied when the raw temperature sequence incorporated a trend. The application of newly developed radiation shields, which are transparent to the wavelengths of the excitation signal, but opaque to the wavelengths of infrared detection, allowed thermographic testing of metal surfaces in proximity to highly absorbing surfaces. A new algorithm was developed for evaluating thermographic sequences aimed at reducing the impact of lateral thermal flux. It was proven to increase the quality of thermographic results in terms of visual correlation to reference technologies and measurement uncertainty of the joined area. Overall, the improved technology was found to be feasible for non-destructive testing of lap welds in lithium-ion batteries.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Ziel 1.2 Einführung in die Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge 2.1.1 Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu anderen Energiespeichern in der Elektromobilität 2.1.2 Aufbau und Funktion von Lithium-Ionen-Batterien 2.2 Fertigungstechnik der Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.2.1 Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.2.2 Schweißverfahren zur Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.3 Schweißnahtanforderungen und -fehler 2.4 Zerstörungsfreie Prüfung von Kontaktierverbindungen 2.4.1 Qualitätssicherung von Kontaktierverbindungen 2.4.2 Anforderungen an zerstörungsfreie Prüfverfahren 2.4.3 Ultraschallprüfung 2.4.4 Durchstrahlungsprüfung 2.4.5 Messung des elektrischen Widerstands 2.4.6 Oberflächenprüfung 2.4.7 Infrarotthermografie 3 Vorauswahl eines geeigneten Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung 3.1 Untersuchte Verfahren 3.2 Ultraschallverfahren 3.3 Durchstrahlungsverfahren 3.4 Messung des elektrischen Widerstands 3.5 Infrarotthermografie 3.6 Verfahrensauswahl 4 Anwendung der optisch angeregten Thermografie zur Schweißnahtprüfung 4.1 Herausforderungen bei der Messung von Kontaktierschweißverbindungen von Lithium-Ionen-Batterien 4.2 Narzisseffekt und Perspektivenkorrektur 4.3 Techniken der optischen Anregung 4.4 Signalaufbereitung durch Lockin-Verfahren 4.4.1 Lockin-Thermografie 4.4.2 Lockin-Thermografie im Nicht-Gleichgewichtszustand 5 Unterdrückung des Einflusses von Reflexionen bei der thermografischen Prüfung von Kontaktierverbindungen 5.1 Hintergrund 5.2 Lösungsansatz 5.3 Werkstoffauswahl 5.4 Erprobung 6 Kompensation des Einflusses lateraler Wärmeströme 6.1 Mehrdimensionaler Wärmefluss 6.2 Simulation des Einflusses lateraler Wärmeströme 6.2.1 Simulationsmodell 6.2.2 Simulationsresultate 6.3 Entwicklung eines Kompensationsalgorithmus 6.3.1 Ansatz 6.3.2 Ergebnis 6.3.3 Sensitivitätsanalyse 6.3.4 Fazit der simulativen Untersuchung des Kompensationsalgorithmus 6.4 Umsetzung und Verifikation des Kompensationsalgorithmus 6.4.1 Untersuchte Proben 6.4.2 Emissionsgradmessung 6.4.3 Ergebnisqualität 6.4.4 Grenzen des Algorithmus 7 Zusammenfassung 8 Ausblick

Coronary artery disease represents a leading cause of death worldwide, to which the coronary artery bypass graft (CABG) is the main method of treatment in advanced multiple vessel disease. The use of the internal mammary artery (IMA) as a graft insures an improved long-term survival, but impairment of chest wall perfusion often leads to surgical site infection and increased morbidity and mortality. Infrared thermography (IRT) has established itself in the past decades as a non-invasive diagnostic technique. The applications vary from veterinary to human medicine and from head to toe. In this study we used IRT in 42 patients receiving CABG to determine the changes in skin surface temperature preoperatively, two hours, 24 h and 6 days after surgery. The results showed a significant and independent drop of surface temperature 2 h after surgery on the whole surface of the chest wall, as well as a further reduction on the left side after harvesting the IMA. The temperature returned to normal after 24 h and remained so after 6 days. The study has shown that IRT is sufficiently sensitive to demonstrate the known, subtle reduction in chest wall perfusion associated with IMA harvesting.

Im Zuge systematisch durchgeführter thermografischer Untersuchungen an 95 Asiatischen Elefanten in europäischen Zoos konnten physiologische Wärmeprofile aller nicht von Fußkrankheiten betroffener Elefanten erstellt werden. Um eine objektivere Befundung zu ermöglichen, wurden dafür definierte Messbereiche an den Füßen festgelegt und deren Temperaturdaten als Wärmekurven für jeden Zeh dargestellt. Es zeigte sich, dass die Bandbreite von Temperaturen gleicher Messbereiche starken individuellen Schwankungen unterliegt, weshalb eine Befundung nicht anhand absoluter Temperaturwerte erfolgen sollte. So wurden über gleichen Messbereichen unterschiedlicher Elefanten Temperaturunterschiede von bis zu 8 °C festgestellt. Auch die Umgebungsfaktoren während der Untersuchung tragen zu dieser Varianz bei. Bei Umgebungstemperaturen zwischen 17,5 °C und 23 °C stellt sich durch Erhöhung der Außentemperatur um 1 °C eine um 0,5 °C erhöhte Wärmeabstrahlung über der Haut dar. Eine Erhöhung der Luftfeuchte um 1 % verursacht eine um 0,03 °C vermehrte Wärmeabstrahlung. Die Wärmeprofile stellten sich für die Kronsaum- und Hufwandbereiche der Zehen eines Fußes von medial nach lateral in einem parabelförmigen Verlauf dar, wobei die höchsten Temperaturen an den kranialen Zehen gemessen wurden. Die Differenz zwischen Kronsaum- und Hufwandbereichen blieb dabei konstant. Die Temperaturen der Zehenregion oberhalb des Kronsaums folgten nicht dieser Parabelform, lagen aber, außer an der jeweils medialen Seite, konstant unterhalb der Kronsaumtemperaturen. Bei Vergleich mit thermografischen Befunden erkrankter Zehen zeigte sich meist ein starker Anstieg der Zehenregiontemperatur weit über die Kronsaumtemperaturen hinaus, weshalb sich dieses Verhältnis als Indiz für ein akutes Enzündungsgeschehen nutzen lässt. Ein gleichmäßiges Wärmeprofil, welches möglichst dicht dem in dieser Arbeit entwickelten Profil gleicht und konstante Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Messbereichen aufweist, ist ein gutes Indiz für einen gesunden Fuß. Thermografische Befundungen sollten immer mit Hilfe herkömmlicher visueller Auswertung und zusätzlich der Erstellung eines Wärmeprofils vorgenommen werden, um die Subjektivität zu minimieren. Erstmalig wurden in dieser Arbeit drei Elefanten mittels Pedografie untersucht, um Aufschlüsse über die Druckverteilung unter dem Elefantenfuß zu erhalten. Wie bei Menschen und pedografisch vermessenen Rindern fanden sich auch beim Elefanten charakteristische Druckprofile. Druckspitzenwerte tauchten hierbei vor allem im kranialen Bereich der Füße als Druckleiste, aber auch im kaudalen Bereich in Form zweier Druckpfeiler auf. Experimente mit einer Methode zur Simulierung weicheren Untergrundes schienen die Druckspitzenwerte etwas abzuschwächen und das allgemeine Druckprofil einzuebnen, waren aber nur schwer auszuwerten. Die Methode eignet sich ebenso zur Erfassung der tatsächlich belasteten Fläche der Füße, welche sich bei stärkerer Belastung, beispielsweise dreibeinigem Stehen, vergrößerte. Trotz noch einiger methodischer und technischer Probleme, eröffnet sich mit der Pedografie ein sicherlich lohnenswertes Forschungsfeld für weitere Studien, die einen besseren Einblick in die Druckphysiologie des Elefantenfußes gewähren könnten. Weiterhin wurden in dieser Arbeit Daten der Elefantenhaltungssysteme von 17 besuchten europäischen Zoos, sowie Daten über Häufigkeit und Art der Gliedmaßenkrankheiten und anderer gesundheitlicher Parameter aller 95 untersuchter Elefanten ausgewertet. Hierbei zeigte sich immer noch starker Verbesserungsbedarf im Hinblick auf Innengehegegrößen und die verwendeten Bodenmaterialien. Auch Bewegungsprogramme für den Aufenthalt im Außengehege wurden nur in weniger als der Hälfte der Zoos eingesetzt. Positiv fiel auf, dass die Elefanten in den besuchten Zoos kaum noch angekettet werden und falls doch, nur kurzzeitig zu Untersuchungszwecken. Den Daten der Haltungsanalysen entsprechend, fielen die Auswertungen zur Fußgesundheit aus: Nur 36 % der untersuchten Elefanten litten bisher noch niemals unter Fußerkrankungen. Allein zum Zeitpunkt der Untersuchung wurden bei 27 % der Tiere akute Erkrankungen festgestellt, die unter Behandlung standen. Hierbei handelte es sich hauptsächlich um Abszesse oder andere entzündliche Veränderungen im Bereich des Nagelbetts. Weiterhin wurden 30 % der Elefanten als übergewichtig eingeschätzt und 36 % der Tiere zeigten stereotype Bewegungsmuster. / A total of 95 Asiatic Elephants in 17 European zoos were systematically examined using a high resolution thermographic camera and physiologic heat profiles of elephant’s feet without known foot diseases were established. To allow a more objective evaluation of thermographic findings, the feet and toes were divided schematically into defined areas for measurement purposes, based on anatomical features for which the temperature data was then plotted to produce heat curves for each area. Measurements of temperatures pertaining to similar areas of different elephants showed strong individual fluctuation. Temperature variation was as high as 8 °C in similar areas between elephants. Thus, evaluation of thermographic findings should never be based on absolute temperature readings alone. This strong variation is partly caused by environmental factors during the examination. With environmental temperatures between 17,5 °C and 23 °C, a one degree increase of this temperature will cause a 0,5 °C increase of the heat radiation of the feet. An increase of air humidity by 1 % will cause an increase of 0,03 °C of the measured thermographical heat radiation. The physiological heat profiles for coronary and hoof wall areas of the toes showed an arched, parable-like shape when plotted from the medial over the cranial to the lateral toes. The highest temperature readings were found on the cranial toes. The difference between coronary and hoof wall temperatures of similar toes were constant all over the foot. The physiological heat profiles of the toe areas above the coronary region did not show this arched shape but stayed below the coronary temperature readings except on the medial toe. On comparison with thermographic findings of inflammated toes, a strong increase of this area above the coronary band was found which exceeded the temperature of the coronary region. This characteristic can be used as an indicator for acute inflammations. A regular heat profile, which resembles closely the physiological heat profile created in this study and which shows constant temperature differences between the defined areas of the single toes, is a good indicator of healthy foot. It is recommended that thermographic examinations always are evaluated using conventional observation of the heat patterns in conjunction with the additional creation of a heat profile to minimize subjectivity by the clinician. For the first time three elephants were examined in this study using a new pedographic method to gain information on the pressure distribution below the elephant’s foot. As found in humans as well as in pedographically examined cows, the pressure distribution in elephant’s feet showed a characteristic profile. Pressure peaks showed up especially in the cranial area of the foot, possibly the border between sole and pad, as well as in the caudal region in the shape of two pressure pillars. Experiments with a method to simulate softer ground seemed to lower the pressure peaks slightly in favor of a broader distribution, but were very difficult to evaluate, especially considering the small sample size. This method is also suited to register the actual area size put under pressure by the elephant, which was shown to rise under increased pressure, e. g. three legged standing. Despite some encountered methodical and technical problems, pedography of elephants is going to be a very promising field for further scientific studies in order to acquire more information on the physiology of pressure distribution. Data on husbandry conditions of the 17 visited zoos and as well as data on frequency and type of foot diseases and other health parameters of all 95 examined elephants were also collected and evaluated. A strong need for improvement was observed in terms of enclosure sizes and the surface materials used in indoor enclosures. Also, daily routines to increase activity of the elephants in the outdoor enclosures were found to be carried out only in half of the visited zoos. On a positive note, elephants in the evaluated zoos were hardly ever chained and if so, only for examination purposes. According to the data of the husbandry evaluation the information on the current status of foot health showed the need for improvement: Only in 36 % of the examined elephants foot problems were so far not encountered. On the time of examination 27 % of the animals were found to be under ongoing treatment for foot diseases. Mostly these were abscesses or other inflammation processes in the area of the nail’s laminar tissue. Out of the study sample, 30 % of the elephants were estimated to be overweight and 36 % showed stereotypic movement patterns.

Early detection of unilateral muscle fatigue and muscular imbalances is important to prevent injury. This study aimed to evaluate the potential of near-infrared thermography (IRT) and raster-stereography (RS) in detecting asymmetries. After unilateral trunk muscle fatigue, IRT detected changes in the skin surface temperature only immediately after exercise, while RS data showed no statistically significant changes. / Die frühzeitige Erkennung von einseitiger Muskelermüdung und muskulären Ungleichgewichten ist wichtig, um Verletzungen vorzubeugen. Ziel dieser Studie war es, das Potenzial der Nahinfrarot-Thermografie (IRT) und der Rasterstereografie (RS) bei der Erkennung von Asymmetrien zu bewerten. Nach einseitiger Ermüdung der Rumpfmuskulatur wurden mit der IRT Veränderungen der Hautoberflächentemperatur nur unmittelbar nach der Belastung festgestellt, während die RS-Daten keine statistisch signifikanten Veränderungen zeigten.