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Computerbasierte Modellierung und Analyse der Gestalt und Verteilung von Partikeln zur Optimierung des Reinheitsgrades von Stahlwerkstoffen - Konzeption und Implementierung eines Rahmenwerks

Buck, Christoph

Die statistische Analyse von Partikelsystemen spielt in vielen Anwendungskontexten der Materialwissenschaften eine wichtige Rolle. Dabei ist sowohl die statistische Analyse der Gestalt der individuellen Partikel als auch die Analyse der Verteilungseigenschaften des gesamten Partikelkollektivs von Bedeutung. Eine Vielzahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen der letzten Jahre fokussierte diese Themengebiete. Darin wurden diverse Verfahren zur Analyse von Partikelsystemen vorgestellt. Eine Integration dieser Techniken zu einem einheitlichen Analysesystem für dreidimensionale Partikelsysteme steht aber nach wie vor aus. Diese Lücke wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit durch das Bereitstellen eines theoretischen Rahmenwerks zur vollständigen statistischen Analyse von dreidimensionalen Partikelsystemen nebst protoypischer Implementierung geschlossen. Die Entwicklung dieses Rahmenwerks wurde dabei maßgeblich durch das von der Europäischen Union geförderte Ziel2-Projekt Silenos beeinflusst. Im Zuge dieses Projekts wurde an einer Methode zur schnellen Quantifizierung und Charakterisierung von Defekten, wie nichtmetallischen Einschlüssen und Poren, in Stahlproben geforscht. Die Detektion dieser Verunreinigungen erfolgt mittels Methoden der Bildverarbeitung in Bildern schichtweise abgefräster Werkstoffproben. Parallel zum Fräs- und Bildaufnahmeprozess werden die Bilder inkrementell segmentiert, die detektierten Defekte unter der Annahme einer dreidimensionalen Ausdehnung rekonstruiert, klassifiziert und schließlich statistisch ausgewertet. Dieser als Online-System bezeichnete Betriebsmodus erlaubt das Steuern des Fräsprozesses auf Basis der Ergebnisse der statistischen Auswertung nach jeder verarbeiteten Schicht und muss demnach von Rahmenwerk unterstützt werden. Die vorsegmentierten Schichtbilder des durch die Verunreinigungen geformten Partikelsystems bilden dabei die Grundlage für die im Rahmenwerk entwickelten Methoden. Ausgangspunkt ist die formale Definition des Partikelbegriffs, auf Basis derer Algorithmen zur effizienten Rekonstruktion der dreidimensionalen Morphologie der Partikel inkrementell aus den Schichtbildern abgleitet werden. Anhand der Rekonstruktion lässt sich dann die Gestalt der Partikel statistisch, durch geeignete Deskriptoren, quantifizieren und die Verteilung dieser untersuchen. Im Zentrum der Arbeit steht die Analyse der Größenverteilung und der räumlichen Verteilung mit dem Ziel, geeignete Modelle zu definieren, welche die Verteilungen adäquat beschreiben. Dazu werden zunächst explorative Datenanalysewerkzeuge zur Unterstützung des Modellbildungsprozesses eingeführt. Anschließend werden Schätzverfahren zur Parametrisierung der Modelle aus den beobachteten Daten besprochen und in einem letzten Schritt Modellvalidierungstechniken definiert, mit welchen die Übereinstimmung von Modell und beobachteten Daten überprüft werden kann. Zusammengenommen bilden diese, zunächst generisch eingeführten Methoden das Rahmenwerk. Dieses Rahmenwerk wird im weitern Verlauf der Arbeit verwendet, um die im Online-System definierten Operationen, nämlich Rekonstruktion, Klassifikation und statistische Auswertung umzusetzen. Des Weiteren werden die Methoden des Rahmenwerks eingesetzt, um ein Modell für die Verteilung von nichtmetallischen Einschlüssen in Stahlproben zu konstruieren. Dieses Modell liefert die Grundlage für eine Simulationssoftware, mit der künstliche Stahlproben generiert werden. Anhand dieser lassen sich schließlich die Laufzeitanforderungen der im Rahmenwerk definierten Methoden für das Online-System validieren.

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Zitierform:

Buck, Christoph: Computerbasierte Modellierung und Analyse der Gestalt und Verteilung von Partikeln zur Optimierung des Reinheitsgrades von Stahlwerkstoffen - Konzeption und Implementierung eines Rahmenwerks. 2016.

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