Übertragungssysteme mit Standard-Polymerfaser sind für Gigabit-Ethernet (GE) oder für 3,4 Gbit/s High Definition Multimedia Interface (HDMI) Verbindungen vorstellbar. GE-Systeme können z.B. in Kombination mit Glasfaser-Zugangsnetzen eingesetzt werden; optische HDMI-Kabel können Kupferkabel ablösen.

Rauscharme optische Empfänger erfordern kleine Photodioden. Die Kapazität der Photodiode bildet mit dem Eingangswiderstand des Transimpedanzverstärkers einen Tiefpass, dessen minimale Bandbreite durch die Datenrate bestimmt wird. Frequenzlimitierend wirken sich zudem Laufzeiteffekte infolge Ladungsträgerdrift in der Absorptionszone der Photodiode aus. Die Dicke der Absorptionszone bestimmt die Effizienz der Diode und ist wellenlängenabhängig entsprechend dem Absorptionskoeffizienten zu dimensionieren. Durch die Realisierung einer Spannungs-Wandlung im Empfänger-IC konnte die Sperrspannung an der Photodiode bei einer Betriebsspannung von 3,3 V auf 5,3…6,0 V erhöht werden. Im Projekt wurden die für die beiden Bitraten geeignetsten Photodiodenvarianten simuliert, hergestellt und vermessen. Die niedrige Bandbreite der POF (Modendispersion) bewirkt im Signalspektrum eine Reduktion der höheren Signalfrequenzanteile. Im Empfänger wird daher nach der linearen Signalverstärkung im Transimpedanzverstärker-IC ein Hochpassfilter mit nachfolgenden Endverstärkern realisiert. Das Hochpassfilter ist als adaptives Filter ausgelegt und passt sich dem jeweiligen POF-Link an, um Bitraten bis 3,4 Gbit/s zu ermöglichen. Für Demonstratoren wurde ein neuer Transceiver-Aufbau realisiert. Der Sender und der lineare Empfänger sind auf einer Leiterplatte ausgeführt, sodass die Datenleitungen als Microstrip ausgeführt werden konnten. Die Module wurden mittels transparenter Moldmasse gehäust. Eine in den Moldkörper integrierte Linse reduziert die Koppelverluste zur POF bzw. zur Photodiode. Das Filter- Endverstärker-IC ist als chip on board auf dem Demonstratorboard untergebracht. Mit der Verfügbarkeit von effizienten, schnellen Empfängern für Fasern mit großem Kerndurchmesser können preiswerte, robuste optische Lösungen für Heimnetze und andere Consumer-Anwendungen realisiert werden.

Die zunehmende Individualisierung von Produkten bei sinkender Produktlebensdauer und die gleichzeitige Forderung nach niedrigeren Kosten führt zu der Notwendigkeit, schnell und aufwandsarm Bauteile in Kleinserie herstellen zu können. Additive Fertigungsverfahren, im speziellen der 3D-Druck, bieten ein hohes Potenzial, diesen Anforderungen gerecht zu werden. Über einen Druckkopf wird Flüssigkeit auf ein Kunststoffpulverbett aufgebracht, was eine gezielte Verfestigung hervorruft. Da die Bauteile vor Projektbeginn eine hohe Porosität aufwiesen, war eine nachgelagerte Behandlung notwendig. Durch eine Infiltration mit z. B. Epoxidharz und einem Aushärteprozess konnte die Festigkeit der Bauteile erhöht werden.

Das Ziel des Projekts AktiPol war neben der Realisierung eines neuen Anlagenkonzeptes die Entwicklung eines einstufigen Druckprozesses. Eine Verbesserung der mechanischen und thermischen Eigenschaften wurde durch eine aktivierte und möglichst weitgehende Polymerisation erreicht. Des Weiteren wurde die Integration mechatronischer Komponenten oder weiterer lokal determinierter Eigenschaften untersucht.

Im Projekt wurden die Anforderungen an den Prozess, die Anlage und das Produkt sowie die Prozessgrundlagen der Werkstoffe analysiert und diese für eine mögliche Verarbeitung mittels 3D-Druck qualifiziert. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden ein Anlagenkonzept und eine Steuerungssoftware entwickelt. Mithilfe von experimentellen Untersuchungen fand im Anschluss eine Anpassung und Optimierung des Anlagen- und Werkstoffkonzepts statt. Eine Verifizierung mithilfe einer Multiskalen-Simulation schaffte ein besseres Verständnis für die beim 3D-Druck im Material entstehenden Mikrostrukturen und im Makro-Bereich auftretenden Effekte wie Verzug und Schrumpfung.

Bei einem Textildiscounter mit hunderten Filialen vermischen sich zwei unterschiedliche Problemebenen: Die Ware muss nachfragekonform eingekauft werden, und nicht schnell genug verkaufte Ware muss im Laufe der Zeit im Preis reduziert werden. Artikel werden in der Regel in festen Lotzusammensetzungen eingekauft, d.h vorverpackte Plastiktüten, die einen Artikel in verschiedenen Größen beinhalten, also die Mengenverhältnisse der Konfektionsgrößen faktisch festsetzen.

Projektziel war es, beide Aspekte – einmal die Belieferung durch Lotpakete und zum anderen die Preisreduzierung im Verkaufsverlauf – in einem integrierten mathematischen Modell zu vereinen. Dies sollte mittels eines stochastischen gemischt-ganzzahligen linearen Programms realisiert werden, in dem Preisreduzierungen als Kompensation von Fehlbelieferungen dienen.

Gestartet wurde mit der Entwicklung von Einzelmodellen für die Belieferung in Lottypen und die Preisreduzierung. Für die separaten Modelle wurden Feldversuche durchgeführt, deren Ergebnisse eine Erprobung des integrierten Modells rechtfertigten. Wegen der enormen Größe des Modells war es nötig, adaptierte Verfahren zu entwickeln: einen exakten Löser für das Benchmarking sowie für den praktischen Einsatz eine Heuristik. In einem abschließenden Feldversuch wurde DISPO getestet. Das Ergebnis war positiv: eine durchschnittliche Ertragssteigerung um fast 1,4 Prozentpunkte des integrierten Modells gegenüber den momentan voneinander unabhängig eingesetzten Optimierungen von Belieferung und Preisreduzierung.

In der audiologischen Diagnostik werden zur Lokalisation und Erfassung einer Hörstörung subjektive und objektive Tests eingesetzt. Im Besonderen eignen sich die cochleären Distorsionsprodukt-Emissionen (DPOAE) und die auditorischen „Steady State“-Antworten der neuralen Hörbahn (ASSR) zur frequenzspezifischen und quantitativen Erfassung einer Hörstörung. Sie sind daher prädestiniert für den Einsatz bei Kindern und älteren Menschen. Es ist derzeit kein Messsystem vorhanden, mit welchem die audiometrischen Tests in ihrer Ganzheit durchgeführt werden können.

Ziel des Projektes war die Entwicklung eines mobilen Messsystems zur Durchführung aller für die Hörgeräteanpassung relevanten Hörtests. Es wurde ein kompaktes, mobiles, modular aufgebautes Messsystem zur automatisierten Hördiagnostik und Hörgeräteanpassung entwickelt, das in Kliniken, Arztpraxen und beim Hörgeräteakustiker eingesetzt werden kann. Zur Steuerung der Messabläufe wurden einfache, selbsterklärende Menüs eingesetzt. Durch ergebnisorientierte Steuerung der einzelnen Messmodule sowie durch simultane Erfassung verschiedener Messgrößen konnte eine erhebliche Reduzierung der Messzeit erreicht werden. Zur Aufrechterhaltung der Aufmerksamkeitsspanne bei den subjektiven Tests wurden visuelle Verstärker eingesetzt. Aus den Kenngrößen der gestörten Hörfunktion wurden Hörgeräteanpassparameter entwickelt, die über eine geeignete Schnittstelle dem Hörgeräteanpasssystem zur Verfügung gestellt werden. Durch vergleichende Anpassung bei schwerhörigen Patienten konnte gezeigt werden, dass die Programmierung des Hörgerätes auf der Basis objektiver Kenngrößen zu gleichen Ergebnissen führt wie die Programmierung des Hörgerätes auf der Basis herkömmlicher subjektiver Befunde.

Implantat-assoziierte Infektionen stellen ein zunehmendes klinisches Problem dar, insbesondere aufgrund zunehmender Antibiotikaresistenzen beteiligter Bakterienstämme. Mit niederfrequenten elektromagnetischen Feldern des untersuchten Verfahrens zur Knochenheilung lässt sich das Wachstum von Keimen zwar hemmen, Implantats-Infektionen bzw. Bakterien auf Biomaterialoberflächen sind jedoch klinisch nur schwer zu diagnostizieren. Neue sensitive Methoden sind hier also dringend gefordert. Ziel des Projektes war es, ein Messsystem zur kontinuierlichen Keimdetektion für In-vitro-Experimente zu entwickeln, mit dem der Anteil lebender Keime mittels elektrischer Impedanzmessung bestimmt werden kann.

Im Rahmen des Projektes wurden zur Messung der elektrischen Impedanz zunächst sterilisierbare Elektrodendeckel für 6er-Standardwellplatten konstruiert und angefertigt, die eine füllstandsunabhängige Detektion in Bakterienkulturen ermöglichen. Nach Inbetriebnahme und Charakterisierung der Impedanzen des Gesamtsystems wurden Bakterienkulturen im Verlauf ihres Wachstums innerhalb eines Inkubators mit dem Impedanzspektroskopie-Systems IMPSPEC vermessen. Hierdurch sollten deren Impedanzänderungen im Verlauf des Wachstums analysiert werden, um Rückschlüsse auf die Detektionsfähigkeit der Lebendkeimzahlen ziehen zu können. Währenddessen wurden die koloniebildenden Einheiten CFU mit gängigen mikrobiologische Methoden manuell bestimmt und dienten als Referenz für die Zunahme der Lebendkeimzahlen.

Im Ergebnis wurde das Funktionsmodell eines Impedanz-Messsystem realisiert, das es ermöglicht, über einen längeren Zeitraum kontinuierlich die Lebendkeimzahl anhand der Leitwertänderung – verursacht von Stoffwechselendprodukten – mehrkanalig zu bestimmen.

Optische Wandlerprinzipien haben sich in der Sensor-, Mess- und Regeltechnik etabliert. Anwendungen in den wirtschafts- und wachstumsstarken chemischen und verfahrenstechnischen sowie den pharmazeutischen Industrien motivieren hier Innovation und Entwicklung. Ziel des Vorhabens war die Oberflächenfunktionalisierung eines optischen, fasergebundenen Brechungsindexsensors, um diesen spezifischen Anwendungen zuzuführen. Durch die Wechselwirkung des evaneszenten Feldes der in einem planaren Wellenleiter geführten optischen Mode mit der Umgebung des Sensors wird die reflektierte Wellenlänge eines in den Wellenleiter eingeschriebenen Bragg-Gitters verändert und dient als Messsignal. Um das Anwendungspotenzial des Sensors aufzuzeigen, wurde dieser exemplarisch zur Messung des Wassergehaltes in Biodiesel sowie durch eine Biofunktionalisierung für den Nachweis von typischen Immobilisierungsreaktionen eingesetzt.

Im Ergebnis konnte bei der Bestimmung des Wassergehaltes in Biodiesel gezeigt werden, dass der Sensor die in der Industrie relevanten Wassergehalte von 500 ppm und 200 ppm online detektieren kann und damit die Trocknung von Biodiesel im Produktionsprozess kontrolliert und gesteuert werden kann, ohne auf eine offline durchzuführende und damit zeitaufwendige Karl-Fischer-Titration zurückgreifen zu müssen. Durch eine spezifische Funktionalisierung der Sensoroberfläche konnten mit dem optischen Sensor typische Bionachweise wie beispielsweise die Immobilisierung von Eiweißen oder DNA-Hybridisierung geführt werden. Wesentliches Merkmal des Sensors ist dabei, die Reaktionskinetik quasi online mit hoher Empfindlichkeit zu beobachten. Somit sind Reaktionsunterbrechungen und Konzentrationseffekte auflösbar.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Carbon-Sensorfasern im Fahrzeugbau“ (CAFAS) wurde untersucht, wie die elektrischen Eigenschaften von Carbonfasern für Leichtbaustrukturen aus Faserverbundwerkstoffen genutzt werden können. Carbonfaser-Sensoren bestehen aus einem Carbonfaserstrang, der an den Enden elektrisch kontaktiert wird und der nach dem Aufbringen einer Isolationsschicht in Faserverbundstrukturen integriert werden kann. Auf Grund ihrer piezoresistiven Eigenschaften ändern Carbon-Sensorfasern ihren Widerstand linear mit der Dehnung, sodass sie analog zu den bekannten Dehungsmessstreifen (DMS) zur Verformungsmessung von mechanischen Strukturen sowie zur Schadensdetektion geeignet sind. Es wurden unterschiedliche Carbonfasertypen (ex-PAN und Pechfasern) für Dehnungen bis über 7000 µm/m und im Temperaturbereich bis +100 °C charakterisiert. Die elektrische Kontaktierung erfolgt in einem galvanischen Prozess, bei dem die einzelnen Carbonfilamente mit Nickel beschichtet werden.

Bei der Integration in Strukturen aus Faserverbundwerkstoffen stellen sie im Gegensatz zu den metallischen DMS keinen Fremdkörper das, was der Lebensdauer sowohl des Sensors als auch der Struktur zugutekommt. Wegen ihres nichtmetallischen Charakters können Carbon-Fasersensoren zudem auch dort eingesetzt werden, wo metallische Leiter stören würden, z. B. in der Röntgentechnik.

In umfangreichen theoretischen und experimentellen Untersuchungen wurden die sensorischen Eigenschaften der Sensorfasern ermittelt und ihre Fähigkeiten zur Schadensdetektion und Verformungsmessung nachgewiesen. In Anwendungen aus dem Bereich der Drucktank- und Röntgentechnik zeigen sie, dass sich Carbon-Sensorfasern im praktischen Einsatz bestens bewähren.

Bevor sich ein Diabetes mellitus Typ 2 (T2DM) ausprägt, gehen mehrere Jahre voraus, in denen sich die Erkrankung über diverse Vorstufen (Prädiabetes) entwickelt. Die meisten Fälle von T2DM werden aus Mangel an geeigneten Testmethoden erst in einem relativ späten Stadium diagnostiziert, wenn schon irreversible Sekundärerkrankungen aufgetreten sind. Wichtig ist deshalb eine frühzeitige Vorbeugung, schon vor dem Auftreten erster Symptome. Ziel des Forschungsprojektes war deshalb die Entwicklung neuer Testmethoden für die Früherkennung von T2DM, die sich für den Einsatz in großflächig angelegten Präventionsprogrammen eignen. In einem ersten Schritt wurden hierzu etwa 11.600 Blutproben von Diabetikern, Prädiabetikern und einer Kontrollgruppe auf auffällige Biomarker (Proteine, Stoffwechselzwischenprodukte und Lipide) untersucht. Mit der „Biobank der Blutspender“ erschloss sich den Projektpartnern eine wertvolle Ressource für das geforderte Probenkollektiv. Neben der Bestätigung bereits bekannter Biomarker zeigte es sich, dass sich diabetische und gesunde Patienten stark im Lipoproteinprofil unterscheiden. Mittels Metaboliten-Profiling wurden zudem auch einige bisher nicht mit Diabetes in Zusammenhang gebrachte Stoffwechselzwischenprodukte identifiziert. Darüber hinaus dienten die Daten zur Evaluierung einer Screening-Strategie, die schnell, effizient und kostengünstig unerkannte Diabetiker identifiziert. Es zeigte sich, dass eine 3-Stufen-Screening-Strategie mit FINDRISK-Fragebogen, Langzeit-Blutzucker (HbA1c)-Test, gefolgt von einem oralen Glukose-Toleranz-Test, ein kostengünstiger Ansatz ist, der die Identifizierung von Personen mit einem Diabetes-Risiko oder einer nicht diagnostizierten Diabetes ermöglicht. Es ist zu erwarten, dass es in den nächsten Monaten gelingen wird, die Sensitivität und Spezifität neuer Biomarker zu evaluieren. Damit liefert das Projekt wichtige Schritte auf dem Weg zu einer Verbesserung der Diabetes-Diagnostik.

Die Qualität unserer Lebensmittel bekommt immer mehr Aufmerksamkeit. Kontaminationen in Lebensmitteln sollen erkannt und quantifiziert werden. Unerwünschte Stoffe in Lebensmitteln sollen mittels schnellen, kostengünstigen und validen Messergebnissen nachgewiesen werden. Ein Messsystem soll alle diese Anforderungen erfüllen, in einer automatisierten Laborumgebung einsetzbar sein und eine Vielzahl von Verunreinigungen gleichzeitig erkennen können. Ein derartiges Messsystem, das Mikroarray-Chip-Messgerät (MCR), ist weiterentwickelt worden.

Die Entwicklung des innovativen Messsystems umfasste eine Reihe von Technologiefeldern:

– automatische Bilderkennung von Chemilumineszenzpunkten und die Bildauswertung von Mikroarrays

– Kontrolle der Mikrofluidik in engen Schläuchen, Kanälen und Flusszellen

– Verfahren zur Fertigung von gekapselten Durchfluss-Mikroarray-Chips in großer Stückzahl

– sichere und wiederholgenaue Steuerung der Prozesse sowie die Automatisierung der Abläufe

Das Mikroarray-Chip-Messgerät und der dazugehörige Durchfluss-Mikroarray-Chip können in der Lebensmittelanalytik eingesetzt werden. Als eine erste Anwendung ist die Hochdurchsatzanalytik von Antibiotika in Milch geplant.

Die Therapie von Leber- und Gallenerkrankungen mit Naturstoffen hat in den letzten Jahrzehnten einen festen Platz in der Medizin eingenommen. Die synthetische Herstellung dieser Wirkstoffe ist anspruchsvoll und rohstoffintensiv. Durch Einsatz von maßgeschneiderten Mikroorganismen in einem optimierten biokatalytischen Verfahren sollte der Syntheseweg verkürzt und damit die Ausbeute erhöht werden.

Hierzu wurden zunächst verschiedene Enzymsysteme hinsichtlich Reaktionsgeschwindigkeit und Substratspektrum optimiert. Dazu kam die molekulare Biotechnologie zum Einsatz. Die ingenieurwissenschaftliche mathematische Modellierung und Simulation der biokatalytischen Reaktion ermöglichte das Auffinden geeigneter Reaktionsbedingungen. Die Bereitstellung der Enzymsysteme erfolgte mit rekombinanten, also gentechnisch veränderten Mikroorganismen, die als leistungsfähige „Zellfabriken“ zum Einsatz kamen. Damit lassen sich die Herstellkosten für die Biokatalysatoren reduzieren, da keine aufwendige Isolierung der Enzyme notwendig ist. Um das neue biokatalytische Potenzial für die Praxis nutzbar machen zu können, wurden die Reaktionen dieser Zellfabriken unter technischen Bedingungen gemessen und analysiert. Diese Daten bildeten die Basis zur modellgestützten verfahrenstechnischen Ausarbeitung dieses biokatalytischen Syntheseschrittes. Mit Hilfe der so optimierten Anwendung dieser Zellfabriken konnten selbst größere Mengen an Ausgangsstoffen nahezu vollständig zum reinen Wirkstoff umgesetzt werden, wie in Pilotversuchen gezeigt werden konnte. Damit konnte das aktuelle vielstufige chemische Syntheseverfahren auf einige wenige chemisch-enzymatische Schritte reduziert werden.