Entwicklung eines Sensorsystems zur ... - GfSE

Zusammenfassung
Entwicklung eines Sensorsystems zur
Konzentrationsbestimmung von Chemikalien
in Reinigungs- und Desinfektionsgeräten
vorgelegt von
Peter Iwanek
Heinz Nixdorf Institut
Universität Paderborn
Fachgebiet Produktentstehung
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Gausemeier
Fürstenallee 11
D-33102 Paderborn
Miele & Cie. KG
Werk Bielefeld
BI/PRS
Dr.-Ing. Maik Mracek
Mielestraße 2
D-33611 Bielefeld
Universität Paderborn
Fachgebiet Datentechnik
Prof. Dr. rer. nat. Sybille Hellebrand
Warburgerstraße 100
D-33098 Paderborn

Entwicklung eines Sensorsystems Seite 2
1 Einleitung
Zukünftige Produkte beruhen verstärkt auf dem engen Zusammenwirken der Fachdisziplinen
Mechanik, Elektrik/ Elektronik, Regelungstechnik und Softwaretechnik. Der
Begriff Mechatronik bringt dies zum Ausdruck. Somit ist eine ganzheitliche
Betrachtung bei der Entwicklung von Produkten und Komponenten von besonderer
Bedeutung, um die Komplexität des Systems zu beherrschen. Am Heinz Nixdorf Institut
(HNI) wurde eine Methodik entwickelt, die diesen Anforderungen gerecht wird und den
Entwickler bei der Entwicklung komplexer mechatronischer Systeme unterstützt. Die
Methodik beinhaltet ein Vorgehensmodell für die Konzipierung des Produktes und die
Spezifikationstechnik CONSENS (CONceptual design Specification technique for the
ENgineering of complex Systems), mit der die verschiedenen Aspekte des Produktes
modelliert werden.
Die Diplomarbeit wurde in Kooperation mit der Firma Miele & Cie. KG im Werk
Bielefeld durchgeführt. Neben der Entwicklung und Produktion von hochwertigen
Produkten in der Haushaltstechnik, werden unter dem Namen Miele Professional auch
gewerbliche Produkte entwickelt, produziert und vertrieben. Zu diesen gewerblichen
Produkten zählen beispielsweise auch Reinigungs- und Desinfektionsgeräte, welche
Anwendung in der Medizin finden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Sensorsystem zur Konzentrationsbestimmung von
Chemikalien in Reinigungs- und Desinfektionsgeräten entwickelt und umgesetzt. Für
die Konzipierung dieses Systems, wurde die entwickelte Methodik des HNI und die
betriebseigene Vorgehenssystematik der Fa. Miele „IMNU 2.0“ (Mit Innovation und
Mut zu neuen Ufern), eingesetzt. Auf dieser Grundlage wurden drei Lösungsvarianten
erarbeitet. Anschließend wurde mit Hilfe einer Nutzwertanalyse die leistungsfähigste
Lösungsvariante ermittelt und als Funktionsmuster umgesetzt. In nachfolgenden Testmessungen
konnte die Funktionsfähigkeit des Sensorsystems festgestellt werden.
Aufgrund der Aktualität und Relevanz der erzielten Ergebnisse kann auf die
Lösungsvarianten und deren Charakteristika nur bedingt eingegangen werden.
2 Problematik und Zielsetzung
In der Medizin werden benutze Instrumente bzw. medizinische Hilfsmittel häufig
wiederverwendet. Zu diesen Instrumenten und Hilfsmitteln zählen beispielsweise
Operationsbesteck, Aufbewahrungsschalen oder flexible Endoskope. Die Wiederverwendung
dieser Instrumente ist jedoch nur unter gewissen Aufbereitungsmaßnahmen
gewährleistet und erlaubt. Zu solchen Aufbereitungsmaßnahmen zählen die Reinigung,
die Desinfektion und die Sterilisation [SMM+09]. Um diese Aufbereitungsmaßnahmen
erfolgreich durchzuführen, ist der Einsatz von Chemikalien in Reinigungs- und Desinfektionsgeräten
unbedingt notwendig. Vor allem bei Reinigungs- und Desinfektionsgeräten
für Endoskope (RDG-E) sind Chemikalien von entscheidender Bedeutung, da bei

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den thermolabilen flexiblen Endoskopen keine thermischen Aufbereitungsverfahren
eingesetzt werden können. Zur Kontrolle der eingesetzten Chemikalien, werden zur
Prozesslaufzeit volumetrische Messverfahren eingesetzt. Diese volumetrischen Verfahren
ermöglichen jedoch keine Echtzeitanalyse des Prozesswassers wodurch eine durchgängige
Dokumentation der Aufbereitungsmaßnahme nicht gewährleistet werden kann.
Ziel dieser Arbeit ist die Konzipierung eines Sensorsystems, welches die Konzentration
der Chemikalien im Prozess erfassen und bestimmen kann. Hierdurch kann eine durchgängige
Dokumentation der Aufbereitungsmaßnahme im RDG-E erzielt werden.
3 Methodik zur Entwicklung mechatronischer Systeme
Das zu entwickelnde Sensorsystem stellt ein fortgeschrittenes technisches System dar.
Zusätzlich ist dieses System eingebettet in ein komplexes Umfeld, da es sich bei der
Entwicklung um eine Komponente des RDG-E handelt. Diese beiden Umstände erfordern
eine interdisziplinare systematische Entwicklung des Systems. Zudem ist eine
frühzeitige Betrachtung des Systems über den gesamten Produktlebenszyklus von
großer Bedeutung. Somit können Risiken im Betrieb bereits in der Konzipierung erkannt
und vermieden werden. Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches (SFB) 614,
wurde am HNI eine Methodik zur Konzipierung komplexer mechatronischer Systeme
entwickelt, die den genannten Anforderungen gerecht wird. Unterstützt wird diese
Methodik durch die Modellierung mit der Spezifikationstechnik CONSENS, die
ebenfalls am HNI entwickelt wurde. Der Fokus dieses Vorgehens liegt in einer
domänenübergreifenden Betrachtung des Systems. Hierdurch wird gewährleistet, dass
eine ganzheitliche Betrachtung des Systems erfolgt.
3.1 Vorgehenssystematik
Die Vorgehenssystematik in der Konzipierung setzt sich aus vier aufeinanderfolgenden
Phasen zusammen. Die einzelnen Phasen sind Planen und Klären der Aufgabe, Konzipierung
auf Systemebene, Konzipierung auf Modulebene und die Konzeptintegration
[GFD+08]. Das Ergebnis der Konzipierung ist die vollständige Prinziplösung des Systems.
Diese liegt in Form von Partialmodellen vor, die mit Hilfe der Spezifikationstechnik
rechnerintern modelliert werden.
Durch die Bearbeitung der einzelnen Phasen werden Ergebnisse erzielt, die bei der
Entwicklung des Systems eine wichtige Rolle spielen. Beispielsweise ist das Ergebnis
der Phase Planen und Klären der Aufgabe die Anforderungsliste, die eine wichtige
Grundlage für die nachfolgenden Konzipierungsschritte darstellt. Nachfolgend werden
die einzelnen Phasen vorgestellt und detailliert erklärt.

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Planen und Klären der Aufgabe
Die Phase Planen und Klären der Aufgabe stellt die erste Phase der Vorgehenssystematik
nach GAUSEMEIER et al. dar [GFD+08]. Die Phase ist zusätzlich noch in einzelne
Schritte aufgeteilt. Eine Übersicht über die einzelnen Schritte der Phase Planen und
Klären der Aufgabe ist im Bild 3-1 zu sehen.
Bild 3-1:
Konzipierungsphase "Planen und Klären der Aufgabe" [GFD+08]
Der erste Schritt ist die Aufgabenanalyse. In diesem Schritt wird zunächst die Aufgabe
abstrahiert und der Kern der Entwicklungsaufgabe identifiziert. Hierdurch erhalten die
beteiligten Personen eine detaillierte Aufgabenstellung. In ihr sind die wichtigsten Ziele
des zu entwickelnden Systems zusammen gefasst. Anschließend wird das Umfeld des
zu entwickelnden Systems analysiert. Hierbei werden die wichtigsten Randbedingungen
sowie Einflüsse auf das System ermittelt. Die externen Ziele des Systems müssen für
die vorgegebene Entwicklungsaufgabe nicht berücksichtigt werden, da für das Sensorsystem
keine Selbstoptimierung vorgesehen ist. Durch die Bildung von konsistenten
Kombinationen der Einflüsse können Situationen des Systems beschrieben werden.
Anschließend ist es möglich, die Anwendungsszenarien für das System zu definieren.
Diese ergeben sich aus der Kombination von charakteristischen Situationen und entsprechenden
Systemzuständen. Die Anwendungsszenarien beschreiben bereits einen
Ausschnitt der Gesamtfunktionalität des zu entwickelnden Systems. Im letzten Schritt
der Phase wird die Anforderungsliste erstellt. Hierbei werden die Anforderungen an das
System, die aus dem Umfeldmodell und den Anwendungsszenarien entstanden sind, in
Form von Wünschen und Forderungen festgesetzt [PBF+07]. Diese Anforderungsliste
bildet für alle beteiligten Personen nachfolgend eine gemeinsame Grundlage für die
Konzipierung. Somit werden in der ersten Phase der Vorgehenssystematik die Partialmodelle
Umfeld, Anwendungsszenarien und Anforderungsliste erarbeitet.

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Konzipierung auf Systemebene
Die Grundlage bei der Konzipierung auf Systemebene stellen die zuvor ermittelten Anforderungen
dar. Aus diesen lassen sich für jedes Anwendungsszenario Lösungsvarianten
entwickeln. Die besten Varianten werden anschließend zu der Prinziplösung auf
Systemebene zusammengeführt [GFD+08]. Die Arbeitsschritte der Konzipierung auf
Systemebene sind im Bild 3-2 zu sehen.
Bild 3-2:
Konzipierungsphase "Konzipierung auf Systemebene" [GFD+08]
Der erste Arbeitsschritt besteht darin, aus den Anforderungen die Hauptfunktion des
Systems zu ermitteln. Anschließend kann die Funktionshierarchie des zu entwickelnden
Systems aufgestellt werden. Im nächsten Schritt folgt die Modifikation der Funktionshierarchie
für das entsprechende Anwendungsszenario. Hierbei werden irrelevante
Funktionen ausgeblendet und bei Bedarf spezifische Teilfunktionen hinzugefügt.
Zur Gewährleistung der Funktionen werden anschließend Lösungsmuster erarbeitet und
in einem morphologischen Kasten eingetragen. Mit Hilfe einer Konsistenzanalyse lässt
sich hieraus eine sinnvolle Kombination von Lösungsmustern auswählen.

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Ein konsistentes Bündel von Lösungsmustern bildet die Grundlage für die Entwicklung
der Wirkstruktur. Hierbei erfolgt die Konkretisierung der Lösungsmuster zu Systemelementen,
welche bereits Angaben zur Gestalt beinhalten Die Systemelemente beinhalten
bereits grobe Angaben zur Gestalt [Fra06]. Durch diese Angaben ist es möglich eine
initiale Baustruktur des Systems zu ermitteln und die Gestalt zu modellieren. Zusätzlich
kann mit Hilfe der Wirkstruktur das Systemverhalten genauer beschreiben werden. Zur
Beschreibung des Systemverhaltens gehört beispielsweise die Ermittlung von Systemzuständen
und bestimmten Systemaktivitäten. Nach der Erarbeitung der Lösungsvarianten
für die einzelnen Anwendungsszenarien sind diese zusammen zuführen. Es ist darauf
zu achten eine funktionsfähige Konfiguration zu bilden.
Diese Konfiguration wird nun auf Widersprüche auf Systemebene analysiert [GFD+08].
Da keine Selbstoptimierung für das Sensorsystem vorgesehen ist, werden die nachfolgenden
Schritte zur Integration der Selbstoptimierung nicht genauer betrachtet. Im letzten
Schritt der Phase wird eine Analyse und Bewertung der Lösungen durchgeführt. Die
leistungsfähigste Lösung wird nun zur Prinziplösung auf Systemebene bestimmt.
Konzipierung auf Modulebene
Die Lösung soll auf technische und wirtschaftliche Realisierbarkeit geprüft werden.
Dazu ist eine Betrachtung der Lösung auf Modulebene notwendig. Zunächst wird hierbei
das System modularisiert. Die Systemdekomposition ist ein wichtiger Schritt zur
Vereinfachung des Systems [GFD+08]. Für die einzelnen Module werden anschließend
Prinziplösungen erarbeitet. Das Vorgehen entspricht dem Vorgehen für die
Konzipierung auf Systemebene. Zudem werden ebenfalls die Schritte der Phase Planen
und Klären der Aufgabe durchgeführt. Das Ergebnis der Phase ist die Prinziplösung
auf Modulebene.
Konzeptintegration
Die letzte Phase der Vorgehenssystematik stellt die Konzeptintegration dar. Hierbei
werden zunächst die Modullösungen zusammengeführt. Anschließend folgen Schritte
zur Identifikation des Selbstoptimierungspotentials und die Erstellung eines Selbstoptimierungskonzeptes.
Diese Schritte werden im Rahmen dieser Arbeit nicht verfolgt. Im
letzen Schritt der Phase Konzeptintegration erfolgt eine letzte Analyse und Bewertung
der konzipierten Lösungsvarianten für das System. Das Ergebnis dieses letzten Schrittes
ist die vollständige Prinziplösung.
3.2 Spezifikationstechnik
Die rechnerinterne Modellierung der durchzuführenden Schritte erfolgt mit Hilfe der
Spezifikationstechnik. Die Spezifikationstechnik umfasst die verschiedenen Aspekte die
bei der Konzipierung eines Systems zu beachten sind. Die Aspekte werden in Form von
Partialmodellen repräsentiert und sind im Bild 3-3 abgebildet.

z2
Messwert
z1
Messwert
z2
Messwert
z2
transportiert
kontro liert
S2
fährt auf
1..2
3
FSky=dS*Vabs
1
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Umfeld
Anwendungsszenarien
Anforderungen
Benutzer
0..10
benutzt
1
fährt auf
.1*
RailCab
1
Weiche
Wissensbasis
Wissensbasis
2 Geometrie
2.1 Länge l ges : 6600 mm
2.2 Breite b ges : 2420 mm
Umgebung
*
*
beeinflusst
beeiflusst
beeinflusst
beeinflusst
*
*
Schienenabschnitt
1
versorgt
und leitet
verbindet
verbindet
Streckenabschnitt
x
Streckenabschnitt
y
2.3 Höhe h ges : 2855 mm
2.4 Abstand h Bo. : >400 mm
Zielsystem
Funktionen
externes Zielsystem
TrailCab (Ausschnitt)
Zielvorgaben
Z7 Benutzer max.
inhärentes Zielsystem
TrailCab (Ausschnitt)
Sicherheit/Zuverlässigkeit
Z8
max.
Z7.1
Z7.2
Z8.2
Z8.3
internes Zielsystem
TrailCab (Ausschnitt)
Querbeschleunigung
min.
Z9.1
Kosten
Z9.2
min.
Verschleiß
Z9.4
min.
Wartungsintervalle
Z9.5
max.
System kohärenter
Partialmodelle
Läufer
tragen
Luftspalt
einstellen
Vorgabebahn
optimieren
Reglervorgabe
feststellen
Störgrößen
ermitteln
Verhalten
Gestalt
Wirkstruktur
z 1
z 1
V
Vorgabe
Mensch-
Maschine-
Schnittstelle
Regler
y
y
y
Geschwindigkeit
berechnen
Skyhook
VSky .
Dämpfungskraft
berechnen
F Sky.
F*
Arbeitspunktsteuerung
d s einstellbar
mit s.o.
!?
Antriebs-
Modul 1
Antriebs-
Modul 2
Bild 3-3:
Aspekte für die Entwicklung von komplexen, selbstoptimierenden, mechatronischen
Systemen [GFD+08]
Die Betrachtung der Aspekte ist für die Entwicklung von komplexen, selbstoptimierenden
mechatronischen Systemen erforderlich. Bei dem zu entwickelnden System entfällt
die Betrachtung der Selbstoptimierung. Aus diesem Grund wird der dafür relevante
Aspekt Zielsystem nicht erarbeitet.
4 Konzipierung des Sensorsystems
In diesem Kapitel wird die Methodik angewendet, die im letzten Kapitel
ausführlich dargestellt wurde. Hiernach erfolgt die Entwicklung des Sensorsystems.
Diese beginnt mit der Betrachtung des Umfeldes und schließt, nach der Erarbeitung von
drei potentiellen Lösungsvarianten, mit der Bestimmung der Prinziplösung.
Bevor die ersten Aspekte des Sensorsystems mit Hilfe der Spezifikationstechnik
modelliert werden, erfolgt zunächst die Aufgabenanalyse, bei der die wichtigsten Anforderungen
an das System beschrieben werden. Hierzu gehört beispielsweise die Verbesserung
der Chemikalienkonzentration-Erfassung im Vergleich zu aktuell eingesetzten
Marktlösungen.
Nach der Modellierung des Umfeldes, bei dem die wichtigsten Einflussgrößen identifiziert
werden und dem erarbeiten der Anwendungsszenarien, die die möglichen Situationen
für das Sensorsystem beschreiben, kann die ausführliche Anforderungsliste erstellt
werden. Die wichtigsten Anforderungen an das Sensorsystem sind beispielsweise eine
hohe Temperaturbeständigkeit, da das Sensorsystem in den Selbstdesinfektionszyklen
(ca. 93°C) nicht geschädigt werden darf oder eine kompakte Bauweise, um die Integration
in das Gerät zu ermöglichen.

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Durch die detaillierte Anforderungsliste ist es möglich, die für das Sensorsystem notwendigen
Funktionen zu erarbeiten und eine entsprechende Funktionshierarchie aufzustellen.
Mit Hilfe eines morphologischen Kastens werden Lösungsmuster zusammengestellt
die in der Lage sind, die erarbeiteten Funktionen hinreichend gut zu erfüllen. In
diesem Arbeitsschritt werden beispielsweise die Kommunikationswege festgelegt, mit
denen das Sensorsystem die erfasste Chemikalienkonzentration an den Benutzer weiterleitet.
Für das Sensorsystem kann die Chemikalienkonzentration z.B. über die RDG-E
Bedieneinheit mitgeteilt oder mit Hilfe einer entsprechenden App an das Smartphone
des Benutzers gesendet werden. Im morphologischen Kasten werden drei konsistente
Lösungsvarianten zusammengestellt die eine sichere Konzentrationserfassung gewährleisten.
Für diese drei Lösungsvarianten werden anschließend die Wirkstrukturen erarbeitet.
Hierdurch wird ersichtlich, wie Informationen zwischen dem RDG-E und dem
Sensorsystem weitergeleitet werden, wie die Chemikalien auf das Sensorsystem einwirken,
oder wie die Stromversorgung des Sensorsystems sicher gestellt wird
(vgl. Bild 4-1). Insbesondere wird in diesem Bild deutlich, wie die Integration des Sensorsystems
in das gesamte RDG-E erfolgt. Zusätzlich ist die Wirkstruktur für das Sensorsystem
selbst zu erarbeiteten. In der internen Wirkstruktur werden die Flüsse zwischen
den Modulen des Sensorsystems beschrieben.
Benutzer
Reinigungs- und Desinfektionsgerät
Bedieneinheit
Wasserversorgung
Chemikalienkonzentration
RDG-
Gehäuse
Analog-Steuereinheit
Prozessdaten
Zugeführtes
Wasser
Chemikalien
Chemikalien
Anschmutzungen
Sensorsystem
Steuereinheit
Elektrische
Versorgung
CAN-Steuereinheit
Prozessdaten
Haltekraft
Elektrische Energie RDG-Kreis
Spülgut
Bild 4-1:
Wirkstruktur: Systemabgrenzung: Sensorsystem und RDG
Nach dem vollständigen Aufstellen der Wirkstruktur, kann das Verhalten des Sensorsystems
beschrieben werden, da die Flüsse im System bereits spezifiziert sind. Bei der
Spezifikation des Verhaltens werden zunächst die Zustände identifiziert, in denen sich
das Sensorsystem aufhalten kann. Die Zustände des Sensorsystems sind im Bild 4-2
dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass in der Startphase des Sensorsystems, zunächst
eine Sensorinitialisierung durchgeführt wird. Hierdurch werden Sensorfehler detektiert,
die in der Messung zu falschen Ergebnissen führen können.

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Bild 4-2:
Zustandsdiagramm - Variante1
Der Wechsel zwischen den verschiedenen Zuständen erfolgt durch das Auftreten von
bestimmten Ereignissen. Beispielsweise wird bei einer erfolgreichen Sensorinitialisierung,
das laufende Programm vom Sensorsystem freigegeben, und die Hauptmessung
kann anschließend durchgeführt werden. Im Fehlerfall würde das System in den Zustand
Schwerer Fehler wechseln, in dem Sicherheitsroutinen zum Einsatz kommen. Die
Zustände beinhalten eine bestimmte Abfolge von Aktivitäten. Die Aktivitäten für den
Zustand Benutzer Interaktion sind im Bild 4-3 dargestellt.
Bild 4-3:
Aktivitäten bei der Benutzer Interaktion
In der Benutzerinteraktion kann der Benutzer selbst entscheiden, ob das nicht schwere
Fehlverhalten bereits zu einem Abbruch des Reinigungs- und Desinfektionsprogramms
führen soll oder die geringe Schwankung toleriert werden kann. Falls das RDG-E keine
Antwort in einem gegebenen Zeitfenster erhält, wird die Abbruchroutine im Zustand
Schwerer Fehler eingeleitet und das System abgeschaltet.
Nach dem Aufstellen der entsprechenden Zustände und Verhaltensaktivitäten werden
die Gestaltmodelle für die erarbeiteten Lösungsvarianten modelliert. Anschließend werden
die vollständig spezifizierten Lösungsvarianten in einer Nutzwertanalyse mit

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einander verglichen. Wichtige Bewertungskriterien für das Sensorsystem sind beispielsweise
die Funktionalität und die Qualität des Systems. Insbesondere die Qualität
besitzt im betrachteten Unternehmen einen hohen Stellenwert. Somit kann mit Hilfe der
Nutzwertanalyse festgestellt werden, dass eine Lösungsvariante, bei der zwei physikalische
Eigenschaften erfasste werden, das leistungsfähigste System zur Erfüllung der Kriterien
darstellt.
5 Zusammenfassung
Das Ziel dieser Arbeit war die Konzipierung eines innovativen Sensorsystems zur Erfassung
der Chemikalienkonzentration im RDG-E. Die Konzipierung beruht auf den
unternehmensinternen Produktentwicklungsprozess IMNU 2.0 und der am HNI entwickelten
Methodik zur Entwicklung selbstoptimierender mechatronischer Systeme. Die
vollständige Prinziplösung ist mit Hilfe der entsprechenden Spezifikationstechnik
CONSENS erarbeitet worden. Anhand der Prinziplösung war es anschließend möglich,
dass Sensorsystem als Funktionsmuster umzusetzen und zu validieren. Die Ergebnisse
verdeutlichten das hohe Potential des Systems und zeigten zusätzliche Verbesserungsmöglichkeiten
auf.
Abkürzungsverzeichnis
HNI
RDG-E
Heinz Nixdorf Institut
Reinigungs- und Desinfektionsgerät für Endoskope
Literaturverzeichnis
[Fra06]
[GFD+08]
[PBF+07]
[SMM+09]
FRANK, U.: Spezifikationstechnik zur Beschreibung der Prinziplösung
selbstoptimierender Systeme. Dissertation, Fakultät für Maschinenbau, Universität
Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe, Band 175, Paderborn, 2006
GAUSEMEIER, J.; FRANK, U.; DONOTH, J.; KAHL, S.: Spezifikationstechnik zur Beschreibung
der Prinziplösung selbstoptimierender Systeme des Maschinenbaus. In:
Konstruktion, Ausgaben 7/8-2008 und 9-2008, Springer VDI-Verlag, Düsseldorf, 2008
PAHL, G.; BEITZ, W.; FELDHUSEN, J.; GROTE, K.-H.: Konstruktionslehre - Grundlagen
erfolgreicher Produktentwicklung - Methoden und Anwendung. Springer Verlag,
Berlin, 8. Auflage, 2007
SANTIGLI, E.; MIORINI, T.; MASCHER, F.; REINTHALER F.F.: Qualitätssichernde
Maßnahmen in der Instrumentenaufbereitung - Anwendung von Normen, Richtlinien
und Empfehlungen in einer kieferortopädischen Praxis. In: Stromatologie. Springer
Verlag, Band: 106, n.b., 2009, S. 11-16