Echtzeitüberwachung und Closed-Loop-Regelungssystem für Mehrstrahl-Elektrospinnen mit koaxialem Laser

Kleine Fasern zuverlässiger machen

Von Luftfiltern und Gesichtsmasken bis hin zu Wasseraufbereitung und tragbarer Elektronik: Viele aufstrebende Technologien beruhen auf Schichten ultradünner Fasern, den sogenannten Nanofasern. Diese Fasern werden häufig mit einer Methode hergestellt, die Elektrospinnen genannt wird und Flüssigkeit mit Hilfe von Elektrizität in haarähnliche Stränge zieht. Obwohl das Verfahren leistungsfähig ist, kann es launisch sein: Kleine Störungen reichen aus, um einen gleichmäßigen Prozess in einen chaotischen zu verwandeln und so zu ungleichmäßiger Faserqualität zu führen. Diese Studie stellt eine Methode vor, mit der ein Mehrdüsen-Elektrospinnprozess in Echtzeit überwacht und automatisch korrigiert werden kann, was den Weg für eine zuverlässigere und skalierbarere Herstellung hochwertiger Nanofasermaterialien ebnet.

Wie elektrische Strahlen Netze spinnen

Beim Elektrospinnen wird eine Polymerlösung durch feine Nadeln auf eine Metallplatte gerichtet. Ein starkes elektrisches Feld dehnt den Flüssigkeitstropfen an jeder Nadellspitze zu einer spitzen Form und dann zu einem Jet, der sich beim Ausdünnen und Trocknen zu einer festen Faser verfestigt, bevor er auf der Sammelplatte landet. Um die Produktion zu steigern, verwenden Hersteller vorzugsweise mehrere Nadeln gleichzeitig, wodurch mehrere Jets entstehen und Nanofaserschichten schneller aufgebaut werden. Doch jeder Jet verhält sich leicht unterschiedlich, und Luftzüge, Vibrationen oder kleine Änderungen im Flüssigkeitsstrom können dazu führen, dass einige Jets tröpfeln, andere verschwinden und wieder andere unregelmäßig werden. Da die Fasern so klein und die Jets schwach sind, insbesondere bei vielen Nadeln, ist es schwierig, alle Jets gleichzeitig zu überwachen und den Prozess zu korrigieren, bevor sich Defekte zeigen.

Unsichtbare Jets sichtbar machen

Die Forscher gingen dieses Sichtbarkeitsproblem an, indem sie ein Mehrstrahl-Elektrospinn-Setup mit drei speziellen koaxialen Nadeln bauten, die jeweils sowohl die Polymerlösung als auch einen schmalen Laserstrahl führen. Der Laser verläuft im Inneren der inneren Nadel und koppelt in den austretenden Jet ein, wodurch der Tropfen- und Jet-Bereich auf der Kamera hell aufleuchtet, ohne das Spinnen selbst zu stören. Eine Hochgeschwindigkeits-Industriekamera richtet sich auf den Bereich, in dem die Jets entstehen, während ein Computer die Bilder empfängt und ein Hochspannungsnetzteil Feldstärke liefert. Diese Anordnung erlaubt es dem System, die Form des Tropfens an jeder Nadellspitze (die sogenannte Kegelform) und die sichtbare, gerade Länge jedes Jets zu beobachten — beides Schlüsselinformationen dafür, ob der Prozess gute Fasern produziert.

Dem Computer beibringen, Jet-Verhalten zu lesen

Um Rohbilder in nutzbare Informationen zu verwandeln, entwickelte das Team einen bildverarbeitenden Algorithmus, der für Mehrstrahl-Anordnungen zugeschnitten ist. Zuerst bereinigt und vereinfacht er jedes Bild, wandelt es in Schwarzweiß um, sodass die aufleuchtenden Jets deutlich vor dem Hintergrund hervorstechen. Dann erkennt er automatisch und umrahmt den Bereich um jeden Jet, wodurch eine manuelle Auswahl überflüssig wird. Innerhalb jedes Rahmens trennt der Algorithmus den tropfenähnlichen Kegel vom dünnen Jet darunter, wobei digitale Filter zum Entfernen von Rauschen und zur Unterscheidung des breiteren Kegels vom schmalen Jet eingesetzt werden. Anschließend verfolgt er die Mittellinie jedes Jets, um dessen sichtbare Länge zu messen, und passt die Kegelform an einfache geometrische Formen wie Dreiecke, Kreise oder Ellipsen an, um deren Fläche zu berechnen. Das alles geschieht in weniger als 40 Millisekunden pro Bild, schnell genug, um das sich ständig ändernde Verhalten mehrerer Jets in Echtzeit zu verfolgen.

Vom Beobachten zur Korrektur in Echtzeit

Die Messung der Jets ist nur die halbe Geschichte; der tatsächliche Fortschritt besteht darin, diese Messungen zur automatischen Korrektur des Prozesses zu nutzen. Aufbauend auf Experimenten definierten die Autoren vier grundlegende Jet-Zustände: ein hängender Tropfen ohne Jet, ein sehr dünner und instabiler Jet, ein normaler stabiler Jet, der gleichmäßige Fasern produziert, und ein zurückziehender Jet, der in die Nadel zurückgezogen wird. Durch die Kombination von Kegelfläche und Jet-Länge kann der Computer jeden Jet einem dieser Zustände zuordnen. Er folgt dann einer einfachen Regel: Sobald ein Jet zu kurz, zu groß oder zurückgezogen ist, verändert das System die angelegte Spannung in kleinen Schritten nach oben oder unten, bis alle Jets wieder in den Normalzustand zurückkehren. Da Spannungsänderungen nahezu sofort auf die Flüssigkeit wirken, kann dieser Regelkreis schnell auf Störungen reagieren, ohne auf langsamere Anpassungen der Flüssigkeitszufuhr angewiesen zu sein.

Präzisere Regelung, bessere Nanofasern

Als die Forscher Nanofasermembranen verglichen, die mit und ohne dieses Closed-Loop-Regelsystem hergestellt wurden, war der Unterschied deutlich. Ohne automatische Korrektur fielen gelegentlich Tropfen auf den Sammler, die Fasern brachen und verklumpten, was zu einer großen Streuung der Faserdurchmesser führte. Mit Echtzeitüberwachung und Spannungsanpassung blieben die Jets in ihrem stabilen Zustand, Tröpfeln wurde weitgehend unterdrückt, und die resultierenden Nanofasern wiesen eine deutlich gleichmäßigere Dicke auf. Für Nichtfachleute lautet die Kernbotschaft: Die Kombination aus intelligenter Bildgebung, schnellen Algorithmen und einfachen Regelregeln kann einen empfindlichen, schwer zu kontrollierenden Laborprozess in ein robusteres Fertigungswerkzeug verwandeln und so dazu beitragen, dass zukünftige Filter, medizinische Materialien und Energiesysteme konstanter und einfacher in großem Maßstab herstellbar werden.

Zitation: Jiang, J., Sun, Z., Chen, J. et al. Real-time monitoring and closed-loop control system for multi-jet electrospinning with coaxial laser. Sci Rep 16, 8225 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39655-5

Schlüsselwörter: Elektrospinnen, Nanofaser-Membranen, Prozessüberwachung, Closed-Loop-Regelung, bildbasierte Sensorik