Realtime bewaking en gesloten-lus regeling voor multi-jet elektrospinnen met coaxiale laser

Kleinere vezels betrouwbaarder maken

Van luchtfilters en mondkapjes tot waterzuivering en draagbare elektronica: veel opkomende technologieën vertrouwen op vellen ultradunne vezels, zogenaamde nanovezels. Deze vezels worden vaak gemaakt met een techniek genaamd elektrospinnen, waarbij een vloeistof door elektrische krachten in haarachtige strengen wordt getrokken. Hoewel de methode krachtig is, kan ze wispelturig zijn: kleine verstoringen kunnen een soepel proces in een rommelig proces veranderen en leiden tot ongelijke vezelkwaliteit. Deze studie presenteert een manier om een multi-nozzle elektrospinningproces in realtime te observeren en automatisch bij te sturen, wat de weg vrijmaakt voor betrouwbaardere en beter opschaalbare productie van hoogwaardige nanovezelmaterialen.

Hoe elektrische jets weefsels spinnen

Bij elektrospinnen wordt een vloeistof met opgeloste polymeer door fijne naalden naar een metalen plaat gevoerd. Een sterk elektrisch veld rekt de vloeistofdruppel aan elk naaldpunt uit tot een spits en vervolgens tot een jet, die uitdunt en opdroogt tot een vaste vezel voordat hij op de verzamelplaat landt. Om de productie te verhogen, gebruiken fabrikanten bij voorkeur meerdere naalden tegelijk, waardoor meerdere jets ontstaan en nanovezelvellen sneller worden opgebouwd. Maar elke jet gedraagt zich iets anders, en luchtstoten, trillingen of kleine veranderingen in de vloeistofstroom kunnen ervoor zorgen dat sommige jets druppen, andere verdwijnen en weer andere zich grillig gedragen. Omdat de vezels zo klein zijn en de jets zwak zichtbaar zijn, vooral bij veel naalden, is het moeilijk om alle jets tegelijk te monitoren en het proces aan te passen voordat er defecten optreden.

Onzichtbare jets verlichten

De onderzoekers pakten dit zichtbaarheidsprobleem aan door een multi-jet elektrospinningopstelling te bouwen met drie speciale coaxiale naalden, die elk zowel de polymeroplossing als een smalle laserbundel voeren. De laser loopt binnen de binnenste naald en wordt gekoppeld aan de opkomende jet, waardoor de druppel- en jetregio fel oplichten op de camera zonder het spinnen zelf te verstoren. Een hogesnelheids-industriële camera is gericht op het gebied waar de jets ontstaan, terwijl een computer de beelden ontvangt en een hoogspanningsvoeding het elektrische veld voedt. Deze opstelling stelt het systeem in staat de vorm van de druppel aan elk naaldpunt (de zogenaamde cone) en de rechte zichtbare lengte van elke jet te volgen, die beide belangrijke indicatoren zijn of het proces goede vezels produceert.

Een computer leren het gedrag van jets te lezen

Om ruwe beelden om te zetten in bruikbare informatie ontwikkelde het team een beeldverwerkingsalgoritme toegespitst op meerdere jets. Eerst reinigt en vereenvoudigt het elke frame, door het om te zetten naar zwart-wit zodat de oplichtende jets duidelijk afsteken tegen de achtergrond. Vervolgens vindt het automatisch en omlijst het de regio rond elke jet, waardoor handmatige selectie overbodig wordt. Binnen elk kader scheidt het algoritme de druppelachtige cone van de dunne jet daaronder, met digitale filtering om ruis te verwijderen en het bredere cone-gebied te onderscheiden van de smalle jet. Daarna volgt het de middenlijn van elke jet om de zichtbare lengte te meten en past het de conevorm aan eenvoudige geometrische vormen zoals driehoeken, cirkels of ellipsen toe om het oppervlak te berekenen. Dit alles gebeurt in minder dan 40 milliseconden per frame, snel genoeg om het voortdurend veranderende gedrag van meerdere jets in realtime te volgen.

Van waarnemen naar realtime corrigeren

Het meten van de jets is slechts de helft van het verhaal; de echte vooruitgang is het gebruik van die metingen om het proces automatisch te corrigeren. Op basis van experimenten definieerden de auteurs vier basale jettoestanden: een hangende druppel zonder jet, een zeer dunne en onstabiele jet, een normale stabiele jet die uniforme vezels produceert, en een terugtrekkende jet die zich terugtrekt in de naald. Door conevorm en jetlengte te combineren kan de computer elke jet in een van deze toestanden classificeren. Vervolgens volgt hij een eenvoudige regelset: wanneer een jet te kort wordt, te groot is of zich terugtrekt, past het systeem de aangelegde spanning in kleine stappen omhoog of omlaag aan totdat alle jets weer de normale toestand bereiken. Omdat spanningswijzigingen vrijwel onmiddellijk op de vloeistof inwerken, kan deze feedbacklus snel reageren op verstoringen zonder te vertrouwen op langzamere aanpassingen van de vloeistoftoevoer.

Fijnere regeling, betere nanovezels

Toen de onderzoekers nanovezelmembranen vergeleken die met en zonder dit gesloten-lussysteem waren geproduceerd, was het verschil duidelijk. Zonder automatische correctie vielen er periodiek druppels op de verzamelaar, die de vezels braken en samenklonterden en zorgden voor een grote spreiding in vezeldikte. Met realtime bewaking en spanningsaanpassing bleven de jets in hun stabiele toestand, werd druppelen grotendeels onderdrukt en hadden de resulterende nanovezels een veel uniformere dikte. Voor niet-specialisten is de conclusie dat het combineren van slimme beeldvorming, snelle algoritmen en eenvoudige feedbackregels een delicaat, moeilijk te beheersen labproces kan omzetten in een robuuster productiegereedschap, waardoor toekomstige filters, medische materialen en energieapparaten consistenter en makkelijker op schaal te produceren worden.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: elektrospinnen, nanovezelmembranen, procesbewaking, gesloten-lus regeling, beeldgebaseerde detectie