IntelliSpin - Intelligentes Electrospinning in der Zellfertigung mittels Maschinellem Lernen

Electrospinning ist ein neuartiger, in der Produktion noch kaum angewandter Prozess, welcher die Herstellung von Nanofasern mit Durchmessern von wenigen hundert Nanometern ermöglicht. Dabei wird ein in Lösungsmittel gelöstes Polymer mittels hohen elektrischen Feldstärken beschleunigt, um sich an einem Substrat als Nanofaser-Gewebestruktur abzulagern. In-Line Messungen der Gewebestruktur scheitern an fehlendem Auflösungsvermögen. Lediglich die Rasterelektronenmikroskopie (REM), ein nachgelagertes, kostspieliges Messverfahren, lässt einblick in die Qualität der Nanofasern zu. Eine mögliche Einsicht in den Prozess selbst gelingt mittels mikroskopischer Hochgeschwindigkeits-Kamera, welche den benetzten Draht und die darauf spinnende Polymerlösung (siehe Video) erfassen kann. Ein kontrollierter Prozess mit ist eine notwendige Voraussetzung für den Einsatz von Electrospinning in komplexen Prozessketten wie der Batterieproduktion.

Zielsetzung

Ein Teilziel des Forschungsprojektes ist es, mittels einer intelligent gesteuerten Prozessüberwachung die Vielzahl an Parametern, welche den Electrospinning-Prozess beeinflussen, schnellstmöglich zu optimieren. Dabei werden die Aufnahmen einer Hochgeschwindigkeits-Kamera mittels Bildverarbeitungsalgorithmen analysiert. Die dabei extrahierten Bildmerkmale werden zusammen mit den digital erfassten Anlagendaten und den Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahmen der besponnenen Substrate in einer Datenbank gespeichert. Mittels Korrelationsanalysen wird somit der Zusammenhang von Prozess und Prozessergebnis ohne aufwändige, nachgelagerte Analyse mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) möglich.

Mittels kontrolliertem Electrospinning werden in einem weiteren Schritt Separatoren in der Batterieproduktion mit Nanofaser-Gewebestrukturen geringster Massenbeladung beschichtet. Die Beschichtung soll eine Lamination von aktuell nicht laminierbaren Elektroden und Separatoren ermöglichen.

Bausteine

• Merkmalsextraktion an Hochgeschwindigkeits-Kameraaufnahmen mittels klassischer Bildverarbeitungs-algorithmen als auch maschineller Lernverfahren
• Produktionsdatenbank mit hinterlegten Merkmalen der Bildanalyse, automatisiert erfassten Anlagendaten und manuell erfassten Eigenschaften der Polymerlösung
• Korrelationsanalyse der in der Produktionsdatenbank hinterlegten Daten und dem mittels REM-Aufnahmen analysierten Prozessergebnis

Electrospinning-Prozess

Projektpartner

Das IntelliSpin-Projekt wird gemeinsam mit der Hochschule Landshut um Prof. Pettinger bearbeitet.

Danksagung

Das IntelliSpin-Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Kompetenzclusters Intelligente Batteriezellproduktion (InZePro) gefördert, wofür sich die Projektbeteiligten herzlich bedanken.