Surveillance en temps réel et système de contrôle en boucle fermée pour l’électrofilage multi‑jet avec laser coaxial

Rendre les fibres minuscules plus fiables

Des filtres à air et masques faciaux au traitement de l’eau et aux appareils électroniques portables, de nombreuses technologies émergentes reposent sur des feuillets de fibres ultrafines appelées nanofibres. Ces fibres sont souvent produites par une technique nommée électrofilage, qui étire un liquide en fils semblables à des cheveux à l’aide de l’électricité. Si la méthode est puissante, elle peut être capricieuse : de petites perturbations peuvent transformer un procédé stable en un processus chaotique, entraînant une qualité de fibre inégale. Cette étude présente une manière d’observer et de corriger automatiquement un procédé d’électrofilage à buses multiples en temps réel, ouvrant la voie à une production plus fiable et évolutive de matériaux nanofibreux de haute qualité.

Comment des jets électriques tissent des toiles

En électrofilage, un liquide contenant le polymère dissous est poussé à travers de fines aiguilles vers une plaque métallique. Un champ électrique intense étire la goutte au bout de chaque aiguille en une forme pointue puis en un jet, qui s’amincit et se solidifie en fibre avant d’atterrir sur la plaque collectrice. Pour augmenter la production, les fabricants préfèrent utiliser plusieurs aiguilles simultanément, générant plusieurs jets et formant plus rapidement des feuillets de nanofibres. Mais chaque jet se comporte légèrement différemment, et des courants d’air, des vibrations ou de petites variations du débit peuvent faire perler certains jets, en faire disparaître d’autres ou provoquer un comportement erratique. Parce que les fibres sont si fines et que les jets sont discrets, surtout lorsque de nombreuses aiguilles sont employées, il est difficile de surveiller tous les jets à la fois et d’ajuster le procédé avant l’apparition de défauts.

Éclairer des jets invisibles

Les chercheurs ont relevé ce problème de visibilité en construisant un dispositif d’électrofilage multi‑jet avec trois aiguilles coaxiales spéciales, chacune transportant à la fois la solution polymère et un faisceau laser étroit. Le laser circule à l’intérieur de l’aiguille interne et s’accouple au jet naissant, faisant briller intensément la zone de la goutte et du jet sur la caméra sans perturber l’électrofilage lui‑même. Une caméra industrielle à haute vitesse vise la région où se forment les jets, tandis qu’un ordinateur reçoit les images et qu’une alimentation à haute tension génère le champ électrique. Cet agencement permet au système d’observer la forme de la goutte au bout de chaque aiguille (la soi‑disant cône) et la longueur visible et rectiligne de chaque jet, indicateurs clés de la qualité du procédé.

Apprendre à un ordinateur à lire le comportement des jets

Pour transformer des images brutes en informations exploitables, l’équipe a conçu un algorithme de traitement d’images adapté aux jets multiples. D’abord, il nettoie et simplifie chaque image, la convertissant en noir et blanc pour que les jets éclairés se détachent clairement de l’arrière‑plan. Ensuite il détecte automatiquement et cadre la région autour de chaque jet, évitant la sélection manuelle. Dans chaque encadré, l’algorithme sépare la goutte en forme de cône du mince jet en dessous, en utilisant des filtres numériques pour éliminer le bruit et distinguer le cône large du jet étroit. Il trace ensuite la ligne centrale de chaque jet pour en mesurer la longueur visible et ajuste la forme du cône à des formes géométriques simples comme des triangles, des cercles ou des ellipses afin d’en calculer la surface. Le tout s’exécute en moins de 40 millisecondes par image, assez rapide pour suivre le comportement en constante évolution de plusieurs jets en temps réel.

De l’observation à la correction en temps réel

Mesurer les jets n’est qu’une partie de l’histoire ; la véritable avancée consiste à utiliser ces mesures pour corriger automatiquement le procédé. D’après leurs expériences, les auteurs ont défini quatre états de jet fondamentaux : une goutte suspendue sans jet, un jet très fin et instable, un jet stable normal qui produit des fibres uniformes, et un jet qui se rétracte dans l’aiguille. En combinant la surface du cône et la longueur du jet, l’ordinateur peut classer chaque jet dans l’un de ces états. Il applique ensuite un ensemble de règles simples : chaque fois qu’un jet devient trop court, trop large ou se rétracte, le système ajuste la tension appliquée à la hausse ou à la baisse par petites étapes jusqu’à ce que tous les jets reviennent à l’état normal. Comme les variations de tension agissent quasi instantanément sur le liquide, cette boucle de rétroaction peut réagir rapidement aux perturbations sans dépendre d’ajustements plus lents de l’alimentation en liquide.

Contrôle plus net, meilleures nanofibres

Quand les chercheurs ont comparé des membranes de nanofibres produites avec et sans ce système de contrôle en boucle fermée, la différence était nette. Sans correction automatique, des gouttes tombaient périodiquement sur le collecteur, cassant et bousculant les fibres et entraînant une grande dispersion des diamètres de fibres. Avec la surveillance en temps réel et l’ajustement de la tension, les jets restaient dans leur état stable, les perles étaient largement supprimées et les nanofibres obtenues présentaient une épaisseur beaucoup plus uniforme. Pour le grand public, la conclusion est que la combinaison d’une imagerie intelligente, d’algorithmes rapides et de règles de rétroaction simples peut transformer un procédé de laboratoire délicat et difficile à maîtriser en un outil de production plus robuste, aidant futurs filtres, matériaux médicaux et dispositifs énergétiques à être plus constants et plus faciles à fabriquer à grande échelle.

Citation: 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

Mots-clés: électrofilage, membranes de nanofibres, surveillance du procédé, contrôle en boucle fermée, détection par image