Das goldene Zeitalter der Hydrodynamik
Das Jahr des Auftretens der Hydrodynamik als Wissenschaft kann als 1628 angesehen werden, als ein kleines Werk von Benedetto Castelli veröffentlicht wurde. Darin erklärte er trotz der anfänglichen falschen Annahmen einige Zeit lang einige Phänomene während der Bewegung von Flüssigkeit in Flüssen und Kanälen ziemlich genau. Bereits zuvor gab es jedoch Versuche berühmter Wissenschaftler wie Leonardo da Vinci und Galileo Galilei, den Widerstand des Mediums gegen Körperbewegungen zu untersuchen. In der Folge leisteten Newton, Euler, Torricelli, Bernoulli, D'Alembert und viele andere einen großen Beitrag zur Entwicklung der Hydrodynamik.
Die moderne Wissenschaft entwickelt sich exponentiell. Dies liegt daran, dass Erfolge in einem Bereich Material für die Erstellung der neuesten Werkzeuge für die Forschung in anderen Bereichen liefern. Man kann also mit Recht sagen, dass für die Hydrodynamik ein echtes „goldenes Zeitalter“ gekommen ist. Gleichzeitig hat sich der Forschungsansatz geändert. Heutzutage haben sich die Methoden zur Gewinnung experimenteller Daten erheblich verbessert. Wenn früher eine Theorie erstellt und dann durch Experimente bestätigt oder widerlegt wurde, basiert die Theorie heute auf einem Komplex hochpräziser Messungen.
Um laminare und turbulente Flüssigkeitsströme zu untersuchen, verwendet das Max-Planck-Institut jetzt eine Kamera, die bis zu 1 Million Bilder pro Sekunde erzeugt. Die vorherige Kamera war 500-mal langsamer und nahm 2000 Bilder pro Sekunde auf. Bei der Untersuchung turbulenter Strömungen mit Kameras können Tausende von Partikeln verfolgt werden. Ihre Flugbahnen und Bewegungsgeschwindigkeit werden in Datenfelder umgewandelt, die dann von leistungsstarker Computertechnologie verarbeitet werden. Auf diese Weise können Sie numerische Modelle der Prozesse erstellen und die Natur solcher Phänomene wie beispielsweise Turbulenzen besser verstehen.
Die Untersuchung des Prozesses der Tröpfchenbildung in den Wolken kann die Genauigkeit der Wettervorhersage erheblich verbessern. Zu diesem Zweck wurde auf der Zugspitze (2.962 m) ein Labor der deutschen Umweltforschungsstation eingerichtet. Entlang der 7-Meter-Bahnstrecke sind 4 Hochgeschwindigkeitskameras installiert. Wenn Wolken durch sie hindurchtreten, ermöglichen Kameras es, die Prozesse, die im Volumen von mehreren Kubikzentimetern ablaufen, bis ins kleinste Detail zu untersuchen. Forscher beobachten, wie sich feiner Wasserstaub unter dem Einfluss von Turbulenzen zu größeren Tröpfchen verbindet.
Mit anderen Worten, sie untersuchen den Ursprung des Regens. Wissenschaftler beabsichtigen jedoch nicht, sich mit den vorhandenen Fähigkeiten zu befassen, und planen bereits die Lieferung von Hochgeschwindigkeitskameras an die Wolken mithilfe eines Hybrids aus Drachen und Ballon.
Wie vielfältig die Anwendungsbereiche der Hydrodynamik sind, lässt sich anhand ihrer Hauptabschnitte beurteilen:
- Ideale Umgebung - In diesem Abschnitt wird das Verhalten eines idealen Fluids untersucht, bei dem die Beschreibung die innere Reibung, die Wärmeleitfähigkeit und die Scherbeanspruchungen vernachlässigen kann.
- Hydrodynamik laminarer Strömungen - Untersucht die Bewegung gleichmäßiger Strömungen ohne Pulsationen und Vermischen von Schichten.
- Turbulenzen sind sehr schwer zu modellieren. Turbulenzen treten mit einer starken Abweichung von Druck, Geschwindigkeit, Temperatur und Dichte von einigen Durchschnittswerten auf. Beispielsweise mischt sich in der Brandungszone eine einfallende Welle mit Luft, um einen Schaum zu bilden. Oft spüren Flugzeugpassagiere Vibrationen, wenn ein Flugzeug eine Turbulenzzone betritt. Wir können auch das Phänomen der Turbulenzen in kochendem Wasser beobachten. Dies ist ein sehr wichtiger Abschnitt, ohne den keine einzige Pipeline gebaut wird.
- Die Überschallhydrodynamik ist ein spezieller Abschnitt, in dem das Verhalten von Strömungen bei Geschwindigkeiten untersucht wird, die sich der Schallgeschwindigkeit nähern oder diese überschreiten. Das Hauptmerkmal des Verhaltens solcher Strömungen ist das Auftreten von Stoßwellen.
- Wärme- und Stoffaustausch - untersucht das komplexe Verhalten von Flüssigkeiten mit ungleichmäßiger Temperaturverteilung. In diesem Fall können sich die Eigenschaften des Mediums wie Dichte, Viskosität und Wärmeleitfähigkeit lokal ändern.
- Geophysikalische Hydrodynamik - untersucht natürliche Phänomene auf planetarischer Ebene. Dies beinhaltet die Bewegung von Luftströmungen, See- und Meeresströmungen, die Zirkulation im flüssigen Kern und vieles mehr.
- Magnetische Hydrodynamik - beschreibt die Bewegung eines elektrisch leitenden Fluids in einem Magnetfeld. Darüber hinaus werden in diesem Abschnitt die Phänomene der Weltraumphysik untersucht: Chromosphäreneruptionen in der Sonne, der Ursprung der Magnetfelder von Galaxien, Sonnenflecken.
- Rheologie - untersucht die Bewegung nichtlinearer Flüssigkeiten, zu denen Gele, Pasten, Pseudokunststoffe und Viskoelastika gehören. Die Rheologie ist in der Materialwissenschaft und bei der Untersuchung geophysikalischer Prozesse weit verbreitet.
- Angewandte Hydrodynamik - arbeitet mit spezifischen wissenschaftlichen und technischen Problemen.
Die Entwicklung des Tintenstrahldrucks
Einer der Bereiche der angewandten Hydrodynamik ist der Tintenstrahldruck. Océ arbeitet seit mehr als 15 Jahren in diesem Bereich mit dem Max-Planck-Institut zusammen. Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Detlef Lohse untersucht die Prozesse rund um den Tintenstrahldruck, um die maximale Druckgeschwindigkeit zu bestimmen. Das heißt, die Definition der Grenze, wenn das Einspritzen von Tinte aus den Düsen des Druckkopfs und das Fixieren von Tropfen auf das Medium instabil wird.
Gleichzeitig werden Wege entwickelt, um die Unterstützung für das Stabilitätsregime zu maximieren.
Der moderne Tintenstrahldruck verwendet zwei Tinteninjektionstechnologien. In einem Fall spielt eine Piezoplatte und in dem anderen Fall eine Dampfblase die Rolle des Kolbens, der einen Tintentropfen aus der Düse des Druckkopfs drückt. Canon ist der einzige Hersteller weltweit, der Inkjet-Geräte mit beiden Technologien herstellt. Gleichzeitig ist die Division Océ auf die Herstellung von Druckern mit piezoakustischen Druckköpfen spezialisiert.
Océ unternahm in den frühen 90er Jahren des letzten Jahrhunderts die ersten Schritte zur Entwicklung einer eigenen Inkjet-Technologie. Das Unternehmen schätzte das enorme Potenzial der Inkjet-Technologie. Im Gegensatz zu anderen Druckarten gibt es weniger rotierende Teile. Dies bedeutet, dass durch die Reduzierung von Teilen die anfänglichen Kosten für Geräte reduziert werden und die Ausfallzeiten für die Wartung reduziert werden. Um unsere eigene einzigartige Inkjet-Technologie zu entwickeln, war es daher erforderlich, die hydrogasdynamischen Prozesse zu verstehen. Zu diesem Zeitpunkt nahmen Partnerschaften mit dem Max-Planck-Institut in Göttingen (Deutschland) und der Universität Twente (Niederlande) Gestalt an.
Die Forscher standen vor vielen interessanten Problemen, die eine umfassende Lösung erforderten. Es war notwendig, die physikochemischen und optischen Eigenschaften der Tinte, die Art der Injektion der Tröpfchen, die Zufuhr von Tinte zum Kopf und die Zufuhrrate des gedruckten Mediums zu berücksichtigen. Das Ändern nur eines Merkmals führte zu einer Anpassung und der Rest.
Aufgrund der externen Ähnlichkeiten zwischen der piezoelektrischen und der Blasenstrahltechnologie weisen sie gravierende Unterschiede sowohl in den Prozessen selbst als auch in den Fähigkeiten auf. Bei der Blasentechnologie werden Tinten auf Lösungsmittel- oder Wasserbasis verwendet. Das Funktionsprinzip eines solchen Druckens besteht darin, dass in jeder Druckzelle ein Mikroheizelement vorhanden ist. Wenn ein elektrischer Impuls angelegt wird, erwärmt sich das Element und die benachbarten Tintenschichten kochen. In diesem Fall bildet sich scharf eine Dampfblase. Er wiederum erfüllt die Funktion einer Art "Kolben", indem er einen Teil der Tinte aus der Düse drückt. Hier manifestieren sich alle Phänomene der Hydrogasdynamik vollständig.
In der piezoelektrischen Technologie spielt die piezoelektrische Platte die Rolle des „Drückers“. Es ändert seine Geometrie unter dem Einfluss elektrischer Impulse. Aufgrund dessen wird ein Tropfen Tinte aus der Düse eingespritzt. Durch Modulation des an die piezoelektrische Platte gelieferten Signals ist es möglich, das Tropfenvolumen mit hoher Genauigkeit einzustellen. Dies bietet viele Vorteile der piezoakustischen Drucktechnologie:
- Die präzise Dosierung optimiert den Tintenverbrauch.
- Bietet genaue Farbwiedergabe auf allen Ausdrucken;
- Möglichkeit der Verwendung lösungsmittelfreier Tinten (UV-Tinte, Feststoff), die sofort auf dem Medium kristallisieren und nicht getrocknet werden müssen;
- Infolge des vorherigen Absatzes Reduzierung des Energieverbrauchs und der Fähigkeit, auf wärmekritische Medien zu drucken;
- Unauslöschliche und verschleißfeste Drucke mit hoher Druckgeschwindigkeit;
- Aufgrund der sofortigen Kristallisation der Tinte können kostengünstige Papiersorten als Träger verwendet werden, da der Tropfen auf der Oberfläche des Trägers fixiert ist, ohne von diesem absorbiert zu werden.
Die Forschung auf dem Gebiet der Hydrodynamik von Inkjet-Technologien beschränkt sich nicht nur auf Druckprobleme. Dank moderner Technologie können Sie auf verschiedenen Medien drucken und viele Druckkompositionen verwenden. So beherrschte schon das Drucken auf Glas, Holz, Metall, Kunststoff. Vor relativ kurzer Zeit wurde mit dem Volumendruck begonnen, sodass Sie nicht nur Farben, sondern auch die Volumentextur der Oberfläche übertragen können. So wird es möglich, nicht nur auf das Material, sondern auch auf das Material selbst zu drucken. Es kann in Druckchips oder Touchscreen-Beschichtungen Anwendung finden.
An der Grenze zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung erscheinen neue Perspektiven, die nicht mehr so fantastisch erscheinen. Es gibt signifikante Ähnlichkeiten zwischen den physikalischen Eigenschaften von Blut und Tinte. Sie haben eine ähnliche Viskosität und Fließfähigkeit. Was hat das mit Tintenstrahldruck zu tun? Aber vielleicht sind dies die ersten Schritte zum Drucken von lebendem Gewebe oder sogar ganzen Organen.