L'âge d'or de l'hydrodynamique
L'année de l'apparition de l'hydrodynamique en tant que science peut être considérée comme 1628, quand un petit ouvrage de Benedetto Castelli a été publié. Dans ce document, malgré les hypothèses erronées initiales, pendant un certain temps, il a expliqué assez précisément plusieurs phénomènes lors du mouvement de liquide dans les rivières et les canaux. Cependant, même avant cela, des scientifiques célèbres tels que Leonardo da Vinci et Galileo Galilei ont tenté d'étudier la résistance du mouvement moyen à corporel. Par la suite, Newton, Euler, Torricelli, Bernoulli, D'Alembert et bien d'autres ont apporté une grande contribution au développement de l'hydrodynamique.
La science moderne se développe de façon exponentielle. En effet, les réalisations dans un domaine fournissent des éléments pour créer les derniers outils utilisés pour la recherche dans d'autres domaines. Par conséquent, il sera juste de dire qu'un véritable «âge d'or» est venu pour l'hydrodynamique. Parallèlement, l'approche de la recherche a changé. De nos jours, les méthodes d'obtention de données expérimentales se sont considérablement améliorées. Si auparavant une théorie a été construite puis confirmée ou réfutée par l'expérience, aujourd'hui la théorie est basée sur un complexe de mesures de haute précision.
Pour étudier les écoulements laminaires et turbulents, le Max Planck Institute utilise désormais une caméra qui produit jusqu'à 1 million d'images par seconde. La caméra précédente était 500 fois plus lente et prenait 2000 images par seconde. Lors de l'étude d'un écoulement turbulent à l'aide de caméras, des milliers de particules peuvent être suivies. Leurs trajectoires et leur vitesse de déplacement sont converties en tableaux de données, qui sont ensuite traités par une puissante technologie informatique. Cela vous permet de construire des modèles numériques des processus et de mieux comprendre la nature de phénomènes tels que, par exemple, la turbulence.
L'étude du processus de formation de gouttelettes dans les nuages peut améliorer considérablement la précision des prévisions météorologiques. À cet effet, un laboratoire de la station allemande de recherche environnementale a été créé sur le mont Zugspitze (2 962 m / 9 718 pi). Le long de la voie ferrée de 7 mètres, 4 caméras à grande vitesse sont installées. Lorsque les nuages les traversent, les caméras permettent d'étudier dans les moindres détails les processus qui se produisent dans le volume de plusieurs centimètres cubes. Les chercheurs observent comment la poussière d'eau fine sous l'influence de la turbulence se combine en de plus grosses gouttelettes.
En d'autres termes, ils étudient l'origine de la pluie. Mais les scientifiques n'ont pas l'intention de s'attarder sur les capacités existantes et conçoivent déjà la livraison de caméras à haute vitesse dans les nuages à l'aide d'un hybride d'un cerf-volant et d'un ballon.
La diversité des domaines d'application de l'hydrodynamique peut être jugée par ses principales sections:
- Environnement idéal - cette section étudie le comportement d'un fluide idéal, dans lequel la description peut négliger le frottement interne, la conductivité thermique et les contraintes de cisaillement.
- Hydrodynamique des écoulements laminaires - étudie le mouvement d'écoulements uniformes sans pulsations et mélange de couches.
- La turbulence est un processus très difficile à modéliser. La turbulence se produit avec une forte déviation de la pression, de la vitesse, de la température et de la densité par rapport à certaines valeurs moyennes. Par exemple, dans la zone de surf, une vague incidente se mélange à l'air pour former une mousse. Souvent, les passagers d'un avion ressentent des vibrations lorsqu'un avion pénètre dans une zone de turbulence. On peut également observer le phénomène de turbulence dans l'eau bouillante. Il s'agit d'une section très importante, sans laquelle aucun pipeline ne sera construit.
- L'hydrodynamique supersonique est une section spécifique qui étudie le comportement des écoulements à des vitesses approchant ou dépassant la vitesse du son. La caractéristique principale du comportement de tels écoulements est la survenue d'ondes de choc.
- Transfert de chaleur et de masse - étudie le comportement complexe des liquides avec une distribution de température inégale. Dans ce cas, les propriétés du milieu, telles que la densité, la viscosité et la conductivité thermique, peuvent changer localement.
- Hydrodynamique géophysique - étudie les phénomènes naturels à l'échelle planétaire. Cela comprend le mouvement des courants d'air, des courants marins et océaniques, la circulation dans le noyau liquide et bien plus encore.
- Hydrodynamique magnétique - décrit le mouvement d'un fluide électriquement conducteur dans un champ magnétique. De plus, cette section étudie les phénomènes de la physique spatiale: les éruptions chromosphériques au soleil, l'origine des champs magnétiques des galaxies, les taches solaires.
- Rhéologie - étudie le mouvement des fluides non linéaires, qui comprennent les gels, les pâtes, les pseudoplastiques, les viscoélastiques. La rhéologie est largement utilisée en science des matériaux et dans l'étude des processus géophysiques.
- Hydrodynamique appliquée - fonctionne avec des problèmes scientifiques et techniques spécifiques.
Le développement de l'impression jet d'encre
L'un des domaines de l'hydrodynamique appliquée est l'impression à jet d'encre. Depuis plus de 15 ans, Océ collabore dans ce domaine avec l'Institut Max Planck. Un groupe de scientifiques dirigé par le professeur Detlef Lohse étudie les processus entourant l'impression à jet d'encre pour déterminer la vitesse d'impression maximale. Autrement dit, la définition de la limite lorsque l'injection d'encre à partir des buses de la tête d'impression et les gouttes de fixation sur le support deviendront instables.
Parallèlement, des moyens de maximiser le soutien au régime de stabilité sont en cours d'élaboration.
L'impression à jet d'encre moderne utilise deux technologies d'injection d'encre. Dans un cas, le rôle du piston, poussant une goutte d'encre de la buse de la tête d'impression, est joué par une plaque piézoélectrique, et dans l'autre, par une bulle de vapeur. Canon est le seul fabricant au monde à fabriquer des équipements à jet d'encre utilisant les deux technologies. Parallèlement, la division Océ est spécialisée dans la production d'imprimantes à têtes d'impression piézo-acoustiques.
Océ a fait les premiers pas dans le développement de sa propre technologie à jet d'encre au début des années 90 du siècle dernier. L'entreprise a apprécié l'énorme potentiel de la technologie jet d'encre. Contrairement à d'autres types d'impression, il y a moins de pièces tournantes. Cela signifie qu'avec la réduction des pièces, le coût initial de l'équipement est réduit et les temps d'arrêt pour la maintenance sont réduits. Par conséquent, afin de créer notre propre technologie jet d'encre unique, il était nécessaire de comprendre les processus hydro-gaz-dynamiques. C'est alors que des partenariats ont commencé à prendre forme avec l'Institut Max Planck de Göttingen (Allemagne) et l'Université de Twente (Pays-Bas).
Les chercheurs ont été confrontés à de nombreux problèmes intéressants qui nécessitaient une solution globale. Il était nécessaire de prendre en compte les propriétés physico-chimiques et optiques de l'encre, le mode d'injection des gouttelettes, la livraison de l'encre à la tête et la vitesse d'alimentation du support imprimé. Changer une seule caractéristique entraînait un ajustement et le reste.
Avec les similitudes externes entre les technologies piézoélectriques et à jet de bulles, elles présentent de sérieuses différences, tant dans les processus eux-mêmes que dans les capacités. La technologie Bubble utilise des encres à base de solvant ou à base d'eau. Le principe de fonctionnement d'une telle impression est que dans chaque cellule d'impression il y a un élément de micro-chauffage. Lorsqu'une impulsion électrique est appliquée, l'élément chauffe et les couches d'encre adjacentes bouillent. Dans ce cas, une bulle de vapeur se forme fortement. Lui, à son tour, remplit la fonction d'une sorte de "piston", poussant une partie de l'encre de la buse. Ici, tous les phénomènes de la dynamique des hydro-gaz se manifestent pleinement.
En technologie piézoélectrique, le rôle du «poussoir» est joué par la plaque piézoélectrique. Il change de géométrie sous l'influence d'impulsions électriques. Pour cette raison, une goutte d'encre est injectée à partir de la buse. En modulant le signal fourni à la plaque piézoélectrique, il est possible de régler le volume de la goutte avec une grande précision. Cela donne de nombreux avantages à la technologie d'impression piézo-acoustique:
- Un dosage précis optimise la consommation d'encre;
- Fournit une reproduction précise des couleurs sur toutes les impressions;
- Possibilité d'utiliser des encres sans solvant (encre UV, solide), qui cristallisent instantanément sur le support et ne nécessitent pas de séchage;
- En conséquence du paragraphe précédent, réduire la consommation d'énergie et la capacité d'imprimer sur des supports essentiels à la chaleur;
- Impressions indélébiles et résistantes à l'usure à grande vitesse;
- En raison de la cristallisation instantanée de l'encre, des types de papier bon marché peuvent être utilisés comme support, car la goutte est fixée sur la surface du support sans y être absorbée.
La recherche dans le domaine de l'hydrodynamique des technologies à jet d'encre ne se limite pas aux problèmes d'impression. La technologie moderne vous permet d'imprimer sur différents supports et d'utiliser de nombreuses compositions d'impression. Impression déjà maîtrisée sur verre, bois, métal, plastique. Relativement récemment, l'impression en volume a commencé à être pratiquée, vous permettant de transférer non seulement les couleurs, mais aussi la texture volumique de la surface. Ainsi, il devient possible d'imprimer non seulement sur le matériau, mais également sur le matériau lui-même. Il peut trouver une application dans les puces d'impression ou les revêtements d'écran tactile.
A la frontière de la recherche fondamentale et appliquée, de nouvelles perspectives apparaissent qui ne semblent plus aussi fantastiques. Il existe des similitudes importantes entre les caractéristiques physiques du sang et de l'encre. Ils ont une viscosité et une fluidité similaires. Il semblerait, qu'est-ce que cela a à voir avec l'impression à jet d'encre? Mais ce sont peut-être les premières étapes de l'impression de tissus vivants ou même d'organes entiers.