流体力学の黄金時代
科学としての流体力学の出現の年は、ベネデット・カステッリの小さな研究が発表された1628年と考えることができます。 その中で、最初の誤った仮定にもかかわらず、彼は彼の時間のために川と運河の流体の移動中のいくつかの現象を非常に正確に説明した。 しかし、その前でさえ、レオナルド・ダ・ヴィンチやガリレオ・ガリレイなどの有名な科学者による身体運動に対する媒体の抵抗を研究する試みがありました。 その後、ニュートン、オイラー、トリチェッリ、ベルヌーイ、ダランベール、その他多くの人々が流体力学の発展に大きく貢献しました。
現代科学は指数関数的に発展しています。 これは、ある分野の成果が、他の分野の研究に使用される最新のツールを作成するための資料を提供するためです。 したがって、流体力学の真の「黄金時代」が到来したと言っても過言ではありません。 同時に、研究へのアプローチが変わりました。 現在、実験データを取得する方法は大幅に改善されています。 以前に理論が構築され、その後、実験によって確認または反論された場合、今日の理論は高精度測定の複合体に基づいています。
層流および乱流の流れを研究するために、Max Planck Instituteは現在、1秒あたり最大100万フレームのカメラを使用しています。 以前のカメラは500倍遅く、1秒あたり2000フレームかかりました。 カメラを使用して乱流を調べる場合、数千の粒子を追跡できます。 それらの軌道と移動速度はデータ配列に変換され、その後、強力なコンピューター技術によって処理されます。 これにより、プロセスの数値モデルを構築し、乱流などの現象の性質をよりよく理解できます。
雲の中の液滴形成のプロセスを研究することで、天気予報の精度を大幅に向上させることができます。 この目的のために、ドイツの環境研究ステーションの研究所がツークシュピッツェ山に設置されました（2,962 m / 9,718 ft）。 7メートルの鉄道線路に沿って、4台の高速カメラが設置されています。 雲がそれらを通過するとき、カメラは数立方センチメートルの体積で発生するプロセスを非常に詳細に研究することを可能にします。 研究者は、乱流の影響下にある微細な水塵がどのように大きな液滴に結合するかを観察しています。
言い換えれば、彼らは雨の起源を研究しています。 しかし、科学者は既存の機能にとどまるつもりはなく、紙kitとバルーンのハイブリッドを使用して、クラウドへの高速カメラの配信をすでに設計しています。
流体力学の適用範囲はどの程度多様であるかは、その主なセクションで判断できます。
- 理想的な環境 -このセクションでは、内部摩擦、熱伝導率、およびせん断応力を説明で無視できる理想的な流体の挙動を研究します。
- 層流の流体力学 -脈動や層の混合のない均一な流れの動きを研究します。
- 乱流はモデル化が非常に難しいプロセスです。 圧力、速度、温度、密度がいくつかの平均値から急激に逸脱すると、乱流が発生します。 たとえば、サーフゾーンでは、入射波が空気と混合して泡を形成します。 多くの場合、航空機の乗客は、航空機が乱流ゾーンに入ると振動を感じます。 熱湯の乱流現象も観察できます。 これは非常に重要なセクションであり、これがないと単一のパイプラインが構築されません。
- 超音速流体力学は、 音速に近づくか、音速を超える速度での流れの挙動を研究する特定のセクションです。 そのような流れの挙動の主な特徴は、衝撃波の発生です。
- 熱および物質移動 -不均一な温度分布を持つ液体の複雑な挙動を研究します。 この場合、密度、粘度、熱伝導率などの媒体の特性が局所的に変化する可能性があります。
- 地球物理流体力学 -惑星規模で自然現象を研究します。 これには、気流、海および海流の動き、液体コアの循環などが含まれます。
- 磁気流体力学 -磁場中の導電性流体の動きを表します。 さらに、このセクションでは、宇宙物理学の現象を研究します。太陽の彩層フレア、銀河の磁場の起源、黒点。
- レオロジー -ゲル、ペースト、擬似プラスチック、粘弾性を含む非線形流体の動きを研究します。 レオロジーは、材料科学および地球物理学的プロセスの研究で広く使用されています。
- 応用流体力学 -特定の科学的および技術的問題で動作します。
インクジェット印刷の開発
適用される流体力学の分野の1つは、インクジェット印刷です。 15年以上にわたり、Oceはこの分野でMax Planck Instituteと協力してきました。 Detlef Lohse教授が率いる科学者グループは、インクジェット印刷を取り巻くプロセスを研究して、最大印刷速度を決定しています。 つまり、プリントヘッドのノズルからのインクの注入とメディアへの定着滴の限界の定義が不安定になります。
同時に、安定化体制への支援を最大化する方法が開発されています。
最新のインクジェット印刷では、2つのインク注入技術が使用されます。 ある場合には、プリントヘッドのノズルからインクの滴を押し出すピストンの役割は、ピエゾプレートによって、また別の場合には蒸気の泡によって演じられます。 キヤノンは、両方の技術を使用してインクジェット機器を製造する世界で唯一のメーカーです。 同時に、Oce部門は、ピエゾ音響プリントヘッドを備えたプリンターの製造を専門としています。
Oceは、前世紀の90年代初頭に独自のインクジェット技術を開発するための第一歩を踏み出しました。 同社は、インクジェット技術の大きな可能性を高く評価しました。 他のタイプの印刷とは異なり、回転部品が少なくなります。 これは、部品の削減により、機器の初期コストが削減され、メンテナンスのダウンタイムが削減されることを意味します。 したがって、独自の独自のインクジェット技術を作成するには、ハイドロガスの動的プロセスを理解する必要がありました。 その後、ゲッティンゲン（ドイツ）のマックスプランク研究所とトウェンテ大学（オランダ）とのパートナーシップが形成され始めました。
研究者は、包括的なソリューションを必要とする多くの興味深い問題に直面しました。 インクの物理化学的および光学的特性、液滴の噴射モード、ヘッドへのインクの供給、および印刷された媒体の供給速度を考慮する必要がありました。 1つの特性のみを変更すると、調整と残りが必要になります。
圧電技術とバブルジェット技術の外部の類似性により、プロセス自体と機能の両方に重大な違いがあります。 バブル技術は、溶剤ベースまたは水ベースのインクを使用します。 このような印刷の動作原理は、各印刷セルに微小発熱体が存在することです。 電気インパルスが適用されると、要素が加熱され、隣接するインク層が沸騰します。 この場合、蒸気泡が急激に形成されます。 次に、彼は一種の「ピストン」の機能を実行し、ノズルからインクの一部を押し出します。 ここでは、すべてのハイドロガスダイナミクス現象が完全に現れています。
圧電技術では、「プッシャー」の役割は圧電板によって果たされます。 電気インパルスの影響下でジオメトリを変更します。 このため、ノズルからインク滴が噴射されます。 圧電プレートに供給される信号を変調することにより、ドロップボリュームを高精度で設定することができます。 これにより、圧電音響印刷技術の多くの利点が得られます。
- 正確な投与により、インク消費が最適化されます。
- すべてのプリントで正確な色再現を提供します。
- 無溶剤インク（UVインク、固体）を使用する可能性。これは、メディア上で即座に結晶化し、乾燥する必要がありません。
- 前の段落の結果として、エネルギー消費の削減と、熱に重要なメディアへの印刷機能。
- 高い印刷速度、消えない、耐摩耗性のある印刷。
- インクは瞬時に結晶化するため、液滴はキャリアに吸収されることなくキャリアの表面に固定されるため、安価なタイプの紙をキャリアとして使用できます。
インクジェット技術の流体力学の分野の研究は、印刷の問題に限定されません。 最新のテクノロジーにより、さまざまなメディアに印刷し、さまざまな印刷構成を使用できます。 ガラス、木材、金属、プラスチックへの印刷はすでにマスターされています。 比較的最近、ボリューム印刷の練習が開始され、色だけでなく表面のボリュームテクスチャも転送できるようになりました。 したがって、素材だけでなく素材自体にも印刷することが可能になります。 これは、印刷チップやタッチスクリーンコーティングに用途があります。
基礎研究と応用研究の境界には、もはやそれほど幻想的ではない新しい視点が現れます。 血液とインクの物理的特性には大きな類似点があります。 それらは同様の粘度と流動性を持っています。 これはインクジェット印刷と何の関係があるのでしょうか？ しかしおそらく、これらはすでに生体組織や臓器全体を印刷するための最初のステップです。