Струйная печать как одно из направлений прикладной гидродинамики

в 12:39, , рубрики: Canon b2b, Canon для бизнеса, Блог компании Canon для бизнеса, Научно-популярное, Обзор Периферийной Техники, оборудование для бизнеса, Оборудование Для Организаций, периферия, Печать Canon, Принтеры Canon, техника Canon, цифровая печать

«Золотой век» гидродинамики

Годом появления гидродинамики как науки можно считать 1628 год, когда была издана маленькая работа Бенедетто Кастелли. В ней, несмотря на исходные ошибочные предпосылки, он довольно точно для своего времени объяснил несколько явлений при движении жидкости в реках и каналах. Однако и до этого были попытки исследований сопротивления среды движению тела такими известными учеными, как Леонардо да Винчи и Галилео Галилей. Впоследствии большой вклад в развитие гидродинамики внесли Ньютон, Эйлер, Торричелли, Бернулли, Даламбер и многие другие.

Современная наука развивается по экспоненте. Это происходит потому, что достижения в одной сфере дают материал для создания новейших инструментов, применяемых для исследований в других сферах. Поэтому будет справедливым сказать, что для гидродинамики наступил настоящий «золотой век». При этом изменился подход к исследованиям. Сейчас значительно усовершенствовались способы получения экспериментальных данных. Если раньше строилась теория и потом подтверждалась или опровергалась экспериментом, то сегодня теория основывается на комплексе высокоточных измерений.

Струйная печать как одно из направлений прикладной гидродинамики - 1

Для исследования ламинарных и турбулентных потоков жидкости в Институте Макса Планка сейчас используется камера, делающая до 1 млн. кадров в секунду. Предыдущая камера была в 500 раз медленнее и снимала 2000 кадров в секунду. При изучении турбулентного потока с помощью камер можно отследить тысячи частиц. Их траектории и скорость перемещения преобразуются в массивы данных, которые затем обрабатываются мощной вычислительной техникой. Это позволяет строить числовые модели происходящих процессов и лучше понимать природу таких явлений как, например, турбулентность.

Изучение процесса образования капель в облаках может значительно повысить точность прогнозирования погоды. Специально для этого на горе Цугшпитце (2 962 м / 9 718 футов) была создана лаборатория экологической научно-исследовательской станции Германии. Вдоль 7-метрового железнодорожного пути установлены 4 высокоскоростные камеры. При прохождении через них облака, камеры дают возможность изучить в мельчайших деталях процессы, протекающие в объеме нескольких кубических сантиметров. Исследователи наблюдают, как мелкая водяная пыль под воздействием турбулентности соединяется в более крупные капли.

Другими словами, они изучают зарождение дождя. Но ученые не намерены останавливаться на существующих возможностях и уже проектируют доставку высокоскоростных камер в облака при помощи гибрида бумажного змея и воздушного шара.

Насколько разнообразны сферы применения гидродинамики, можно судить по ее основным разделам:

  • Идеальная среда – этот раздел изучает поведение идеальной жидкости, в которой при описании можно пренебречь внутренним трением, теплопроводностью и касательными напряжениями.
  • Гидродинамика ламинарных течений – изучает движение равномерных потоков без пульсаций и перемешивания слоев.
  • Турбулентность – очень сложный для моделирования процесс. Турбулентность возникает при резком отклонении давления, скорости, температуры, плотности от каких-то усредненных значений. Например, в зоне прибоя, падающая волна смешивается с воздухом, образуя пену. Часто пассажиры самолетов ощущают вибрацию при попадании летательного аппарата в зону турбулентности. Также явление турбулентности мы можем наблюдать в кипящей воде. Это очень важный раздел, без которого не строится ни один трубопровод.
  • Сверхзвуковая гидродинамика – специфический раздел, изучающий поведение течений при скоростях приближающихся или превышающих скорость звука. Главной особенностью поведения таких потоков является возникновение ударных волн.
  • Тепломассообмен – изучает сложное поведение жидкостей с неравномерным распределением температуры. При этом могут локально изменяться свойства среды, такие как плотность, вязкость, теплопроводность.
  • Геофизическая гидродинамика – изучает природные явления планетарного масштаба. Сюда входят движения воздушных потоков, морские и океанские течения, циркуляция в жидком ядре и многое другое.
  • Магнитная гидродинамика – описывает движение электропроводящей жидкости в магнитном поле. Кроме того, этот раздел изучает явления космической физики: хромосферные вспышки на солнце, происхождение магнитных полей галактик, солнечные пятна.
  • Реология – изучает движение нелинейных жидкостей, к которым относятся гели, пасты, псевдопластики, вискоэластики. Реология широко используется в материаловедении и в изучении геофизических процессов.
  • Прикладная гидродинамика – работает с конкретными научно-техническими задачами.

Струйная печать как одно из направлений прикладной гидродинамики - 2

Развитие струйной печати

Одним из направлений прикладной гидродинамики является струйная печать. Более 15 лет Océ сотрудничает в этой области с Институтом Макса Планка. Группа ученых во главе с профессором Детлефом Лозе изучает процессы, сопутствующие струйной печати, для определения максимального быстродействия печати. То есть определения того предела, когда инжекция чернил из сопел печатающей головки и фиксация капель на носителе станут нестабильными.

Одновременно с этим разрабатываются способы максимальной поддержки режима стабильности.
В современной струйной печати используется две технологии инжекции чернил. В одном случае роль поршня, выталкивающего каплю чернил из сопла печатающей головки, выполняет пьезопластина, а в другом – пузырек пара. Компания Canon единственный в мире производитель, который выпускает струйное оборудование с использованием обеих технологий. При этом подразделение Océ специализируется на производстве принтеров с пьезоакустическими печатными головками.

Первые шаги в развитии собственной струйной технологии Océ предприняла в начале 90-х прошлого века. Компания оценила огромный потенциал струйной технологии. В отличие от других видов печати, здесь меньше вращающихся деталей. А это значит, что с уменьшением деталей снижается начальная себестоимость оборудования и сокращается время простоя на обслуживание. Поэтому, чтобы создать собственную уникальную струйную технологию, необходимо было понимание гидрогазодинамических процессов. Именно тогда начали складываться партнерские отношения с Институтом Макса Планка в Геттингене (Германия) и университетом Twente (Нидерланды).

Перед исследователями стояла масса интересных задач, которые требовали комплексного решения. Необходимо было учитывать физико-химические и оптические свойства чернил, режим инжекции капель, доставку чернил к головке, и скорость подачи запечатываемого носителя. Изменение только одной характеристики влекло за собой корректировку и остальных.

Струйная печать как одно из направлений прикладной гидродинамики - 3

При внешнем сходстве пьезоакустической и пузырьковой струйных технологий они имеют серьезные различия, как в самих процессах, так и в возможностях. В пузырьковой технологии используются сольвентные чернила или чернила на водной основе. Принцип действия такой печати заключается в том, что в каждой печатающей ячейке находится микронагревательный элемент. При подаче электрического импульса элемент нагревается, и прилегающие к нему слои чернил закипают. При этом резко образуется пузырек пара. Он, в свою очередь, выполняет функцию своеобразного «поршня», выталкивающего из сопла порцию чернил. Здесь в полной мере проявляются все явления гидрогазодинамики.

В пьезоакустической технологии роль «толкателя» выполняет пьезопластина. Она изменяет свою геометрию под воздействием электрических импульсов. За счет этого из сопла инжектируется капля чернил. Модулируя сигнал, подаваемый на пьезопластину, можно с высокой точностью задавать объем капли. Это дает массу преимуществ пьезоакустической технологии печати:

  • Точное дозирование оптимизирует расход чернил;
  • Обеспечивается точная цветопередача на всех отпечатках;
  • Возможность применения безсольвентных чернил (UV-чернил, твердых), которые мгновенно кристаллизуются на носителе и не требуют сушки;
  • Как следствие из предыдущего пункта, снижение энергозатрат и возможность печатать на носителях, критично относящихся к нагреву;
  • Высокая скорость печати несмываемых и износоустойчивых отпечатков;
  • Благодаря мгновенной кристаллизации чернил можно в качестве носителя использовать недорогие сорта бумаги, так как капля фиксируется на поверхности носителя, не впитываясь в него.

Струйная печать как одно из направлений прикладной гидродинамики - 4

Исследования в области гидрогазодинамики струйных технологий не ограничиваются только вопросами полиграфии. Современные технологии позволяют печатать на различных носителях и использовать множество печатных составов. Так уже освоена печать на стекле, дереве, металле, пластике. Относительно недавно стала практиковаться объемная печать, позволяющая передавать не только цвета, но и объемную фактуру поверхности. Таким образом, появляется возможность печатать не только на материале, а и самим материалом. Это может найти применение в печати чипов или покрытий сенсорных экранов.

На границе фундаментальных и прикладных исследований появляются новые перспективы, которые уже не кажутся столь фантастическими. Есть значительное сходство физических характеристик крови и чернил. Они имеют сходную вязкость и текучесть. Казалось бы, какое это имеет отношение к струйной печати? Но возможно, это уже первые шаги к печати живых тканей или даже целых органов.

Автор: Canon_for_business

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js