complexe dynamica in een enkele druppel
Een van de uitdagingen voor makers van inkjet- en 3D-printers is ervoor te zorgen dat de inkt of printvloeistof in het printkanaal vloeibaar blijft, maar na het opspuiten snel opdroogt. Een partij die met de UT samenwerkt aan vernieuwend onderzoek op dit front is Océ, een Canon Company en een mondiale leider in hoogwaardig professioneel printen. Ondanks dat het bedrijf zich niet actief bezig houdt met de ontwikkeling van 3D-printtechnologie – de focus ligt op hogesnelheid printsystemen voor commercieel gebruik – participeert het graag in fundamenteel onderzoek op het gebied van vloeistofdynamica. De reden: zulk onderzoek is van groot belang is voor de ontwikkeling van alle soorten printers van vandaag en morgen. UT-wetenschapper Detlef Lohse legt uit: ‘Een van de uitdagingen is dat inkt meestal geen pure vloeistof is, maar een mengsel van stoffen die zich heel verschillend gedragen. Hoe voltrekt zich bijvoorbeeld het proces van verdamping in zo’n multicomponentmateriaal? Hoe vormt zich een verdampende druppel? Als er alcohol in het mengsel zit, verdampt die vrij snel en blijft het water dat erin zit achter. Doordat de verdamping met name aan de rand eerder begint dan elders in de druppel, krijg je stroming. De zwaartekracht kan een rol spelen en ook thermische effecten treden in werking: verdamping kost immers energie, wat betekent dat de druppel afkoelt. Je hebt dus te maken met een complex van krachten in zo’n vloeistoffenmengsel dat moeilijk te doorgronden is. Het ouzo-effect waarover wij in 2016 publiceerden – waarbij de anijsolie in de ouzo, als je er water bij doet, microdruppeltjes vormt en daardoor melkachtig wit wordt – is er een bekend voorbeeld van. Als het printmengsel vaste deeltjes bevat, zoals bij veel 3D-printtoepassingen, wordt het nog veel ingewikkelder.’
Technische of biologische materialen printen
3D-printmaterialen zijn per definitie multicomponentmaterialen. Lohse’s inzichten in druppelvorming en andere gedragseigenschappen van deze mengsels maken nauwkeuriger analyses en voorspellingen mogelijk. ‘Druppelvorming in multicomponentmaterialen is nog niet goed te begrijpen en kan heel ingewikkeld zijn, met name ook door de interactie met de oppervlakte. Uiteindelijk kunnen we door het onderzoek dat we nu uitvoeren straks in de praktijk niet alleen nog sneller, goedkoper en in hogere resoluties printen, maar ook uiteenlopende multicomponentmaterialen uit de 3D-printer laten komen. De consument zal dat zeker gaan merken. Denk aan het printen op textiel, van technische materialen op grote schaal, of biologische materialen, zoals orgaanprinten of het printen van huidcellen op een brandwond.’
Structuren met levende cellen printen
Begin dit jaar was Lohse betrokken bij de introductie van ‘in-air microfluidics’, een nieuwe techniek voor het printen van structuren met levende cellen. ‘Bij in-air microfluidics laten we microdruppels in de lucht samensmelten. Daardoor krijgen we zeer snel printbare, levensvatbare micro-bouwblokjes. Die kunnen we bijvoorbeeld inzetten bij de reparatie van beschadigd weefsel. Dit zijn revolutionaire ontwikkelingen in de printtechniek.’
‘Onze kinderen gaan profiteren’
Er zijn nog wel uitdagingen, erkent Lohse, die veelvuldig is onderscheiden voor zijn werk, onder meer met de twee meest prestigieuze prijzen in wereld van de vloeistofdynamica: de Fluid Dynamics Prize 2017 van de American Physical Society (APS) en de George Batchelor Prize in 2012. ‘We moeten nog leren de faseovergang die de stoffen doorlopen – van vloeistof naar vast – beter te beheersen. Daarnaast zal het een uitdaging worden die kennis goedkoop en effectief in te zetten. Maar de vooruitgang die we momenteel boeken is opmerkelijk. Het hele industriële printproces gaat veranderen. Ik weet zeker dat onze kinderen van deze technieken gaan profiteren.’