Snelheid meten in vliegende inktjetdruppels

Natuurkundigen van de FOM-vakgroep Physics of Fluids (MESA+) aan de Universiteit Twente en van Océ-Technologies hebben een methode ontwikkeld om gedetailleerde snelheidsgegevens te meten in vliegende inkjetdruppels. Hun onderzoek is recent gepubliceerd in de eerste uitgave van het nieuwe vakblad Physical Review Applied. 
Inkjettechnologie is de meest gebruikte technologie voor het afdrukken van documenten. Een veelgebruikte methode is het drop on demand-inkjetprinten, waarbij een inktdruppel wordt geproduceerd op het moment dat hij nodig is. De diameter van deze inktdruppels is typisch rond de dertig micrometer, ongeveer driemaal zo dun als een menselijke haar. Door de goede reproduceerbaarheid van de druppels en de hoge haalbare resolutie is de techniek ook uitermate geschikt voor andere doeleindes, zoals elektrische circuits, organische leds en het populaire 3D-printen.
Om nieuwe printkoppen te ontwerpen, gebruiken onderzoekers vaak numerieke modellen die de werking van de printkoppen kunnen voorspellen.  Het is lastig deze modellen experimenteel te bevestigen, omdat de minieme grootte en hoge snelheid van de inktdruppels het moeilijk maakt de druppels goed in beeld te brengen.
Om de druppels, die zich met tien meter per seconde verplaatsen, microscopisch en zonder bewegingsonscherpte af te beelden, gebruiken de FOM-natuurkundigen een belichtingstijd van nanoseconden. Deze belichtingstijd bereiken zij door gebruik te maken van de unieke optische detectietechniek: illumination by light induced fluorescence. Met deze techniek belichten de onderzoekers een fluorescent medium met een laserpuls, waardoor een intense lichtflits van slechts acht nanoseconden wordt gegenereerd. Door de druppel tweemaal kort na elkaar keer te belichten en daarbij te fotograferen, is het mogelijk de verplaatsing van de inkt goed in beeld te brengen, en zo de vloeistofsnelheid binnen de druppel af te leiden. In het artikel in Physical Review Applied pasten de wetenschappers de methode toe op een druppel uit een printkop van Océ-Technologies. De tijd tussen twee foto’s van dezelfde druppel was slechts 600 nanoseconden.
De onderzoekers gebruiken de gemeten druppelvolumes en -snelheden vervolgens om de voorspelling van numerieke modellen te testen. In het artikel maken zij een vergelijking met een theoretisch slender jet approximation-model. De gemeten contour van de druppel en het snelheidsprofiel worden als beginconditie aan het model opgelegd. Vervolgens vergelijken de natuurkundigen de numeriek berekende druppelvorming met de experimentele gegevens. De vergelijking laat een perfecte overeenstemming zien tussen het experiment en de theorie. Océ-Technologies gebruikt deze methode nu voor het ontwerp van nieuwe printtoepassingen.