Formation de jets liquides induits par l'oscillation d'une bulle proche d'une surface libre dans le contexte du procédé de Laser-Induced Forward Transfer (LIFT)

Liquid jets formation from an oscillating bubble near a free surface in the context of Laser-Induced Forward Transfer (LIFT)

• Auteur / Autrice : Gautier Dussuyer
• Direction : Dominique Legendre, Antonio Iazzolino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 13/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Joelle Aubin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Legendre, Antonio Iazzolino, José Manuel Gordillo Arias de Saavedra, Christophe Josserand, François-Xavier Demoulin, Daniel Fuster
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : José Manuel Gordillo Arias de Saavedra, Christophe Josserand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imprimantes à laser

Méthodes de simulation

Dynamique des fluides

Bulles -- Dynamique

Mots clés libres

Laser-Induced Forward Transfer (LIFT)

Oscillations de bulle

Jet liquide

Simulation numérique

OpenFOAM

Laser-Induced Forward Transfer (LIFT)

Bubble oscillation

Liquid jet

Numerical simulation

OpenFOAM

Résumé

L'interaction d'une bulle en expansion et d'une interface peut être d'un grand intérêt pour plusieurs applications à visée industrielle. En particulier, cette interaction a lieu dans le cadre du procédé LIFT (''Laser-Induced Forward Transfer'' ou transfert induit par laser en français). Cette nouvelle technologie d'impression consiste à focaliser un laser dans le milieu à imprimer afin de générer une bulle qui croit et finalement éjecte le liquide par la création de jets liquides. Ce procédé d’impression est non invasif et très précis ce qui en fait un procédé de choix pour plusieurs applications, incluant le bio-printing. Cette interaction complexe est constituée de plusieurs étapes. Pendant les premiers instants, la bulle croit rapidement. Cette expansion asymétrique produit immédiatement deux jets (un jet ascendant et un jet descendant). Puis un jet plus gros et plus lent est aussi produit. Pour la bio-impression, le milieu liquide est constitué de cellules et un substrat est placé quelques millimètres au dessus de l'interface initial pour récolter ces cellules. En comparaison de l’éjection du premier jet, la littérature sur l’éjection du second jet est très peu fournie et aucun travail n’a été effectué sur l’analyse du volume de liquide éjecté. Le travail présenté dans ce manuscrit a pour objectif de fournir une meilleure compréhension de l’hydrodynamique associée au procédé LIFT. Dans ce but, nous avons analysé l’interaction d’une bulle soumise à une surpression (reliée à l’énergie laser) avec une interface libre en utilisant à la fois des simulations numériques et une approche expérimentale. Les simulations numériques ont été réalisées avec le solveur CompressibleInterFoam d’OpenFOAM tandis qu’une technique d’ombroscopie résolue en temps, synchronisée avec les impulsions laser, a été utilisée pour l’acquisition des données expérimentales. Après une validation du code OpenFOAM pour des oscillations linéaires et non linéaires d'une bulle en milieu infini, nous avons étudié l’interaction d’une bulle en expansion proche d’une interface libre, i.e dans une configuration de « Film-Free LIFT » (ou LIFT en milieu non confiné en français). Tous les aspects de cette interaction (la déformation de la bulle, la génération du premier jet ascendant et descendant, la vitesse du second jet, sa morphologie ainsi que le volume de liquide éjecté) ont été étudiés et quantifiés. Nous avons ensuite confiné la bulle avec une paroi à sa base et discuté de l’hydrodynamique dans cette configuration, i.e dans une configuration de Dynamic-Released Layer LIFT (DRL-LIFT) ou transfert induit par laser avec couche sacrificielle en français. Les différences avec la configuration non confinée sont exposées et une comparaison qualitative avec les expériences est proposée. La dynamique de déposition du liquide sur un substrat solide est ensuite discutée pour plusieurs cas. L’analyse des caractéristiques de la bulle, des premier jets, du second jet ainsi que du volume éjecté détaillée dans ce manuscrit aide à mieux comprendre plusieurs mécanismes sous-jacents au procédé LIFT.

The interaction between an expanding bubble and a liquid interface reveals to be of great interest in several industrial applications. In particular, it takes place in the Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) process. This new nozzle-free printing technique consists of focusing a laser in a material to nucleate a bubble which expands and finally ejects the surrounding liquid thanks to the creation of liquid jets. It is a non-invasive and very precise procedure which has lots of applications including bio-printing. The bubble-free interface interaction is constituted of several steps. During the early stages of the process, the bubble rapidly expands. This asymmetrical expansion gives immediately rise to the generation of two first vertical jets (downwards and upwards). Much later on, another much thicker and slower jets is also generated. For bioprinting applications, the liquid media is constituted of cells and a surface is placed few millimeters above the initial free interface to harvest the ejected cells included in the liquid. In comparison to the first jet ejection, the literature on the secondary jet ejection is sparse and no quantitative work on the ejected volume has been performed. This work intends to provide a better understanding of the hydrodynamic associated with the LIFT process. To this aim, we investigate the interaction of a bubble subjected to an excessive pressure (related to the laser energy input) with a free surface using both direct numerical simulation and experiments. The simulations are conducted with CompressibleInterFoam solver of OpenFOAM whereas time-resolved shadowgraphy technique, synchronized with the laser pulses, is employed for the experimental acquisition. After a validation of the OpenFOAM code for linear and non-linear bubble oscillations in an infinite media, we have studied the interaction of an expanding bubble located close to a free interface, as in the Film-Free LIFT configuration. We have investigated and quantified all the aspects of this interaction (bubble deformation, first upwards and downwards jets ejection, secondary jet velocity and topology as well as the transferable volume). Then, we have confined the expanding bubble with a wall at its bottom and discussed about the hydrodynamic in this configuration, our representation of the Dynamic Released Layer LIFT (DRF-LIFT). Differences with the un-confined configuration are highlighted and a qualitative comparison with experiments is provided. Finally the liquid deposition on a dry substrate is regarded and commented for several cases. The analysis on the bubble characteristics, on the first jets, on the secondary jet and on the ejected volume made in this PhD helps understanding several mechanisms underlying the LIFT process.