Lille 3D-printet vakuumpumpe kunne give massespektrometri et løft – Physics World

Lille 3D-printet vakuumpumpe kunne give massespektrometri et løft – Physics World

Tidsstempel: 22. juni 2023 kl. 10

Miniature vakuumpumpe
Forbedringer: diagram af den 3D-printede peristaltiske vakuumpumpe, der viser to hak og et nærbillede af en af ​​rullerne. (Med høflighed: Luis Fernando Velásquez-García et al)

En lillebitte 3D-printet vakuumpumpe er blevet udviklet af forskere i USA. Luis Fernando Velásquez-García og kolleger ved Massachusetts Institute of Technology siger, at deres enhed overgår de nuværende avancerede miniaturepumper. Det kunne bruges til at give folk i fjerntliggende samfund adgang til avanceret instrumentering såsom massespektrometri til sundheds- og miljøtest.

En peristaltisk pumpe er en type miniaturiseret positiv forskydningspumpe, der efterligner musklernes virkning i vores tarme. Inde i pumpen bevæger væsken sig gennem et fleksibelt rør, monteret rundt om den indvendige kant af et stift cirkulært hus.

En rotor ved cirklens akse er forsynet med ruller, der passerer langs cirklens indre omkreds – klemmer røret mod huset, transporterer væskelommer foran rullerne i retning af pumpens udløb. Samtidig, efter at rullen har passeret, genvinder røret sin oprindelige form. Dette skaber en sugeeffekt, der trækker mere væske ind i pumpen.

Da denne teknik undgår direkte kontakt mellem væsken og pumpemekanismen, er den nu meget brugt til at transportere væsker, der er kemisk reaktive eller skal forblive uberørte - som blod.

Vakuum udfordringer

Hidtil har peristaltiske pumper dog ikke været meget brugt til at skabe og opretholde et vakuum gennem transport af gasser. Dette ville kræve, at rotoren både roterer med højere hastigheder og klemmer det fleksible rør hårdere, hvilket hurtigt kan beskadige pumpen. Derudover kan et rør med et cirkulært tværsnit aldrig lukkes helt, hvilket betyder, at noget gas altid kan sive igennem i den forkerte retning.

I deres undersøgelse undersøgte Velásquez-Garcías team, hvordan disse problemer kunne løses gennem et smartere fleksibelt rørdesign – gjort muligt ved 3D-print. "En af de vigtigste fordele ved at bruge 3D-print er, at det giver os mulighed for aggressivt at prototype," forklarer Velásquez-García.

"Hvis du udfører dette arbejde i et rent rum, hvor mange af disse miniaturiserede pumper er lavet, tager det meget tid. Hvis du vil lave en ændring, skal du starte hele processen forfra. I dette tilfælde kan vi printe vores pumpe på få timer, og hver gang kan det være et nyt design.”

Denne tilgang gjorde det muligt for Velásquez-Garcías team at printe alle pumpens indre funktioner samtidigt. Til det fleksible rør brugte de et relativt nyt materiale, der er lettere at printe end mere almindelige fleksible materialer, men som har de nødvendige egenskaber.

Et par hak

De tilpassede også rørets design - og introducerede et par hak på modsatte sider af dets tværsnit, vinkelret på retningen af ​​dets kompression af rullerne. Denne lille ændring betød, at røret krævede mindre end halvdelen af ​​kraften for at forsegle fuldstændigt (se figur).

Med disse tilpasninger på plads kunne holdets pumpe opretholde vakuumtrykket en størrelsesorden lavere end andre state-of-the-art miniaturiserede pumper. Dette opnås ved at bruge lavere rotorhastigheder og med mindre kræfter påført det fleksible rør. Deres design bibeholdt denne ydeevne over en levetid på over 100,000 rotationer.

Velásquez-García og kolleger mener, at deres resultater tydeligt viser, hvor avanceret 3D-print er blevet. "Nogle mennesker tror, ​​at når man 3D-printer noget, må der være en form for afvejning. Men her har vores gruppe vist, at det ikke er tilfældet,” hævder Velásquez-García. "Det er virkelig et nyt paradigme. Additiv fremstilling kommer ikke til at løse alle verdens problemer, men det er en løsning, der har rigtige ben."

Holdet forestiller sig adskillige mulige anvendelser for deres enhed: inklusive højrenhedsmetallurgi, belægningsprocesser, halvlederfremstilling og især massespektrometri.

"Med massespektrometre har gorillaen på 500 pund i rummet altid været spørgsmålet om vakuumpumper," forklarer Velásquez-García. ”Det, vi har vist her, er banebrydende, men det er kun muligt, fordi det er 3D-printet. Hvis vi ville gøre dette på standardmåden, ville vi ikke have været i nærheden."

Med denne tilgang kunne massespektrometre udstyret med miniaturiserede vakuumpumper nemt produceres og installeres i fjerntliggende områder - hvilket giver små samfund i udviklingslande mulighed for at analysere blodprøver og undersøge vandkvaliteten.

Pumpen er beskrevet i Additiv Manufacturing.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden