Winzige 3D-gedruckte Vakuumpumpe könnte der Massenspektrometrie einen Schub geben – Physics World

Forscher in den USA haben eine winzige 3D-gedruckte Vakuumpumpe entwickelt. Luis Fernando Velásquez-García und Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology sagen, dass ihr Gerät die aktuellen Miniaturpumpen auf dem neuesten Stand der Technik übertrifft. Es könnte genutzt werden, um Menschen in abgelegenen Gemeinden Zugang zu fortschrittlichen Instrumenten wie Massenspektrometrie für Gesundheits- und Umwelttests zu ermöglichen.

Eine peristaltische Pumpe ist eine Art miniaturisierte Verdrängerpumpe, die die Wirkung der Muskeln in unserem Darm nachahmt. Im Inneren der Pumpe fließt die Flüssigkeit durch einen flexiblen Schlauch, der um die Innenkante eines starren kreisförmigen Gehäuses angebracht ist.

Ein Rotor an der Achse des Kreises ist mit Rollen ausgestattet, die am Innenumfang des Kreises entlanglaufen – dabei das Rohr gegen das Gehäuse drücken und Flüssigkeitstaschen vor den Rollen in Richtung Pumpenauslass transportieren. Gleichzeitig nimmt das Rohr nach dem Durchlauf der Walze wieder seine ursprüngliche Form an. Dadurch entsteht ein Saugeffekt, der mehr Flüssigkeit in die Pumpe zieht.

Da diese Technik den direkten Kontakt zwischen der Flüssigkeit und dem Pumpmechanismus vermeidet, wird sie heute häufig zum Transport von Flüssigkeiten eingesetzt, die chemisch reaktiv sind oder makellos bleiben müssen – wie zum Beispiel Blut.

Herausforderungen im Vakuum

Für die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Vakuums durch den Transport von Gasen sind peristaltische Pumpen bislang jedoch wenig verbreitet. Dies würde erfordern, dass sich der Rotor schneller dreht und den flexiblen Schlauch stärker zusammendrückt, was die Pumpe schnell beschädigen könnte. Darüber hinaus kann ein Rohr mit kreisförmigem Querschnitt nie vollständig abgedichtet werden, sodass immer etwas Gas in die falsche Richtung entweichen kann.

In ihrer Studie untersuchte das Team von Velásquez-García, wie diese Probleme durch ein intelligenteres flexibles Schlauchdesign gelöst werden könnten – ermöglicht durch 3D-Druck. „Einer der Hauptvorteile des 3D-Drucks besteht darin, dass wir damit aggressive Prototypen erstellen können“, erklärt Velásquez-García.

„Wenn man diese Arbeit in einem Reinraum durchführt, in dem viele dieser Miniaturpumpen hergestellt werden, nimmt das viel Zeit in Anspruch. Wenn Sie eine Änderung vornehmen möchten, müssen Sie den gesamten Prozess von vorne beginnen. In diesem Fall können wir unsere Pumpe innerhalb weniger Stunden drucken und es kann jedes Mal ein neues Design sein.“

Dieser Ansatz ermöglichte es Velásquez-Garcías Team, das gesamte Innenleben der Pumpe gleichzeitig zu drucken. Für den flexiblen Schlauch verwendeten sie ein relativ neues Material, das einfacher zu drucken ist als gängigere flexible Materialien, aber die erforderlichen Eigenschaften aufweist.

Paar Kerben

Sie passten auch das Design des Rohrs an und fügten ein Paar Kerben auf gegenüberliegenden Seiten seines Querschnitts ein, senkrecht zur Richtung seiner Kompression durch die Rollen. Diese kleine Änderung bedeutete, dass das Rohr weniger als die Hälfte der Kraft benötigte, um vollständig abzudichten (siehe Abbildung).

Mit diesen Anpassungen könnte die Pumpe des Teams Vakuumdrücke aufrechterhalten, die um eine Größenordnung niedriger sind als bei anderen hochmodernen Miniaturpumpen. Dies wird durch niedrigere Rotorgeschwindigkeiten und geringere auf den flexiblen Schlauch ausgeübte Kräfte erreicht. Ihre Konstruktion behielt diese Leistung über eine Lebensdauer von über 100,000 Umdrehungen bei.

Velásquez-García und Kollegen glauben, dass ihre Ergebnisse deutlich zeigen, wie fortschrittlich der 3D-Druck mittlerweile ist. „Manche Leute denken, dass es beim 3D-Drucken irgendeinen Kompromiss geben muss. Aber hier hat unsere Gruppe gezeigt, dass das nicht der Fall ist“, behauptet Velásquez-García. „Es ist wirklich ein neues Paradigma. Additive Fertigung wird nicht alle Probleme der Welt lösen, aber es ist eine Lösung, die echte Beine hat.“

Lebensmittelfarbstoff hilft beim 3D-Druck von Gefäßnetzwerken

Das Team sieht zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für sein Gerät: darunter hochreine Metallurgie, Beschichtungsprozesse, Halbleiterfertigung und insbesondere Massenspektrometrie.

„Bei Massenspektrometern war der 500 Pfund schwere Gorilla im Raum schon immer das Problem von Vakuumpumpen“, erklärt Velásquez-García. „Was wir hier gezeigt haben, ist bahnbrechend, aber es ist nur möglich, weil es 3D-gedruckt ist. Wenn wir das auf die übliche Art und Weise machen wollten, wären wir weit davon entfernt gewesen.“

Mit diesem Ansatz könnten Massenspektrometer, die mit miniaturisierten Vakuumpumpen ausgestattet sind, problemlos hergestellt und in abgelegenen Regionen eingesetzt werden – so könnten kleine Gemeinden in Entwicklungsländern Blutproben analysieren und die Wasserqualität untersuchen.

Die Pumpe ist in beschrieben Additive Fertigung.

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• EVM-Finanzen. Einheitliche Schnittstelle für dezentrale Finanzen. Hier zugreifen.
• Quantum Media Group. IR/PR verstärkt. Hier zugreifen.
• PlatoAiStream. Web3-Datenintelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• Quelle: https://physicsworld.com/a/tiny-3d-printed-vacuum-pump-could-give-mass-spectrometry-a-boost/