Une minuscule pompe à vide imprimée en 3D pourrait donner un coup de pouce à la spectrométrie de masse – Physics World

Une minuscule pompe à vide imprimée en 3D pourrait donner un coup de pouce à la spectrométrie de masse – Physics World

Horodatage: 22 juin 2023 10h46

Pompe à vide miniature
Améliorations : schéma de la pompe à vide péristaltique imprimée en 3D montrant la paire d'encoches et un gros plan sur l'un des rouleaux. (Avec l'aimable autorisation de Luis Fernando Velásquez-García et al)

Une minuscule pompe à vide imprimée en 3D a été développée par des chercheurs aux États-Unis. Luis Fernando Velasquez-García et ses collègues du Massachusetts Institute of Technology affirment que leur appareil surpasse les pompes miniatures à la pointe de la technologie. Il pourrait être utilisé pour permettre aux habitants des communautés éloignées d'accéder à des instruments de pointe tels que la spectrométrie de masse pour les tests de santé et environnementaux.

Une pompe péristaltique est un type de pompe volumétrique miniaturisée qui imite l'action des muscles de nos intestins. À l'intérieur de la pompe, le fluide circule dans un tube flexible, monté autour du bord intérieur d'un boîtier circulaire rigide.

Un rotor à l'axe du cercle est équipé de rouleaux qui passent le long de la circonférence intérieure du cercle - serrant le tube contre le boîtier, transportant des poches de fluide devant les rouleaux, en direction de la sortie de la pompe. Simultanément, après le passage du galet, le tube retrouve sa forme d'origine. Cela crée un effet d'aspiration qui aspire plus de liquide dans la pompe.

Étant donné que cette technique évite le contact direct entre le fluide et le mécanisme de pompage, elle est maintenant largement utilisée pour transporter des liquides qui sont chimiquement réactifs ou qui doivent rester intacts, comme le sang.

Défis du vide

Jusqu'à présent, cependant, les pompes péristaltiques n'ont pas été largement utilisées pour créer et maintenir un vide par le transport de gaz. Cela nécessiterait que le rotor tourne à des vitesses plus rapides et serre plus fort le tube flexible, ce qui pourrait rapidement endommager la pompe. De plus, un tube de section circulaire ne peut jamais être complètement scellé, ce qui signifie qu'une partie du gaz peut toujours fuir dans la mauvaise direction.

Dans leur étude, l'équipe de Velásquez-García a exploré comment ces problèmes pourraient être résolus grâce à une conception de tube flexible plus intelligente, rendue possible par l'impression 3D. "L'un des principaux avantages de l'utilisation de l'impression 3D est qu'elle nous permet de prototyper de manière agressive", explique Velásquez-García.

« Si vous faites ce travail dans une salle blanche, où sont fabriquées beaucoup de ces pompes miniaturisées, cela prend beaucoup de temps. Si vous voulez faire un changement, vous devez recommencer tout le processus. Dans ce cas, nous pouvons imprimer notre pompe en quelques heures, et à chaque fois, il peut s'agir d'un nouveau design.

Cette approche a permis à l'équipe de Velásquez-García d'imprimer simultanément tous les rouages ​​de la pompe. Pour le tube flexible, ils ont utilisé un matériau relativement nouveau qui est plus facile à imprimer que les matériaux flexibles plus courants, mais qui possède les propriétés requises.

Paire d'encoches

Ils ont également adapté la conception du tube en introduisant une paire d'encoches sur les côtés opposés de sa section transversale, perpendiculairement à la direction de sa compression par les rouleaux. Cette petite modification signifiait que le tube nécessitait moins de la moitié de la force pour se sceller complètement (voir figure).

Avec ces adaptations en place, la pompe de l'équipe pourrait maintenir des pressions de vide d'un ordre de grandeur inférieures à celles des autres pompes miniaturisées de pointe. Ceci est réalisé en utilisant des vitesses de rotor inférieures et avec des forces plus faibles transmises au tube flexible. Leur conception a maintenu ces performances sur une durée de vie de plus de 100,000 XNUMX rotations.

Velásquez-García et ses collègues pensent que leurs résultats montrent clairement à quel point l'impression 3D est devenue avancée. "Certaines personnes pensent que lorsque vous imprimez quelque chose en 3D, il doit y avoir une sorte de compromis. Mais ici, notre groupe a montré que ce n'était pas le cas », affirme Velásquez-García. « C'est vraiment un nouveau paradigme. La fabrication additive ne va pas résoudre tous les problèmes du monde, mais c'est une solution qui a de vrais atouts.

L'équipe envisage de nombreuses utilisations possibles pour leur dispositif : y compris la métallurgie de haute pureté, les procédés de revêtement, la fabrication de semi-conducteurs et surtout la spectrométrie de masse.

"Avec les spectromètres de masse, le gorille de 500 livres dans la pièce a toujours été le problème des pompes à vide", explique Velásquez-García. « Ce que nous avons montré ici est révolutionnaire, mais cela n'est possible que parce qu'il est imprimé en 3D. Si nous voulions faire cela de manière standard, nous n'aurions pas été proches.

Avec cette approche, des spectromètres de masse équipés de pompes à vide miniaturisées pourraient être facilement produits et déployés dans des régions éloignées, permettant aux petites communautés des pays en développement d'analyser des échantillons de sang et d'examiner la qualité de l'eau.

La pompe est décrite dans Fabrication Additive.

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