Egy apró 3D-nyomtatott vákuumszivattyú lendületet adhat a tömegspektrometriának – Physics World

Egy apró 3D-nyomtatott vákuumszivattyú lendületet adhat a tömegspektrometriának – Physics World

Időbélyeg: 22. június 2023. 10:46

Miniatűr vákuumszivattyú
Fejlesztések: a 3D-nyomtatott perisztaltikus vákuumszivattyú diagramja, amely bemutatja a bevágáspárt és az egyik görgő közeli képét. (Jóvolt: Luis Fernando Velásquez-García et al)

Egy apró, 3D-nyomtatott vákuumszivattyút fejlesztettek ki kutatók az Egyesült Államokban. Luis Fernando Velásquez-García és a Massachusetts Institute of Technology munkatársai azt mondják, hogy készülékük felülmúlja a jelenlegi legmodernebb miniatűr szivattyúkat. Használható arra, hogy távoli közösségekben élő emberek hozzáférjenek olyan fejlett műszerekhez, mint például a tömegspektrometria egészségügyi és környezeti teszteléshez.

A perisztaltikus pumpa egy olyan miniatürizált pozitív kiszorításos pumpa, amely utánozza a beleink izomzatának működését. A szivattyú belsejében a folyadék egy hajlékony csövön halad keresztül, amely egy merev, kör alakú ház belső széle körül van elhelyezve.

A kör tengelyénél lévő forgórész görgőkkel van felszerelve, amelyek a kör belső kerülete mentén haladnak – a csövet a házhoz szorítják, és folyadékzsebeket szállítanak a görgők elé, a szivattyú kimenetének irányába. Ezzel egyidejűleg a henger áthaladása után a cső visszanyeri eredeti alakját. Ez szívóhatást hoz létre, amely több folyadékot szív be a szivattyúba.

Mivel ez a technika elkerüli a folyadék és a pumpáló mechanizmus közötti közvetlen érintkezést, ma már széles körben használják olyan folyadékok szállítására, amelyek kémiailag reakcióképesek vagy érintetlenek maradnak – például a vér.

Vákuumos kihívások

A perisztaltikus szivattyúkat azonban eddig nem alkalmazták széles körben a gázok szállításán keresztüli vákuum létrehozására és fenntartására. Ehhez a rotornak nagyobb sebességgel kell forognia, és erősebben össze kell szorítania a rugalmas csövet, ami gyorsan károsíthatja a szivattyút. Ráadásul egy kör keresztmetszetű csövet soha nem lehet teljesen tömíteni, ami azt jelenti, hogy mindig rossz irányba szivároghat át valamilyen gáz.

Tanulmányukban Velásquez-García csapata azt vizsgálta, hogyan lehetne ezeket a problémákat megoldani egy intelligensebb, rugalmas csőkialakítással – amelyet a 3D nyomtatás tesz lehetővé. „A 3D nyomtatás használatának egyik legfontosabb előnye, hogy lehetővé teszi agresszív prototípusok készítését” – magyarázza Velásquez-García.

„Ha ezt a munkát egy tiszta helyiségben végzi, ahol sok ilyen miniatűr szivattyú készül, az sok időt vesz igénybe. Ha változtatni szeretne, az egész folyamatot elölről kell kezdenie. Ebben az esetben néhány óra alatt kinyomtathatjuk a pumpánkat, és minden alkalommal új dizájn lehet.”

Ez a megközelítés lehetővé tette Velásquez-García csapata számára, hogy a szivattyú összes belső működését egyidejűleg nyomtassa ki. A hajlékony csőhöz viszonylag új anyagot használtak, amely könnyebben nyomtatható, mint a hagyományosabb rugalmas anyagok, de rendelkezik a szükséges tulajdonságokkal.

Bevágás pár

Átalakították a cső kialakítását is – egy pár bevágást vezettek be a keresztmetszete ellentétes oldalain, merőlegesen a görgők általi összenyomás irányára. Ez a kis változtatás azt jelentette, hogy a csőnek kevesebb, mint fele annyi erőre volt szüksége a teljes lezáráshoz (lásd az ábrát).

Ezekkel az adaptációkkal a csapat szivattyúja egy nagyságrenddel alacsonyabb vákuumnyomást tudna fenntartani, mint a többi korszerű miniatűr szivattyú. Ez alacsonyabb forgórész-fordulatszámmal és a rugalmas csőre ható kisebb erőkkel érhető el. Tervezésük megőrizte ezt a teljesítményt a több mint 100,000 XNUMX fordulatig tartó élettartam alatt.

Velásquez-García és munkatársai úgy vélik, hogy eredményeik világosan mutatják, milyen fejlettsé vált a 3D nyomtatás. „Vannak, akik úgy gondolják, hogy amikor 3D-s nyomtatunk valamit, akkor valamiféle kompromisszumnak kell lennie. De itt a csoportunk megmutatta, hogy ez nem így van” – állítja Velásquez-García. „Ez valóban egy új paradigma. Az additív gyártás nem fogja megoldani a világ összes problémáját, de ez egy olyan megoldás, amelynek valódi lábai vannak.”

A csapat számos lehetséges felhasználási lehetőséget tervez eszközüknek: beleértve a nagy tisztaságú kohászatot, a bevonási folyamatokat, a félvezetőgyártást és különösen a tömegspektrometriát.

„A tömegspektrométerekkel a szobában lévő 500 kilós gorilla mindig is a vákuumszivattyúk kérdése volt” – magyarázza Velásquez-García. „Amit itt bemutattunk, az úttörő, de ez csak azért lehetséges, mert 3D-s nyomtatással készült. Ha ezt a szokásos módon akartuk csinálni, akkor a közelébe sem kerültünk volna.”

Ezzel a megközelítéssel a miniatürizált vákuumszivattyúkkal felszerelt tömegspektrométerek könnyen előállíthatók és távoli régiókban is telepíthetők – lehetővé téve a fejlődő országok kis közösségei számára a vérminták elemzését és a vízminőség vizsgálatát.

A szivattyú leírása a Adalékanyagok gyártása.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa