Kleine 3D-geprinte vacuümpomp kan massaspectrometrie een boost geven - Physics World

Kleine 3D-geprinte vacuümpomp kan massaspectrometrie een boost geven - Physics World

Tijdstempel: 22 juni 2023 10:46 uur

Miniatuur vacuümpomp
Verbeteringen: diagram van de 3D-geprinte peristaltische vacuümpomp met het paar inkepingen en een close-up van een van de rollen. (Met dank aan Luis Fernando Velásquez-García c.s.)

Onderzoekers in de VS hebben een kleine 3D-geprinte vacuümpomp ontwikkeld. Luis Fernando Velásquez-García en collega's van het Massachusetts Institute of Technology zeggen dat hun apparaat beter presteert dan de huidige ultramoderne miniatuurpompen. Het zou kunnen worden gebruikt om mensen in afgelegen gemeenschappen toegang te geven tot geavanceerde instrumenten, zoals massaspectrometrie voor gezondheids- en milieutests.

Een peristaltische pomp is een soort geminiaturiseerde verdringerpomp die de werking van de spieren in onze darmen nabootst. Binnenin de pomp stroomt de vloeistof door een flexibele buis, die rond de binnenrand van een stijve ronde behuizing is aangebracht.

Een rotor op de as van de cirkel is uitgerust met rollen die langs de binnenomtrek van de cirkel lopen, waardoor de buis tegen de behuizing wordt gedrukt en vloeistofzakken vóór de rollen worden getransporteerd, in de richting van de pompuitlaat. Tegelijkertijd, nadat de rol is gepasseerd, krijgt de buis zijn oorspronkelijke vorm terug. Hierdoor ontstaat een zuigeffect waardoor meer vloeistof in de pomp wordt gezogen.

Omdat deze techniek direct contact tussen de vloeistof en het pompmechanisme vermijdt, wordt deze nu op grote schaal gebruikt om vloeistoffen te transporteren die chemisch reactief zijn of ongerept moeten blijven, zoals bloed.

Vacuümuitdagingen

Tot nu toe zijn peristaltische pompen echter nog niet op grote schaal gebruikt voor het creëren en in stand houden van een vacuüm door het transport van gassen. Dit zou vereisen dat de rotor zowel met hogere snelheden draait als harder in de flexibele buis knijpt, wat de pomp snel zou kunnen beschadigen. Bovendien kan een buis met een ronde doorsnede nooit volledig worden afgedicht, waardoor er altijd wat gas in de verkeerde richting kan doorlekken.

In hun onderzoek onderzocht het team van Velásquez-García hoe deze problemen konden worden opgelost door een slimmer ontwerp van flexibele buizen, mogelijk gemaakt door 3D-printen. “Een van de belangrijkste voordelen van het gebruik van 3D-printen is dat we op agressieve wijze prototypes kunnen maken”, legt Velásquez-García uit.

“Als je dit werk doet in een cleanroom, waar veel van deze geminiaturiseerde pompen worden gemaakt, kost dat veel tijd. Als je iets wilt veranderen, moet je het hele proces opnieuw beginnen. In dit geval kunnen we onze pomp binnen enkele uren printen, en elke keer kan het een nieuw ontwerp zijn.”

Deze aanpak stelde het team van Velásquez-García in staat om alle interne werking van de pomp tegelijkertijd te printen. Voor de flexibele buis hebben ze een relatief nieuw materiaal gebruikt dat makkelijker te printen is dan de meer reguliere flexibele materialen, maar wel de vereiste eigenschappen heeft.

Paar inkepingen

Ze pasten ook het ontwerp van de buis aan: ze introduceerden een paar inkepingen aan weerszijden van de dwarsdoorsnede, loodrecht op de richting waarin de rollen door de rollen worden samengedrukt. Door deze kleine wijziging had de buis minder dan de helft van de kracht nodig om volledig af te dichten (zie afbeelding).

Met deze aanpassingen kon de pomp van het team een ​​vacuümdruk handhaven die een orde van grootte lager was dan die van andere ultramoderne geminiaturiseerde pompen. Dit wordt bereikt met lagere rotorsnelheden en met kleinere krachten op de flexibele buis. Hun ontwerp behield deze prestaties gedurende een levensduur van meer dan 100,000 rotaties.

Velásquez-García en collega's zijn van mening dat hun resultaten duidelijk laten zien hoe geavanceerd 3D-printen is geworden. “Sommige mensen denken dat als je iets 3D-print, er een afweging moet zijn. Maar hier heeft onze groep aangetoond dat dit niet het geval is”, beweert Velásquez-García. “Het is echt een nieuw paradigma. Additieve productie gaat niet alle problemen van de wereld oplossen, maar het is een oplossing die echte benen heeft.”

Het team overweegt talloze mogelijke toepassingen voor hun apparaat: waaronder hoogzuivere metallurgie, coatingprocessen, halfgeleiderproductie en vooral massaspectrometrie.

“Bij massaspectrometers is de 500 kilo wegende gorilla in de kamer altijd het onderwerp geweest van vacuümpompen”, legt Velásquez-García uit. “Wat we hier laten zien is baanbrekend, maar kan alleen omdat het 3D-geprint is. Als we dit op de standaardmanier hadden willen doen, waren we nergens in de buurt geweest.”

Met deze aanpak zouden massaspectrometers uitgerust met geminiaturiseerde vacuümpompen gemakkelijk kunnen worden geproduceerd en ingezet in afgelegen gebieden, waardoor kleine gemeenschappen in ontwikkelingslanden bloedmonsters kunnen analyseren en de waterkwaliteit kunnen onderzoeken.

De pomp wordt beschreven in Additive Manufacturing.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld