Liten 3D-trykt vakuumpumpe kan gi massespektrometri et løft – Physics World

Liten 3D-trykt vakuumpumpe kan gi massespektrometri et løft – Physics World

Tidsstempel: 22. juni 2023 10:46

Miniatyr vakuumpumpe
Forbedringer: diagram av den 3D-printede peristaltiske vakuumpumpen som viser to hakk og et nærbilde av en av rullene. (Med tillatelse: Luis Fernando Velásquez-García et al)

En liten 3D-printet vakuumpumpe er utviklet av forskere i USA. Luis Fernando Velásquez-García og kolleger ved Massachusetts Institute of Technology sier at enheten deres overgår dagens toppmoderne miniatyrpumper. Den kan brukes til å gi mennesker i avsidesliggende lokalsamfunn tilgang til avansert instrumentering som massespektrometri for helse- og miljøtesting.

En peristaltisk pumpe er en type miniatyrisert positiv fortrengningspumpe som etterligner virkningen av musklene i tarmene våre. Inne i pumpen beveger væske seg gjennom et fleksibelt rør, montert rundt den indre kanten av et stivt sirkulært hus.

En rotor ved sirkelaksen er utstyrt med ruller som passerer langs sirkelens indre omkrets – klemmer røret mot huset, transporterer lommer med væske foran rullene, i retning av pumpeutløpet. Samtidig, etter at valsen har passert, gjenvinner røret sin opprinnelige form. Dette skaper en sugeeffekt som trekker mer væske inn i pumpen.

Siden denne teknikken unngår direkte kontakt mellom væsken og pumpemekanismen, er den nå mye brukt til å transportere væsker som er kjemisk reaktive eller trenger å forbli uberørte – som blod.

Vakuum utfordringer

Så langt har imidlertid peristaltiske pumper ikke vært mye brukt for å skape og opprettholde et vakuum gjennom transport av gasser. Dette vil kreve at rotoren både roterer med høyere hastigheter og klemmer det fleksible røret hardere, noe som raskt kan skade pumpen. I tillegg kan et rør med sirkulært tverrsnitt aldri forsegles helt, noe som betyr at noe gass alltid kan lekke gjennom i feil retning.

I sin studie undersøkte Velásquez-Garcías team hvordan disse problemene kunne løses gjennom en smartere fleksibel rørdesign – muliggjort av 3D-utskrift. "En av de viktigste fordelene ved å bruke 3D-utskrift er at det lar oss aggressivt prototyper," forklarer Velásquez-García.

"Hvis du gjør dette arbeidet i et rent rom, hvor mange av disse miniatyriserte pumpene er laget, tar det mye tid. Hvis du vil gjøre en endring, må du starte hele prosessen på nytt. I dette tilfellet kan vi skrive ut pumpen vår i løpet av få timer, og hver gang kan det være et nytt design.»

Denne tilnærmingen gjorde det mulig for Velásquez-Garcías team å skrive ut alle pumpens indre funksjoner samtidig. For det fleksible røret brukte de et relativt nytt materiale som er lettere å skrive ut enn mer vanlige fleksible materialer, men som har de nødvendige egenskapene.

Et par hakk

De tilpasset også rørets design - og introduserte et par hakk på motsatte sider av tverrsnittet, vinkelrett på kompresjonsretningen av rullene. Denne lille endringen betydde at røret krevde mindre enn halvparten av kraften for å tette fullstendig (se figur).

Med disse tilpasningene på plass, kunne teamets pumpe opprettholde vakuumtrykket en størrelsesorden lavere enn andre toppmoderne miniatyriserte pumper. Dette oppnås ved å bruke lavere rotorhastigheter, og med mindre krefter påført det fleksible røret. Designet deres opprettholdt denne ytelsen over en levetid på over 100,000 XNUMX rotasjoner.

Velásquez-García og kollegene mener at resultatene deres tydelig viser hvor avansert 3D-utskrift har blitt. «Noen tror at når du 3D-printer noe, må det være en slags avveining. Men her har vår gruppe vist at det ikke er tilfelle, hevder Velásquez-García. "Det er virkelig et nytt paradigme. Additiv produksjon kommer ikke til å løse alle verdens problemer, men det er en løsning som har virkelige ben.»

Teamet ser for seg en rekke mulige bruksområder for enheten deres: inkludert metallurgi med høy renhet, belegningsprosesser, halvlederproduksjon og spesielt massespektrometri.

"Med massespektrometre har gorillaen på 500 pund i rommet alltid vært problemet med vakuumpumper," forklarer Velásquez-García. «Det vi har vist her er banebrytende, men det er bare mulig fordi det er 3D-printet. Hvis vi ønsket å gjøre dette på standardmåten, ville vi ikke vært i nærheten.»

Med denne tilnærmingen kan massespektrometre utstyrt med miniatyriserte vakuumpumper enkelt produseres og distribueres i avsidesliggende regioner – slik at små samfunn i utviklingsland kan analysere blodprøver og undersøke vannkvaliteten.

Pumpen er beskrevet i Additiv Manufacturing.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden