Liten 3D-printad vakuumpump kan ge masspektrometri ett uppsving – Physics World

Liten 3D-printad vakuumpump kan ge masspektrometri ett uppsving – Physics World

Tidsstämpel: 22 juni 2023 10:46

Miniatyr vakuumpump
Förbättringar: diagram över den 3D-printade peristaltiska vakuumpumpen som visar paret skåror och en närbild av en av rullarna. (Med tillstånd: Luis Fernando Velásquez-García et al,)

En liten 3D-printad vakuumpump har utvecklats av forskare i USA. Luis Fernando Velásquez-García och kollegor vid Massachusetts Institute of Technology säger att deras enhet överträffar nuvarande toppmoderna miniatyrpumpar. Den skulle kunna användas för att ge människor i avlägsna samhällen tillgång till avancerad instrumentering som masspektrometri för hälso- och miljötester.

En peristaltisk pump är en typ av miniatyriserad positiv deplacementpump som efterliknar verkan av musklerna i våra tarmar. Inuti pumpen färdas vätska genom ett flexibelt rör, monterat runt den inre kanten av ett styvt cirkulärt hölje.

En rotor vid cirkelns axel är försedd med rullar som passerar längs med cirkelns inre omkrets – pressar röret mot höljet, transporterar vätskefickor framför rullarna, i riktning mot pumpens utlopp. Samtidigt, efter att rullen har passerat, återtar röret sin ursprungliga form. Detta skapar en sugeffekt som drar in mer vätska i pumpen.

Eftersom denna teknik undviker direktkontakt mellan vätskan och pumpmekanismen, används den nu i stor utsträckning för att transportera vätskor som är kemiskt reaktiva eller behöver förbli orörda – som blod.

Vakuum utmaningar

Hittills har dock peristaltiska pumpar inte använts i stor utsträckning för att skapa och upprätthålla ett vakuum genom transport av gaser. Detta skulle kräva att rotorn både roterar med högre hastigheter och pressar det flexibla röret hårdare, vilket snabbt kan skada pumpen. Dessutom kan ett rör med cirkulärt tvärsnitt aldrig tätas helt, vilket innebär att viss gas alltid kan läcka igenom i fel riktning.

I sin studie undersökte Velásquez-Garcías team hur dessa problem kunde lösas genom en smartare flexibel rördesign – möjlig genom 3D-utskrift. "En av de viktigaste fördelarna med att använda 3D-utskrift är att det tillåter oss att aggressivt prototyper", förklarar Velásquez-García.

"Om du gör det här arbetet i ett rent rum, där många av dessa miniatyriserade pumpar tillverkas, tar det mycket tid. Om du vill göra en förändring måste du börja om hela processen. I det här fallet kan vi skriva ut vår pump på några timmar, och varje gång kan det bli en ny design.”

Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för Velásquez-Garcías team att skriva ut alla pumpens inre funktioner samtidigt. För det flexibla röret använde de ett relativt nytt material som är lättare att skriva ut än mer vanliga flexibla material, men som har de egenskaper som krävs.

Ett par skåror

De anpassade också rörets design - och introducerade ett par skåror på motsatta sidor av dess tvärsnitt, vinkelrätt mot riktningen för dess kompression av rullarna. Denna lilla ändring innebar att röret krävde mindre än halva kraften för att täta helt (se figur).

Med dessa anpassningar på plats kunde teamets pump bibehålla vakuumtrycket en storleksordning lägre än andra toppmoderna miniatyriserade pumpar. Detta uppnås genom att använda lägre rotorhastigheter och med mindre krafter som appliceras på det flexibla röret. Deras design bibehöll denna prestanda under en livstid på över 100,000 XNUMX rotationer.

Velásquez-García och kollegor tror att deras resultat tydligt visar hur avancerad 3D-utskrift har blivit. "Vissa människor tror att när man 3D-printar något måste det finnas någon form av avvägning. Men här har vår grupp visat att så inte är fallet”, hävdar Velásquez-García. "Det är verkligen ett nytt paradigm. Additiv tillverkning kommer inte att lösa alla världens problem, men det är en lösning som har riktiga ben.”

Teamet föreställer sig många möjliga användningsområden för sin enhet: inklusive metallurgi med hög renhet, beläggningsprocesser, halvledartillverkning och speciellt masspektrometri.

"Med masspektrometrar har 500-pundsgorillan i rummet alltid varit frågan om vakuumpumpar," förklarar Velásquez-García. ”Det vi har visat här är banbrytande, men det är bara möjligt eftersom det är 3D-printat. Om vi ​​ville göra det här på standardsättet hade vi inte varit i närheten.”

Med detta tillvägagångssätt kan masspektrometrar utrustade med miniatyriserade vakuumpumpar enkelt produceras och användas i avlägsna regioner – vilket gör det möjligt för små samhällen i utvecklingsländer att analysera blodprover och undersöka vattenkvaliteten.

Pumpen beskrivs i Tillsatsproduktion.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden