麻省理工：3D打印微型真空泵，幫助監(jiān)測污染物、進行醫(yī)療診斷或測試火星土壤

導讀：質(zhì)譜儀是極其精確的化學分析儀，可以應用于多種領域，包括評估飲用水的安全性以及檢測患者血液中的毒素。但是制造一個可以部署在偏遠地區(qū)的經(jīng)濟且便攜的質(zhì)譜儀仍然是一個挑戰(zhàn)，因為傳統(tǒng)制造技術難以將質(zhì)譜儀小型化且質(zhì)譜儀需要以低成本運行的真空泵。



2023年4月25日，南極熊獲悉，來自麻省理工學院的研究者們，為了能夠制造低成本運行的真空泵，選擇了增材制造技術。研究者們3D打印了一種微型真空泵，稱為蠕動泵，大小與人的拳頭差不多。研究內(nèi)容已經(jīng)發(fā)表在了SCI 一區(qū)期刊《Additive Manufacturing》上，題目為《Compact peristaltic vacuum pumps via multi-material extrusion》（《多材料擠壓緊湊型蠕變真空泵》）

研究背景
真空技術對各種科學和工程領域至關重要，包括高純度冶金、涂層技術、醫(yī)療保健、質(zhì)譜學和半導體制造。市面上絕大多數(shù)的低真空泵都是正排量裝置，它們通過不斷地將稀有氣體壓縮到大氣條件下來產(chǎn)生真空。其中，蠕動泵被廣泛用于輸送需要保持惰性的液體（如血液）或具有化學反應性的液體。被泵送的物質(zhì)完全包含在環(huán)繞一組滾輪的柔性管內(nèi)。滾輪在旋轉(zhuǎn)時將管子擠壓在外殼上。管子的受壓部分隨著輥子的運動而膨脹，產(chǎn)生真空，將液體或氣體吸入管子。雖然這些泵確實會產(chǎn)生真空，但設計問題限制了它們在質(zhì)譜儀中的使用。當輥子施加力時，管材會重新分布，從而產(chǎn)生間隙，進而導致泄漏。這個問題可以通過快速操作泵來解決，迫使流體以比泄漏更快的速度通過，但這會導致過熱損壞泵，并且間隙仍然存在。

研究內(nèi)容
麻省理工為解決上述問題，重新考慮了蠕動泵的設計，尋找可以使用增材制造進行改進的方法：


△旋轉(zhuǎn)式蠕動泵的三維示意圖

●首先，他們通過使用多材料 3D 打印機，用一種特殊類型的超彈性材料制造出可承受巨大變形的軟管。

●然后，通過迭代設計過程，確定在管壁上添加凹口可以減少材料在受擠壓時的應力。有了槽口，管材就不需要重新分布來抵消來自輥子的力。

●最后，為了能夠垂直打印狹窄的柔性管，研究人員創(chuàng)造了一種輕質(zhì)結構，可以在打印過程中穩(wěn)定管子，打印完成后可以輕松剝離而不會損壞設備。


△打印的柔性管

3D 打印提供的制造精度使研究人員能夠生產(chǎn)出消除間隙所需的精確缺口尺寸。他們還能夠改變管子的厚度，使連接器連接區(qū)域的管壁更堅固，進一步減少材料受到的壓力。他們使用多材料 3D 打印機一次性打印出整個管子，避免了因為組裝過程而引起的泄露。

打印完成后，研究人員測試了蠕動泵的性能：

●此研究中的泵可在低驅(qū)動速度下保持低真空。

●泵可以達到低至 9 Torr (1 torr = 1.33322 × 10Pa)的基礎壓力和高達 10 sccm (體積流量單位：標準毫升/分鐘)的流速。

●泵的降階模型預測基礎壓力與泵送周期呈線性關系。


△本研究中的3D打印蠕動真空泵設計的質(zhì)量流速與壓力特性

研究展望
●未來，研究人員計劃探索進一步降低最高溫度的方法，創(chuàng)造更好的真空環(huán)境并增加流速。

●他們還將致力于3D打印整個微型質(zhì)譜儀。

●隨著研究者們開發(fā)該設備，將繼續(xù)調(diào)整蠕動泵的規(guī)格。