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

導(dǎo)讀：質(zhì)譜儀是極其精確的化學(xué)分析儀,，可以應(yīng)用于多種領(lǐng)域,，包括評(píng)估飲用水的安全性以及檢測(cè)患者血液中的毒素,。但是制造一個(gè)可以部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)且便攜的質(zhì)譜儀仍然是一個(gè)挑戰(zhàn),，因?yàn)閭鹘y(tǒng)制造技術(shù)難以將質(zhì)譜儀小型化且質(zhì)譜儀需要以低成本運(yùn)行的真空泵,。



2023年4月25日，南極熊獲悉,，來自麻省理工學(xué)院的研究者們,，為了能夠制造低成本運(yùn)行的真空泵,，選擇了增材制造技術(shù)。研究者們3D打印了一種微型真空泵,，稱為蠕動(dòng)泵,，大小與人的拳頭差不多。研究?jī)?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(shù)對(duì)各種科學(xué)和工程領(lǐng)域至關(guān)重要,，包括高純度冶金、涂層技術(shù),、醫(yī)療保健,、質(zhì)譜學(xué)和半導(dǎo)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(dòng)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(xué)反應(yīng)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(shí)將管子擠壓在外殼上。管子的受壓部分隨著輥?zhàn)拥倪\(yùn)動(dòng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生真空,，但設(shè)計(jì)問題限制了它們?cè)谫|(zhì)譜儀中的使用,。當(dāng)輥?zhàn)邮┘恿�時(shí)，管材會(huì)重新分布,，從而產(chǎn)生間隙,，進(jìn)而導(dǎo)致泄漏。這個(gè)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(huì)導(dǎo)致過熱損壞泵，并且間隙仍然存在,。

研究?jī)?nèi)容
麻省理工為解決上述問題,，重新考慮了蠕動(dòng)泵的設(shè)計(jì)，尋找可以使用增材制造進(jìn)行改進(jìn)的方法：


△旋轉(zhuǎn)式蠕動(dòng)泵的三維示意圖

●首先,，他們通過使用多材料 3D 打印機(jī),，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(shè)計(jì)過程,，確定在管壁上添加凹口可以減少材料在受擠壓時(shí)的應(yīng)力。有了槽口，管材就不需要重新分布來抵消來自輥?zhàn)拥牧Α?br />
●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(jié)構(gòu)，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(huì)損壞設(shè)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(jiān)固,，進(jìn)一步減少材料受到的壓力。他們使用多材料 3D 打印機(jī)一次性打印出整個(gè)管子,，避免了因?yàn)榻M裝過程而引起的泄露,。

打印完成后,，研究人員測(cè)試了蠕動(dòng)泵的性能：

●此研究中的泵可在低驅(qū)動(dòng)速度下保持低真空,。

●泵可以達(dá)到低至 9 Torr (1 torr = 1.33322 × 10Pa)的基礎(chǔ)壓力和高達(dá) 10 sccm (體積流量單位：標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘)的流速。

●泵的降階模型預(yù)測(cè)基礎(chǔ)壓力與泵送周期呈線性關(guān)系,。


△本研究中的3D打印蠕動(dòng)真空泵設(shè)計(jì)的質(zhì)量流速與壓力特性

研究展望
●未來,，研究人員計(jì)劃探索進(jìn)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(gè)微型質(zhì)譜儀,。

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