Създаването на миниатюрни вакуумни помпи вече е възможно с 3D принтиране

04.05.2023   |   Начало»Технологии

Редактор
Мира Станкова

Редактор
Мира Станкова

Масспектрометрите са изключително прецизни анализатори на химическия състав, които имат множество приложения – от анализ на качеството на питейната вода до откриване на токсини в кръвта. Конструирането на нескъп, преносим масспектрометър, който да може да се използва в отдалечени райони, обаче си остава трудна задача, отчасти защото е трудно да се минимизира вакуумната помпа, необходима, за да може инструментът да работи с ниски разходи, посочват изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT), които наскоро предложиха решение на този проблем.

Изследователският екип, воден от Луис Фернандо Веласкес-Гарсия от Технологичните лаборатории за микросистеми при MIT, използва 3D принтер, за да създаде миниатюрна версия на типа вакуумна помпа, известен като перисталтична помпа, с размери колкото човешки юмрук.

Така изработената помпа може да създаде и поддържа вакуум с по-ниско налягане от т. нар. сухи помпи, които не се нуждаят от течност, за да създават вакуум. Дизайнът, който може да бъде изработен наведнъж с мултиматериален 3D принтер, предотвратява изтичането на течности и газове, като при това минимизира отделянето на топлина от триенето по време на изпомпващия процес. Това увеличава експлоатационния живот на устройството.

Дизайн – възможен само благодарение на 3D принтирането

Помпата може да бъде интегрирана в преносим масспектрометър за мониторинг на замърсяването на почвата в изолирани части от света, например. Устройството също така би било идеално за геоложки изследвания на Марс, тъй като би било по-евтино да се изпрати лека помпа в космоса.

"Говорим за много евтин хардуер, който има големи възможности", посочва Веласкес-Гарсия. По неговите думи най-голямото предизвикателство при масспектрометрите винаги е бил проблемът с помпата. "Това, което показахме ние, е революционно, но е възможно единствено защото е изработено с 3D принтер. Ако искахме да го направим по стандартния начин, няма да успеем".

Екипът на Веласкес-Гарсия преобръща с главата надолу дизайна на типичната перисталтична помпа в търсене на начин да използва адитивно производство, за да внесе подобрения и да реши проблемите, заради които досега този тип помпи не можеше да се използва в масспектрометри.

Преимуществата на 3D принтирането

Използвайки мултиматериален 3D принтер, изследователите успяват да изработят гъвкава тръба от специален тип хипереластичен материал, който може да понесе деформиране.

След това чрез итеративен процес на проектиране те установяват, че като направят прорези в стените на тръбата, ще намалят напрежението върху материала при натиск. С помощта на прорезите материалът на тръбата не трябва да се преразпределя, за да противодейства на силата на ролките.

Производствената прецизност, осигурена от 3D принтирането, позволява на изследователите да изработят точния размер прорези, необходими за елиминиране на пукнатините, които причиняват течове. Те също така спомагат за промяната в плътността на тръбата така, че стените са по-плътни в зоните на прикрепяне на съединителите, което допълнително намалява напрежението върху материала.

Благодарение на използването на мултиматериален 3D принтер те изработват цялата тръба в една стъпка, което е важно, защото последващото асемблиране може да доведе до дефекти, които да причинят течове. За да направят това, те трябва да намерят начин да принтират тясната, гъвкава тръба вертикално, предотвратявайки клатушкането й по време на процеса. Накрая, те създават лека структура, която стабилизира тръбата по време на принтирането, но лесно може да бъде изпилена по-късно, без да се повреди устройството.

Големи възможности за прототипиране

"Едно от ключовите преимущества на 3D принтирането е, че то ни позволява да прототипираме агресивно. Ако направите това в чиста стая, където се правят много от тези миниатюри помпи, това ще ви отнеме много време и много пари. Ако искате да промените нещо, трябва да започнете целия процес отначало. В този случай ние можем да принтираме нашата помпа за часове и всеки път тя може да е с нов дизайн", коментира Веласкес-Гарсия.

При тестването на окончателния дизайн изследователите установяват, че решението може да създава вакуум с по-ниско налягане от настоящите диафрагмени помпи. По-ниското налягане осигурява по-висококачествен вакуум. За да се постигне същия вакуум със стандартни диафрагмени помпи, ще трябва да свържете три, заяви Веласкес-Гарсия.

Помпата достига максимална температура от 50°C, наполовина на тази, достигана от настоящите помпи, използвани в други изследвания, и изисква наполовина по-малко усилия за пълното херметизиране на тръбата.

Адитивното производство – решение с бъдеще

"Този дизайн е възможен единствено благодарение на използването на 3D принтери и чудесно демонстрира силата да можеш да проектираш и създаваш в 3D", коментира Майкъл Бредмор, преподавател по аналитична химия в Университета на Тасмания, който не е участвал в реализацията на проекта.

В бъдеще изследователите планират да изследват начините за по-нататъшно редуциране на максималната температура, което би позволило на тръбата да се задейства по-бързо, създавайки по-добър вакуум и увеличавайки скоростта на потока. Те също така работят по възможността да се изработи с 3D принтер цял миниатюризиран масспектрометър. След като развият това устройство, те ще продължат с фината настройка на спецификациите на перисталтичната помпа.

"Някои хора си мислят, че когато изработваш нещо с 3D принтер, то задължително има някакъв компромис. Но нашата група показа, че това не е така. Това наистина е нова парадигма. Адитивното производство няма да реши всички проблеми на света, но е решение, което има бъдеще", коментира Веласкес-Гарсия.

Ключови думи: MIT   3D принтер   3D принтиране   вакуумни помпи   масспектрометър   перилсталтични помпи  

Област: Технологии