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(lái)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(guò)不斷地將稀有氣體壓縮到大氣條件下來(lái)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(wèn)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(wèn)題可以通過(guò)快速操作泵來(lái)解決，迫使流體以比泄漏更快的速度通過(guò)，但這會(huì)導(dǎo)致過(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)迭代設(shè)計(jì)過(guò)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(lái)抵消來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)，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(kāi)發(fā)該設(shè)備，將繼續(xù)調(diào)整蠕動(dòng)泵的規(guī)格。