研究人员3D打印微型真空泵

质谱仪是非常精确的化学分析仪，具有许多应用，从评估饮用水的安全性到检测患者血液中的毒素。但是，构建一种可以部署在偏远地区的廉价便携式质谱仪仍然是一个挑战，部分原因是难以将真空泵小型化，以低成本运行。

麻省理工学院的研究人员利用增材制造朝着解决这个问题迈出了重要一步。他们3D打印了一种真空泵的微型版本，称为蠕动泵，大约是人类拳头的大小。

他们的泵可以产生和维持真空，其压力比所谓的干燥粗糙泵低一个数量级，后者不需要液体来产生真空并且可以在大气压下运行。研究人员的独特设计可以在多材料3D打印机上一次性打印，防止流体或气体泄漏，同时最大限度地减少泵送过程中摩擦产生的热量。这会增加设备的使用寿命。

例如，该泵可以集成到便携式质谱仪中，用于监测世界偏远地区的土壤污染。该设备也可能非常适合用于前往火星的地质调查设备，因为将轻型泵发射到太空会更便宜。

“我们谈论的是非常便宜的硬件，也非常有能力，”麻省理工学院微系统技术实验室(MTL)的首席科学家Luis Fernando Velásquez-García说，他是一篇描述新泵的论文的高级作者。

“有了质谱仪，房间里的500磅重的大猩猩一直是泵的问题。我们在这里展示的是开创性的，但它之所以有可能，是因为它是3D打印的。如果我们想以标准的方式做到这一点，我们就不会接近任何地方。

Velásquez-García与主要作者Han-Joo Lee一起参加了论文，他是前麻省理工学院博士后;以及电气工程和计算机科学研究生豪尔赫·卡纳达·佩雷斯-萨拉。该论文于今天(25月<>日)发表在《增材制造》上。

泵问题

当样品通过质谱仪泵送时，它被剥离电子以将其原子转化为离子。电磁场在真空中操纵这些离子，因此可以确定它们的质量。该信息可用于精确识别样品的成分。保持真空是关键，因为如果离子与空气中的气体分子碰撞，它们的动力学将发生变化，从而降低分析过程的特异性并增加其误报率。

蠕动泵通常用于移动会污染泵组件的液体或气体，例如反应性化学品。它们还用于泵送需要保持清洁的液体，如血液。被泵送的物质完全包含在围绕一组辊子循环的柔性管中。滚轮在旋转时将管子挤压在其外壳上。管子的挤压部分在辊子的尾流中膨胀，产生真空，将液体或气体吸入管子。

虽然这些泵确实会产生真空，但设计问题限制了它们在质谱仪中的使用。当辊子施加力时，管材会重新分布，导致间隙导致泄漏。这个问题可以通过快速操作泵来克服，迫使流体通过的速度快于泄漏的速度。但这会导致过热，损坏泵，并且间隙仍然存在。为了完全密封管子并产生质谱仪所需的真空，该机构必须施加额外的力来挤压凸起的区域，造成更大的损害，Velásquez-García解释说。

添加剂解决方案

他和他的团队自下而上地重新思考蠕动泵的设计，寻找可以使用增材制造进行改进的方法。首先，通过使用多材料3D打印机，他们能够用一种特殊类型的超弹性材料制成柔性管，这种材料可以承受大量的变形。

然后，通过迭代设计过程，他们确定在管壁上添加凹口可以减少挤压时对材料的应力。使用凹口，管材不需要重新分配以抵消来自滚轮的力。

3D打印提供的制造精度使研究人员能够生产出消除间隙所需的确切缺口尺寸。他们还能够改变管子的厚度，使壁在连接器连接的区域更坚固，从而进一步减少对材料的压力。

使用多材料3D打印机，他们一次打印整个管子，这很重要，因为组装后可能会引入可能导致泄漏的缺陷。为此，他们必须找到一种方法来垂直打印窄而灵活的管子，同时防止它在此过程中晃动。最后，他们创造了一种轻质结构，可以在打印过程中稳定管子，但以后可以很容易地剥离而不会损坏设备。

“使用3D打印的关键优势之一是它允许我们积极进行原型设计。如果你在一个制造大量这些微型泵的洁净室里做这项工作，需要大量的时间和金钱。如果要进行更改，则必须重新开始整个过程。在这种情况下，我们可以在几个小时内打印我们的泵，每次都可以是一个新的设计，“Velásquez-García说。

便携，但性能卓越

当他们测试他们的最终设计时，研究人员发现它能够产生比最先进的隔膜泵低一个数量级的真空。压力越低，真空质量越高。为了使用标准隔膜泵达到相同的真空度，需要将三个串联起来，Velásquez-García说。

该泵的最高温度达到50°C，是其他研究中使用的最先进泵的一半，并且只需要一半的力即可完全密封管子。

“在尝试制造小型便携式设备时，流体运动是一个巨大的挑战，这项工作优雅地利用了多材料3D打印的优势，创建了一个高度集成和功能性的泵，为气体控制创造了真空。该泵不仅比几乎任何类似泵都小，而且产生的真空也低100倍，“塔斯马尼亚大学分析化学教授Michael Breadmore说，他没有参与这项工作。“这种设计只能通过使用3D打印机来实现，并且很好地展示了能够在3D中进行设计和创建的力量。

在未来，研究人员计划探索进一步降低最高温度的方法，这将使管子能够更快地启动，创造更好的真空并增加流速。他们还在努力3D打印整个小型质谱仪。在开发该设备时，他们将继续微调蠕动泵的规格。

“有些人认为，当你3D打印一些东西时，必须有某种权衡。但在这里，我们小组已经表明情况并非如此。这确实是一种新的范式。增材制造不会解决世界上所有的问题，但它是一个真正有腿的解决方案，“Velásquez-García说。

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