Блог

Aug 29, 2023

3D-печать мини-вакуумного насоса

Эндрю Корселли Масс-спектрометры — чрезвычайно точные химические анализаторы.

Эндрю Корселли

Масс-спектрометры — это чрезвычайно точные химические анализаторы, которые имеют множество применений. Но создание недорогого портативного масс-спектрометра, который можно было бы использовать в отдаленных местах, остается проблемой — главным образом из-за сложности миниатюризации и низкой стоимости необходимого вакуумного насоса.

Теперь исследователи Массачусетского технологического института использовали аддитивное производство, чтобы сделать важный шаг к решению этой проблемы. Команда напечатала на 3D-принтере мини-версию перистальтического насоса размером примерно с человеческий кулак. Насос может создавать и поддерживать вакуум, давление которого на порядок ниже, чем у сухого грубого насоса, он не требует жидкости для создания вакуума и может работать при атмосферном давлении.

«Мы говорим об очень недорогом оборудовании, но при этом очень мощном», — сказал старший автор Луис Фернандо Веласкес-Гарсия. «Что касается масс-спектрометров, то 500-фунтовая горилла в комнате всегда была проблемой насосов. То, что мы показали здесь, является новаторским, но это возможно только потому, что оно напечатано на 3D-принтере. Если бы мы хотели сделать это стандартным способом, мы бы и близко не были».

«Одним из ключевых преимуществ использования 3D-печати является то, что она позволяет нам активно создавать прототипы», — добавил Веласкес-Гарсия. «Если вы выполняете эту работу в чистом помещении, где производится много этих миниатюрных насосов, это отнимает много времени и много денег. Если вы хотите внести изменения, вам придется начать весь процесс заново. В этом случае мы сможем распечатать нашу помпу за считанные часы, и каждый раз это будет новый дизайн».

Вот интервью Tech Briefs с Веласкесом-Гарсией, отредактированное для большей длины и ясности.

Технические краткие сведения:Что вдохновило вас на исследование?

Веласкес-Гарсия : Мой опыт работы связан с микроэлектромеханическими системами (МЭМС), то есть оборудованием, которое создается с использованием миниатюризации. Люди знакомы, скажем, с электроникой в ​​смартфонах и компьютерах, но кроме того, в телефонах есть такие вещи, как МЭМС-акселерометры.

История, более или менее, такова, что большая часть этого оборудования создается в «чистой» полупроводниковой комнате, что действительно хорошо для одного — производства полупроводниковой электроники. Таким образом, вы очень ограничены в типах конструкций и материалов, которые вы можете использовать. Структуры выглядят как сэндвичи — они многослойные и в основном двумерные, а материалов очень много.

Я заинтересовался использованием микросистем, напечатанных на 3D-принтере, потому что 3D-печать оказалась набором инструментов, который значительно расширяет возможности того, что мы можем сделать.

Это одна часть истории. Вторая часть истории — насос. Я работаю над масс-спектрометрией около 15 лет или около того, и это было похоже на Святой Грааль; многие отрасли промышленности, такие как пищевая промышленность, фармацевтика, разведка нефти, полагаются на масс-спектрометрию для количественного определения состава образца.

Допустим, вы создаете лекарство; вам нужно убедиться, что вы действительно создаете то, что, по вашему мнению, создаете. Или, когда вы проводите геологическую разведку, вы хотите убедиться, что нашли именно тот материал, который, как вы думали, нашли. Итак, есть метод, который вы можете использовать, называемый масс-спектрометрией. Современные эти устройства очень тяжелые, очень большие и очень дорогие. Итак, вам нужно отправить образцы в лаборатории, а это требует затрат.

Если вместо этого вы попытаетесь доставить масс-спектрометр, например, на нефтяную скважину; оно может разбиться. Итак, люди вроде меня и многих других пытались сделать миниатюризацию масс-спектрометров. Масс-спектрометрам для работы необходим вакуум, поэтому основной проблемой является отсутствие адекватных источников вакуума. Масс-спектрометры работают, создавая вакуум, но им приходится взаимодействовать с атмосферным давлением. Не существует ни одной насосной технологии, которая могла бы обеспечить весь диапазон от атмосферного давления до необходимого вам высокого вакуума.

Устройство, которое мы создали и о котором написали статью, — это первый этап. Он работает с атмосферным давлением, при этом понижая уровень торр (давления). И когда вы окажетесь там, появятся и другие технологии, которые вы можете использовать для дальнейшего снижения давления.