محققان یک پمپ خلاء مینیاتوری را چاپ سه بعدی می کنند

25 آوریل 2023 -توسط آدام زوی، موسسه فناوری ماساچوست -محققان MIT راهی برای چاپ سه بعدی یک پمپ خلاء پریستالتیک کوچک ابداع کرده اند که می تواند جزء کلیدی یک طیف سنج جرمی قابل حمل باشد. اعتبار: موسسه فناوری ماساچوست

طیف سنج های جرمی آنالایزرهای شیمیایی بسیار دقیقی هستند که کاربردهای زیادی دارند، از ارزیابی ایمنی آب آشامیدنی گرفته تا تشخیص سموم در خون بیمار. اما ساخت یک طیف‌سنج جرمی قابل حمل و ارزان که بتواند در مکان‌های دوردست مستقر شود همچنان یک چالش است، تا حدی به دلیل دشواری کوچک کردن پمپ خلاء که برای کار با هزینه کم نیاز دارد.

محققان MIT از تولید افزودنی برای برداشتن گام بزرگی در جهت حل این مشکل استفاده کردند. آنها نسخه مینیاتوری یک نوع پمپ خلاء را که به پمپ پریستالتیک معروف است، چاپ سه بعدی کردند که به اندازه یک مشت انسان است.

پمپ آنها می تواند خلاء ایجاد و حفظ کند که دارای یک مرتبه فشار کمتر از یک پمپ به اصطلاح خشک و خشن است که برای ایجاد خلاء نیازی به مایع ندارد و می تواند در فشار اتمسفر کار کند. طراحی منحصربه‌فرد محققان که می‌توان آن را با یک بار چاپ بر روی یک چاپگر سه بعدی چند ماده ای چاپ کرد، از نشت مایع یا گاز جلوگیری می‌کند و در عین حال گرمای ناشی از اصطکاک را در طول فرآیند پمپاژ به حداقل می‌رساند. این باعث افزایش طول عمر دستگاه می شود.

به عنوان مثال، این پمپ را می توان در یک طیف سنج جرمی قابل حمل که برای نظارت بر آلودگی خاک در مناطق جدا شده از جهان استفاده می شود، ادغام کرد. این دستگاه همچنین می تواند برای استفاده در تجهیزات بررسی زمین شناسی به مریخ ایده آل باشد، زیرا پرتاب پمپ سبک وزن به فضا ارزان تر خواهد بود.

لوئیس فرناندو ولاسکز-گارسیا، دانشمند اصلی آزمایشگاه فناوری میکروسیستم‌های MIT (MTL) و نویسنده ارشد مقاله‌ای که پمپ جدید را توصیف می‌کند، می‌گوید: «ما در مورد سخت‌افزار بسیار ارزان‌قیمتی صحبت می‌کنیم که بسیار توانمند است.

“با طیف‌سنج‌های جرمی، گوریل 500 پوندی در اتاق همیشه موضوع پمپ بوده است. آنچه ما در اینجا نشان داده‌ایم پیشگامانه است، اما فقط به این دلیل ممکن است که چاپ سه بعدی است. اگر بخواهیم این کار را به روش استاندارد انجام دهیم. ، ما به هیچ وجه نزدیک به موفقیت نبودیم.”

ولاسکز-گارسیا توسط نویسنده اصلی، هان جو لی، یک فوق دکترای سابق MIT در این مقاله همراه شده است. و خورخه کانادا پرز-سالا، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی برق و علوم کامپیوتر. این مقاله ، 25 آوریل، در Additive Manufacturing منتشر شده است.

مشکلات پمپ

هنگامی که یک نمونه از طریق یک طیف سنج جرمی پمپ می شود، از الکترون ها جدا می شود تا اتم های آن به یون تبدیل شوند. یک میدان الکترومغناطیسی این یون ها را در خلاء دستکاری می کند تا بتوان جرم آنها را تعیین کرد. از این اطلاعات می توان برای شناسایی دقیق اجزای نمونه استفاده کرد. حفظ خلاء کلیدی است زیرا، اگر یون ها با مولکول های گاز هوا برخورد کنند، دینامیک آنها تغییر می کند و ویژگی فرآیند تحلیلی را کاهش می دهد و مثبت کاذب آن را افزایش می دهد.

پمپ‌های پریستالتیک معمولاً برای جابجایی مایعات یا گازهایی که می‌توانند اجزای پمپ را آلوده کنند، مانند مواد شیمیایی واکنش‌دهنده، استفاده می‌شوند. آنها همچنین برای پمپاژ مایعاتی که باید تمیز نگه داشته شوند مانند خون استفاده می شود. ماده ای که پمپاژ می شود به طور کامل در یک لوله انعطاف پذیر است که در اطراف مجموعه ای از غلتک ها حلقه شده است. غلتک ها در حین چرخش لوله را روی محفظه آن می فشارند. قسمت های فشرده شده لوله در پی غلتک ها منبسط می شوند و خلاء ایجاد می کنند که مایع یا گاز را از طریق لوله می کشد.

در حالی که این پمپ ها خلاء ایجاد می کنند، مشکلات طراحی استفاده از آنها را در طیف سنج های جرمی محدود کرده است. مواد لوله با اعمال نیرو توسط غلتک ها دوباره توزیع می شود که منجر به ایجاد شکاف هایی می شود که باعث نشتی می شود. این مشکل را می توان با کارکرد سریع پمپ برطرف کرد و سیال را سریعتر از نشتی خارج کرد. اما این باعث گرمای بیش از حد می شود که به پمپ آسیب می رساند و شکاف ها باقی می مانند. Velásquez-García توضیح می دهد که برای آب بندی کامل لوله و ایجاد خلاء مورد نیاز برای یک طیف سنج جرمی، مکانیسم باید نیروی اضافی برای فشار دادن مناطق برآمده اعمال کند و باعث آسیب بیشتر شود.

یک محلول افزودنی

او و تیمش طرح پمپ پریستالتیک را از پایین به بالا بازاندیشی کردند و به دنبال راه‌هایی بودند که بتوانند از ساخت افزودنی برای بهبود استفاده کنند. ابتدا با استفاده از یک چاپگر سه بعدی چند ماده ای، آنها توانستند لوله انعطاف پذیر را از نوع خاصی از مواد فوق الاستیک بسازند که می تواند مقدار زیادی تغییر شکل را تحمل کند.

سپس، از طریق یک فرآیند طراحی تکراری، آنها تعیین کردند که افزودن بریدگی‌ها به دیواره‌های لوله، فشار وارده بر مواد را هنگام فشرده شدن کاهش می‌دهد. با بریدگی‌ها، مواد لوله برای مقابله با نیروی غلتک‌ها نیازی به توزیع مجدد ندارند.

دقت تولید به دست آمده توسط پرینت سه بعدی، محققان را قادر ساخت تا اندازه دقیق بریدگی مورد نیاز برای از بین بردن شکاف ها را تولید کنند. آنها همچنین می‌توانند ضخامت لوله را تغییر دهند تا دیواره‌ها در مناطقی که اتصال دهنده‌ها متصل می‌شوند، محکم‌تر باشند و استرس روی مواد را بیشتر کاهش دهند.

آنها با استفاده از یک چاپگر سه بعدی چند ماده ای، کل لوله را در یک پاس چاپ کردند، که مهم است زیرا مونتاژ پس از مونتاژ می تواند نقص هایی ایجاد کند که می تواند باعث نشت شود. برای انجام این کار، آنها باید راهی پیدا می کردند که لوله باریک و انعطاف پذیر را به صورت عمودی چاپ کنند و در عین حال از تکان خوردن آن در طول فرآیند جلوگیری کنند. در پایان، آنها ساختار سبک وزنی ایجاد کردند که لوله را در حین چاپ تثبیت می کند، اما بعداً بدون آسیب رساندن به دستگاه به راحتی جدا می شود.

یکی از مزیت های کلیدی استفاده از پرینت سه بعدی این است که به ما امکان می دهد تا به طور تهاجمی نمونه سازی کنیم. اگر این کار را در یک اتاق تمیز انجام دهید، جایی که تعداد زیادی از این پمپ های کوچک ساخته می شوند، زمان و هزینه زیادی می برد. اگر می‌خواهید تغییری ایجاد کنید، باید کل فرآیند را از نو شروع کنید. در این صورت، ما می‌توانیم پمپ خود را در عرض چند ساعت چاپ کنیم و هر بار می‌تواند یک طرح جدید باشد.”

قابل حمل و در عین حال کارآمد

هنگامی که آنها طرح نهایی خود را آزمایش کردند، محققان دریافتند که می‌تواند خلاء ایجاد کند که نسبت به پمپ‌های دیافراگمی پیشرفته‌تر فشار زیادی دارد. فشار کمتر باعث خلاء با کیفیت بالاتر می شود. Velásquez-García می گوید برای رسیدن به همان خلاء با پمپ های دیافراگمی استاندارد، باید سه پمپ را در یک سری به هم وصل کرد.پمپ به حداکثر دمای 50 درجه سانتیگراد رسید، که نیمی از دمای پمپ های پیشرفته مورد استفاده در مطالعات دیگر است، و فقط به نصف نیروی بیشتری برای آب بندی کامل لوله نیاز داشت.

“حرکت سیال در هنگام تلاش برای ساخت تجهیزات کوچک و قابل حمل یک چالش بزرگ است و این کار به زیبایی از مزایای چاپ سه بعدی چند ماده ای برای ایجاد یک پمپ بسیار یکپارچه و کاربردی برای ایجاد خلاء تنها پمپ کوچکتر ازبرای کنترل گاز استفاده می کند.

 مایکل بریدمور، استاد شیمی تحلیلی در دانشگاه تاسمانی که در این کار دخالتی نداشت، می‌گوید: تقریباً هر چیزی مشابه، اما صد برابر کمتر خلاء تولید می‌کند. این طراحی تنها با استفاده از چاپگرهای سه بعدی امکان پذیر است و قدرت طراحی و ایجاد سه بعدی را به خوبی نشان می دهد.

در آینده، محققان قصد دارند راه‌هایی را برای کاهش بیشتر دمای ماکزیمم بررسی کنند که به لوله امکان می‌دهد سریع‌تر عمل کند، خلاء بهتری ایجاد کند و سرعت جریان را افزایش دهد. آنها همچنین در حال کار بر روی پرینت سه بعدی یک طیف سنج جرمی کوچک هستند. همانطور که آنها آن دستگاه را توسعه می دهند، به تنظیم دقیق مشخصات پمپ پریستالتیک ادامه می دهند.

ولاسکوز-گارسیا می گوید، بعضی از مردم فکر می کنند که وقتی چیزی را به صورت سه بعدی پرینت می کنید باید نوعی معاوضه وجود داشته باشد. اما در اینجا گروه ما نشان داده است که اینطور نیست. این واقعا یک الگوی جدید است. تولید افزودنی تمام مشکلات جهان را حل نمی کند. اما این راه حلی است که پاهای واقعی دارد.