麻省理工：3D打印微型真空泵，帮助监测污染物、进行医疗诊断或测试火星土壤

导读：质谱仪是极其精确的化学分析仪，可以应用于多种领域，包括评估饮用水的安全性以及检测患者血液中的毒素。但是制造一个可以部署在偏远地区的经济且便携的质谱仪仍然是一个挑战，因为传统制造技术难以将质谱仪小型化且质谱仪需要以低成本运行的真空泵。



2023年4月25日，南极熊获悉，来自麻省理工学院的研究者们，为了能够制造低成本运行的真空泵，选择了增材制造技术。研究者们3D打印了一种微型真空泵，称为蠕动泵，大小与人的拳头差不多。研究内容已经发表在了SCI 一区期刊《Additive Manufacturing》上，题目为《Compact peristaltic vacuum pumps via multi-material extrusion》（《多材料挤压紧凑型蠕变真空泵》）

研究背景
真空技术对各种科学和工程领域至关重要，包括高纯度冶金、涂层技术、医疗保健、质谱学和半导体制造。市面上绝大多数的低真空泵都是正排量装置，它们通过不断地将稀有气体压缩到大气条件下来产生真空。其中，蠕动泵被广泛用于输送需要保持惰性的液体（如血液）或具有化学反应性的液体。被泵送的物质完全包含在环绕一组滚轮的柔性管内。滚轮在旋转时将管子挤压在外壳上。管子的受压部分随着辊子的运动而膨胀，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，从而产生间隙，进而导致泄漏。这个问题可以通过快速操作泵来解决，迫使流体以比泄漏更快的速度通过，但这会导致过热损坏泵，并且间隙仍然存在。

研究内容
麻省理工为解决上述问题，重新考虑了蠕动泵的设计，寻找可以使用增材制造进行改进的方法：


△旋转式蠕动泵的三维示意图

●首先，他们通过使用多材料 3D 打印机，用一种特殊类型的超弹性材料制造出可承受巨大变形的软管。

●然后，通过迭代设计过程，确定在管壁上添加凹口可以减少材料在受挤压时的应力。有了槽口，管材就不需要重新分布来抵消来自辊子的力。

●最后，为了能够垂直打印狭窄的柔性管，研究人员创造了一种轻质结构，可以在打印过程中稳定管子，打印完成后可以轻松剥离而不会损坏设备。


△打印的柔性管

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精确缺口尺寸。他们还能够改变管子的厚度，使连接器连接区域的管壁更坚固，进一步减少材料受到的压力。他们使用多材料 3D 打印机一次性打印出整个管子，避免了因为组装过程而引起的泄露。

打印完成后，研究人员测试了蠕动泵的性能：

●此研究中的泵可在低驱动速度下保持低真空。

●泵可以达到低至 9 Torr (1 torr = 1.33322 × 10Pa)的基础压力和高达 10 sccm (体积流量单位：标准毫升/分钟)的流速。

●泵的降阶模型预测基础压力与泵送周期呈线性关系。


△本研究中的3D打印蠕动真空泵设计的质量流速与压力特性

研究展望
●未来，研究人员计划探索进一步降低最高温度的方法，创造更好的真空环境并增加流速。

●他们还将致力于3D打印整个微型质谱仪。

●随着研究者们开发该设备，将继续调整蠕动泵的规格。