麻省理工学院开发出3D打印的微型真空泵

  质谱仪是极其精确的化学分析仪，具有多种应用，从评估饮用水的安全性到检测患者血液中的毒素。但是构建一个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，部分原因是难以小型化它需要以低成本运行的真空泵。

  麻省理工学院的研究人员利用增材制造向解决这一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，大小与人的拳头差不多。

  他们的泵可以产生并保持真空，其压力比所谓的干式粗泵低一个数量级，干式粗泵不需要液体来产生真空并能在大气压下运行。研究人员的独特设计可在多材料3D打印机上一次性打印，可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。这增加了设备的使用寿命。

  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。该设备也可以理想地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。

  麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席科学家、一篇描述新型泵的论文的高级作者Luis Fernando Velásquez García说：“我们谈论的是非常便宜的硬件，而且功能也很强大。”

  Velásquez García的主要作者、前麻省理工学院博士后Han Joo Lee也参与了这篇论文；和电气工程和计算机科学研究生Jorge Cañada Pérez Sala。这篇论文发表在《增材制造》杂志上。

  当样品被泵送通过质谱仪时，它会被剥夺电子，从而将其原子转化为离子。电磁场在真空中操纵这些离子，因此能确定它们的质量。此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发生碰撞，它们的动力学就会发生明显的变化，以此来降低分析过程的特异性并增加其误报率。

  蠕动泵通常用于输送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，例如血液。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。

  虽然这些泵确实产生了真空，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，管道材料会重新分布，导致间隙导致泄漏。这样的一个问题可以通过快速操作泵来克服，迫使流体以比泄漏更快的速度通过。但这会导致过热，从而损坏泵，并且间隙任旧存在。Velásquez García解释说，为了完全密封管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，从而造成更多的损坏。

  他和他的团队自下而上地重新考虑了蠕动泵设计，寻找能够正常的使用增材制造进行改进的方法。首先，利用多材料3D打印机，他们可以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，他们确定在管壁上添加凹口能够大大减少材料在受挤压时的应力。有了槽口，管材就不要重新分布来抵消来自滚筒的力。

  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，从而进一步减少材料上的压力。

  他们使用多材料3D打印机一次性打印出整个管子，这一点很重要，因为组装后可能会引入导致泄漏的缺陷。为此，他们必找到一种方法来垂直打印狭窄的柔性管，同时防止它在这样的一个过程中摇晃。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，但可以在以后轻松剥离而不会损坏设备。

  “使用3D打印的一个关键优势是，它可以让我们积极地制作原型。如果你在一个清洁的房间里做这项工作，那里制造了很多微型泵，这需要大量的时间和金钱。如果你想做出改变，你必须重新开始整一个完整的过程。在这种情况下，我们大家可以在几个小时内打印出我们的泵，每次都可以是一个新的设计。”Velásquez García说。

  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压力低一个数量级的真空。较低的压力产生较高质量的真空。Velásquez-García 说，要使用标准隔膜泵达到相同的真空度，需要将三个串联起来。

  该泵的最高温度为50摄氏度，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。

  塔斯马尼亚大学分析化学教授Michael Breadmore说：“在试图制造小型便携式设备时，流体运动是一个巨大的挑战，这项工作巧妙地利用了多材料3D打印的优势，创造了一个高度集成和功能强大的泵，为气体控制创造了真空。该泵不仅比几乎任何类似的泵都小，而且产生的线倍。这种设计只有利用3D打印机才能实现，它很好地展示了能够在3D中设计和创建的力量。”

  未来，研究人员计划探索逐步降低最高温度的方法，这将使管子启动得更快，创造更好的真空度并增加流速。他们还致力于 3D 打印整个微型质谱仪。随着他们开发该设备，他们将继续微调蠕动泵的规格。

  Velásquez García说：“有些人认为，当你3D打印东西时，一定会有某种权衡。但我们的团队已经证明事实并非如此。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，但它是一种有实际意义的解决方案。”