Крошечный 3D

Исследователи из США разработали крошечный вакуумный насос, напечатанный на 3D-принтере. Луис Фернандо Веласкес-Гарсия и его коллеги из Массачусетского технологического института говорят, что их устройство превосходит современные миниатюрные насосы. Его можно использовать, чтобы предоставить людям в отдаленных общинах доступ к современным приборам, таким как масс-спектрометрия для тестирования здоровья и окружающей среды.

Перистальтический насос — это тип миниатюрного насоса прямого вытеснения, который имитирует действие мышц нашего кишечника. Внутри насоса жидкость проходит через гибкую трубку, установленную вокруг внутреннего края жесткого круглого корпуса.

Ротор на оси круга оснащен роликами, которые проходят по внутренней окружности круга, прижимая трубку к корпусу и транспортируя карманы с жидкостью перед роликами в направлении выпускного отверстия насоса. Одновременно после прохождения ролика трубка восстанавливает первоначальную форму. Это создает эффект всасывания, который втягивает больше жидкости в насос.

Поскольку этот метод позволяет избежать прямого контакта между жидкостью и насосным механизмом, в настоящее время он широко используется для транспортировки жидкостей, которые химически активны или должны оставаться в первозданном виде, например, крови.

Однако до сих пор перистальтические насосы не нашли широкого применения для создания и поддержания вакуума посредством транспортировки газов. Это потребует, чтобы ротор вращался с большей скоростью и сильнее сжимал гибкую трубку, что могло быстро повредить насос. Кроме того, трубка круглого сечения никогда не может быть полностью герметичной, а это означает, что часть газа всегда может просачиваться в неправильном направлении.

В новом исследовании команда Веласкеса-Гарсиа изучила, как эти проблемы можно решить с помощью более разумной конструкции гибкой трубки, ставшей возможной благодаря 3D-печати. «Одним из ключевых преимуществ использования 3D-печати является то, что она позволяет нам активно создавать прототипы», — объясняет Веласкес-Гарсия.

«Если выполнять эту работу в чистом помещении, где изготовлено множество этих миниатюрных насосов, это отнимет много времени. Если вы хотите что-то изменить, вам придется начать весь процесс заново. В этом случае мы сможем напечатать нашу помпу за считанные часы, и каждый раз это будет новый дизайн».

Такой подход позволил Веласкесу-Гарсиа и его команде одновременно распечатать всю внутреннюю работу насоса. Для гибкой трубки они использовали относительно новый материал, который легче печатать, чем более распространенные гибкие материалы, но который обладает необходимыми свойствами.

Они также адаптировали конструкцию трубы – введя пару вырезов на противоположных сторонах ее сечения, перпендикулярных направлению ее сжатия роликами. Это небольшое изменение означало, что для полной герметизации трубки потребовалось менее половины усилия (см. рисунок).

Благодаря этим приспособлениям насос команды мог поддерживать вакуумное давление на порядок ниже, чем другие современные миниатюрные насосы. Это достигается за счет более низких скоростей ротора и меньших усилий, воздействующих на гибкую трубку. Их конструкция сохраняла эти характеристики на протяжении всего срока службы, составив более 100 000 оборотов.

Веласкес-Гарсия и его коллеги считают, что их результаты ясно показывают, насколько продвинутой стала 3D-печать. «Некоторые люди думают, что когда вы что-то печатаете на 3D-принтере, должен быть какой-то компромисс. Но здесь наша группа показала, что это не так», — утверждает Веласкес-Гарсия. «Это действительно новая парадигма. Аддитивное производство не решит всех мировых проблем, но это решение имеет реальные основания».

Пищевой краситель помогает печатать сосудистые сети на 3D-принтере

Команда предполагает многочисленные возможные применения устройства: включая металлургию высокой чистоты, процессы нанесения покрытий, производство полупроводников и особенно масс-спектрометрию.

«Что касается масс-спектрометров, то 500-фунтовая горилла в комнате всегда была проблемой вакуумных насосов», — объясняет Веласкес-Гарсия. «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 не приблизились к этому».