3D-Druck zur Rettung: Schrumpfende Vakuumpumpen für größere Entdeckungen

Von Adam Zewe, Massachusetts Institute of Technology, 3. Juni 2023

MIT-Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, eine miniaturisierte peristaltische Vakuumpumpe in 3D zu drucken, die eine Schlüsselkomponente eines tragbaren Massenspektrometers sein könnte. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Das Gerät wäre eine Schlüsselkomponente eines tragbaren Massenspektrometers, das dabei helfen könnte, Schadstoffe zu überwachen, medizinische Diagnosen in abgelegenen Gebieten durchzuführen oder Marsboden zu testen.

MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">MIT researchers have used additive manufacturing to create a small, inexpensive vacuum pump that could lead to the development of portable mass spectrometers. The 3D printed mini peristaltic pump, designed with a hyperelastic material tube featuring notches, overcomes traditional design issues, reduces heat, and increases the device’s lifespan. This could enable monitoring of pollutants or medical diagnoses in remote areas, and soil testing on MarsMars is the second smallest planet in our solar system and the fourth planet from the sun. It is a dusty, cold, desert world with a very thin atmosphere. Iron oxide is prevalent in Mars' surface resulting in its reddish color and its nickname "The Red Planet." Mars' name comes from the Roman god of war." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Mars.

Massenspektrometer sind äußerst präzise chemische Analysegeräte mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, von der Bewertung der Sicherheit von Trinkwasser bis hin zum Nachweis von Toxinen im Blut eines Patienten. Der Bau eines kostengünstigen, tragbaren Massenspektrometers, das an abgelegenen Orten eingesetzt werden könnte, bleibt jedoch eine Herausforderung, was teilweise auf die Schwierigkeit zurückzuführen ist, die für den Betrieb erforderliche Vakuumpumpe zu geringen Kosten zu miniaturisieren.

MIT-Forscher nutzten die additive Fertigung, um einen großen Schritt zur Lösung dieses Problems zu machen. Sie druckten in 3D eine Miniaturversion einer Art Vakuumpumpe, einer so genannten Peristaltikpumpe, die etwa die Größe einer menschlichen Faust hat.

Ihre Pumpe kann ein Vakuum erzeugen und aufrechterhalten, das einen um eine Größenordnung niedrigeren Druck aufweist als eine sogenannte trockene, grobe Pumpe, die keine Flüssigkeit zur Vakuumerzeugung benötigt und bei Atmosphärendruck arbeiten kann. Das einzigartige Design der Forscher, das in einem Durchgang auf einem Multimaterial-3D-Drucker gedruckt werden kann, verhindert das Austreten von Flüssigkeit oder Gas und minimiert gleichzeitig die durch Reibung während des Pumpvorgangs entstehende Wärme. Dies erhöht die Lebensdauer des Geräts.

Dieses Gerät, das nur die Größe einer menschlichen Faust hat, konnte besser als andere Pumpentypen ein Trockenvakuum erzeugen und aufrechterhalten, was für die effektive Bestimmung der Moleküle in einer Probe mit einem Massenspektrometer von entscheidender Bedeutung ist. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Diese Pumpe könnte in ein tragbares Massenspektrometer integriert werden, das beispielsweise zur Überwachung der Bodenkontamination in abgelegenen Teilen der Welt verwendet wird. Das Gerät könnte sich auch ideal für den Einsatz in geologischen Vermessungsgeräten für den Mars eignen, da es kostengünstiger wäre, die leichte Pumpe ins All zu bringen.

„Wir sprechen von sehr kostengünstiger Hardware, die auch sehr leistungsfähig ist“, sagt Luis Fernando Velásquez-García, leitender Wissenschaftler in den Microsystems Technology Laboratories (MTL) des MIT und leitender Autor eines Artikels, der die neue Pumpe beschreibt. „Bei Massenspektrometern war der 500-Pfund-Gorilla im Raum schon immer das Problem der Pumpen. Was wir hier gezeigt haben, ist bahnbrechend, aber nur möglich, weil es 3D-gedruckt ist. Wenn wir das auf die übliche Art und Weise machen wollten, wären wir weit davon entfernt gewesen

Velásquez-García wird bei der Arbeit von Hauptautor Han-Joo Lee, einem ehemaligen MIT-Postdoc, begleitet; und Jorge Cañada Pérez-Sala, ein Doktorand der Elektrotechnik und Informatik. Das Papier wurde kürzlich in Additive Manufacturing veröffentlicht.

Probleme mit der Pumpe

Wenn eine Probe durch ein Massenspektrometer gepumpt wird, werden ihr Elektronen entzogen, um ihre Atome in Ionen umzuwandeln. Ein elektromagnetisches Feld manipuliert diese Ionen im Vakuum, sodass ihre Massen bestimmt werden können. Mithilfe dieser Informationen können die Bestandteile der Probe genau identifiziert werden. Die Aufrechterhaltung des Vakuums ist von entscheidender Bedeutung, denn wenn die Ionen mit Gasmolekülen aus der Luft kollidieren, ändert sich ihre Dynamik, was die Spezifität des Analyseprozesses verringert und die Anzahl der falsch positiven Ergebnisse erhöht.

Peristaltische Pumpen werden üblicherweise zum Fördern von Flüssigkeiten oder Gasen verwendet, die die Komponenten der Pumpe verunreinigen würden, beispielsweise reaktive Chemikalien. Sie werden auch zum Pumpen von Flüssigkeiten verwendet, die sauber gehalten werden müssen, beispielsweise Blut. Die zu pumpende Substanz ist vollständig in einem flexiblen Schlauch enthalten, der um einen Satz Rollen gewickelt ist. Die Rollen drücken das Rohr beim Drehen gegen sein Gehäuse. Die eingeklemmten Teile des Rohrs dehnen sich im Sog der Rollen aus und erzeugen ein Vakuum, das die Flüssigkeit oder das Gas durch das Rohr zieht.

Obwohl diese Pumpen ein Vakuum erzeugen, haben Konstruktionsprobleme ihre Verwendung in Massenspektrometern eingeschränkt. Durch die Krafteinwirkung der Rollen verteilt sich das Schlauchmaterial neu, wodurch Lücken entstehen, die Undichtigkeiten verursachen. Dieses Problem kann gelöst werden, indem die Pumpe schnell betrieben wird und die Flüssigkeit schneller durch die Pumpe gepresst wird, als sie austreten kann. Dadurch entsteht jedoch eine übermäßige Hitze, die die Pumpe beschädigt und die Lücken bestehen bleiben. Um das Rohr vollständig abzudichten und das für ein Massenspektrometer erforderliche Vakuum zu erzeugen, muss der Mechanismus zusätzliche Kraft aufwenden, um die ausgebuchteten Bereiche zusammenzudrücken, was zu mehr Schaden führt, erklärt Velásquez-García.

Eine additive Lösung

Er und sein Team haben das peristaltische Pumpendesign von Grund auf überdacht und nach Möglichkeiten gesucht, mithilfe der additiven Fertigung Verbesserungen zu erzielen. Mithilfe eines Multimaterial-3D-Druckers konnten sie zunächst den flexiblen Schlauch aus einem speziellen hyperelastischen Material herstellen, das einer enormen Verformung standhalten kann.

Dann stellten sie durch einen iterativen Designprozess fest, dass das Hinzufügen von Kerben an den Rohrwänden die Belastung des Materials beim Zusammendrücken verringern würde. Bei Kerben muss sich das Rohrmaterial nicht neu verteilen, um der Kraft der Rollen entgegenzuwirken.

Die Fertigungspräzision des 3D-Drucks ermöglichte es den Forschern, genau die Kerbengröße zu erzeugen, die zur Beseitigung der Lücken erforderlich war. Sie konnten auch die Dicke des Rohrs variieren, sodass die Wände in den Bereichen, in denen die Anschlüsse befestigt werden, stärker sind, was die Belastung des Materials weiter verringert.

Mit einem Multimaterial-3D-Drucker haben sie das gesamte Rohr in einem Durchgang gedruckt, was wichtig ist, da bei der Nachmontage Mängel auftreten können, die zu Undichtigkeiten führen können. Dazu mussten sie einen Weg finden, den schmalen, flexiblen Schlauch vertikal zu drucken und dabei zu verhindern, dass er während des Prozesses wackelt. Am Ende haben sie eine leichte Struktur geschaffen, die die Tube beim Drucken stabilisiert, sich aber später leicht abziehen lässt, ohne das Gerät zu beschädigen.

„Einer der Hauptvorteile des 3D-Drucks besteht darin, dass wir damit aggressive Prototypen erstellen können. Wenn Sie diese Arbeit in einem Reinraum durchführen, in dem viele dieser Miniaturpumpen hergestellt werden, kostet das viel Zeit und viel Geld. Wenn Sie eine Änderung vornehmen möchten, müssen Sie den gesamten Prozess von vorne beginnen. In diesem Fall können wir unsere Pumpe innerhalb weniger Stunden drucken und es kann jedes Mal ein neues Design sein“, sagt Velásquez-García.

Tragbar und dennoch leistungsstark

Als sie ihr endgültiges Design testeten, stellten die Forscher fest, dass damit ein Vakuum erzeugt werden konnte, das eine Größenordnung niedrigeren Druck aufwies als moderne Membranpumpen. Ein niedrigerer Druck führt zu einem Vakuum höherer Qualität. Um dasselbe Vakuum mit Standard-Membranpumpen zu erreichen, müsste man drei in Reihe schalten, sagt Velásquez-García.

The pump reached a maximum temperature of 50 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Celsius, halb so viel wie bei hochmodernen Pumpen, die in anderen Studien verwendet wurden, und erforderte nur halb so viel Kraft, um das Rohr vollständig abzudichten.

„Die Flüssigkeitsbewegung stellt eine große Herausforderung dar, wenn man versucht, kleine und tragbare Geräte herzustellen, und diese Arbeit nutzt auf elegante Weise die Vorteile des Multimaterial-3D-Drucks aus, um eine hochintegrierte und funktionale Pumpe zu schaffen, die ein Vakuum für die Gassteuerung erzeugt. Die Pumpe ist nicht nur kleiner als so ziemlich alles Vergleichbare, sondern erzeugt auch ein 100-mal geringeres Vakuum“, sagt Michael Breadmore, Professor für analytische Chemie an der University of Tasmania, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war. „Dieses Design ist nur durch den Einsatz von 3D-Druckern möglich und zeigt deutlich, wie leistungsfähig die Möglichkeit ist, in 3D zu entwerfen und zu erstellen.“

Zukünftig planen die Forscher, Möglichkeiten zur weiteren Reduzierung der Maximaltemperatur zu erforschen, wodurch das Rohr schneller betätigt werden kann, ein besseres Vakuum entsteht und die Durchflussrate erhöht wird. Sie arbeiten auch daran, ein komplettes miniaturisiertes Massenspektrometer in 3D zu drucken. Während sie dieses Gerät entwickeln, werden sie die Spezifikationen der Peristaltikpumpe weiter verfeinern.

„Manche Leute denken, dass es beim 3D-Drucken irgendeinen Kompromiss geben muss. Aber hier hat unsere Gruppe gezeigt, dass das nicht der Fall ist. Es ist wirklich ein neues Paradigma. Additive Fertigung wird nicht alle Probleme der Welt lösen, aber es ist eine Lösung, die echte Beine hat“, sagt Velásquez-García.

Referenz: „Kompakte peristaltische Vakuumpumpen durch Multimaterial-Extrusion“ von Han-Joo Lee, Jorge Cañada und Luis Fernando Velásquez-García, 21. März 2023, Additive Manufacturing.DOI: 10.1016/j.addma.2023.103511

Diese Arbeit wurde teilweise von der Empiriko Corporation unterstützt.