3D プリントで救出: より大きな発見のための真空ポンプの縮小

マサチューセッツ工科大学アダ​​ム・ゼー著 2023 年 6 月 3 日

MITの研究者は、ポータブル質量分析計の重要なコンポーネントとなる可能性のある小型の蠕動真空ポンプを3Dプリントする方法を考案した。 クレジット: 研究者提供

この装置は、汚染物質の監視、遠隔地での医療診断、火星の土壌検査に役立つポータブル質量分析計の重要なコンポーネントとなる可能性がある。

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"}]">火星。

質量分析計は、飲料水の安全性の評価から患者の血液中の毒素の検出まで、多くの用途に使用できる非常に正確な化学分析装置です。 しかし、遠隔地に配備できる安価でポータブルな質量分析計を構築することは、低コストで動作させるために必要な真空ポンプの小型化が難しいこともあり、依然として課題が残っている。

MIT の研究者は積層造形を利用して、この問題の解決に向けて大きな一歩を踏み出しました。 彼らは、蠕動ポンプとして知られる一種の真空ポンプの小型バージョンを 3D プリントしました。そのサイズは人間の拳ほどの大きさです。

同社のポンプは、真空を作り出すために液体を必要とせず、大気圧で動作できる、いわゆるドライ粗引きポンプよりも一桁低い圧力の真空を生成および維持できます。 マルチマテリアル 3D プリンタでワンパスで印刷できる研究者のユニークなデザインは、ポンピングプロセス中の摩擦による熱を最小限に抑えながら、液体やガスの漏れを防ぎます。 これにより、デバイスの寿命が長くなります。

人間のこぶしほどの大きさしかないこのデバイスは、質量分析計がサンプル中の分子を効果的に測定できるようにするための鍵となる、乾燥真空の生成と維持において、他のタイプのポンプよりも優れた性能を発揮しました。 クレジット: 研究者提供

このポンプは、たとえば世界の孤立した地域の土壌汚染を監視するために使用されるポータブル質量分析計に組み込むことができます。 軽量ポンプを宇宙に打ち上げる方が安価であるため、この装置は火星向けの地質調査装置での使用にも理想的である可能性がある。

「私たちが話しているのは、非常に高性能でありながら、非常に安価なハードウェアです」と、MIT マイクロシステム技術研究所 (MTL) の主任科学者であり、新しいポンプについて説明した論文の主著者であるルイス フェルナンド ベラスケス ガルシア氏は述べています。 「質量分析計の場合、部屋にある500ポンドのゴリラは常にポンプの問題でした。私たちがここで示したことは画期的ですが、それが可能になったのは3Dプリントだからです。これを標準的な方法で実行したい場合は、 、私たちは近くにはいなかっただろう

ベラスケス＝ガルシア氏には、元MIT博士研究員である筆頭著者ハン・ジュ・リー氏も論文に参加している。 ホルヘ・カニャーダ・ペレス・サラ氏は電気工学およびコンピューターサイエンスの大学院生です。 この論文は最近、Additive Manufacturing 誌に掲載されました。

ポンプの問題

サンプルが質量分析計に送られると、サンプルから電子が剥ぎ取られ、原子がイオンに変わります。 電磁場は真空中でこれらのイオンを操作し、その質量を決定できます。 この情報を使用して、サンプルの成分を正確に特定できます。 イオンが空気中のガス分子と衝突すると、その力学が変化し、分析プロセスの特異性が低下し、誤検知が増加するため、真空を維持することが重要です。

蠕動ポンプは、反応性化学薬品など、ポンプのコンポーネントを汚染する可能性のある液体または気体を移動するために一般的に使用されます。 また、血液など、清潔に保つ必要がある液体を送り出すためにも使用されます。 ポンプで送り出される物質は、一連のローラーの周りに巻き付けられた柔軟なチューブ内に完全に含まれています。 ローラーは回転しながらチューブをハウジングに押し付けます。 チューブの挟まれた部分がローラーの影響で膨張し、チューブ内に液体または気体を引き込む真空が生成されます。

これらのポンプは真空を生成しますが、設計上の問題により、質量分析計での使用は制限されています。 ローラーによって力が加えられるとチューブの材料が再分配され、漏れの原因となる隙間が生じます。 この問題は、ポンプを急速に動作させ、流体が漏れるよりも早く押し出すことで解決できます。 しかし、これにより過剰な熱が発生し、ポンプが損傷し、隙間が残ります。 チューブを完全に密閉し、質量分析計に必要な真空を作り出すには、機構が膨らんだ部分を圧迫するために追加の力を加える必要があり、より多くの損傷を引き起こすとベラスケス・ガルシア氏は説明します。

追加ソリューション

彼と彼のチームは蠕動ポンプの設計を根本から再考し、積層造形を使用して改善できる方法を模索しました。 まず、マルチマテリアル 3D プリンターを使用することで、膨大な変形に耐えられる特殊な超弾性素材からフレキシブル チューブを作成することができました。

その後、反復的な設計プロセスを通じて、チューブの壁にノッチを追加すると、圧縮されたときに材料にかかる応力が軽減されることが判明しました。 ノッチがあれば、ローラーからの力に対抗するためにチューブの材料を再分配する必要がありません。

3D プリンティングによる製造精度により、研究者は隙間をなくすために必要な正確なノッチ サイズを作成することができました。 また、チューブの厚さを変えることもできたので、コネクタが取り付けられる部分の壁が強化され、材料にかかるストレスがさらに軽減されました。

マルチマテリアル 3D プリンターを使用して、チューブ全体を 1 回のパスで印刷しました。これは、組み立て後の欠陥が原因で漏れが生じる可能性があるため、重要です。 これを行うには、プロセス中のぐらつきを防ぎながら、細くて柔軟なチューブを垂直に印刷する方法を見つける必要がありました。 最終的に、彼らは、印刷中にチューブを安定させながら、後でデバイスを損傷することなく簡単に剥がすことができる軽量構造を作成しました。

「3D プリントを使用する主な利点の 1 つは、プロトタイプを積極的に作成できることです。この作業をクリーン ルームで行うと、このような小型ポンプが多数製造されるため、多くの時間と多額の費用がかかります。 「変更を加えたい場合は、プロセス全体を最初からやり直す必要があります。この場合、数時間でポンプを印刷でき、毎回新しいデザインにすることができます」とベラスケス・ガルシア氏は言います。

ポータブルでありながらパフォーマンスが高い

研究者らは最終設計をテストしたところ、最先端のダイヤフラムポンプよりも一桁低い圧力の真空を作り出すことができることを発見しました。 圧力が低いほど、高品質の真空が得られます。 標準的なダイヤフラムポンプで同じ真空に到達するには、3 台を直列に接続する必要がある、とベラスケスガルシア氏は言います。

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"}]">他の研究で使用されている最先端のポンプの半分の摂氏温度であり、チューブを完全にシールするのに必要な力は半分だけです。

「小型でポータブルな機器を作成しようとする場合、流体の移動は大きな課題です。この作品では、マルチマテリアル 3D プリンティングの利点をエレガントに活用して、ガス制御用の真空を作り出す高度に統合された機能的なポンプを作成しています。ポンプは単に小型であるだけでなく、ほとんど何でも似ていますが、発生する真空も100分の1です」と、この研究には関与していないタスマニア大学の分析化学教授マイケル・ブレッドモアは言う。 「このデザインは 3D プリンターを使用することによってのみ可能であり、3D でデザインして作成できることの威力をうまく示しています。」

研究者らは将来的に、最高温度をさらに下げる方法を検討する予定で、これによりチューブの動作が速くなり、真空度が向上し、流量が増加する可能性がある。 彼らはまた、小型質量分析計全体を 3D プリントすることにも取り組んでいます。 彼らはそのデバイスを開発しながら、蠕動ポンプの仕様の微調整を続ける予定です。

「何かを 3D プリントするときには、何らかのトレードオフが必要だと考える人もいます。しかし、私たちのグループは、そうではないことをここで示しました。これはまさに新しいパラダイムです。積層造形は世界のすべての問題を解決するわけではありません」しかし、これは現実的な解決策です」とベラスケス・ガルシア氏は言います。

参考文献: Han-Joo Lee、Jorge Cañada、Luis Fernando Velásquez-García による「マルチマテリアル押出によるコンパクトな蠕動真空ポンプ」、2023 年 3 月 21 日、Additive Manufacturing. DOI: 10.1016/j.addma.2023.103511

この研究は、Empiriko Corporation によって部分的に支援されました。