ミニ真空ポンプの 3D プリント

アンドリュー・コルセリ

質量分析計は非常に正確な化学分析装置であり、多くの用途があります。 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依然として課題であり、その主な理由は、必要な真空ポンプを低コストで小型化することが難しいためです。

現在、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。 研究チームは、人間の拳ほどの大きさの蠕動ポンプのミニバージョンを 3D プリントしました。 このポンプは、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、真空を生成するために液体を必要とせず、大気圧で動作できます。

「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」と上級著者のルイス・フェルナンド・ベラスケス・ガルシア氏は語った。 「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。」

「3D プリントを使用する主な利点の 1 つは、積極的にプロトタイプを作成できることです」とベラスケス ガルシア氏は付け加えました。 「こうした小型ポンプが多数製造されるクリーンルームでこの作業を行うと、多大な時間と多大な費用がかかります。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、ポンプを数時間で印刷でき、毎回新しいデザインにすることができます。」

以下はベラスケス・ガルシア氏の Tech Briefs インタビューで、長さと明瞭さのために編集されています。

技術概要:研究にインスピレーションを与えたのは何ですか?

ベラスケス・ガルシア : 私のバックグラウンドは、小型化を利用して作成するハードウェアである微小電気機械システム (MEMS) です。 たとえば、スマートフォンやコンピューターの電子機器はよく知られていますが、さらに、携帯電話の MEMS 加速度センサーのようなものもあります。

多かれ少なかれ、このハードウェアの大部分は半導体のクリーン ルームで行われているということです。これは、半導体エレクトロニクスの製造という 1 つのことに非常に有益です。 そのため、使用できる構造や材料の種類は非常に限られています。 構造はサンドイッチのように見えます。それらは層になっており、ほとんどが 2 次元であり、非常に多くのマテリアルがあります。

私が 3D プリント マイクロシステムの使用に興味を持ったのは、3D プリントが私たちが作れるものの可能性を大幅に拡張するツールボックスであることがわかったからです。

それは物語の一部です。 物語の 2 番目の部分はポンプです。 私は約 15 年ほど質量分析に取り組んできましたが、それは聖杯のようなものでした。 食品産業、製薬、石油探査など、私たちの周りにある多くの産業は、サンプルの組成を定量的に決定するために質量分析計に依存しています。

あなたが薬を作るとしましょう。 自分が作成していると思っているものを実際に作成しているかどうかを確認する必要があります。 あるいは、地質調査を行っているときは、見つけたと思った物質が見つかったかどうかを確認したいと思うでしょう。 そこで、質量分析と呼ばれる使用できる技術があります。 これらのデバイスの最新技術は、非常に重く、非常に大きく、非常に高価なハードウェアです。 したがって、サンプルを研究所に輸送する必要があり、それにはコストがかかります。

代わりに、たとえば質量分析計を油井に輸送しようとしたとします。 砕ける可能性があります。 したがって、私や他の多くの人々がやろうとしているのは、質量分析計の小型化です。 質量分析計の動作には真空が必要であるため、主な課題は適切な真空源が不足していることです。 質量分析計は真空を作り出すことで機能しますが、大気圧と連動する必要があります。 大気圧から必要な高真空までの全範囲を実行できる単一のポンプ技術はありません。

私たちが作成し、論文を書いたデバイスが第 1 段階です。 トール（圧力）レベルを下げながら、大気圧で動作します。 そして、そこに到達したら、圧力をさらに下げるために使用できる他のテクノロジーがあります。

技術概要:作業中に直面した最大の技術的課題は何ですか?

ベラスケス・ガルシア ：ああ、全部（笑）。 まず、これらの質量分析計にはクリーンなテクノロジーが必要です。 例えば、真空を作り出すために油や何らかの液体を使用する技術がいくつかありますが、それらには汚染の問題があります。 彼らは基本的にその素材をあらゆるものに含浸させます。 したがって、何かの化学組成を見つけようとしている場合、それは望ましくありません。 通常の解決策は、ダイヤフラム ポンプと呼ばれるものです。 それらはアコーディオンのように見え、拡張および収縮する部屋を持っています。 それが彼らがガスの塊を希薄な状態から大気中に移動させる方法です。 それは広範囲に研究されています。

特別な問題がいくつかあります。適切な真空を実現したい場合は、ポンプを段階的に調整する必要があります。 1 つを使用する代わりに、3 つ、4 つ、5 つを連続して使用する必要があるため、非常に複雑になります。

そこで、自然からヒントを得たペリスタルティックポンプを採用しました。 (蠕動は、私たちの体が食物を処理する動きです。) このタイプのポンプは、材料を汚染したくないため、または反応性が高いため、材料を不活性に保ちたい多くの用途で使用されます。 しかし、真空を作るのには決して役に立ちませんでした。 したがって、私たちが最初にしなければならなかったのは、機能するデザインを考え出すことです。

これまで使用されなかった理由は、その製造方法に関係しています。それは単なる円形のチューブです。 しかし、その真空管を設計すれば、非常にうまく機能するものを思いつくことができます。 それは 1 つの部分で、2 番目の部分はそれを実際に動作するプロトタイプにする方法でした。 それには 3D プリンティング技術の多大な開発が必要でした。

そして最後に、このポンプは非常に小さく、当社が利用できる機器の多くはかなり大型のポンプ用に設計されているため、テストですら困難でした。 したがって、それを実現するにはあらゆる種類のトリックを実行する必要がありました。

すべてが大変でしたが、とてもやりがいがありました。

技術概要:このテクノロジーがどのように機能するかを簡単に説明してもらえますか?

ベラスケス・ガルシア : これらのポンプは、希ガスの圧縮ポケットに基づいています。 内部に希ガスが入った部屋があると想像してください。 何らかの方法でその量を取り出し、大気圧に達するまで圧縮し、その後解放します。 そしてそれによって真空を作り出し、維持します。

私が説明したのは基本的に容積式ポンプです。このポンプもそのようなものですが、その利点はデッドボリュームと呼ばれるものによって制限されないことです。 一般的な容積式ポンプには、圧縮チャンバーの最小容積と最大容積があります。 この比率が、どれだけ低くできるかをほぼ決定します。

しかし、このポンプの動作方法により、その制限は無視されます。 私たちがハード モデルと実験で示したのは、希望する真空度 (おそらくミリトールまで) にほぼ到達できるということです。その真空度になると、流体についての仮定が崩れます。 そのような高圧下にあるとき、日常の経験のように、ガスが連続体であると仮定します。 しかし、ミリトールの範囲では、ガスは個々の分子が動き回るように動作します。これを分子流と呼びます。粒度があります。 それにより、流体の挙動が大きく異なります。

これが本当に素晴らしいのは、他の容積式ポンプができることを超えて、非常に低い真空を駆動できる低コストの技術であることだと思います。 乾式真空なので化学分析にも使用できます。

技術概要:現在の仕事/研究は何ですか?また次のステップは何ですか?

ベラスケス・ガルシア ：待機している部分は加熱の問題です。 結局のところ、必要なのは長時間稼働できるポンプであるため、加熱は重要です。 真空システムは何年も稼働しています。私の研究室には、15 年、20 年間稼働しているポンプ システムがあります。 それらは長持ちするように作られています。 したがって、生涯の問題は非常に重要です。 この特定のポンプでは、加熱がチューブの劣化のメカニズムであるため、加熱に注意する必要があります。

ポンプをできるだけ早く作動させて最低真空度に達することが望まれます。 ただし、高速に作動させると熱くなります。 したがって、おそらく特定の印刷部品を使用するか、ガスや水のチャネルを設けるなどのアクティブな冷却を行うことで、高速に作動してから冷却できるソリューションが必要です。 ということでスタンバイ状態です。 良いアイデアですが、まだ実行していません。

他の部分は非常に順調に進んでいますが、豆をこぼすことなく言えますが、質量分析計を作るには他に 2 つの重要な部分があります。 私たちはポンプを持っています。これは質量分析が行われる条件を与えるハードウェアです。 質量分析計は大気圧では動作できません。なぜなら、粒子が電磁場内で乱れることなくどのように移動するかを理解すると、大気圧のような圧力があると、粒子がバックグラウンドガスと衝突してしまうからです。

もう 1 つの部分はイオナイザーです。これはすでに実行済みです。 これは、たとえば血液サンプルを採取し、質量分析計で分析できる物質の一種であるイオンを生成する装置です。 したがって、粒子をイオン化して電荷を与え、粒子が電磁場の影響を受けることができるようにする必要があります。 私たちが持っているイオナイザーは本当に、本当に、うまく機能しています。

もう 1 つの重要な部分は質量フィルターです。これは、電磁場と質量電荷比 (単位電荷あたりの質量) に基づいてイオンを選別するハードウェアです。

これは物理的なプロセスであり、質量分析が化学に基づいているのではなく物理に基づいているため、質量分析が非常に強力であるのはこのためです。 質量分析計を騙すのは非常に困難です。 私たちのバージョンの質量フィルターは四重極と呼ばれるものです。 また、ポンプと同様に、四重極も 3D プリントされていますが、セラミックで 3D プリントされています。 イオナイザーは他の素材でも 3D プリントされています。 そして、それらは素晴らしい働きをします。

この夏、それに関する会議文書がいくつか発表される予定です。 しかし、これらのデバイスは市販のハードウェアと同じように機能し、コストもはるかに低く、製造時間もはるかに短いと言えます。 当社の四重極質量フィルターの 1 つは約 1 日で作成でき、コストは数十ドル程度です。 市販の四重極質量フィルターを購入しようとすると、おそらく 2 万ドルから 3 万ドルかかり、精密機械加工であるため、加工には数週間かかります。 完全に 3D プリントされた質量分析計を作成するというビジョンは、本当に間近に迫っています。 私の希望は、数年以内にそれを示すことができることです - 今のところはとても良い結果です。

ドライ真空ポンプ

小型真空ポンプが火星と地球で大きな役割を果たしている

技術概要:アイデアの実現を目指すエンジニアに何かアドバイスはありますか？

ベラスケス・ガルシア ：あらゆることを真剣に疑うことは良い習慣だと思います。 エンジニアリング業界で抱えている問題の多くは、特定の決定を無視することに起因すると思います。 しかし、新しいルールが制定されるたびに、物事を再考する必要があります。 たとえば、印刷や人工知能などのテクノロジーを手に入れるたびに、基本に立ち返って、それがどのように物事を変えるのかを確認する必要があります。 限られているからこういうやり方でやるという例はたくさんあるからです。 たとえば、最近の製造のほとんどはサブトラクティブであり、ブロックから材料を取り除いて部品を作成します。

もう 1 つは、標準化を試みることです。たとえば、さまざまな直径のビームやさまざまな厚さのプレートの膨大な在庫があるとします。 しかし、それをする必要がない場合はどうすればよいでしょうか? 数十億ものモノの在庫を持つ必要がなく、外出先でもモノを作れるとしたらどうなるでしょうか? これは基本的に 3D プリンティングのアイデアであり、それが宇宙内での製造などにどれほど強力であるかということです。 何かを宇宙に送るのは非常に高価です。

私のアドバイスは、現状に挑戦することを恥ずかしがらずに、そして驚くべき解決策を探すことです。 当時下された決定はもはや真実ではない可能性があるため、多くの問題を再検討する必要があると思います。 エンジニアリングは、より良い解決策を見つけるために常に探求し続ける必要があり、あらゆる石を放っておくべきではありません。

技術概要:他に何か追加したいことはありますか?

ベラスケス・ガルシア : 私のグループがやりたいのは、深い影響を与える、通常は複雑な機能や多機能によって起こるハードウェアを作成することです。 射出成形の代わりに 3D プリントをどのように使用できるか、といったことを考えようとしている人たちがいます。 まあ、その可能性はありますが、私たちがもっとインパクトがあると思うのは、次のようなことを言うことです。「スマートフォンを組み立てずに、一発で印刷するには何が必要になるでしょうか。ただし、粗悪なスマートフォンではなく、優れたスマートフォンです。」今できることと同じくらい、あるいはそれ以上だ。」

バッテリー、電気接続、トランジスタ、コンデンサ、ディスプレイ、いわゆるパッケージ、つまりデバイスと外部の間のインターフェースを印刷する必要があります。 それはマルチマテリアル 3D プリンティングのアイデアによって必然的に実現します。 それが私たちのしばらくの焦点でした。 残念ながら、マルチマテリアルを印刷できるテクノロジーはほんのわずかしかありません。 特に、押し出しと呼ばれるものと、基本的にペンを使用してトレースを作成するような直接インク書き込みと呼ばれるものがあります。 そして、マイクロプラズマ スパッタリングと呼ばれる、私たちが先駆的に開発したものがあります。これは、複数の材料で複雑なハードウェアを高解像度で作成できるため、大きな可能性を秘めています。

私たちは非常に小さな機能を作ることができますが、それがその解像度の真の鍵となります。 ですから、できることはたくさんあると思います。 たとえば、タービンのブレードのような部品を作ることができます。 しかし、そのブレードに電子機器が搭載されているとしたらどうでしょうか。それは感知機能や作動機能を備えている可能性があり、適切な材料を使用すればすべてのことが可能になります。

たとえば、手の断面を見ると、骨という硬い部分と、筋肉という伸び縮みする部分があることがわかります。 つまり、単一の素材での印刷には脚がないという考えです。 しかし、マルチマテリアル印刷というアイデアは、非常に異なる素材を同様の条件で印刷する方法を考え出す必要があるため、非常に困難です。

たとえば、単純に、金属で何かを印刷するのとポリマーで何かを印刷するのは、加工に非常に異なる温度が必要になるため、非常に難しいと言うかもしれません。 標準的な技術を使用する場合はそうですが、マイクロプラズマスパッタリングなどを使用すると、室温で高品質の金属を堆積でき、それをポリマーで作成することができます。

非常に難しいことですが、実装できるものがあるので、非常にやりがいのあるものになると思います。