MIT: 汚染物質の監視、医療診断、火星の土壌検査に役立つ 3D プリントされたマイクロ真空ポンプ

この投稿はCoco Bearによって2023-4-25 13:51に最後に編集されました。

はじめに: 質量分析計は、飲料水の安全性の評価や患者の血液中の毒素の検出など、さまざまな分野で使用できる非常に精密な化学分析装置です。しかし、質量分析計は従来の製造技術では小型化が難しく、低コストで動作する真空ポンプが必要となるため、遠隔地に設置できる手頃な価格のポータブル質量分析計を製造することは依然として課題となっています。

2023年4月25日、Antarctic Bearは、MITの研究者が低コストの真空ポンプを製造するために積層造形技術を選択したことを知りました。研究者たちは、蠕動ポンプと呼ばれる、人間の拳ほどの大きさの小さな真空ポンプを3Dプリントした。この研究は、「マルチマテリアル押し出しによる小型蠕動真空ポンプ」というタイトルで、SCI Zone 1 ジャーナル Additive Manufacturing に掲載されました。

背景真空技術は、高純度冶金、コーティング技術、ヘルスケア、質量分析、半導体製造など、さまざまな科学および工学分野に不可欠です。市販されている粗引きポンプの大部分は容積式装置であり、希ガスを大気圧まで連続的に圧縮して真空を生成します。その中で、蠕動ポンプは、不活性なままにしておく必要のある液体（血液など）や化学的に反応性のある液体を輸送するために広く使用されています。ポンプで送り出される材料は、一連のローラーを囲む柔軟なチューブ内に完全に収容されます。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。ローラーが動くとチューブの圧縮された部分が膨張し、真空状態が作られて液体またはガスがチューブ内に引き込まれます。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ます。ローラーが力を加えると、チューブが再分配され、漏れにつながる隙間が生じます。この問題は、ポンプを素早く操作して、漏れるよりも速く流体を通過させることで解決できますが、これにより過熱が発生し、ポンプが損傷する可能性があり、隙間は依然として残ります。

研究内容 上記の問題に対処するため、MIT は蠕動ポンプの設計を再検討し、積層造形法を使用して改善する方法を模索しました。

△ 回転式蠕動ポンプの3D模式図

●まず、マルチマテリアル3Dプリンターを使用し、特殊な超弾性材料を使用して大きな変形に耐えられるホースを作成しました。

●その後、設計プロセスを繰り返すことで、チューブの壁に切り込みを入れることで、圧迫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を再分配する必要がありません。

●最後に、細くて柔軟なチューブを垂直に印刷できるようにするために、研究者は、印刷中にチューブを安定させ、印刷後に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。

△ プリントフレキシブルチューブ

3D プリントによって実現される製造精度により、研究者は隙間をなくすために必要な正確なノッチ寸法を作り出すことができました。また、チューブの厚さを変えることで、コネクタが接続する部分の壁をより強固にし、材料にかかるストレスをさらに軽減することができました。彼らは、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一度に印刷し、組み立てプロセスによる漏れを回避しました。

印刷後、研究者らは蠕動ポンプの性能をテストしました。

●本研究のポンプは、低駆動速度でも低真空を維持できる。

このポンプは、最低 9 Torr (1 torr = 1.33322 × 10Pa) のベース圧力と最高 10 sccm (標準ミリリットル/分) の流量を実現できます。

●ポンプの低次元モデルは、ベース圧力がポンプ周期に直線的に関係することを予測します。

△本研究で設計した3Dプリント蠕動真空ポンプの質量流量と圧力特性

研究の展望● 今後、研究者らは最高温度をさらに下げ、より良い真空環境を作り、流量を増やす方法を模索する予定です。

●また、小型質量分析計全体の3Dプリントにも取り組みます。

●研究者らは装置の開発にあたり、蠕動ポンプの仕様を調整し続ける予定。

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