Massenspektrometer bewerten Trinkwassersicherheit, weisen Toxine im Blut nach oder finden auch Anwendung in anderen Bereichen, wo präzise chemische Analysen benötigt werden. Ein derartiges Gerät an abgelegenen Orten einzusetzen, ist jedoch schwierig. Um eine mobile Variante kostengünstig zu entwerfen, bedarf es einer miniaturisierten Vakuumpumpe. Forschern des MIT Massachusetts Institutes of Technology (MIT) ist es gelungen, eine Miniaturversion der Vakuumpumpe mit 3D-Druck herzustellen. Ihre Arbeit mit dem Titel „Compact peristaltic vacuum pumps via multi-material extrusion“ haben sie im Fachjournal Additive Manufacturing veröffentlicht.
Multimaterial-3D-Druck für miniaturisierte Vakuumpumpe
Die 3D-gedruckte Pumpe, die nicht größer als eine Faust ist, kann ein Vakuum erzeugen und aufrechterhalten, das einen um eine Größenordnung niedrigeren Druck aufweist als eine trockene, grobe Pumpe, die keine Flüssigkeit zum Erzeugen eines Vakuums benötigt und bei atmosphärischem Druck betrieben werden kann. Die Forscher verwendeten einen Multimaterial-3D-Drucker für ein Design, das das Austreten von Flüssigkeiten oder Gasen verhindert und die Reibungswärme während des Pumpvorgangs minimiert. Die Pumpe könnte in tragbaren Massenspektrometern eingesetzt werden, die zur Überwachung der Bodenkontamination genutzt werden und wäre auch für geologische Vermessungsgeräte für den Mars geeignet sein.
Luis Fernando Velásquez-García, leitender Wissenschaftler in den Microsystems Technology Laboratories (MTL) des MIT und leitender Autor eines Artikels, sagte:
„Wir sprechen von sehr kostengünstiger Hardware, die auch sehr leistungsfähig ist. 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 dies auf die übliche Weise tun wollten, wären wir nicht in der Nähe gewesen.
3D-Druck der Vakuumpumpe
Die Forscher haben das Design der Peristaltikpumpe neu durchdacht und nach Möglichkeiten gesucht, sie additiv herzustellen. Sie druckten einen flexiblen Schlauch aus einer speziellen Art von hyperelastischem Material, der einer enormen Verformung standhält.
Durch einen iterativen Designprozess stellten sie fest, dass das Hinzufügen von Kerben an den Rohrwänden die Belastung des Materials beim Zusammendrücken verringern würde. Mit Kerben muss sich das Rohrmaterial nicht umverteilen, um der Kraft von den Rollen entgegenzuwirken. Mit dem 3D-Druck ließen sich exakte Kerbengrößen herstellen, die zur Beseitigung von Lücken wichtig waren. Auch die Dicke des Rohrs ließ sich variieren. Sie druckten das gesamte Rohr in einem Durchgang. Um das problemlos umzusetzen, schufen sie eine leichte Struktur, die die Tube während des Druckens stabilisiert, aber später leicht abgezogen werden kann, ohne das Gerät zu beschädigen. Die Pumpe konnte insgesamt in wenigen Stunden gedruckt werden. In Tests zeigte sich, dass sie ein Vakuum erzeugen konnten, das einen um eine Größenordnung niedrigeren Druck hatte als hochmoderne Membranpumpen. Niedrigerer Druck ergibt ein qualitativ hochwertigeres Vakuum. Um dasselbe Vakuum mit Standard-Membranpumpen zu erreichen, müsste man drei in Reihe schalten, sagt Velásquez-García. Die Pumpe erreichte eine maximale Temperatur von 50 Grad Celsius, die Hälfte der in anderen Studien verwendeten hochmodernen Pumpen. Sie benötigte nur halb so viel Kraft, um den Schlauch vollständig abzudichten.
Michael Breadmore, Professor für analytische Chemie an der University of Tasmania, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war, sagte:
„Fluidbewegung ist eine große Herausforderung bei dem Versuch, kleine und tragbare Geräte herzustellen, und diese Arbeit nutzt elegant die Vorteile des Multimaterial-3D-Drucks, um eine hochintegrierte und funktionelle Pumpe zur Erzeugung eines Vakuums zur Gaskontrolle zu schaffen. Die Pumpe ist nicht nur kleiner als so ziemlich alles Ähnliche, sie erzeugt auch ein 100-mal geringeres Vakuum. Dieses Design ist nur durch die Verwendung von 3D-Druckern möglich und demonstriert auf schöne Weise die Leistungsfähigkeit, in 3D entwerfen und erstellen zu können.“
Die Forscher planen, die maximale Temperatur weiter zu senken, wodurch die Röhre schneller ansprechen, ein besseres Vakuum erzeugen und die Durchflussrate erhöhen würde. Sie wollen außerdem ein komplettes miniaturisiertes Massenspektrometer in 3D drucken.
