质谱仪是极其精确的化学分析仪，具有多种应用，从评估饮用水的安全性到检测患者血液中的毒素。但是构建一个可以部署在偏远地区的廉价、便携式质谱仪仍然是一个挑战，部分原因是难以将其运行所需的真空泵小型化。
麻省理工学院的研究人员利用增材制造向解决这一问题迈出了重要一步。他们 3D 打印了一种真空泵的微型版本，称为蠕动泵，大小与人的拳头差不多。
他们的泵可以产生并保持真空，其压力比另一种常用泵低一个数量级。这种独特的设计可以在多材料 3D 打印机上一次性打印，可防止流体或气体泄漏，同时最大限度地减少泵送过程中摩擦产生的热量。这增加了设备的使用寿命。
例如，该泵可以集成到便携式质谱仪中，用于监测世界偏远地区的土壤污染。该设备也可以理想地用于前往火星的地质调查设备，因为将轻型泵发射到太空会更便宜。
“我们谈论的是非常便宜但功能强大的硬件。对于质谱仪，房间里 500 磅重的大猩猩一直是泵的问题。我们在这里展示的是开创性的，但它之所以成为可能，是因为它是 3D 打印的。麻省理工学院微系统技术实验室 (MTL) 的首席科学家、描述新型泵的论文的资深作者路易斯·费尔南多·贝拉斯克斯-加西亚 (Luis Fernando Velásquez-García) 说：
Velásquez-García 与主要作者、前麻省理工学院博士后 Han-Joo Lee 一起参与了这篇论文;和电气工程和计算机科学研究生 Jorge Cañada Pérez-Sala。该论文今天发表在 《增材制造》杂志上。
泵问题
当样品被泵送通过质谱仪时，它会受到电荷的撞击，从而将其原子转化为离子。电磁场在真空中操纵这些离子，因此可以确定它们的质量。该信息可用于识别样本中的分子。保持真空是关键，因为如果离子与空气中的气体分子发生碰撞，它们的动力学就会发生变化。
蠕动泵通常用于移动会污染泵组件的流体或气体，例如反应性化学品。该物质完全包含在环绕一组滚轮的柔性管内。滚轮在旋转时将管子挤压在外壳上。管子的受压部分随着辊子的运动而膨胀，产生真空，将液体或气体吸入管子。
虽然泵确实会产生真空，但设计问题限制了它们在质谱仪中的使用。当辊子施加力时，管材会重新分布，从而产生间隙，从而导致泄漏。这个问题可以通过快速操作泵来解决，迫使流体以比泄漏更快的速度通过。但这会导致过热损坏泵，并且间隙仍然存在。Velásquez-García 解释说，为了完全密封管子并产生质谱仪所需的真空，该机构必须施加额外的力来挤压凸出区域，从而造成更多损坏。
添加剂溶液
他和他的团队自下而上地重新考虑了蠕动泵设计，寻找可以使用增材制造进行改进的方法。首先，通过使用多材料 3D 打印机，他们能够用一种特殊类型的超弹性材料制造出可承受巨大变形的软管。
然后，通过迭代设计过程，他们确定在管壁上添加凹口可以减少材料在受挤压时的应力。有了槽口，管材就不需要重新分布来抵消来自滚筒的力。
3D 打印提供的精度使研究人员能够产生消除间隙所需的精确缺口尺寸。他们还能够改变管子的厚度，使连接器连接区域的管壁更坚固，从而进一步减少材料上的压力。
他们使用多材料 3D 打印机一次性打印出整个管子，这一点很重要，因为组装后可能会引入导致泄漏的缺陷。为此，他们必须找到一种方法来垂直打印狭窄的柔性管，同时防止它在这个过程中摇晃。最后，他们创造了一种轻质结构，可以在打印过程中稳定管子，但可以在以后轻松剥离而不会损坏设备。
“使用 3D 打印的一个关键优势是它使我们能够积极地制作原型。如果你在一个洁净室里做这项工作，那里制造了很多这些微型泵，那会花费很多时间。如果你想做出改变，你必须重新开始整个过程。在这种情况下，我们可以在几个小时内打印出我们的泵，而且每次都可以是一个新的设计，”Velásquez-García 说。
便携式，但性能
当他们测试他们的最终设计时，研究人员发现它能够产生比最先进的隔膜泵压力低一个数量级的真空。较低的压力产生较高质量的真空。Velásquez-García 说，要使用标准泵达到相同的压力，需要将三个串联起来。
该泵的最高温度为 50 摄氏度，是其他研究中使用的最先进泵的一半，并且只需要一半的力即可完全密封管子。
未来，研究人员计划探索进一步降低最高温度的方法，这将使管子启动得更快，创造更好的真空度并增加流速。他们还致力于 3D 打印整个微型质谱仪。随着他们开发该设备，他们将继续微调蠕动泵的规格。
“有些人认为，当你 3D 打印某些东西时，一定会有某种权衡。但是我们的小组在这里表明情况并非如此。这确实是一个新范例。增材制造并不能解决世界上所有的问题，但它是一种切实可行的解决方案，”Velásquez-García 说。
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