Investigadores del MIT han ideado una forma de imprimir en 3D una bomba de vacío peristáltica miniaturizada, que podría ser un componente clave de un espectrómetro de masas portátil. Crédito: Cortesía de los investigadores.
El dispositivo sería un componente clave de un espectrómetro de masas portátil que podría ayudar a monitorear contaminantes, realizar diagnósticos médicos en áreas remotas o analizar el suelo marciano.
Los investigadores del MIT utilizaron la fabricación aditiva para crear una bomba de vacío pequeña y económica que podría conducir al desarrollo de espectrómetros de masas portátiles. La minibomba peristáltica impresa en 3D, diseñada con un tubo de material hiperelástico con muescas, supera los problemas de diseño tradicionales, reduce el calor y prolonga la vida útil del dispositivo. Esto podría permitir el monitoreo de contaminantes o diagnósticos médicos en áreas remotas y pruebas en tierra en Marte.
Los espectrómetros de masas son analizadores químicos extremadamente precisos que tienen muchas aplicaciones, desde evaluar la seguridad del agua potable hasta detectar toxinas en la sangre de un paciente. Pero construir un espectrómetro de masas portátil y económico que se pueda implementar en ubicaciones remotas sigue siendo un desafío, en parte debido a la dificultad de miniaturizar la bomba de vacío necesaria para operar a bajo costo.
Los investigadores del MIT utilizaron la fabricación aditiva para dar un paso importante hacia la solución de este problema. Imprimieron en 3D una versión en miniatura de un tipo de bomba de vacío conocida como bomba peristáltica, que tiene aproximadamente el tamaño de un puño humano.
Su bomba puede crear y mantener un vacío que tiene un orden de magnitud de presión más bajo que la llamada bomba seca y áspera, que no requiere líquido para crear un vacío y puede operar a presión atmosférica. El diseño exclusivo de los investigadores, que se puede imprimir en una sola pasada en una impresora 3D de varios materiales, evita las fugas de fluidos o gases al minimizar el calor por fricción durante el proceso de bombeo. Esto aumenta la vida útil del dispositivo.
Este dispositivo, que tiene solo el tamaño de un puño humano, superó a otros tipos de bombas en la creación y mantenimiento del vacío seco, que es fundamental para permitir que un espectrómetro de masas determine de manera efectiva las moléculas en una muestra. Crédito: Cortesía de los investigadores.
Tal bomba podría incorporarse a un espectrómetro de masas portátil utilizado para monitorear la contaminación del suelo en partes aisladas del mundo, por ejemplo. El dispositivo también podría ser ideal para su uso en equipos de investigación geológica con destino a Marte, ya que sería más barato lanzar la bomba de luz al espacio.
“Estamos hablando de hardware muy económico que también es muy capaz”, dice Luis Fernando Velásquez-García, científico principal de Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT y autor principal de un artículo que describe la nueva bomba. “Con los espectrómetros de masas, el gorila de 500 libras en la sala siempre ha sido el problema con las bombas. Lo que mostramos aquí es innovador, pero solo es posible porque está impreso en 3D. Si quisiéramos hacer esto de la manera estándar, no estaríamos ni cerca
Velásquez-García está acompañado en el artículo por el autor principal Han-Joo Lee, ex becario postdoctoral del MIT; y Jorge Cañada Pérez-Sala, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática. El artículo se publicó recientemente en Additive Manufacturing.
problemas con la bomba
Cuando se bombea una muestra a través de un espectrómetro de masas, se le quitan electrones para convertir sus átomos en iones. Un campo electromagnético manipula estos iones en el vacío para poder determinar sus masas. Esta información se puede utilizar para identificar con precisión los constituyentes de la muestra. Mantener el vacío es fundamental porque, si los iones chocan con las moléculas de gas del aire, su dinámica cambiará, reduciendo la especificidad del proceso analítico y aumentando sus falsos positivos.
Las bombas peristálticas se utilizan comúnmente para mover líquidos o gases que contaminarían los componentes de la bomba, como los productos químicos reactivos. También se utilizan para bombear fluidos que deben mantenerse limpios, como la sangre. La sustancia que se bombea está completamente contenida dentro de un tubo flexible que se enrolla alrededor de un conjunto de rodillos. Los rodillos presionan el tubo contra su alojamiento mientras giran. Las partes comprimidas del tubo se expanden en la estela de los rodillos, creando un vacío que atrae el líquido o el gas a través del tubo.
Aunque estas bombas crean un vacío, los problemas de diseño han limitado su uso en espectrómetros de masas. El material de la tubería se redistribuye cuando los rodillos aplican fuerza, lo que genera espacios que provocan fugas. Este problema se puede superar haciendo funcionar la bomba rápidamente, forzando el paso del fluido más rápido de lo que se puede filtrar. Pero esto provoca un calor excesivo que daña la bomba y quedan huecos. Para sellar completamente el tubo y crear el vacío necesario para un espectrómetro de masas, el mecanismo debe ejercer una fuerza adicional para apretar las áreas abultadas, causando más daño, explica Velásquez-García.
una solución aditiva
Él y su equipo repensaron el diseño de la bomba peristáltica de abajo hacia arriba, buscando formas de utilizar la fabricación aditiva para realizar mejoras. Primero, utilizando una impresora 3D de múltiples materiales, pudieron hacer el tubo flexible con un tipo especial de material hiperelástico que puede soportar una enorme cantidad de deformación.
Luego, a través de un proceso de diseño iterativo, determinaron que agregar muescas a las paredes del tubo reduciría la tensión en el material cuando se comprime. Con muescas, no es necesario redistribuir el material del tubo para contrarrestar la fuerza de los rodillos.
La precisión de fabricación que ofrece la impresión 3D permitió a los investigadores producir el tamaño exacto de la muesca necesaria para eliminar los espacios. También pudieron variar el grosor del tubo para que las paredes sean más fuertes en las áreas donde se conectan los conectores, lo que reduce aún más la tensión en el material.
Usando una impresora 3D de múltiples materiales, imprimieron todo el tubo de una sola vez, lo cual es importante ya que el montaje posterior puede tener defectos que podrían provocar fugas. Para ello, tenían que encontrar una forma de imprimir verticalmente el tubo estrecho y flexible, evitando que se balanceara durante el proceso. Al final, crearon una estructura liviana que estabiliza el tubo durante la impresión, pero que luego se puede quitar fácilmente sin dañar el dispositivo.
“Una de las principales ventajas de usar la impresión 3D es que nos permite crear prototipos de manera agresiva. Si realiza este trabajo en una sala limpia, donde se fabrican muchas de estas bombas en miniatura, llevará mucho tiempo y mucho dinero. Si desea realizar un cambio, debe comenzar todo el proceso nuevamente. En ese caso, podemos imprimir nuestra bomba en cuestión de horas, y cada vez puede ser un nuevo diseño”, dice Velásquez-García.
Portátil pero de alto rendimiento
Cuando probaron su diseño final, los investigadores descubrieron que era capaz de crear un vacío con un orden de magnitud de presión más bajo que las bombas de diafragma de última generación. La presión más baja produce un vacío de mayor calidad. Para lograr el mismo vacío con bombas de diafragma estándar, necesitaría conectar tres en serie, dice Velásquez-García.
La bomba alcanzó una temperatura máxima de 50 grados centígrados, la mitad de la temperatura de las bombas de última generación utilizadas en otros estudios, y necesitó solo la mitad de la fuerza para sellar completamente el tubo.
“El movimiento de fluidos es un gran desafío cuando se trata de fabricar equipos pequeños y portátiles, y este trabajo aprovecha con elegancia las ventajas de la impresión 3D de múltiples materiales para crear una bomba altamente integrada y funcional para crear un vacío para el control de gas. La bomba no solo es más pequeña que prácticamente cualquier cosa similar, sino que genera un vacío que es 100 veces más pequeño”, dice Michael Breadmore, profesor de química analítica en la Universidad de Tasmania, que no participó en este trabajo. “Este diseño solo es posible con impresoras 3D y demuestra bien el poder de diseñar y crear en 3D”.
En el futuro, los investigadores planean explorar formas de reducir aún más la temperatura máxima, lo que permitiría que el tubo actúe más rápidamente, creando un mejor vacío y aumentando el caudal. También están trabajando para imprimir en 3D un espectrómetro de masas miniaturizado completo. A medida que desarrollen este dispositivo, seguirán ajustando las especificaciones de la bomba peristáltica.
“Algunas personas piensan que cuando imprimes algo en 3D, tiene que haber algún tipo de compensación. Pero aquí nuestro grupo ha demostrado que no es así. Realmente es un nuevo paradigma. La fabricación aditiva no va a resolver todos los problemas del mundo, pero es una solución que tiene patas reales”, dice Velásquez-García.
Referencia: “Bombas de vacío peristálticas compactas mediante extrusión multimaterial” por Han-Joo Lee, Jorge Cañada y Luis Fernando Velásquez-García, 21 de marzo de 2023, Fabricación aditiva.
DOI: 10.1016/j.addma.2023.103511
Este trabajo fue apoyado, en parte, por Empiriko Corporation.
