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Jun 10, 2023

3D-Druck einer Mini-Vakuumpumpe

Andrew Corselli Massenspektrometer sind äußerst präzise chemische Analysatoren

Andrew Corselli

Massenspektrometer sind äußerst präzise chemische Analysatoren mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Der Bau eines kostengünstigen, tragbaren Massenspektrometers, das an abgelegenen Orten eingesetzt werden könnte, bleibt jedoch eine Herausforderung – vor allem aufgrund der Schwierigkeit, die erforderliche Vakuumpumpe kostengünstig zu miniaturisieren.

Jetzt haben MIT-Forscher die additive Fertigung genutzt, um einen großen Schritt zur Lösung dieses Problems zu machen. Das Team druckte in 3D eine Miniversion – etwa so groß wie eine menschliche Faust – einer peristaltischen Pumpe. Die Pumpe kann ein Vakuum erzeugen und aufrechterhalten, dessen Druck um eine Größenordnung niedriger ist als bei einer trockenen, rauen Pumpe. Sie benötigt keine Flüssigkeit, um ein Vakuum zu erzeugen, und kann bei Atmosphärendruck betrieben werden.

„Wir sprechen hier von sehr kostengünstiger Hardware, die gleichzeitig sehr leistungsfähig ist“, sagte der leitende Autor Luis Fernando Velásquez-García. „Bei Massenspektrometern war der 500-Pfund-Gorilla im Raum schon immer das Problem der Pumpen. Was wir hier gezeigt haben, ist bahnbrechend, aber es ist nur möglich, weil es 3D-gedruckt ist. Wenn wir das auf die Standardmethode machen wollten, wir wären nicht in der Nähe gewesen.

„Einer der Hauptvorteile des 3D-Drucks besteht darin, dass wir damit aggressive Prototypen erstellen können“, fügte Velásquez-García hinzu. „Wenn Sie diese Arbeit in einem Reinraum durchführen, in dem viele dieser Miniaturpumpen hergestellt werden, kostet das viel Zeit und viel Geld. Wenn Sie eine Änderung vornehmen möchten, müssen Sie den gesamten Prozess von vorne beginnen.“ In diesem Fall können wir unsere Pumpe innerhalb weniger Stunden drucken und es kann jedes Mal ein neues Design sein.“

Hier ist ein Tech Briefs-Interview mit Velásquez-García, das aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet wurde.

Technische Informationen:Was hat Ihre Forschung inspiriert?

Velasquez-Garcia : Mein Hintergrund liegt in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), also Hardware, die man unter Ausnutzung der Miniaturisierung herstellt. Die Menschen sind beispielsweise mit der Elektronik in Smartphones und Computern vertraut, aber darüber hinaus gibt es auch Dinge wie die MEMS-Beschleunigungsmesser in Telefonen.

Die Geschichte ist mehr oder weniger so, dass der Großteil dieser Hardware in einem Halbleiter-Reinraum hergestellt wird, was für eine Sache wirklich gut ist: die Herstellung von Halbleiterelektronik. Daher sind Sie hinsichtlich der Art der Strukturen und der Materialien, die Sie verwenden können, sehr eingeschränkt. Die Strukturen sehen aus wie Sandwiches – sie sind geschichtet und größtenteils zweidimensional, und es gibt einfach so viele Materialien.

Ich habe mich für den Einsatz 3D-gedruckter Mikrosysteme interessiert, weil sich gezeigt hat, dass der 3D-Druck ein Werkzeugkasten ist, der die Möglichkeiten dessen, was wir herstellen können, erheblich erweitert.

Das ist ein Teil der Geschichte. Der zweite Teil der Geschichte ist die Pumpe. Ich arbeite seit ungefähr 15 Jahren an der Massenspektrometrie und es war wie der heilige Gral; Viele unserer Branchen – etwa die Lebensmittelindustrie, die Pharmaindustrie oder die Ölexploration – verlassen sich auf Massenspektrometrie, um die Zusammensetzung einer Probe quantitativ zu bestimmen.

Nehmen wir an, Sie stellen ein Medikament her. Sie müssen überprüfen, ob Sie tatsächlich das erschaffen, was Sie zu erschaffen glauben. Oder wenn Sie eine geologische Untersuchung durchführen, möchten Sie sicherstellen, dass Sie das Material gefunden haben, von dem Sie dachten, dass Sie es gefunden haben. Es gibt also eine Technik namens Massenspektrometrie. Der Stand der Technik dieser Geräte ist sehr schwere, sehr große und sehr teure Hardware. Sie müssen die Proben also an Labore schicken, was mit Kosten verbunden ist.

Wenn Sie stattdessen versuchen würden, ein Massenspektrometer beispielsweise zu einer Ölquelle zu transportieren; es könnte zerbrechen. Was Leute wie ich und viele andere versucht haben, ist die Miniaturisierung von Massenspektrometern. Massenspektrometer benötigen zum Betrieb ein Vakuum, daher besteht die größte Herausforderung im Mangel an geeigneten Vakuumquellen. Massenspektrometer erzeugen ein Vakuum, müssen jedoch mit dem Atmosphärendruck in Kontakt kommen. Es gibt keine einzige Pumpentechnologie, die den gesamten Bereich vom atmosphärischen Druck bis zum benötigten Hochvakuum abdecken kann.

Das Gerät, das wir entwickelt und über das wir einen Artikel geschrieben haben, ist die erste Stufe. Es arbeitet mit atmosphärischem Druck und senkt gleichzeitig den Torr-Wert (Druck). Und wenn Sie erst einmal dort sind, gibt es noch andere Technologien, mit denen Sie den Druck noch weiter senken können.

Technische Informationen:Was waren die größten technischen Herausforderungen, mit denen Sie während der gesamten Arbeit konfrontiert waren?

Velasquez-Garcia : Oh, alles [lacht]. Für diese Massenspektrometer benötigen Sie zunächst saubere Technologie. Es gibt einige Technologien, die beispielsweise ein Öl oder eine andere Flüssigkeit verwenden, um das Vakuum zu erzeugen, und bei denen es zu Kontaminationsproblemen kommt. Sie würden im Grunde alles mit diesem Material imprägnieren. Wenn Sie also versuchen, die chemische Zusammensetzung von etwas herauszufinden, möchten Sie das nicht. Die übliche Lösung ist eine sogenannte Membranpumpe; Sie sehen aus wie Akkordeons und haben eine Kammer, die sich ausdehnt und zusammenzieht. Auf diese Weise befördern sie Gasblasen aus verdünnten Bedingungen in die Atmosphäre. Das wurde ausführlich untersucht.

Es gibt eine Reihe besonderer Probleme – wenn Sie ein ordentliches Vakuum erreichen möchten, müssen Sie die Pumpe stufenweise anpassen. Anstatt eins zu verwenden, müssen Sie drei, vier, fünf in Reihe verwenden, das ist also sehr komplex.

Deshalb haben wir eine peristaltische Pumpe eingeführt, die von der Natur inspiriert ist. (Peristaltik ist die Bewegung, mit der unser Körper Nahrung verarbeitet.) Diese Art von Pumpe wird in vielen Anwendungen verwendet, bei denen das Material inert gehalten werden soll, entweder weil man es nicht verunreinigen möchte oder weil es sehr reaktiv ist. Aber zum Vakuumerzeugen haben sie sich nie als nützlich erwiesen. Als erstes mussten wir also ein funktionierendes Design entwickeln.

Der Grund dafür, dass es bisher nicht verwendet wurde, hängt mit der Art und Weise zusammen, wie es hergestellt wird – es ist nur ein einfaches rundes Rohr. Aber wenn man diese Röhre konstruiert, kann man etwas finden, das sehr gut funktioniert. Das war ein Teil, und der zweite Teil bestand darin, daraus einen funktionierenden Prototyp zu machen. Dies erforderte eine umfangreiche Entwicklung der 3D-Drucktechnologie.

Und schließlich waren selbst die Tests eine Herausforderung, da diese Pumpe so klein ist und viele der von uns erhältlichen Instrumente für eine deutlich größere Pumpe ausgelegt sind. Also mussten wir alle möglichen Tricks anwenden, um es zu schaffen.

Alles war eine Herausforderung, aber es war sehr lohnend.

Technische Informationen:Können Sie in einfachen Worten erklären, wie die Technologie funktioniert?

Velasquez-Garcia : Diese Pumpen basieren auf der Komprimierung von verdünnten Gastaschen. Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine Kammer, in der sich verdünntes Gas befindet. Irgendwie nimmt man ein Volumen davon und komprimiert es, bis es atmosphärischen Druck erreicht, und lässt es dann wieder los. Und damit erzeugen und erhalten Sie ein Vakuum.

Was ich beschrieben habe, ist im Grunde eine Verdrängerpumpe. Auch wenn diese Pumpe so etwas ist, hat sie den Vorteil, dass sie nicht durch ein sogenanntes Totvolumen begrenzt ist. Bei einer typischen Verdrängerpumpe gibt es ein Mindestvolumen und ein Höchstvolumen der Kompressionskammer. Dieses Verhältnis bestimmt im Wesentlichen, wie tief sie sinken können.

Aufgrund der Funktionsweise dieser Pumpe wird diese Grenze jedoch außer Kraft gesetzt. Was wir mit harten Modellen und Experimenten gezeigt haben, war, dass man praktisch jedes gewünschte Vakuum erreichen kann, wahrscheinlich bis hinunter zu Millitorr, und dann versagen die Annahmen, die man über die Flüssigkeit macht. Wenn es unter einem solchen hohen Druck steht, geht man davon aus, dass das Gas ein Kontinuum ist, wie es in der Alltagserfahrung der Fall ist. Aber wenn man sich im Millitorr-Bereich befindet, verhält sich das Gas wie einzelne Moleküle, die sich bewegen – was man molekularen Fluss nennt – es hat eine Körnigkeit. Dadurch verhält sich die Flüssigkeit ganz anders.

Ich denke, das wirklich Coole daran ist, dass es sich um eine kostengünstige Technologie handelt, die sehr niedrige Unterdrücke erzeugen kann, die über das hinausgehen, was jede andere Verdrängerpumpe leisten kann. Und dass es sich um einen Trockensauger handelt, sodass Sie ihn für chemische Analysen verwenden können.

Technische Informationen:Was ist Ihre aktuelle Arbeit/Forschung und was sind Ihre nächsten Schritte?

Velasquez-Garcia : Der Teil, der sich im Standby-Modus befindet, ist das Problem der Heizung. Die Heizung ist wichtig, denn letztendlich wollen Sie eine Pumpe, die über einen langen Zeitraum laufen kann. Vakuumsysteme sind jahrelang in Betrieb – in meinem Labor habe ich Pumpensysteme, die seit 15, 20 Jahren in Betrieb sind; Sie sollen lange halten. Daher ist die Frage der Lebenszeit sehr wichtig. Bei dieser speziellen Pumpe müssen Sie auf die Heizung achten, da dies der Mechanismus ist, durch den sich die Röhre verschlechtert.

Sie möchten die Pumpe so schnell wie möglich betätigen, um das niedrigste Vakuum zu erreichen. Wenn man ihn jedoch schnell betätigt, erwärmt er sich. Wir wollen also eine Lösung haben, um schnell zu betätigen und dann abzukühlen, vielleicht durch bestimmte gedruckte Teile oder eine aktive Kühlung, etwa durch Gas- oder Wasserkanäle. Das ist also im Standby-Modus. Es ist eine gute Idee, aber wir haben es noch nicht getan.

Der andere Teil läuft sehr gut, und ohne viel zu verraten, kann ich Ihnen sagen, dass es zwei weitere wichtige Teile gibt, um ein Massenspektrometer herzustellen. Wir haben die Pumpe, also die Hardware, die die Voraussetzungen für die Durchführung der Massenspektrometrie schafft. Massenspektrometer können nicht bei atmosphärischem Druck betrieben werden, denn wenn man bedenkt, wie sich die Partikel ungestört in elektromagnetischen Feldern bewegen, würden die Partikel bei einem Druck, etwa atmosphärischem Druck, mit dem Hintergrundgas kollidieren.

Der andere Teil, den wir bereits gemacht haben, ist ein Ionisator. Dabei handelt es sich um ein Gerät, das beispielsweise eine Blutprobe entnimmt und Ionen erzeugt, eine Version des Materials, das mit dem Massenspektrometer analysiert werden kann. Sie müssen es also ionisieren – um ihm eine Ladung zu verleihen, damit die Partikel von einem elektromagnetischen Feld beeinflusst werden können. Der Ionisator, den wir haben, funktioniert wirklich sehr, sehr gut.

Der andere wichtige Teil ist ein Massenfilter – Hardware, die die Ionen basierend auf elektromagnetischen Feldern und basierend auf dem Masse-Ladungs-Verhältnis – wie viel Masse pro Ladungseinheit Sie haben – aussortiert.

Das ist ein physikalischer Prozess, weshalb die Massenspektrometrie so leistungsstark ist, weil sie nicht auf Chemie, sondern auf Physik basiert. Es ist sehr schwer, ein Massenspektrometer auszutricksen. Unsere Version des Massenfilters ist ein sogenannter Quadrupol. Und ähnlich wie die Pumpe ist auch der Quadrupol 3D-gedruckt, allerdings 3D-gedruckt aus Keramik. Der Ionisator wird auch aus einigen anderen Materialien 3D-gedruckt. Und sie funktionieren großartig.

Wir werden diesen Sommer einige Konferenzbeiträge darüber verfassen. Aber ich kann Ihnen sagen, dass diese Geräte genauso gut funktionieren wie kommerzielle Hardware, und dass sie viel weniger kosten und viel weniger Zeit in der Herstellung benötigen. Einer unserer Quadrupol-Massenfilter kann in etwa einem Tag hergestellt werden und kostet mehrere zehn Dollar. Wenn Sie einen handelsüblichen Quadrupol-Massenfilter kaufen, kostet dieser wahrscheinlich 20.000 bis 30.000 Dollar und die Bearbeitung dauert Wochen, da es sich um eine Präzisionsbearbeitung handelt. Die Vision, ein vollständig 3D-gedrucktes Massenspektrometer herzustellen, ist real. Ich hoffe, dass wir das in ein paar Jahren zeigen können – soweit so gut.

Trockenvakuumpumpe

Miniaturisierte Vakuumpumpen spielen auf Mars und Erde eine große Rolle

Technische Informationen:Haben Sie einen Rat für Ingenieure, die ihre Ideen in die Tat umsetzen möchten?

Velasquez-Garcia : Ich würde sagen, dass es eine gute Praxis ist, wirklich alles zu hinterfragen. Ich denke, dass viele der Probleme, die wir im Ingenieurwesen haben, darauf zurückzuführen sind, dass bestimmte Entscheidungen unter den Großvater fallen; Aber die Dinge müssen jedes Mal neu überdacht werden, wenn es neue Regeln gibt. Wenn Sie beispielsweise über Technologien verfügen – Drucken, künstliche Intelligenz oder was auch immer –, sollten Sie wirklich auf die Grundlagen eingehen und sehen, wie sie die Dinge verändern. Denn es gibt viele Beispiele dafür, wie wir Dinge auf eine bestimmte Art und Weise tun, weil sie begrenzt sind. Heutzutage erfolgt die Fertigung beispielsweise größtenteils subtraktiv, wobei man Material von einem Block entfernt, um ein Teil herzustellen.

Eine andere Sache ist, zu versuchen, zu standardisieren, sodass Sie beispielsweise über einen riesigen Bestand an Trägern mit unterschiedlichen Durchmessern und Platten mit unterschiedlichen Dicken verfügen. Aber was ist, wenn wir das nicht tun müssen? Was wäre, wenn wir nicht Unmengen von Dingen auf Lager haben müssten und die Dinge unterwegs herstellen könnten? Das ist im Grunde die Idee des 3D-Drucks und wie leistungsfähig er für Dinge wie die Fertigung im Weltraum wäre. Es ist furchtbar teuer, irgendetwas in den Weltraum zu schicken.

Mein Rat wäre, sich nicht davor zu scheuen, den Status quo in Frage zu stellen, und auch nach überraschenden Lösungen zu suchen. Ich denke, dass viele Probleme noch einmal überdacht werden müssen, weil die damals getroffene Entscheidung möglicherweise nicht mehr wahr ist. Engineering sollte eine ständige Suche nach besseren Lösungen sein, und wir sollten nichts unversucht lassen.

Technische Informationen:Gibt es noch etwas, das Sie hinzufügen möchten?

Velasquez-Garcia : Was meine Gruppe tun möchte, ist, Hardware zu schaffen, die eine tiefgreifende Wirkung hat und die normalerweise durch komplexe Funktionen oder Multifunktionen erfolgt. Es gibt Leute, die versuchen herauszufinden, wie wir den 3D-Druck als Ersatz für das Spritzgießen nutzen können. Nun, das ist eine Möglichkeit, aber was unserer Meinung nach wirkungsvoller sein wird, ist, wenn wir etwas sagen wie: „Was würde es erfordern, dass wir ein Smartphone in einem Durchgang drucken, ohne es zusammenzubauen – aber kein beschissenes Smartphone, ein Smartphone also?“ genauso gut, wenn nicht sogar besser als das, was jetzt getan werden kann.“

Wir müssen die Batterien, die elektrischen Verbindungen, die Transistoren, die Kondensatoren, das Display und das, was wir das Paket nennen – die Schnittstelle zwischen dem Gerät und der Außenwelt – drucken. Dies geschieht zwangsläufig durch die Idee des Multimaterial-3D-Drucks; Das ist seit einiger Zeit unser Fokus. Leider gibt es nur wenige Technologien, die Multimaterialien drucken können. Insbesondere gibt es eine sogenannte Extrusion und eine andere namens Direkt-Tintenschreiben, bei der es sich im Grunde um die Verwendung von Stiften zum Erstellen von Spuren handelt. Und dann gibt es noch etwas, das wir entwickelt haben, das sogenannte Mikroplasma-Sputtern, das ein enormes Potenzial hat, weil es komplexe Hardware aus mehreren Materialien mit feiner Auflösung herstellen kann.

Wir können Funktionen erstellen, die sehr klein sind, und das ist wirklich der Schlüssel für diese Auflösung. Ich denke, es gibt so viele Dinge, die man tun kann. Ich kann zum Beispiel ein Teil herstellen, das vielleicht die Schaufel einer Turbine ist. Aber was wäre, wenn diese Klinge über Elektronik verfügen könnte – sie könnte Sensoren haben, sie könnte eine Betätigung haben – und all das wäre möglich, wenn man die richtigen Materialien verwendet.

Wenn Sie zum Beispiel einen Querschnitt Ihrer Hand betrachten, sehen Sie, dass es etwas Hartes gibt – die Knochen – und etwas, das sich ausdehnt und zusammenzieht – die Muskeln. Die Idee, dass das Drucken mit einem Material keine Grundlage hat. Aber die Idee des Multimaterialdrucks ist eine unglaubliche Herausforderung, da man Wege finden muss, sehr unterschiedliche Materialien unter ähnlichen Bedingungen zu drucken.

Man könnte also naiverweise sagen, dass es wirklich schwierig ist, etwas aus Metall und etwas aus Polymer zu drucken, weil für die Verarbeitung so unterschiedliche Temperaturen erforderlich sind. Das stimmt, wenn Sie die Standardtechnologien verwenden, aber wenn Sie etwas wie Mikroplasma-Sputtern verwenden, können Sie hochwertige Metalle bei Raumtemperatur abscheiden und diese in Polymer herstellen.

Es wird eine große Herausforderung sein, aber ich denke, dass es aufgrund der Art von Dingen, die wir umsetzen können, sehr lohnend sein wird.