小さな3D

3Dプリントされた小型真空ポンプが米国の研究者によって開発された。 マサチューセッツ工科大学のルイス・フェルナンド・ベラスケス・ガルシア氏らは、自分たちの装置は現在の最先端の小型ポンプよりも性能が優れていると述べている。 これを利用すれば、遠隔地に住む人々が健康検査や環境検査のための質量分析などの高度な機器にアクセスできるようになる可能性がある。

蠕動ポンプは、腸内の筋肉の動作を模倣した小型容積式ポンプの一種です。 ポンプ内部では、流体は、硬い円形のケーシングの内端の周りに取り付けられたフレキシブル チューブを通って移動します。

円の軸にあるローターには、円の内周に沿って通るローラーが取り付けられており、チューブをケーシングに押し付けて、液体のポケットをローラーの前でポンプ出口の方向に輸送します。 同時に、ローラーが通過した後、チューブは元の形状に戻ります。 これにより、より多くの流体をポンプに引き込む吸引効果が生じます。

この技術は流体とポンプ機構の間の直接接触を回避するため、現在、化学反応性の液体や、血液などの元の状態を維持する必要がある液体の輸送に広く使用されています。

しかし、これまでのところ、蠕動ポンプは、ガスの輸送による真空の生成と維持には広く使用されていません。 これには、ローターをより高速で回転させる必要があり、フレキシブルチューブをより強く締め付ける必要があり、ポンプがすぐに損傷する可能性があります。 さらに、円形断面のチューブは完全に密閉することができないため、ガスの一部が常に間違った方向に漏れる可能性があります。

新しい研究で、ベラスケス・ガルシア氏のチームは、3D プリンティングによって可能になった、よりスマートなフレキシブル チューブ設計によってこれらの問題をどのように解決できるかを調査しました。 「3D プリントを使用する主な利点の 1 つは、積極的にプロトタイプを作成できることです」とベラスケス ガルシア氏は説明します。

「このような小型ポンプが多数製造されているクリーンルームでこの作業を行うと、非常に時間がかかります。 変更を加えたい場合は、プロセス全体をやり直す必要があります。 この場合、ポンプを数時間で印刷でき、毎回新しいデザインにすることができます。」

このアプローチにより、ベラスケス-ガルシアとチームはポンプの内部構造をすべて同時に印刷することができました。 フレキシブルチューブには、主流のフレキシブル材料よりも印刷が容易でありながら、必要な特性を備えた比較的新しい材料が使用されました。

彼らはまた、チューブの設計を採用し、ローラーによる圧縮方向に対して垂直な断面の反対側に一対のノッチを導入しました。 この小さな変更により、チューブを完全に密閉するのに必要な力は半分未満でした (図を参照)。

これらの適応を導入することで、チームのポンプは他の最先端の小型ポンプよりも 1 桁低い真空圧力を維持することができました。 これは、ローター速度を低くし、フレキシブルチューブに加わる力を小さくすることで達成されます。 彼らの設計は、100,000 回転を超える寿命にわたってこの性能を維持しました。

ベラスケス・ガルシア氏らは、その結果が 3D プリンティングがいかに進歩したかを明確に示していると信じています。 「何かを 3D プリントするときには、何らかのトレードオフが必要だと考える人もいます。 しかし、ここで私たちのグループはそうではないことを示しました」とベラスケス＝ガルシア氏は主張する。 「それはまさに新しいパラダイムです。 積層造形は世界のすべての問題を解決するわけではありませんが、確実な解決策です。」

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研究チームは、高純度冶金、コーティングプロセス、半導体製造、特に質量分析など、このデバイスのさまざまな用途を想定しています。

「質量分析計の場合、部屋にある体重 500 ポンドのゴリラは常に真空ポンプの問題でした」とベラスケス・ガルシア氏は説明します。 「私たちがここで示したものは画期的なものですが、それが可能なのは 3D プリントだからです。 これを標準的な方法で実行したかった場合は、それに近づくことはできなかったでしょう。」