Impresión 3D al rescate: bombas de vacío encogibles para descubrimientos más importantes

Por Adam Zewe, Instituto de Tecnología de Massachusetts 3 de junio de 2023

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.

MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">MIT researchers have used additive manufacturing to create a small, inexpensive vacuum pump that could lead to the development of portable mass spectrometers. The 3D printed mini peristaltic pump, designed with a hyperelastic material tube featuring notches, overcomes traditional design issues, reduces heat, and increases the device’s lifespan. This could enable monitoring of pollutants or medical diagnoses in remote areas, and soil testing on MarsMars is the second smallest planet in our solar system and the fourth planet from the sun. It is a dusty, cold, desert world with a very thin atmosphere. Iron oxide is prevalent in Mars' surface resulting in its reddish color and its nickname "The Red Planet." Mars' name comes from the Roman god of war." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">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 pueda implementarse en lugares remotos sigue siendo un desafío, en parte debido a la dificultad de miniaturizar la bomba de vacío que necesita para funcionar 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 una presión un orden de magnitud menor que la llamada bomba seca y rugosa, que no requiere líquido para crear un vacío y puede funcionar a presión atmosférica. El diseño exclusivo de los investigadores, que se puede imprimir en una sola pasada en una impresora 3D multimaterial, evita que se filtren fluidos o gases y, al mismo tiempo, minimiza el calor generado por la fricción durante el proceso de bombeo. Esto aumenta la vida útil del dispositivo.

Este dispositivo, que tiene sólo el tamaño de un puño humano, funcionó mejor que otros tipos de bombas para crear y mantener el vacío seco, lo cual es clave para permitir que un espectrómetro de masas determine eficazmente las moléculas en una muestra. Crédito: Cortesía de los investigadores.

Esta 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 estudios geológicos con destino a Marte, ya que sería más económico lanzar la bomba liviana al espacio.

"Estamos hablando de hardware muy económico que también es muy capaz", dice Luis Fernando Velásquez-García, científico principal de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (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 habitación siempre ha sido el problema de las bombas. Lo que hemos mostrado aquí es innovador, pero sólo es posible porque está impreso en 3D. Si quisiéramos hacer esto de la manera estándar, no habríamos estado ni cerca

A Velásquez-García se unen en el artículo el autor principal Han-Joo Lee, ex postdoctorado del MIT; y Jorge Cañada Pérez-Sala, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática. El artículo fue publicado recientemente en Additive Manufacturing.

Problemas con la bomba

A medida que 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 componentes de la muestra. Mantener el vacío es clave porque, si los iones chocan con 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 líquidos que deben mantenerse limpios, como la sangre. La sustancia que se bombea está enteramente contenida dentro de un tubo flexible que se enrolla alrededor de un conjunto de rodillos. Los rodillos aprietan el tubo contra su alojamiento mientras giran. Las partes apretadas del tubo se expanden tras los rodillos, creando un vacío que aspira el líquido o gas a través del tubo.

Si bien estas bombas crean vacío, los problemas de diseño han limitado su uso en espectrómetros de masas. El material del tubo 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 puede escaparse. Pero esto provoca un calor excesivo que daña la bomba y los huecos permanecen. 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. En primer lugar, utilizando una impresora 3D multimaterial, pudieron fabricar el tubo flexible a partir de un tipo especial de material hiperelástico que puede soportar una gran cantidad de deformación.

Luego, mediante un proceso de diseño iterativo, determinaron que agregar muescas a las paredes del tubo reduciría la tensión sobre el material cuando se comprime. Con las 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 de muesca exacto necesario para eliminar los espacios. También pudieron variar el grosor del tubo para que las paredes sean más fuertes en las áreas donde se unen los conectores, lo que reduce aún más la tensión sobre el material.

Utilizando una impresora 3D multimaterial, imprimieron todo el tubo de una sola pasada, lo cual es importante ya que el montaje posterior puede introducir defectos que pueden provocar fugas. Para ello, tuvieron que encontrar una manera de imprimir el tubo estrecho y flexible verticalmente evitando que se tambaleara durante el proceso. Al final, crearon una estructura liviana que estabiliza el tubo durante la impresión pero que se puede despegar fácilmente más tarde sin dañar el dispositivo.

“Una de las principales ventajas de utilizar la impresión 3D es que nos permite crear prototipos de forma agresiva. Si se hace este trabajo en una sala limpia, donde se fabrican muchas de estas bombas miniaturizadas, se necesita mucho tiempo y mucho dinero. Si desea realizar un cambio, debe comenzar todo el proceso de nuevo. En este caso, podemos imprimir nuestra bomba en cuestión de horas, y cada vez puede tener un diseño nuevo”, dice Velásquez-García.

Portátil, pero eficaz

Cuando probaron su diseño final, los investigadores descubrieron que era capaz de crear un vacío que tenía una presión un orden de magnitud menor que las bombas de diafragma de última generación. Una presión más baja produce un vacío de mayor calidad. Para alcanzar ese mismo vacío con bombas de diafragma estándar, sería necesario conectar tres en serie, dice Velásquez-García.

The pump reached a maximum temperature of 50 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Celsius, la mitad que las bombas de última generación utilizadas en otros estudios, y solo requirió la mitad de fuerza para sellar completamente el tubo.

“El movimiento de fluidos es un gran desafío cuando se intenta fabricar equipos pequeños y portátiles, y este trabajo explota elegantemente las ventajas de la impresión 3D multimaterial para crear una bomba altamente integrada y funcional para crear un vacío para el control de gas. La bomba no sólo es más pequeña que casi cualquier cosa similar, sino que también genera un vacío 100 veces menor”, ​​dice Michael Breadmore, profesor de química analítica en la Universidad de Tasmania, que no participó en este trabajo. "Este diseño sólo es posible mediante el uso de impresoras 3D y demuestra muy bien el poder de poder 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 actuara más rápido, 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 ese dispositivo, seguirán ajustando las especificaciones de la bomba peristáltica.

“Algunas personas piensan que cuando se imprime algo en 3D debe 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 posibilidades reales”, afirma Velásquez-García.

Reference: “Compact peristaltic vacuum pumps via multi-material extrusion” by Han-Joo Lee, Jorge Cañada and Luis Fernando Velásquez-García, 21 March 2023, Additive Manufacturing.DOI: 10.1016/j.addma.2023.103511

Este trabajo fue apoyado, en parte, por Empiriko Corporation.