L'impression 3D à la rescousse : rétrécissement des pompes à vide pour de plus grandes découvertes

Par Adam Zewe, Massachusetts Institute of Technology3 juin 2023

Des chercheurs du MIT ont mis au point un moyen d'imprimer en 3D une pompe à vide péristaltique miniaturisée, qui pourrait être un élément clé d'un spectromètre de masse portable. Crédit : Avec l'aimable autorisation des chercheurs

L'appareil serait un élément clé d'un spectromètre de masse portable qui pourrait aider à surveiller les polluants, à effectuer des diagnostics médicaux dans des régions éloignées ou à tester le sol martien.

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"}]">Mars.

Les spectromètres de masse sont des analyseurs chimiques extrêmement précis qui ont de nombreuses applications, de l'évaluation de la sécurité de l'eau potable à la détection de toxines dans le sang d'un patient. Mais la construction d'un spectromètre de masse portable et peu coûteux qui pourrait être déployé dans des endroits éloignés reste un défi, en partie en raison de la difficulté de miniaturiser la pompe à vide dont elle a besoin pour fonctionner à faible coût.

Les chercheurs du MIT ont utilisé la fabrication additive pour franchir une étape importante dans la résolution de ce problème. Ils ont imprimé en 3D une version miniature d'un type de pompe à vide, connue sous le nom de pompe péristaltique, qui a à peu près la taille d'un poing humain.

Leur pompe peut créer et maintenir un vide qui a une pression d'un ordre de grandeur inférieure à celle d'une pompe dite sèche et brute, qui ne nécessite pas de liquide pour créer un vide et peut fonctionner à la pression atmosphérique. La conception unique des chercheurs, qui peut être imprimée en un seul passage sur une imprimante 3D multimatériaux, empêche les fuites de fluide ou de gaz tout en minimisant la chaleur due au frottement pendant le processus de pompage. Cela augmente la durée de vie de l'appareil.

Cet appareil, qui n'a que la taille d'un poing humain, a obtenu de meilleurs résultats que les autres types de pompes pour créer et maintenir un vide sec, ce qui est essentiel pour permettre à un spectromètre de masse de déterminer efficacement les molécules d'un échantillon. Crédit : Avec l'aimable autorisation des chercheurs

Cette pompe pourrait être intégrée à un spectromètre de masse portable utilisé pour surveiller la contamination des sols dans des régions isolées du monde, par exemple. L'appareil pourrait également être idéal pour une utilisation dans des équipements de prospection géologique à destination de Mars, car il serait moins coûteux de lancer la pompe légère dans l'espace.

"Nous parlons d'un matériel très bon marché qui est également très performant", déclare Luis Fernando Velásquez-García, scientifique principal des Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT et auteur principal d'un article décrivant la nouvelle pompe. "Avec les spectromètres de masse, le gorille de 500 livres dans la pièce a toujours été le problème des pompes. Ce que nous avons montré ici est révolutionnaire, mais ce n'est possible que parce qu'il est imprimé en 3D. Si nous avions voulu le faire de manière standard, nous n'aurions pas été proches

Velásquez-García est rejoint sur l'article par l'auteur principal Han-Joo Lee, un ancien post-doctorant du MIT; et Jorge Cañada Pérez-Sala, étudiant diplômé en génie électrique et informatique. L'article a été publié récemment dans Additive Manufacturing.

Problèmes de pompe

Lorsqu'un échantillon est pompé à travers un spectromètre de masse, il est dépouillé d'électrons pour transformer ses atomes en ions. Un champ électromagnétique manipule ces ions dans le vide afin que leurs masses puissent être déterminées. Ces informations peuvent être utilisées pour identifier précisément les constituants de l'échantillon. Le maintien du vide est essentiel car, si les ions entrent en collision avec des molécules de gaz de l'air, leur dynamique changera, réduisant la spécificité du processus analytique et augmentant ses faux positifs.

Les pompes péristaltiques sont couramment utilisées pour déplacer des liquides ou des gaz susceptibles de contaminer les composants de la pompe, tels que des produits chimiques réactifs. Ils sont également utilisés pour pomper des fluides qui doivent rester propres, comme le sang. La substance pompée est entièrement contenue dans un tube flexible qui est enroulé autour d'un ensemble de rouleaux. Les galets pressent le tube contre son logement lors de leur rotation. Les parties pincées du tube se dilatent dans le sillage des rouleaux, créant un vide qui aspire le liquide ou le gaz à travers le tube.

Bien que ces pompes créent un vide, des problèmes de conception ont limité leur utilisation dans les spectromètres de masse. Le matériau du tube se redistribue lorsque la force est appliquée par les rouleaux, ce qui entraîne des espaces qui provoquent des fuites. Ce problème peut être surmonté en faisant fonctionner la pompe rapidement, en forçant le fluide à passer plus vite qu'il ne peut s'échapper. Mais cela provoque une chaleur excessive qui endommage la pompe et les lacunes persistent. Pour sceller complètement le tube et créer le vide nécessaire à un spectromètre de masse, le mécanisme doit exercer une force supplémentaire pour comprimer les zones bombées, causant plus de dégâts, explique Velásquez-García.

Une solution additive

Lui et son équipe ont repensé la conception de la pompe péristaltique de fond en comble, en cherchant des moyens d'utiliser la fabrication additive pour apporter des améliorations. Tout d'abord, en utilisant une imprimante 3D multimatériaux, ils ont pu fabriquer le tube flexible à partir d'un type spécial de matériau hyperélastique capable de supporter une énorme quantité de déformations.

Ensuite, grâce à un processus de conception itératif, ils ont déterminé que l'ajout d'encoches sur les parois du tube réduirait la contrainte sur le matériau lorsqu'il est pressé. Avec les encoches, le matériau du tube n'a pas besoin d'être redistribué pour contrer la force des rouleaux.

La précision de fabrication offerte par l'impression 3D a permis aux chercheurs de produire la taille d'encoche exacte nécessaire pour éliminer les espaces. Ils ont également pu faire varier l'épaisseur du tube afin que les parois soient plus solides dans les zones où les connecteurs se fixent, réduisant davantage la contrainte sur le matériau.

À l'aide d'une imprimante 3D multimatériaux, ils ont imprimé l'intégralité du tube en une seule passe, ce qui est important car le post-assemblage peut introduire des défauts susceptibles de provoquer des fuites. Pour ce faire, ils ont dû trouver un moyen d'imprimer verticalement le tube étroit et flexible tout en l'empêchant de vaciller pendant le processus. Au final, ils ont créé une structure légère qui stabilise le tube lors de l'impression mais peut être facilement décollée plus tard sans endommager l'appareil.

« L'un des principaux avantages de l'utilisation de l'impression 3D est qu'elle nous permet de prototyper de manière agressive. Si vous effectuez ce travail dans une salle blanche, où un grand nombre de ces pompes miniaturisées sont fabriquées, cela prend beaucoup de temps et beaucoup d'argent. Si vous voulez faire un changement, vous devez recommencer tout le processus. Dans ce cas, nous pouvons imprimer notre pompe en quelques heures, et à chaque fois, il peut s'agir d'un nouveau design », explique Velásquez-García.

Portable, mais performant

Lorsqu'ils ont testé leur conception finale, les chercheurs ont découvert qu'elle était capable de créer un vide qui avait une pression d'un ordre de grandeur inférieure à celle des pompes à membrane à la pointe de la technologie. Une pression plus faible donne un vide de meilleure qualité. Pour atteindre ce même vide avec des pompes à membrane standard, il faudrait en connecter trois en série, explique 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 moitié de celle des pompes à la pointe de la technologie utilisées dans d'autres études, et ne nécessitait que la moitié de la force pour sceller complètement le tube.

"Le mouvement des fluides est un énorme défi lorsque l'on essaie de fabriquer des équipements petits et portables, et ce travail exploite avec élégance les avantages de l'impression 3D multimatériaux pour créer une pompe hautement intégrée et fonctionnelle pour créer un vide pour le contrôle des gaz. Non seulement la pompe est plus petite que pratiquement tout ce qui est similaire, mais elle génère également un vide 100 fois plus faible", explique Michael Breadmore, professeur de chimie analytique à l'Université de Tasmanie, qui n'a pas participé à ce travail. "Cette conception n'est possible que grâce à l'utilisation d'imprimantes 3D et démontre bien la puissance de pouvoir concevoir et créer en 3D."

À l'avenir, les chercheurs prévoient d'explorer des moyens de réduire davantage la température maximale, ce qui permettrait au tube de s'actionner plus rapidement, créant un meilleur vide et augmentant le débit. Ils travaillent également à l'impression 3D d'un spectromètre de masse miniaturisé complet. Au fur et à mesure qu'ils développeront cet appareil, ils continueront à affiner les spécifications de la pompe péristaltique.

« Certaines personnes pensent que lorsque vous imprimez quelque chose en 3D, il doit y avoir une sorte de compromis. Mais ici, notre groupe a montré que ce n'est pas le cas. C'est vraiment un nouveau paradigme. La fabrication additive ne va pas résoudre tous les problèmes du monde, mais c'est une solution qui a de vrais atouts », déclare Velásquez-García.

Référence : "Pompes à vide péristaltiques compactes par extrusion multi-matériaux" par Han-Joo Lee, Jorge Cañada et Luis Fernando Velásquez-García, 21 mars 2023, Fabrication additive. DOI : 10.1016/j.addma.2023.103511

Ce travail a été soutenu, en partie, par Empiriko Corporation.