Piccolo 3D

Una minuscola pompa a vuoto stampata in 3D è stata sviluppata da ricercatori negli Stati Uniti. Luis Fernando Velásquez-García e colleghi del Massachusetts Institute of Technology affermano che il loro dispositivo supera le attuali pompe miniaturizzate all'avanguardia. Potrebbe essere utilizzato per garantire alle persone che vivono in comunità remote l’accesso a strumenti avanzati come la spettrometria di massa per test sanitari e ambientali.

Una pompa peristaltica è un tipo di pompa volumetrica miniaturizzata che imita l'azione dei muscoli del nostro intestino. All'interno della pompa, il fluido viaggia attraverso un tubo flessibile, montato attorno al bordo interno di un involucro circolare rigido.

Un rotore sull'asse del cerchio è dotato di rulli che passano lungo la circonferenza interna del cerchio, comprimendo il tubo contro l'involucro, trasportando sacche di fluido davanti ai rulli, in direzione dell'uscita della pompa. Contemporaneamente, dopo il passaggio del rullo, il tubo riacquista la sua forma originale. Ciò crea un effetto di aspirazione che attira più fluido nella pompa.

Poiché questa tecnica evita il contatto diretto tra il fluido e il meccanismo di pompaggio, è ora ampiamente utilizzata per trasportare liquidi chimicamente reattivi o che devono rimanere incontaminati, come il sangue.

Finora, tuttavia, le pompe peristaltiche non sono state ampiamente utilizzate per creare e mantenere il vuoto attraverso il trasporto di gas. Ciò richiederebbe che il rotore ruoti a velocità più elevate e schiacci più forte il tubo flessibile, il che potrebbe danneggiare rapidamente la pompa. Inoltre, un tubo a sezione circolare non può mai essere completamente sigillato, il che significa che parte del gas può sempre fuoriuscire nella direzione sbagliata.

Nel nuovo studio, il team di Velásquez-García ha esplorato come questi problemi potrebbero essere risolti attraverso una progettazione più intelligente di tubi flessibili, resa possibile dalla stampa 3D. “Uno dei principali vantaggi dell’utilizzo della stampa 3D è che ci consente di prototipare in modo aggressivo”, spiega Velásquez-García.

“Se svolgi questo lavoro in una camera bianca, dove vengono prodotte molte di queste pompe miniaturizzate, ci vuole molto tempo. Se vuoi apportare una modifica, devi ricominciare l'intero processo. In questo caso, possiamo stampare la nostra pompa nel giro di poche ore e ogni volta può trattarsi di un nuovo design”.

Questo approccio ha consentito a Velásquez-García e al team di stampare simultaneamente tutti i meccanismi interni della pompa. Per il tubo flessibile, hanno utilizzato un materiale relativamente nuovo che è più facile da stampare rispetto ai materiali flessibili più tradizionali, ma ha le proprietà richieste.

Hanno anche adattato il design del tubo, introducendo una coppia di tacche sui lati opposti della sua sezione trasversale, perpendicolari alla direzione della sua compressione da parte dei rulli. Questa piccola alterazione ha fatto sì che il tubo richiedesse meno della metà della forza per sigillarsi completamente (vedi figura).

Con questi adattamenti in atto, la pompa del team potrebbe mantenere la pressione del vuoto di un ordine di grandezza inferiore rispetto ad altre pompe miniaturizzate all'avanguardia. Ciò si ottiene utilizzando velocità del rotore inferiori e con forze minori impartite al tubo flessibile. Il loro design ha mantenuto queste prestazioni per una durata di oltre 100.000 rotazioni.

Velásquez-García e colleghi ritengono che i loro risultati mostrino chiaramente quanto sia diventata avanzata la stampa 3D. “Alcune persone pensano che quando si stampa qualcosa in 3D ci debba essere una sorta di compromesso. Ma qui il nostro gruppo ha dimostrato che non è così”, sostiene Velásquez-García. “È davvero un nuovo paradigma. La produzione additiva non risolverà tutti i problemi del mondo, ma è una soluzione che ha gambe reali”.

Il colorante alimentare aiuta le reti vascolari stampate in 3D

Il team prevede numerosi possibili usi per il dispositivo: tra cui metallurgia ad elevata purezza, processi di rivestimento, produzione di semiconduttori e soprattutto spettrometria di massa.

"Con gli spettrometri di massa, il gorilla di 500 libbre nella stanza è sempre stato il problema delle pompe a vuoto", spiega Velásquez-García. “Ciò che abbiamo mostrato qui è innovativo, ma è possibile solo perché è stampato in 3D. Se avessimo voluto farlo nel modo standard, non saremmo stati neanche lontanamente vicini”.