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Eine peristaltische Miniaturpumpe aus dem 3D-Drucker

Am 3. Mai 2023 von Leonie M. veröffentlicht

Ein Forscherteam, unter der Leitung von Luis Fernando Velásquez-García vom MIT, hat eine peristaltische Pumpe aus dem 3D-Drucker entwickelt, um ein kostengünstigeres und vor allem kleineres Spektrometer zu bauen, das leichter in entlegene Gebiete transportiert werden kann. Mit diesem Gerät können feste, flüssige und gasförmige organische Verbindungen analysiert werden. Es wird unter anderem zur Untersuchung der Umweltverschmutzung, der Sicherheit von Trinkwasser und zum Nachweis von Toxinen im Blut eingesetzt. Mithilfe des 3D-Drucks könnten diese Spektrometer zugänglicher und mobiler gemacht werden – die Forscher des MIT sprechen sogar davon, sie auf den Mars zu schicken, um die dortige Geologie zu untersuchen.

Zu einem Massenspektrometer gehört in der Regel eine peristaltische Pumpe oder eine Vakuumpumpe, um kostengünstig arbeiten zu können. Mit dieser Pumpe kann jedes beliebige Material in einer Maschine bewegt werden, egal ob es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handelt. Diese befindet sich in einem Schlauch und berührt keine anderen Stellen der Pumpe, wodurch das Risiko einer Verunreinigung oder Beschädigung vermieden wird. Außerdem ist diese Art von Pumpe in der Regel einfacher zu warten und zu installieren. In diesem Fall ist die 3D-gedruckte peristaltische Pumpe tatsächlich nicht größer als eine menschliche Faust.

Die Miniaturpumpe könnte ein wesentliches Element für einen tragbaren Massenspektrometer bilden

Der Herstellungsprozess der peristaltischen Pumpe

Luis Fernando Velásquez-García, leitender Wissenschaftler an den Microsystems Technology Laboratories (MTL) des MIT, erklärt: „Es handelt sich um ein sehr kostengünstiges Material, welches gleichzeitig auch sehr leistungsfähig ist. Bei Massenspektrometern war die Frage der Pumpen schon immer ein großes Problem. Was wir hier zeigen, ist revolutionär, doch es ist nur mithilfe der additiven Fertigung möglich. Wenn wir auf die herkömmliche Weise hätten vorgehen wollen, wären wir dem Ziel niemals so nahe gekommen„.

Das Team begann damit, das Design der Pumpe zu überdenken, mit dem Ziel, ein kleineres, aber ebenso leistungsfähiges System zu entwickeln. Dabei soll ein 3D-Drucker mit mehreren Materialien zum Einsatz gekommen sein – leider sind die genauen Materialien nicht bekannt. Die Forscher berichten jedoch, dass sie den Schlauch in einem einzigen Durchgang in 3D drucken konnten, um das Zusammensetzen und damit Lecks zu vermeiden. Sie verwendeten ein hyperelastisches Material, das sich vielfach verformen kann. Außerdem fügten sie Einkerbungen hinzu, um die Spannung, die auf das Material ausgeübt wird, wenn eine Flüssigkeit durch das Rohr fließt, zu verringern. Mithilfe des 3D-Drucks konnten sie die Größe der Kerben und ihre Position genau bestimmen. Schließlich arbeitete das Team mit der Dicke des Rohrs, um die Zwischenräume, in denen die Anschlüsse befestigt werden, zu festigen, ähnlich wie bei der topologischen Optimierung, bei der das Material dort platziert wird, wo die Belastungen auftreten. Die additive Fertigung spielte also eine große Rolle bei der Herstellung dieser peristaltischen Pumpe und brachte eine Reihe von Vorteilen mit sich.

(a) Oberhalb des vertikal gedruckten Rohrs wurde eine dünne quadratische Schicht hinzugefügt; (b) Druckvorschau aus Simplify3D mit den Druckstützen; (c) Das Rohr und seine Stützstrukturen während des Druckvorgangs

Der 3D-Druck ermöglichte es dem Team iterativ vorzugehen, bis sie die richtige Konfiguration gefunden hatten. Luis Fernando Velásquez-García fügt hinzu: „Einer der größten Vorteile des 3D-Drucks ist, dass wir damit intensiv Prototypen herstellen können. Wenn man diese Arbeit in einem Reinraum macht, wo viele dieser Miniaturpumpen hergestellt werden, ist das sehr zeit- und kostenintensiv. Möchte man eine Änderung vornehmen, muss man den gesamten Prozess erneut durchlaufen. In diesem Fall konnten wir unsere Pumpe allerdings innerhalb weniger Stunden drucken, und jedes Mal konnte es sich um ein neues Modell handeln„.

Ermutigende Ergebnisse

Die Forscher führten eine Reihe von Tests durch, nachdem die Pumpe fertig war, und stellten fest, dass sie ein Vakuum erzeugen konnte, dessen Druck im Vergleich zu moderneren Membranpumpen um eine Größenordnung niedriger war. Dies führt zu einem qualitativ hochwertigeren Vakuum und damit zu einer höheren Effizienz. Darüber hinaus erreichte die 3D-gedruckte Pumpe nur 50 Grad Celsius, was nur halb so viel ist wie bei herkömmlichen Systemen.

Michael Breadmore, Professor für analytische Chemie an der Universität Tasmanien, stellt fest: „Diese Arbeit nutzt auf elegante Weise die Vorteile des 3D-Drucks aus mehreren Materialien, um eine hochintegrierte und funktionale Pumpe zu schaffen, mit der ein Vakuum zur Gaskontrolle erzeugt werden kann. Die Pumpe ist nicht nur kleiner als die meisten ähnlichen Pumpen, sondern erzeugt auch ein 100-mal niedrigeres Vakuum. Dieses Design ist nur durch den Einsatz von 3D-Druckern möglich und zeigt deutlich die Macht des 3D-Designs und der 3D-Kreation.“ Die Pressemitteilung des MIT finden Sie HIER.

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*Titelbildnachweis: MIT

Ein Kommentar

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  1. Danke für den Beitrag. Interessant, dass bei der Pumpe ein hyperelastisches Material verwendet wurde. Womöglich kann man bald auch gedruckte Bitumenpumpe aus diesem Material kaufen. Ich würde eine solche Entwicklung befürworten.

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