Une pompe péristaltique miniature imprimée en 3D

Au MIT, une équipe de chercheurs menée par Luis Fernando Velásquez-García, a mis au point une pompe péristaltique imprimée en 3D pour permettre la création d’un spectromètre de masse moins onéreux mais surtout plus petit que la moyenne ce qui faciliterait son transport dans des zones plus reculées. Cet outil permet d’analyser des composés organiques solides, liquides ou gazeux et est notamment employé pour étudier la pollution de l’environnement, la sécurité de l’eau potable ou encore la détection de toxines dans le sang. En s’appuyant sur l’impression 3D, il serait donc possible de rendre ces spectromètres plus accessibles et mobiles – les chercheurs du MIT parlent même de les envoyer sur Mars pour y étudier la géologie. 

Le spectromètre de masse comprend généralement une pompe péristaltique, ou pompe à vide, pour fonctionner à moindre coût. Rappelons que cette pompe permet de déplacer n’importe quel fluide dans une machine, qu’il soit liquide ou gazeux. Celui-ci est contenu dans un tube et ne touche aucune autre partie de la pompe, évitant des risques de contamination ou de détérioration. De plus, ce type de pompe est généralement plus facile à entretenir et à installer. Dans le cas du MIT, la pompe péristaltique imprimée en 3D n’est pas plus grande qu’un poing humain.

La pompe péristaltique miniaturisée pourrait être un élément clé d’un spectromètre de masse portable

Le processus de fabrication de la pompe péristaltique

Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal aux Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT, explique à propos de cette pompe péristaltique : « Il s’agit d’un matériel très peu coûteux qui est également très performant. En ce qui concerne les spectromètres de masse, la question des pompes a toujours été un problème de taille. Ce que nous avons montré ici est révolutionnaire, mais il n’est possible que parce qu’il est imprimé en 3D. Si nous avions voulu procéder de la manière habituelle, nous n’aurions jamais été aussi près du but. » 

L’équipe a commencé par repenser le design même de cette pompe, ayant pour objectif de créer un système plus petit mais tout aussi performant. Elle aurait eu recours à une imprimante 3D multi-matériaux – on ne sait malheureusement pas laquelle. Les chercheurs précisent toutefois qu’ils ont pu imprimer en 3D le tube en une seule fois – évitant ainsi des étapes d’assemblage et donc de fuites, et ce à partir d’un matériau hyper élastique qui peut se déformer de nombreuses fois. Ils y ont ajouté des encoches pour réduire la tension appliquée au matériau lorsqu’un fluide réalise son passage. Et grâce à l’impression 3D, ils ont pu déterminé avec précision la taille de ces encoches et leur emplacement. Enfin, l’équipe a joué sur l’épaisseur du tube afin de consolider les espaces où les connecteurs se fixent, à l’image de l’optimisation topologique qui permet de placer la matière là où les charges seront exercées. La fabrication additive a donc joué un rôle majeur dans la réalisation de cette pompe péristaltique et a permis un certain nombre d’avantages.

(a) Une fine couche carrée a été ajoutée en haut du tube imprimé verticalement ; (b) Aperçu de l’impression à partir de Simplify3D avec les supports d’impression ; (c) Le tube et ses supports pendant l’impression.

L’impression 3D leur a également permis d’itérer de nombreuses fois avant de trouver la bonne configuration. Luis Fernando Velásquez-García ajoute : « L’un des principaux avantages de l’impression 3D est qu’elle nous permet de créer des prototypes de manière agressive. Si vous faites ce travail dans une salle blanche, où beaucoup de ces pompes miniaturisées sont fabriquées, cela prend beaucoup de temps et d’argent. Si l’on veut apporter un changement, il faut 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 modèle. »

Des résultats encourageants

Les chercheurs ont mené une série de tests une fois la pompe prête et ont constaté qu’elle pouvait créer un vide dont la pression était plus basse d’un ordre de grandeur comparé à des pompes à membranes plus modernes. Cela entraîne un vide de meilleur qualité et donc une efficacité accrue. De plus, la pompe imprimée en 3D n’a atteint que 50 degrés Celsius, soit deux fois moins que les systèmes traditionnels.

Michael Breadmore, professeur de chimie analytique à l’université de Tasmanie, conclut : « Ce travail exploite élégamment les avantages de l’impression 3D multi-matériaux pour créer une pompe hautement intégrée et fonctionnelle permettant de créer un vide pour le contrôle des gaz. Non seulement la pompe est plus petite que la plupart des pompes similaires, mais elle génère un vide 100 fois plus faible. Cette conception n’est possible que grâce à l’utilisation d’imprimantes 3D et démontre bien la puissance de la conception et de la création en 3D. » Vous pouvez retrouver le communiqué de presse du MIT ICI.

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*Crédits de toutes les photos : MIT