3D-Druck einer Miniatur-Magnetpumpe für $3,89.

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Design ist die erste Demonstration einer magnetischen Multimaterialpumpe, die in einem Stück 3D-gedruckt wird.

Eine neue Miniaturpumpe – kompakt, ventillos und magnetisch betrieben – demonstriert die vielfältigen Möglichkeiten von Geräten, die durch 3D-Druck hergestellt werden.

Mit einem Volumen von nur 1 Zentimeter wurde die Pumpe in 75 Minuten in einem einzigen Prozess aus mehreren Materialien hergestellt, die weniger als 3,89 US-Dollar pro Stück kosten. Sie kann sowohl Flüssigkeiten als auch Gase mit geringerem Stromverbrauch und weniger Verstopfungen bewegen als die standardmäßig hergestellten Pumpen dieser Größe. Eines der Pumpendesigns ist die erste Demonstration einer magnetischen Multimaterialpumpe, die monolithisch in 3D gedruckt wurde – alles in einem Stück.

Luis Fernando Velásquez-García, leitender Forschungswissenschaftler an den Mikrosystemtechnik-Laboratorien (MTL) des MIT, leitete das Team, das die Pumpe gebaut hat. Er sagt, die effiziente und tragbare Pumpe könnte in Anwendungen “von Brennstoffzellen über die Stromerzeugung bis hin zu Wärmetauschern” eingesetzt werden, die Computerchips kühlen.

Additive Manufacturing bietet eine Möglichkeit, miniaturisierte Geräte herzustellen, die mehrere Materialien mit neuen Fähigkeiten enthalten und die bei Bedarf für stärker personalisierte Anwendungen entwickelt werden, schlägt er vor.

Velásquez-García hofft, dass die Proof-of-Principle-Pumpe andere dazu inspirieren wird, das Potenzial der schichtweisen, computergestützten additiven Fertigung im Vergleich zu dem von der Halbleiterindustrie vorgegebenen “Reinraum”-Massenproduktionsstil genauer zu betrachten.

Während Forscher versucht haben, die Erfolge dieser Industrie bei der Entwicklung neuer Miniaturbauteile nachzuahmen, “kommt man zu dem Schluss, dass in einigen Fällen die Herstellungsmethoden nicht gleich sein können, die Materialien nicht gleich sein können und die spezifischen Ausführungsformen der Lösungen sehr unterschiedlich sind”, sagt er.

Velásquez-García, zusammen mit dem MTL-Postdoc Javier Izquierdo Reyes, der vom Monterrey Tec-MIT Nanotechnologie-Programm gesponsert wird, und Anthony Taylor von Edwards Vacuum beschreiben die neue Pumpe in der Ausgabe vom 27. August 2020 des Journal of Physics D: Angewandte Physik.

Tragbar und leistungsstark

Die Pumpen, jede etwas kleiner als der Durchmesser eines Zehncentstücks, sind als kleine Zylinder geformt, die von einer Membran gekrönt sind. Oben auf der Membran befindet sich die Flüssigkeitskammer mit zwei ventillosen Öffnungen an der Oberseite zur Befestigung von Schläuchen. Die Forscher bedruckten die Pumpe auf zwei Arten, wobei sie bei beiden Nylon 12 als Strukturmaterial verwendeten. Bei der ersten Pumpe wird ein Magnet in die Struktur des umschließenden Kolbens eingepresst. Bei der zweiten monolithischen Pumpe verwendeten die Forscher Nylon 12, in das Mikropartikel eines Neodym-Magneten (NdFeB) eingebettet waren, um den Magnetkern der Pumpe zu bilden.

Nylon 12 ist ein hervorragendes Strukturmaterial, das leicht große Mengen der magnetischen Partikel absorbieren kann und robust genug ist, um die NdFeB-Mikropartikel während der anfänglichen Magnetisierung stillzuhalten, was die Herstellung starker Dauermagnete ermöglicht, sagt Velásquez-García. “In einem weicheren Material würden die Partikel wackeln, was zu keiner Nettomagnetisierung des magnetischen Verbundstoffs führen würde.

Die Pumpe wird von einem äußeren rotierenden Magneten angetrieben, der mit dem inneren Magneten zusammenwirkt, um den Kolben zu bewegen und die Membran zu verformen, wodurch die Flüssigkeit oder das Gas von einem Anschluss zum anderen befördert wird. Der Kolben wird nur durch die Membran eingeklemmt, so dass er sich bei Aktivierung durch den Außenmagneten auf mehrere Arten gleichzeitig bewegen kann. Da er magnetisch angetrieben wird, ist das neue Gerät tragbarer als z.B. pneumatische Pumpen, die physisch an eine externe Druckfluidquelle gekoppelt werden müssen.

Vierzehn Millionen Zyklen später zeigten die neuen Pumpen keine Anzeichen von Leckagen, und ihre Leistung übertrifft die der hochmodernen 3D-gedruckten Miniatur-Flüssigkeitspumpen und lässt sich gut mit kommerziellen Miniatur-Vakuumpumpen vergleichen, folgerten die Forscher.

“Nicht über Kopieren und Einfügen”

Obwohl die Pumpe nicht mit Blick auf spezifische Anwendungen entwickelt wurde, zeigt das Gerät laut Velásquez-García die Möglichkeiten, die der monolithische 3D-Druck aus mehreren Materialien bietet.

So konnten die Forscher beispielsweise die Hubkapazität der neuen Pumpe über die einer klassisch aus Silizium hergestellten Pumpe hinaus steigern, indem sie die Druckverfahren änderten, um eine verformbarere Membran herzustellen und gleichzeitig einen steiferen Kolbenkörper beizubehalten – alles unter Verwendung des gleichen Materials Nylon 12.

“Es geht nicht darum, das zu kopieren und einzufügen, was die Leute vorher gemacht haben, sondern die Vorteile des Druckens wirklich auszunutzen”, sagt Velásquez-García. “Ich denke, es gibt eine echte Chance, etwas zu verändern, wenn wir uns erneut mit Problemen befassen, die wir vorher nicht lösen konnten und die wir jetzt dank dieses Dachs der additiven Fertigung lösen können.

Die neue Magnetpumpe “ist eine sehr clevere Umsetzung des Prinzips, dass ‘Komplexität frei ist’ in der digitalen und additiven Fertigung”, sagt Albert Folch, Professor für Biotechnik an der Universität von Washington, der an der MIT-Studie nicht beteiligt war. “Da diese Pumpen aus mehreren Komponenten aus verschiedenen Materialien und komplexen Formen bestehen, ist die traditionelle Herstellung und Montage tendenziell teuer.

“Das Mögliche

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