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Aug 29, 2023

Impression 3D d'une mini pompe à vide

Les spectromètres de masse Andrew Corselli sont des analyseurs chimiques extrêmement précis

André Corselli

Les spectromètres de masse sont des analyseurs chimiques extrêmement précis qui ont de nombreuses applications. Mais construire un spectromètre de masse portable et peu coûteux qui pourrait être déployé dans des endroits éloignés reste un défi, principalement en raison de la difficulté de miniaturiser à faible coût sa pompe à vide nécessaire.

Maintenant, les chercheurs du MIT ont utilisé la fabrication additive pour faire un grand pas vers la résolution de ce problème. L'équipe a imprimé en 3D une mini version - de la taille d'un poing humain - d'une pompe péristaltique. La pompe peut créer et maintenir un vide qui a une pression d'un ordre de grandeur inférieure à celle d'une pompe sèche et rugueuse, elle ne nécessite pas de liquide pour créer un vide et peut fonctionner à la pression atmosphérique.

"Nous parlons d'un matériel très bon marché qui est également très performant", a déclaré l'auteur principal Luis Fernando Velásquez-García. "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 cela 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."

"L'un des principaux avantages de l'utilisation de l'impression 3D est qu'elle nous permet de prototyper de manière agressive", a ajouté Velásquez-García. "Si vous faites ce travail dans une salle blanche, où sont fabriquées beaucoup de ces pompes miniaturisées, 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."

Voici une interview Tech Briefs avec Velásquez-García, éditée pour plus de longueur et de clarté.

Briefs techniques :Qu'est-ce qui a inspiré votre recherche ?

Vélasquez-Garcia : J'ai une formation dans les systèmes microélectromécaniques (MEMS), c'est-à-dire le matériel que vous fabriquez en exploitant la miniaturisation. Les gens connaissent, disons, l'électronique des smartphones et des ordinateurs, mais en plus, il y a des choses comme les accéléromètres MEMS dans les téléphones.

L'histoire, plus ou moins, est que la grande majorité de ce matériel est fabriquée dans une salle blanche pour semi-conducteurs, ce qui est vraiment bon pour une chose : fabriquer de l'électronique à semi-conducteurs. Ainsi, vous êtes très limité dans le type de structures et les matériaux que vous pouvez utiliser. Les structures ressemblent à des sandwichs - elles sont superposées et elles sont principalement bidimensionnelles, et il y a tellement de matériaux.

Je me suis intéressé à l'utilisation de microsystèmes imprimés en 3D parce que l'impression 3D s'est avérée être une boîte à outils qui élargit considérablement les capacités de ce que nous pouvons faire.

C'est une partie de l'histoire. La deuxième partie de l'histoire est la pompe. Je travaille sur la spectrométrie de masse depuis environ 15 ans, et cela a été comme le Saint Graal ; de nombreuses industries que nous avons autour - comme l'industrie alimentaire, pharmaceutique, l'exploration pétrolière - s'appuient sur la spectrométrie de masse pour déterminer quantitativement la composition d'un échantillon.

Disons que vous créez un médicament ; vous devez vérifier que vous créez réellement ce que vous pensez créer. Ou lorsque vous effectuez une étude géologique, vous voulez vous assurer que vous avez trouvé le matériau que vous pensiez avoir trouvé. Il existe donc une technique que vous pouvez utiliser appelée spectrométrie de masse. L'état de l'art de ces dispositifs est un matériel très lourd, très volumineux, très coûteux. Donc, il faut expédier les échantillons aux laboratoires, et cela a un coût.

Si vous essayez plutôt d'expédier un spectromètre de masse, par exemple, à un puits de pétrole ; ça pourrait éclater. Donc, ce que des gens comme moi et beaucoup d'autres ont essayé de faire, c'est de miniaturiser les spectromètres de masse. Les spectromètres de masse nécessitent du vide pour fonctionner, le principal défi est donc le manque de sources de vide adéquates. Les spectromètres de masse fonctionnent en créant un vide, mais ils doivent s'interfacer avec la pression atmosphérique. Il n'existe pas une seule technologie de pompe capable de couvrir toute la gamme, de la pression atmosphérique au vide poussé, dont vous avez besoin.

Le dispositif que nous avons créé et sur lequel nous avons écrit un article, est la première étape. Il fonctionne avec la pression atmosphérique, tout en abaissant le niveau de torr (pression). Et puis une fois que vous y êtes, il existe d'autres technologies que vous pouvez utiliser pour faire encore baisser la pression.

Briefs techniques :Quels ont été les plus grands défis techniques auxquels vous avez été confrontés tout au long du travail ?

Vélasquez-Garcia : Oh, tout [rires]. Pour commencer, pour ces spectromètres de masse, vous avez besoin d'une technologie propre. Certaines technologies utilisent, par exemple, une huile ou une sorte de liquide pour créer le vide, et elles ont des problèmes de contamination. En gros, ils imprégnaient tout avec ce matériau. Donc, si vous essayez de trouver une composition chimique de quelque chose, vous ne le voulez pas. La solution habituelle est ce qu'on appelle une pompe à membrane; ils ressemblent à des accordéons et ont une chambre qui se dilate et se contracte. C'est ainsi qu'ils déplacent les poches de gaz des conditions raréfiées vers l'atmosphère. Cela a été largement étudié.

Il y a un certain nombre de problèmes particuliers - si vous voulez obtenir un vide décent, vous devez mettre en scène la pompe. Au lieu d'en utiliser un, vous devez en utiliser trois, quatre, cinq en série, donc il y a beaucoup de complexité là-dedans.

Nous avons donc adopté une pompe péristaltique inspirée de la nature. (Le péristaltisme est le mouvement avec lequel notre corps transforme les aliments.) Ce type de pompe est utilisé dans de nombreuses applications où vous souhaitez que le matériau reste inerte, soit parce que vous ne voulez pas le contaminer, soit parce qu'il est très réactif. Mais ils n'ont jamais été utiles pour faire le vide. Donc, la première chose que nous devions faire était de trouver un design qui fonctionnerait.

La raison pour laquelle il n'a pas été utilisé auparavant est liée à la façon dont ils sont fabriqués - c'est juste un simple tube circulaire. Mais si vous concevez ce tube, vous pouvez trouver quelque chose qui fonctionne très bien. C'était une partie, et la deuxième partie était de savoir comment en faire un prototype fonctionnel. Cela a nécessité beaucoup de développement de la technologie d'impression 3D.

Et enfin, même les tests ont été difficiles car cette pompe est si petite et de nombreux instruments dont nous disposons sont conçus pour une pompe beaucoup plus grande. Donc, nous avons dû jouer toutes sortes de tours pour le faire.

Tout était difficile, mais c'était très gratifiant.

Briefs techniques :Pouvez-vous expliquer en termes simples comment fonctionne la technologie ?

Vélasquez-Garcia : Ces pompes sont basées sur la compression de poches de gaz raréfié. Imaginez que vous avez une chambre contenant du gaz raréfié à l'intérieur. D'une manière ou d'une autre, vous en prenez un volume et le comprimez jusqu'à ce qu'il atteigne la pression atmosphérique, puis vous le relâchez. Et avec cela, vous créez et maintenez un vide.

Ce que j'ai décrit est essentiellement une pompe à déplacement positif, bien que cette pompe soit un peu comme ça, son avantage est qu'elle n'est pas limitée par quelque chose appelé le volume mort. Dans votre pompe volumétrique typique, il existe un volume minimum et un volume maximum de la chambre de compression. Ce ratio définit à peu près jusqu'où ils peuvent aller.

Mais à cause de la façon dont cette pompe fonctionne, elle outrepasse cette limite. Ce que nous avons montré avec des modèles concrets et des expériences, c'est que vous pouvez pratiquement atteindre n'importe quel vide que vous voulez, jusqu'à probablement des millitorrs, c'est-à-dire lorsque les hypothèses que vous faites sur le fluide se décomposent. Lorsque vous l'avez sous une pression élevée comme celle-là, vous supposez que le gaz est un continuum, comme dans l'expérience quotidienne. Mais, lorsque vous êtes dans la gamme des millitorrs, le gaz se comporte comme des molécules individuelles se déplaçant - ce qu'on appelle le flux moléculaire - il a une granularité. Cela fait que le fluide se comporte très différemment.

Donc, je pense que ce qui est vraiment cool à ce sujet, c'est que c'est une technologie à faible coût qui peut générer des vides très faibles, au-delà de ce que toute autre pompe volumétrique peut faire. Et qu'il s'agit d'un aspirateur sec, vous pouvez donc l'utiliser pour l'analyse chimique.

Briefs techniques :Quel est votre travail/recherche actuel et quelles sont vos prochaines étapes ?

Vélasquez-Garcia : La partie qui est en veille est la question du chauffage. Le chauffage est important car, en fin de compte, ce que vous voulez, c'est une pompe qui peut fonctionner pendant de longues périodes. Les systèmes de vide fonctionnent depuis des années et des années — dans mon laboratoire, j'ai des systèmes de pompe qui fonctionnent depuis 15, 20 ans ; ils sont faits pour durer. Ainsi, la question de la durée de vie est très importante. Pour cette pompe particulière, vous devez prendre soin du chauffage car c'est le mécanisme par lequel le tube se dégrade.

Ce que vous aimeriez, c'est actionner la pompe le plus rapidement possible pour atteindre le vide le plus bas. Mais si vous l'actionnez rapidement, il chauffe. Donc, nous voulons avoir une solution pour pouvoir actionner rapidement puis refroidir, peut-être en ayant certaines pièces imprimées ou en ayant un refroidissement actif, comme avoir des canaux de gaz ou d'eau. C'est donc en veille. C'est une bonne idée, mais nous ne l'avons pas fait.

L'autre partie qui se passe très bien, et sans tomber dans le mille, je peux vous dire qu'il y a deux autres parties essentielles pour fabriquer un spectromètre de masse. Nous avons la pompe, qui est le matériel qui donne les conditions pour que la spectrométrie de masse se produise. Les spectromètres de masse ne peuvent pas fonctionner à la pression atmosphérique car lorsque vous réalisez comment les particules se déplacent dans des champs électromagnétiques non perturbés, si vous avez une pression, comme la pression atmosphérique, les particules entreraient en collision avec le gaz de fond.

L'autre partie, que nous avons déjà fait est un ioniseur. C'est un appareil qui prélève, disons, un échantillon de sang et crée des ions, qui est une version du matériau qui peut être analysée par le spectromètre de masse. Donc, vous devez l'ioniser - pour lui donner une charge afin que les particules puissent être influencées par un champ électromagnétique. L'ioniseur que nous avons fonctionne vraiment, vraiment, bien.

L'autre élément clé est un filtre de masse - un matériel qui trie les ions en fonction des champs électromagnétiques et en fonction du rapport masse sur charge - combien de masse par unité de charge vous avez.

C'est un processus physique, c'est pourquoi la spectrométrie de masse est si puissante, car elle n'est pas basée sur la chimie, elle est basée sur la physique. Il est très difficile de tromper un spectromètre de masse. Notre version du filtre de masse est ce qu'on appelle un quadripôle. Et, comme pour la pompe, le quadripôle est également imprimé en 3D, mais imprimé en 3D en céramique. L'ioniseur est également imprimé en 3D dans d'autres matériaux. Et ils fonctionnent très bien.

Nous aurons des articles de conférence à ce sujet cet été. Mais je peux vous dire que ces appareils fonctionnent aussi bien que du matériel commercial, qu'ils coûtent beaucoup moins cher et qu'ils prennent beaucoup moins de temps à fabriquer. Un de nos filtres de masse en quadripole peut être fabriqué en une journée environ et coûte de l'ordre de dizaines de dollars. Si vous achetez un filtre de masse quadripolaire commercial, cela coûte probablement 20 à 30 000 dollars et prend des semaines à usiner car il s'agit d'un usinage de précision. La vision de fabriquer un spectromètre de masse entièrement imprimé en 3D est vraiment à portée de main. J'espère que nous pourrons le montrer d'ici quelques années - jusqu'ici tout va bien.

Pompe à vide sèche

Les pompes à vide miniaturisées jouent un rôle important sur Mars et sur Terre

Briefs techniques :Avez-vous des conseils à donner aux ingénieurs qui souhaitent concrétiser leurs idées ?

Vélasquez-Garcia : Je dirais que c'est une bonne pratique de vraiment tout remettre en question. Je pense que bon nombre des problèmes que nous rencontrons dans le domaine de l'ingénierie viennent du fait que certaines décisions sont protégées par des droits acquis ; mais les choses doivent être revues chaque fois qu'il y a un nouvel ensemble de règles. Par exemple, chaque fois que vous avez des technologies - l'impression, l'intelligence artificielle ou quoi que ce soit - vous devriez vraiment aller à l'essentiel et voir comment cela change les choses. Parce qu'il existe de nombreux exemples de la façon dont nous faisons les choses d'une certaine manière parce qu'elles sont limitées. Par exemple, la plupart de la fabrication de nos jours est soustractive, où vous enlevez de la matière d'un bloc pour créer une pièce.

Une autre chose est d'essayer de standardiser, par exemple, vous pourriez avoir un énorme inventaire de poutres de différents diamètres et de plaques de différentes épaisseurs. Mais que se passe-t-il si nous n'avons pas besoin de le faire ? Et si nous n'avions pas besoin d'avoir un stock d'un million de choses et que nous pouvions fabriquer des choses en déplacement ? C'est essentiellement l'idée de l'impression 3D et de sa puissance pour des choses comme la fabrication dans l'espace. C'est terriblement cher d'envoyer quoi que ce soit dans l'espace.

Mon conseil serait de ne pas hésiter à remettre en question le statu quo et aussi de rechercher des solutions surprenantes. Je pense que beaucoup de problèmes doivent être réexaminés, car quelle que soit la décision prise à l'époque, elle n'est peut-être plus vraie. L'ingénierie doit être une recherche constante pour trouver de meilleures solutions, et nous ne devons rien négliger.

Briefs techniques :Souhaitez-vous ajouter autre chose ?

Vélasquez-Garcia : Ce que mon groupe veut faire, c'est créer du matériel qui a un impact profond et qui passe généralement par des fonctions complexes ou multifonctions. Il y a des gens qui essaient de comprendre des choses comme, comment pouvons-nous utiliser l'impression 3D pour remplacer le moulage par injection. Eh bien, c'est une possibilité, mais ce qui, selon nous, aura plus d'impact, c'est si nous disons quelque chose comme : " Qu'est-ce qu'il nous faudrait pour imprimer, sans assembler, en une seule fois, un smartphone — mais pas un smartphone de merde, un smartphone aussi bon, sinon meilleur, que ce qui peut être fait en ce moment. »

Nous aurons besoin d'imprimer les batteries, les connexions électriques, les transistors, les condensateurs, l'affichage, ce que nous appelons le boîtier - l'interface entre l'appareil et l'extérieur. Cela passe nécessairement par l'idée de l'impression 3D multi-matériaux ; c'est notre objectif depuis un moment. Malheureusement, seules quelques technologies peuvent imprimer plusieurs matériaux. En particulier, il y en a un appelé extrusion et un autre appelé écriture directe à l'encre, qui revient essentiellement à utiliser des stylos pour créer des traces. Et puis il y a quelque chose que nous avons lancé, appelé la pulvérisation microplasmique, qui a un énorme potentiel car il peut créer du matériel complexe dans plusieurs matériaux avec une résolution fine.

Nous pouvons créer des fonctionnalités très petites, et c'est vraiment la clé de cette résolution. Donc, je pense qu'il y a tellement de choses que vous pouvez faire. Par exemple, je peux fabriquer une pièce qui est peut-être l'aube d'une turbine. Mais que se passerait-il si cette lame pouvait avoir de l'électronique là-bas – elle pourrait détecter, elle pourrait avoir un actionnement – ​​et tout cela est possible si vous impliquez les bons matériaux.

Si vous regardez une coupe transversale de votre main, par exemple, vous voyez qu'il y a une chose qui est dure - les os - et il y a une chose qui se dilate et se contracte - les muscles. Donc, l'idée que l'impression avec un seul matériau n'a pas de jambes. Mais l'idée de l'impression multi-matériaux est incroyablement difficile car vous devez trouver des moyens d'imprimer des matériaux très différents dans des conditions similaires.

Ainsi, par exemple, vous pourriez dire naïvement qu'il est vraiment difficile d'imprimer quelque chose en métal et quelque chose en polymère car ils nécessitent des températures si différentes pour le traitement. C'est vrai si vous utilisez les technologies standard, mais si vous utilisez quelque chose comme la pulvérisation par microplasma, vous pouvez déposer des métaux de haute qualité à température ambiante et vous pouvez les créer en polymère.

Ce sera très difficile, mais je pense que ce sera très gratifiant en raison du genre de choses que nous pouvons mettre en œuvre.