Impresión 3D de una mini bomba de vacío

Andrés Corselli

Los espectrómetros de masas son analizadores químicos extremadamente precisos que tienen muchas aplicaciones. Pero construir un espectrómetro de masas portátil y económico que pueda implementarse en ubicaciones remotas sigue siendo un desafío, principalmente debido a la dificultad de miniaturizar a bajo costo su bomba de vacío necesaria.

Ahora, los investigadores del MIT han utilizado la fabricación aditiva para dar un paso importante hacia la solución de este problema. El equipo imprimió en 3D una versión mini, aproximadamente del tamaño de un puño humano, de una bomba peristáltica. La bomba puede crear y mantener un vacío que tiene un orden de magnitud de presión más bajo que una bomba seca y rugosa, no requiere líquido para crear un vacío y puede operar a presión atmosférica.

"Estamos hablando de hardware muy económico que también es muy capaz", dijo el autor principal Luis Fernando Velásquez-García. "Con los espectrómetros de masas, el gorila de 500 libras en la sala siempre ha sido el tema de las bombas. Lo que hemos mostrado aquí es innovador, pero solo es posible porque está impreso en 3D. Si quisiéramos hacerlo de la manera estándar, no habríamos estado ni cerca".

"Una de las principales ventajas de usar la impresión 3D es que nos permite crear prototipos de manera agresiva", agregó Velásquez-García. "Si haces este trabajo en una sala limpia, donde se fabrican muchas de estas bombas miniaturizadas, lleva mucho tiempo y mucho dinero. Si quieres hacer un cambio, tienes que empezar todo el proceso de nuevo. En este caso, podemos imprimir nuestra bomba en cuestión de horas, y cada vez puede ser un nuevo diseño".

Aquí hay una entrevista de Tech Briefs con Velásquez-García, editada por su extensión y claridad.

Resúmenes técnicos:¿Qué inspiró su investigación?

Velásquez-García : La experiencia que tengo es en sistemas microelectromecánicos (MEMS), que es hardware que haces aprovechando la miniaturización. La gente está familiarizada con, digamos, la electrónica de los teléfonos inteligentes y las computadoras, pero además, hay cosas como los acelerómetros MEMS en los teléfonos.

La historia, más o menos, es que la gran mayoría de este hardware se fabrica en una sala limpia de semiconductores, lo cual es realmente bueno para una cosa: fabricar componentes electrónicos de semiconductores. Por lo tanto, está muy restringido en el tipo de estructuras y materiales que puede usar. Las estructuras parecen sándwiches: están en capas y en su mayoría son bidimensionales, y hay tantos materiales.

Me interesé en usar microsistemas impresos en 3D porque la impresión 3D ha demostrado ser una caja de herramientas que amplía enormemente las capacidades de lo que podemos hacer.

Esa es una parte de la historia. La segunda parte de la historia es la bomba. He estado trabajando en espectrometría de masas durante unos 15 años y ha sido como el santo grial; muchas de las industrias que tenemos, como la industria alimentaria, farmacéutica, exploración de petróleo, dependen de la espectrometría de masas para determinar cuantitativamente la composición de una muestra.

Digamos que creas un medicamento; necesita comprobar que realmente está creando lo que cree que está creando. O cuando estás haciendo un estudio geológico, quieres asegurarte de que encontraste el material que creías haber encontrado. Entonces, hay una técnica que puede usar llamada espectrometría de masas. El estado del arte de estos dispositivos es un hardware muy pesado, muy grande y muy caro. Entonces, hay que enviar las muestras a los laboratorios, y eso tiene un costo.

Si, en cambio, intentara enviar un espectrómetro de masas, por ejemplo, a un pozo de petróleo; podría romperse. Entonces, lo que la gente como yo y muchos otros hemos estado tratando de hacer es miniaturizar los espectrómetros de masas. Los espectrómetros de masas requieren vacío para funcionar, por lo que el principal desafío es la falta de fuentes de vacío adecuadas. Los espectrómetros de masas funcionan creando un vacío, pero tienen que interactuar con la presión atmosférica. No existe una tecnología de bomba que pueda hacer todo el rango, desde la presión atmosférica hasta el alto vacío que necesita.

El dispositivo que creamos y sobre el que escribimos un artículo es la primera etapa. Funciona con presión atmosférica, mientras baja el nivel de torr (presión). Y luego, una vez que esté allí, hay otras tecnologías que puede usar para reducir aún más la presión.

Resúmenes técnicos:¿Cuáles fueron los mayores desafíos técnicos que enfrentó a lo largo del trabajo?

Velásquez-García : Oh, todo [risas]. Para empezar, para estos espectrómetros de masas se necesita tecnología limpia. Hay algunas tecnologías que utilizan, por ejemplo, un aceite o algún tipo de líquido para crear el vacío, y tienen problemas de contaminación. Básicamente impregnarían todo con ese material. Entonces, si está tratando de encontrar una composición química de algo, no quiere eso. La solución habitual es algo llamado bomba de diafragma; parecen acordeones y tienen una cámara que se expande y contrae. Así es como mueven bolsas de gas desde condiciones enrarecidas a la atmósfera. Eso ha sido ampliamente estudiado.

Hay una serie de problemas particulares: si desea obtener un vacío decente, debe preparar la bomba. En lugar de usar uno, debe usar tres, cuatro, cinco en serie, por lo que hay mucha complejidad en eso.

Entonces, adoptamos una bomba peristáltica, que está inspirada en la naturaleza. (El peristaltismo es el movimiento con el que nuestro cuerpo procesa los alimentos). Ese tipo de bomba se usa en muchas aplicaciones en las que desea que el material se mantenga inerte, ya sea porque no desea contaminarlo o porque es muy reactivo. Pero nunca han sido útiles para hacer una aspiradora. Entonces, lo primero que teníamos que hacer era idear un diseño que funcionara.

La razón por la que no se ha usado antes está relacionada con la forma en que están hechos: es solo un simple tubo circular. Pero si diseñas ese tubo, puedes encontrar algo que funcione muy bien. Esa fue una parte, y la segunda parte fue cómo convertirlo en un prototipo funcional. Eso requirió mucho desarrollo de la tecnología de impresión 3D.

Y finalmente, incluso la prueba fue un desafío porque esta bomba es muy pequeña y muchos de los instrumentos que tenemos disponibles están diseñados para una bomba significativamente más grande. Entonces, tuvimos que jugar todo tipo de trucos para hacerlo.

Todo fue un reto, pero fue muy gratificante.

Resúmenes técnicos:¿Puede explicar en términos simples cómo funciona la tecnología?

Velásquez-García : Estas bombas se basan en bolsas de compresión de gas enrarecido. Imagina que tienes una cámara que tiene gas enrarecido en su interior. De alguna manera tomas un volumen de eso y lo comprimes hasta que alcanza la presión atmosférica y luego lo liberas. Y con eso creas y mantienes un vacío.

Lo que describí es básicamente una bomba de desplazamiento positivo, aunque esta bomba es algo así, su ventaja es que no está limitada por algo llamado volumen muerto. En su típica bomba de desplazamiento positivo, hay un volumen mínimo y un volumen máximo de la cámara de compresión. Esa proporción establece más o menos qué tan bajo pueden llegar.

Pero debido a la forma en que opera esta bomba, sobrepasa ese límite. Lo que mostramos con modelos duros y con experimentos fue que puede alcanzar prácticamente cualquier vacío que desee, probablemente hasta militorrs, que es cuando se rompen las suposiciones que hace sobre el fluido. Cuando lo tienes bajo una presión tan alta, asumes que el gas es un continuo, como en la experiencia cotidiana. Pero, cuando estás en el rango de militorr, el gas se comporta como moléculas individuales que se mueven, lo que se llama flujo molecular, tiene una granularidad. Eso hace que el fluido se comporte de manera muy diferente.

Entonces, creo que lo realmente genial de esto es que es una tecnología de bajo costo que puede impulsar vacíos muy bajos, más allá de lo que puede hacer cualquier otra bomba de desplazamiento positivo. Y que es una aspiradora en seco, por lo que puedes usarla para análisis químicos.

Resúmenes técnicos:¿Cuál es su trabajo/investigación actual y cuáles son sus próximos pasos?

Velásquez-García : La parte que está en standby es el tema de la calefacción. La calefacción es importante porque, al final del día, lo que quieres es una bomba que pueda funcionar durante largos períodos de tiempo. Los sistemas de vacío están funcionando durante años y años: en mi laboratorio tengo sistemas de bombeo que han estado funcionando durante 15 o 20 años; están destinados a durar. Entonces, el tema de la vida es muy importante. Para esta bomba en particular, debe cuidar la calefacción porque ese es el mecanismo por el cual se degrada el tubo.

Lo que le gustaría es accionar la bomba lo más rápido posible para alcanzar el vacío más bajo. Pero si lo accionas rápido, se calienta. Por lo tanto, queremos tener una solución para poder actuar rápidamente y luego enfriarse, tal vez teniendo ciertas partes impresas o enfriamiento activo, como tener canales de gas o agua. Así que está en espera. Es una buena idea, pero no lo hemos hecho.

La otra parte que va muy bien, y sin derramar los frijoles, les puedo decir que hay otras dos partes clave para hacer un espectrómetro de masas. Tenemos la bomba, que es el hardware que da las condiciones para que ocurra la espectrometría de masas. Los espectrómetros de masas no pueden funcionar a la presión atmosférica porque cuando te das cuenta de cómo se mueven las partículas en los campos electromagnéticos sin ser perturbadas, si tienes presión, como la presión atmosférica, las partículas colisionarían con el gas de fondo.

La otra parte, que ya hicimos, es un ionizador. Es un dispositivo que toma, digamos, una muestra de sangre y crea iones, que es una versión del material que puede ser analizado por el espectrómetro de masas. Por lo tanto, debe ionizarlo, darle una carga para que las partículas puedan verse influenciadas por un campo electromagnético. El ionizador que tenemos está funcionando muy, muy bien.

La otra parte clave es un filtro de masa, un hardware que clasifica los iones en función de los campos electromagnéticos y de la relación masa-carga: cuánta masa por unidad de carga tienes.

Ese es un proceso físico, por lo que la espectrometría de masas es tan poderosa, porque no se basa en la química, se basa en la física. Es muy difícil engañar a un espectrómetro de masas. Nuestra versión del filtro de masas es algo llamado cuadrupolo. Y, al igual que la bomba, el cuadrupolo también está impreso en 3D, pero impreso en 3D en cerámica. El ionizador también está impreso en 3D en algunos otros materiales. Y funcionan muy bien.

Vamos a tener algunos documentos de la conferencia sobre eso este verano. Pero puedo decirles que estos dispositivos funcionan tan bien como el hardware comercial, cuestan mucho menos y tardan mucho menos en fabricarse. Uno de nuestros filtros de masa en cuadrupolo se puede fabricar en aproximadamente un día y cuesta del orden de decenas de dólares. Si va a comprar un filtro de masas comercial en cuadrupolo, probablemente cueste entre 20 y 30 mil dólares y tarde semanas en mecanizarse porque es un mecanizado de precisión. La visión de hacer un espectrómetro de masas completamente impreso en 3D está realmente al alcance de la mano. Mi esperanza es que podamos demostrar eso dentro de un par de años, hasta ahora todo bien.

Bomba de vacío en seco

Las bombas de vacío en miniatura juegan un papel importante en Marte y la Tierra

Resúmenes técnicos:¿Tiene algún consejo para los ingenieros que buscan hacer realidad sus ideas?

Velásquez-García : Diría que es una buena práctica cuestionar realmente todo. Creo que muchos de los problemas que tenemos en ingeniería provienen de ciertas decisiones adquiridas; pero las cosas deben revisarse cada vez que hay un nuevo conjunto de reglas. Por ejemplo, cada vez que tenga tecnologías (impresión, inteligencia artificial o lo que sea), realmente debería ir a lo básico y ver cómo cambia las cosas. Porque hay muchos ejemplos de cómo hacemos las cosas de cierta manera porque son limitados. Por ejemplo, la mayor parte de la fabricación en estos días es sustractiva, donde se quita material de un bloque para crear una pieza.

Otra cosa es tratar de estandarizar, por ejemplo, puede tener un gran inventario de vigas de diferentes diámetros y placas de diferentes espesores. Pero, ¿y si no necesitamos hacer eso? ¿Qué pasa si no necesitamos tener un stock de un montón de cosas y podemos hacer cosas sobre la marcha? Esa es básicamente la idea de la impresión 3D y lo poderosa que sería para cosas como la fabricación en el espacio. Es terriblemente caro enviar cualquier cosa al espacio.

Mi consejo sería que no seas tímido a la hora de desafiar el statu quo y, además, buscar soluciones sorprendentes. Creo que es necesario revisar muchos problemas porque, sea cual sea la decisión que se tomó en ese momento, es posible que ya no sea cierta. La ingeniería debe ser una indagación constante para encontrar mejores soluciones, y no debemos dejar piedra sin remover.

Resúmenes técnicos:¿Hay algo más que le gustaría agregar?

Velásquez-García : Lo que mi grupo quiere hacer es crear hardware que tenga un impacto profundo y eso generalmente pasa por funciones complejas o multifunción. Hay personas que están tratando de averiguar cosas como, ¿cómo podemos usar la impresión 3D para reemplazar el moldeo por inyección? Bueno, esa es una posibilidad, pero lo que creemos que tendrá más impacto es si decimos algo como: "¿Qué nos requeriría imprimir, sin ensamblar, de una sola vez, un teléfono inteligente, pero no un teléfono inteligente de mierda, un teléfono inteligente que es tan bueno, si no mejor, que lo que se puede hacer ahora mismo".

Necesitaremos imprimir las baterías, las conexiones eléctricas, los transistores, los capacitores, la pantalla, lo que llamamos el paquete, la interfaz entre el dispositivo y el exterior. Eso pasa necesariamente por la idea de la impresión 3D multimaterial; ese ha sido nuestro enfoque por un tiempo. Desafortunadamente, solo hay unas pocas tecnologías que pueden imprimir múltiples materiales. En particular, hay una llamada extrusión y otra llamada escritura con tinta directa, que es básicamente como usar bolígrafos para crear trazos. Y luego hay algo en lo que somos pioneros, llamado pulverización catódica de microplasma, que tiene un gran potencial porque puede crear hardware complejo en múltiples materiales con una resolución fina.

Podemos hacer funciones que son muy pequeñas, y esa es realmente la clave para esa resolución. Entonces, creo que hay tantas cosas que puedes hacer. Por ejemplo, puedo hacer una pieza que tal vez sea el álabe de una turbina. Pero, ¿qué pasaría si esa cuchilla pudiera tener componentes electrónicos allí? Podría detectar, podría tener actuación, y todo eso es posible si involucra los materiales correctos.

Si observa una sección transversal de su mano, por ejemplo, verá que hay algo que es duro, los huesos, y hay algo que se expande y contrae, los músculos. Entonces, la idea de que imprimir con un material no tiene piernas. Pero la idea de la impresión con múltiples materiales es increíblemente desafiante porque necesita encontrar formas de imprimir materiales muy diferentes en condiciones similares.

Entonces, por ejemplo, podría decir ingenuamente que es realmente difícil imprimir algo de metal y algo de polímero porque requieren temperaturas muy diferentes para su procesamiento. Eso es cierto si usa las tecnologías estándar, pero si usa algo como la pulverización catódica de microplasma, puede depositar metales de alta calidad a temperatura ambiente y puede crearlos en polímero.

Va a ser muy desafiante, pero creo que va a ser muy gratificante por el tipo de cosas que podemos implementar.