Minuscule 3D

Une petite pompe à vide imprimée en 3D a été développée par des chercheurs américains. Luis Fernando Velásquez-García et ses collègues du Massachusetts Institute of Technology affirment que leur appareil surpasse les pompes miniatures de pointe actuelles. Il pourrait être utilisé pour donner aux habitants des communautés éloignées un accès à des instruments avancés tels que la spectrométrie de masse pour les tests sanitaires et environnementaux.

Une pompe péristaltique est un type de pompe volumétrique miniaturisée qui imite l’action des muscles de nos intestins. À l’intérieur de la pompe, le fluide circule dans un tube flexible installé autour du bord intérieur d’un boîtier circulaire rigide.

Un rotor situé à l'axe du cercle est équipé de rouleaux qui passent le long de la circonférence intérieure du cercle – pressant le tube contre le boîtier, transportant des poches de fluide devant les rouleaux, en direction de la sortie de la pompe. Simultanément, après le passage du rouleau, le tube reprend sa forme initiale. Cela crée un effet d'aspiration qui aspire plus de liquide dans la pompe.

Étant donné que cette technique évite le contact direct entre le fluide et le mécanisme de pompage, elle est désormais largement utilisée pour transporter des liquides chimiquement réactifs ou devant rester intacts, comme le sang.

Cependant, jusqu’à présent, les pompes péristaltiques n’ont pas été largement utilisées pour créer et maintenir un vide lors du transport de gaz. Cela nécessiterait que le rotor tourne à des vitesses plus rapides et comprime plus fort le tube flexible, ce qui pourrait rapidement endommager la pompe. De plus, un tube à section circulaire ne peut jamais être complètement étanche, ce qui signifie qu'un peu de gaz peut toujours s'échapper dans la mauvaise direction.

Dans la nouvelle étude, l'équipe de Velásquez-García a exploré comment ces problèmes pourraient être résolus grâce à une conception de tube flexible plus intelligente, rendue possible par l'impression 3D. "L'un des principaux avantages de l'impression 3D est qu'elle nous permet de créer des prototypes de manière agressive", explique Velásquez-García.

« Si vous effectuez ce travail dans une salle blanche, où sont fabriquées de nombreuses pompes miniaturisées, cela prend beaucoup de temps. Si vous souhaitez apporter 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.

Cette approche a permis à Velásquez-García et à son équipe d'imprimer simultanément tout le fonctionnement interne de la pompe. Pour le tube flexible, ils ont utilisé un matériau relativement nouveau, plus facile à imprimer que les matériaux flexibles plus courants, mais possédant les propriétés requises.

Ils ont également adapté la conception du tube en introduisant une paire d'encoches sur les côtés opposés de sa section transversale, perpendiculaires à la direction de sa compression par les rouleaux. Cette petite modification signifiait que le tube nécessitait moins de la moitié de la force pour se sceller complètement (voir figure).

Avec ces adaptations en place, la pompe de l'équipe pourrait maintenir des pressions de vide d'un ordre de grandeur inférieure à celles des autres pompes miniaturisées de pointe. Ceci est obtenu en utilisant des vitesses de rotor plus faibles et avec des forces plus faibles exercées sur le tube flexible. Leur conception a maintenu ces performances sur une durée de vie de plus de 100 000 rotations.

Velásquez-García et ses collègues estiment que leurs résultats montrent clairement à quel point l'impression 3D est devenue avancée. « Certaines personnes pensent que lorsqu’on imprime quelque chose en 3D, il doit y avoir une sorte de compromis. Mais ici, notre groupe a montré que ce n'était pas le cas », affirme Velásquez-García. «C'est vraiment un nouveau paradigme. La fabrication additive ne résoudra pas tous les problèmes du monde, mais c’est une solution qui a de réelles chances de succès.

Un colorant alimentaire aide à imprimer en 3D des réseaux vasculaires

L’équipe envisage de nombreuses utilisations possibles pour le dispositif : notamment la métallurgie de haute pureté, les procédés de revêtement, la fabrication de semi-conducteurs et surtout la spectrométrie de masse.

"Avec les spectromètres de masse, le gorille de 500 livres dans la pièce a toujours été le problème des pompes à vide", explique Velásquez-García. « 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 procéder de la manière habituelle, nous n’aurions pas été à la hauteur. »