Pompa magnet monolitik, dicetak dalam 3D penuh, ditampilkan di sebelah satu sen Amerika Serikat. Port fluida terlihat di pompa di kiri dan tengah, sedangkan piston dengan magnet tertanam terlihat di pompa di sebelah kanan. Kredit: Luis Fernando Velásquez-García
Konsep ini adalah demonstrasi pertama dari pompa 3D multi-material bermagnet yang dicetak dalam satu bagian.
Pompa miniatur baru – kompak, tanpa katup, dan dioperasikan secara magnetis – menunjukkan kemampuan ekstensif perangkat yang terbuat dari pencetakan 3D.
Dengan ukuran hanya 1 sentimeter volume, pompa diproduksi dalam 75 menit dalam satu proses dengan menggunakan lebih banyak bahan yang harganya kurang dari $ 3,89 per unit. Ini dapat memindahkan cairan dan gas dengan menggunakan lebih sedikit daya dan mengalami lebih sedikit penyumbatan daripada pompa standar yang diproduksi dengan ukuran ini. Salah satu desain pompa adalah demonstrasi pertama dari pompa 3D magnetik multi-material yang dicetak secara monolitik – semuanya dalam satu bagian.
Luis Fernando Velásquez-García, kepala ilmuwan peneliti di DenganMicrosystems Technology Laboratories (MTL), memimpin tim yang membangun pompa. Dia mengatakan pompa yang efisien dan portabel dapat digunakan dalam aplikasi “dari sel bahan bakar hingga pembangkit listrik hingga penukar panas” yang mendinginkan chip komputer.
Manufaktur aditif menawarkan cara untuk membuat perangkat miniatur yang berisi lebih banyak bahan dengan kemampuan baru, dan yang dirancang sesuai permintaan untuk aplikasi yang lebih disesuaikan, sarannya.
Velásquez-García berharap bahwa pompa uji prinsip akan menginspirasi orang lain untuk melihat lebih dekat potensi lapis demi lapis, manufaktur aditif berbantuan komputer, dibandingkan dengan gaya produksi massal “ruang bersih” yang ditetapkan oleh industri semikonduktor.
Sementara para peneliti berusaha meniru keberhasilan industri dalam mengembangkan perangkat miniatur baru, “Saya sampai pada kesimpulan bahwa, dalam beberapa kasus, metode pembuatan mungkin tidak sama, bahan mungkin tidak sama. , dan perwujudan spesifik dari solusinya sangat berbeda, ”katanya.
Velásquez-García, dengan postdoc MTL Javier Izquierdo Reyes, disponsori oleh program Tec-MIT Monterrey Nanotechnology, dan Anthony Taylor di Edwards Vacuum, menjelaskan pompa baru pada edisi 27 Agustus 2020 dari Jurnal Fisika D: Fisika Terapan.
Kiri: Port Fluida (atas) dan u. piston dengan magnet tertanam (bawah). Di tengah, tampak samping salah satu pompa. Kanan: Penampang pompa magnet monolitik, dicetak dalam 3D penuh. Kredit: Luis Fernando Velásquez-García
Portabel dan bertenaga
Pompa, masing-masing berdiameter kurang dari satu sentimeter, berbentuk seperti silinder kecil yang dimahkotai oleh membran. Di bagian atas membran adalah ruang fluida, dengan dua port non-katup di atas untuk memasang tabung. Para peneliti mencetak pompa dengan dua cara, menggunakan Nylon 12 sebagai bahan struktural di keduanya. Pada pompa pertama, magnet dimasukkan ke dalam struktur piston tertutup. Dengan pompa monolitik kedua, para peneliti menggunakan Nilon 12 bertatahkan mikropartikel magnet neodymium (NdFeB) untuk membuat inti magnet pompa.
Nylon 12 adalah bahan struktural yang sangat baik yang dapat dengan mudah menyerap sejumlah besar partikel magnetik, dan cukup kuat untuk menahan mikropartikel NdFeB dengan kuat selama magnetisasi awal, memungkinkannya untuk membuat magnet permanen yang kuat, kata Velásquez-García. “Dalam bahan yang lebih lembut, partikel akan berosilasi, menghasilkan magnetisasi bersih dari komposit magnetik.”
Pompa digerakkan oleh magnet berputar eksternal, yang berinteraksi dengan magnet internal untuk menggerakkan piston dan mengubah bentuk diafragma, mendorong cairan atau gas dari satu port ke port lain. Piston hanya dibatasi oleh membran, sehingga dapat bergerak dengan beberapa cara sekaligus ketika diaktifkan oleh magnet luar. Karena digerakkan secara magnetis, perangkat baru ini lebih portabel daripada pompa pneumatik, misalnya, yang perlu dipasangkan secara fisik ke sumber eksternal cairan bertekanan.
Empat belas juta siklus kemudian, pompa baru tidak menunjukkan tanda-tanda kebocoran, dan kinerjanya melebihi pompa cairan miniatur tercetak 3D yang canggih dan dibandingkan dengan pompa vakum komersial. dalam bentuk miniatur, para peneliti menyimpulkan.
“Jangan salin dan tempel”
Meskipun pompa tidak dirancang dengan aplikasi khusus, Velásquez-García mengatakan perangkat tersebut menunjukkan peluang yang tersedia melalui pencetakan monolitik 3D multimaterial.
Misalnya, para peneliti telah mampu meningkatkan kapasitas tumbukan pompa baru di luar pompa yang dibuat secara klasik dari silikon dengan mengubah metode pencetakan untuk membuat membran lebih dapat dideformasi sambil mempertahankan bodi piston yang lebih kaku – semuanya menggunakan bahan yang sama Nylon 12.
“Ini bukan tentang menyalin dan menempel apa yang telah dilakukan orang sebelumnya, ini benar-benar mengeksploitasi manfaat pers,” kata Velásquez-García. “Saya pikir ada peluang nyata untuk membuat perbedaan jika kita meninjau kembali masalah yang tidak dapat kita selesaikan dengan baik sebelumnya dan sekarang kita bisa karena payung manufaktur aditif ini.”
Pompa magnet baru adalah implementasi yang sangat cerdas dari prinsip bahwa “kompleksitas itu gratis” dalam manufaktur digital dan aditif, “kata Albert Folch, profesor bioteknologi di Universitas Washington yang tidak terlibat dalam studi MIT. “Karena pompa ini terbuat dari banyak komponen dari bahan yang berbeda dan bentuk yang rumit, pembuatan dan perakitan tradisional cenderung mahal.”
“Kemungkinan bagaimana memproses energi dan informasi jauh lebih besar jika Anda dapat membuat perangkat monolitik yang terbuat dari sejumlah bahan,” Velásquez-García setuju.
Sebagai langkah selanjutnya, Velásquez-García dan rekan-rekannya dapat menggunakan pelajaran dari pompa untuk membuat miniatur motor listrik secara monolitik. Tetapi dia berharap orang-orang di seluruh dunia akan terinspirasi oleh pompa untuk merancang dan membuat perangkat mereka sendiri, terutama karena mereka dapat dibuat dengan printer yang relatif murah dan banyak tersedia. “Mungkin ini bisa berperan dalam demokratisasi teknologi,” katanya.
Referensi: “Pompa kompak yang dioperasikan secara magnetis, diproduksi untuk cairan dan gas aditif” oleh Anthony P Taylor, Javier Izquierdo Reyes dan Luis Fernando Velásquez-García, 15 Juni 2020, Jurnal Fisika D: Fisika Terapan.
DOI: 10.1088 / 1361-6463 / ab8de8