Manipolazione del fluido con palette vibranti stampate in 3D per applicazioni in micropompa

La micropompa stampata in 3D manipola il movimento dei fluidi con micropadelle vibranti

Molti scienziati sono stati ispirati i movimenti dei pesci , e abbinato il concetto con la stampa 3D per esperimenti interessanti. I ricercatori Zhiyong Tang, Xiufeng Shao, Jianze Huang, Jinyuan Yao e Guifu Ding dell’Università di Shanghai Jiao Tong hanno utilizzato la stampa 3D per creare una nuova micropompa azionata da micropadi vibranti (MP) per manipolare il fluido. Dove hanno preso l’idea? Dal fenomeno naturale dei pesci che si muovono in avanti facendo oscillare le pinne o il corpo, ovviamente.

Il team ha pubblicato un documento, intitolato ” Manipolazione del fluido con palette vibranti stampate in 3D per applicazioni in micropompa “, sul loro lavoro, che introduce MP in movimento in una micropompa stampata in 3D per spostare il fluido. L’articolo analizza la pompa azionata da MP attraverso analisi, calcoli ed esperimenti.

“Questo documento presenta un nuovo meccanismo di funzionamento di una micropompa che utilizza micropadelle (MP) per manipolare attivamente il fluido basato sulla tecnologia di stampa 3D. Il nuovo principio di funzionamento viene sistematicamente discusso usando metodi di analisi, calcolo ed esperimento ”, ha scritto il team.

Le micropompe hanno molte applicazioni, dalla consegna dei farmaci e dal rilevamento biochimico al monitoraggio ambientale, alla separazione molecolare e al raffreddamento della microelettronica. Esistono due tipi principali: una micropompa meccanica ha un attuatore fisico, mentre una non meccanica guida i microfluidi trasformando l’energia non meccanica in movimento cinetico. La nuova micropompa del team si basa su palette vibranti.

“La maggior parte delle micropompe a spostamento meccanico dipendono fortemente da un diaframma vibrante azionato da una lega di memoria piezoelettrica, elettrostatica, elettromagnetica o di forma per riempire e pressurizzare periodicamente la camera per manipolare il microfluido”, hanno spiegato i ricercatori. “Queste micropompe meccaniche producono microfluid solo deformando l’intera camera e non riescono a controllare il fluido localmente, limitando così la manipolazione precisa e l’integrazione del sistema.”

I ricercatori hanno creato un modello teorico al fine di ricercare parametri, come ampiezza e frequenza delle vibrazioni e forma e dimensioni dei MP, che possono guidare i microfluidi. Hanno usato due diverse tecniche di stampa 3D per semplificare il processo di fabbricazione della pompa prototipo. Un Flashforge Dreamer e un “processo di ribaltamento” sono stati utilizzati per creare un prototipo di pompa antimodello, completa di una camera aperta, mentre una pompa valveless stampata integrata con palette e un ingresso e un’uscita circolare sono state stampate in 3D su una Stratasys J750.

“Il metodo che combinava la stampa 3D e il processo di ribaltamento offriva comodità per osservare i fenomeni dell’esperimento e ricercare il meccanismo di funzionamento nei seguenti esperimenti. Il gel di silice è stato considerato un materiale ideale ad alta resistenza per replicare strutture 3D a basso costo e con un’adeguata flessibilità “, hanno spiegato i ricercatori.

“Combinando la tecnologia di stampa FDM e il processo di ribaltamento, i materiali che non possono essere stampati direttamente potrebbero essere utilizzati per formare strutture o dispositivi 3D complessi.”

La resina epossidica è stata utilizzata per fissare il micromotore, che si muoveva in una circonferenza orizzontale, sulla membrana inferiore della prima pompa, in modo che la portata della pompa, con otto palette vibranti, potesse essere testata direttamente. Questa pompa prototipo integrava un sistema lab-on-a-chip (LOC) con diverse funzioni ed eseguiva un esperimento di tintura “per convalidare la capacità di guida direzionale in modo intuitivo”, mentre la seconda utilizzava il metodo di pesatura per testare il flusso.

L’analisi degli elementi finiti (FEA) e la modellizzazione matematica hanno aiutato a mostrare il principio di funzionamento e i “parametri cruciali” delle micropompe stampate in 3D guidate da MP, incluso il fatto che le pompe erano in grado di erogare fluido in una direzione specificata e produrre flussi diversi tassi, una volta modificati alcuni di questi parametri. Una telecamera ad alta velocità è stata utilizzata per osservare “il processo di lavorazione” delle micropadi.

La maggior parte dell’energia del micromotore è andata ad aumentare l’ampiezza delle vibrazioni, ma questo parametro era abbastanza “volatile” quando il motore è stato installato su un dispositivo diverso, quindi i ricercatori hanno deciso uno standard per lo spostamento della punta della paletta lungo la direzione del canale mentre impostavano l’ampiezza . La fotocamera è stata utilizzata anche durante un esperimento che ha misurato lo spostamento verticale della paletta, dimostrando che “l’ampiezza delle vibrazioni ha continuato ad aumentare con una maggiore tensione di lavoro”.

“Tutte le pompe prototipo hanno mantenuto la stessa tendenza crescente con la tensione di pilotaggio, indicando quindi una migliore capacità di manipolazione dei fluidi. Sebbene alcuni punti anomali risultino dal fattore dimensioni e dall’influenza dell’ambiente reale, la maggior parte dei risultati dei test ha mostrato quasi la stessa relazione di capacità di output con i risultati della simulazione numerica “, hanno affermato i ricercatori.

Hanno scoperto che la pompa a micropadelle, vibrando a 162 Hz e alimentata a 9 V, era in grado di raggiungere una portata elevata di 127,9 ml / min e che la capacità di guida era influenzata dall’alternanza della distribuzione strutturale o dall’ottimizzazione del struttura. Questi risultati e altro, come la morfologia fluida e la direzione di rotazione, “erano coerenti con i risultati della simulazione, indicando così che le simulazioni hanno prodotto risultati affidabili”.

“Gli altri due esperimenti dimostrativi, vale a dire il test di tintura e il rilevamento della reazione acido-base, hanno dimostrato la capacità della pompa di manipolare il fluido in modo direzionale e controllare l’ordine del flusso”, hanno concluso i ricercatori. “La ricerca di una fonte di vibrazione più ragionevole e la riduzione delle dimensioni del dispositivo sono necessarie per ulteriori studi.”