3D打印的微型磁力泵，每台成本不到3.89美元

将磁性多材料泵3D整体打印的第一次演示。

新型微型泵具有紧凑、无阀的特点，展示了3D打印制造的设备的广泛功能。

该泵体积只有1厘米，用多种材料在单一工艺中制造了75分钟，每台成本不到3.89美元。与这种尺寸的标准制造泵相比，它可以用更少的功率移动液体和气体，并且减少堵塞。

麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席研究科学家Luis Fernando Velásquez-García领导了制造泵的团队。他说，这种高效且便携式的泵可以应用于“从燃料电池到发电再到热交换器”的各种应用中。

他说，增材制造提供了一种方法来制造包含多种具有新功能的材料的微型设备，并根据更个性化的应用需求进行设计。

Velasquez-Garcia希望这种原理验证泵能激发其他人更仔细地观察一层一层、计算机辅助增材制造的潜力，而不是半导体行业所规定的“洁净室”大规模生产方式。

Velasquez-Garcia和蒙特雷理工学院纳米技术项目资助的MTL博士后Javier Izquierdo Reyes，以及爱德华兹真空学院的Anthony Taylor在2020年8月27日的《物理杂志D:应用物理》上描述了这种新型泵。

左：流体端口（顶部）、带有嵌入式磁铁的活塞（底部）。中间：一个泵的侧视图。右：完整的3D打印的整体式磁力泵的横截面。

便携而强大

每个泵的直径略小于一角硬币，它们的形状像小圆柱体，顶部有一层薄膜。在膜的顶部是流体室，在顶部有两个连接管道的无阀端口。研究人员以两种方式打印这种泵，都使用尼龙12作为结构材料。在第一个泵中，一个磁铁被压入封闭的活塞的结构中。对于第二个单片泵，研究人员使用嵌入钕磁铁(NdFeB)微粒的尼龙12来制造泵的磁芯。

Velasquez-Garcia说：“尼龙12是一种极好的结构材料，可以轻松吸收大量磁性颗粒，并且在初始磁化过程中足够坚固地保持住NdFeB微粒，这使得制造强大的永久磁铁成为可能。”

泵由外部旋转磁铁驱动，外部旋转磁铁与内部磁铁相互作用，移动活塞，使膜变形，推动液体或气体从一个端口到另一个端口。活塞仅受膜的约束，在外部磁铁的作用下，可以同时进行多种运动。由于它是磁力驱动的，这种新装置比风动泵更轻便。

研究人员总结说，经过1400万次循环后，新的泵没有出现泄漏的迹象，而且它们的性能超过了最先进的3d打印微型液体泵，与小型商业真空泵相比也很好。

“不是复制粘贴”

Velasquez-Garcia说，尽管泵的设计并没有考虑到任何具体的应用，但该设备展示了单片、多材料3D打印的可行性。

例如，研究人员通过改变打印方法，在保持活塞体更刚性的同时，制造出可变形的薄膜，从而提高了新型泵的冲程能力——所有这些都使用相同的尼龙12材料。

Velasquez-Garcia说:“这并不是复制粘贴人们以前做过的东西，而是利用了打印的优势。我认为，如果我们重新审视过去无法完全解决的问题，就有一个真正的机会来发挥作用。而现在，由于叠加式制造这一保护伞，我们能够解决这些问题。”

华盛顿大学的生物工程教授Albert Folch说：“这种新的磁力泵非常巧妙地实现了数字和加法制造中‘复杂性是免费的’这一原则。因为这些泵是由几种不同材料和复杂形状的部件组成的，传统的制造和组装往往很昂贵。”

Velasquez-Garcia表示：“如果你可以用单一的方式创造出由多种材料组成的设备，那么如何处理能量和信息的可能性就会大得多。”

下一步，Velasquez-Garcia和他的同事们可能会利用从水泵学到的经验，用一块巨石建造一个微型电机。但他希望世界各地的人们将受到泵浦的启发，设计和制造自己的设备，特别是因为它们可以使用相对便宜和广泛使用的打印机。他说:“也许这能在技术民主化中起到一定作用。”