Impressão 3D de uma bomba magnética em miniatura

Design é a primeira demonstração de uma bomba 3D magnética multimaterial impressa em uma única peça.

Por: Becky Ham/ MIT News 10/09/2020  

Uma nova bomba em miniatura - compacta, sem válvula e operada magneticamente - demonstra a ampla capacidade dos dispositivos fabricados por impressão 3D.

Medindo apenas 1 centímetro de volume, a bomba foi fabricada em 75 minutos em um único processo usando vários materiais que custam menos de US $ 3,89 por unidade. Ele pode mover líquidos e gases usando menos energia e apresentando menos entupimento do que as bombas fabricadas padrão desse tamanho. Um dos projetos da bomba é a primeira demonstração de uma bomba magnética multimaterial 3D impressa monoliticamente - tudo em uma peça.

Luis Fernando Velásquez-García, principal cientista de pesquisa dos Laboratórios de Tecnologia de Microsistemas (MTL) do MIT, liderou a equipe que construiu a bomba. Ele diz que a bomba eficiente e portátil pode ser usada em aplicações “de células de combustível a geração de energia e trocadores de calor” que resfriam chips de computador.

A manufatura aditiva oferece uma maneira de criar dispositivos miniaturizados que contêm vários materiais com novos recursos e que são projetados sob demanda para aplicações mais personalizadas, sugere ele.


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Velásquez-García espera que a bomba de prova de princípio inspire outros a olhar mais de perto o potencial da manufatura aditiva assistida por computador, camada por camada, em comparação com o estilo de produção em massa de “sala limpa” estabelecido pela indústria de semicondutores .

Embora os pesquisadores tenham tentado emular os sucessos dessa indústria para desenvolver novos dispositivos em miniatura, “você chega à conclusão de que, em alguns casos, os métodos de fabricação não podem ser os mesmos, os materiais não podem ser os mesmos e as especificidades das soluções são muito diferentes”, diz ele.

Velásquez-García, junto com o pós-doutorado da MTL Javier Izquierdo Reyes, patrocinado pelo programa de Nanotecnologia Monterrey Tec-MIT, e Anthony Taylor da Edwards Vacuum, descrevem a nova bomba na edição de 27 de agosto do Journal of Physics D: Applied Physics.

Portátil e poderoso

As bombas, cada uma com um diâmetro ligeiramente menor que uma moeda, têm a forma de pequenos cilindros coroados por uma membrana. No topo da membrana está a câmara de fluido, com duas portas sem válvulas na parte superior para conectar os tubos. Os pesquisadores imprimiram a bomba de duas maneiras, usando náilon 12 como material estrutural em ambas. Na primeira bomba, um ímã é encaixado por pressão na estrutura do pistão envolvente. Com a segunda bomba monolítica, os pesquisadores usaram náilon 12 incorporado com micropartículas de ímã de neodímio (NdFeB) para criar o núcleo magnético da bomba.

O nylon 12 é um excelente material estrutural que pode facilmente absorver grandes quantidades de partículas magnéticas e é suficientemente robusto para segurar as micropartículas de NdFeB durante a magnetização inicial, o que possibilita a criação de fortes ímãs permanentes, diz Velásquez-García. "Em um material mais macio, as partículas oscilariam, resultando em nenhuma magnetização líquida do composto magnético".

A bomba é acionada por um ímã rotativo externo, que interage com o ímã interno para mover o pistão e deformar a membrana, impulsionando o líquido ou gás de uma porta para a outra. O pistão é restrito apenas pela membrana, então ele pode se mover de várias maneiras ao mesmo tempo quando ativado pelo ímã externo. Por ser acionado magneticamente, o novo dispositivo é mais portátil do que as bombas pneumáticas, por exemplo, que precisam ser fisicamente acopladas a uma fonte externa de fluido pressurizado.

Quatorze milhões de ciclos depois, as novas bombas não mostraram sinais de vazamento, e seu desempenho superou o das bombas de líquido em miniatura impressas em 3D de última geração e se comparou bem com as bombas de vácuo comerciais em miniatura, concluíram os pesquisadores.

"Não é sobre copiar e colar"

Embora a bomba não tenha sido projetada com nenhuma aplicação específica em mente, Velásquez-García diz que o dispositivo demonstra as oportunidades disponíveis por meio da impressão 3D monolítica multimaterial.

Por exemplo, os pesquisadores foram capazes de aumentar a capacidade de curso da nova bomba além de uma bomba fabricada classicamente em silício, alterando os métodos de impressão para fazer uma membrana mais deformável, mantendo um corpo de pistão mais rígido - tudo usando o mesmo material de náilon 12.

“Não se trata de copiar e colar o que as pessoas fizeram antes, mas de explorar as vantagens da impressão”, diz Velásquez-García. "Acho que há uma oportunidade real de fazer a diferença se revisitarmos problemas que não podíamos resolver antes e agora podemos por causa desse guarda-chuva da fabricação de aditivos".

A nova bomba magnética “é uma implementação muito inteligente do princípio de que ‘complexidade é gratuita’ na manufatura digital e aditiva”, diz Albert Folch, professor de bioengenharia da Universidade de Washington que não esteve envolvido no estudo do MIT. "Como essas bombas são feitas de vários componentes de diferentes materiais e formatos complexos, a fabricação e a montagem tradicionais tendem a ser caras".

“As possibilidades de como processar energia e informação são muito maiores se você puder criar monoliticamente dispositivos feitos de uma pluralidade de materiais”, concorda Velásquez-García.

Como próximo passo, Velásquez-García e seus colegas podem usar as lições aprendidas com a bomba para construir monoliticamente um motor elétrico em miniatura. Mas ele espera que as pessoas ao redor do mundo sejam inspiradas pela bomba para projetar e fabricar seus próprios dispositivos, especialmente porque eles podem ser criados usando impressoras relativamente baratas e amplamente disponíveis. “Talvez isso possa ter um papel na democratização da tecnologia”, diz ele.

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