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3D資訊
首頁 > 資訊中心便攜式質(zhì)譜儀的山東青島3D打印組件
發(fā)布時間：2024-01-16
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質(zhì)譜儀是識別化學(xué)物質(zhì)的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于犯罪現(xiàn)場分析、毒理學(xué)測試和地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域。但這些機(jī)器體積龐大、價格昂貴且容易損壞，這限制了它們的有效部署。
這張照片顯示了3D打印的小型四極桿質(zhì)量過濾器的示例，它們可以在幾個小時內(nèi)以幾美元的價格制造出來
麻省理工學(xué)院的研究人員利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)了一種質(zhì)量過濾器，它是質(zhì)譜儀的核心部件，比采用傳統(tǒng)技術(shù)和材料制造的同類型過濾器更輕、更便宜。
他們的微型過濾器被稱為四極桿，可以在幾小時內(nèi)以幾美元的價格完全制造出來。該3D打印設(shè)備與一些商業(yè)級濾質(zhì)器一樣精確，而這些濾質(zhì)器的成本可能超過 100,000 美元，并且需要數(shù)周時間才能制造。
該過濾器采用耐用且耐熱的玻璃陶瓷樹脂制成，一步3D打印而成，因此無需組裝。裝配經(jīng)常會引入缺陷，從而影響四極桿的性能。
這種輕質(zhì)、廉價且精確的四極桿是 Luis Fernando Velásquez-García 20 年來致力于生產(chǎn)3D打印便攜式質(zhì)譜儀的重要一步。
無上部結(jié)構(gòu)QMF的3D CAD渲染，詳細(xì)描述了連接相對電極的螺旋橋。電極的長度為 12.5 厘米，而相對桿之間的間距為 12 毫米
“我們并不是第一個嘗試這樣做的人。但我們是第一個成功做到這一點(diǎn)的人。還有其他小型四極桿過濾器，但它們無法與專業(yè)級質(zhì)量過濾器相媲美。如果尺寸和成本能夠更小，而又不會對性能產(chǎn)生不利影響，那么這種硬件就有很多可能性?！甭槭±砉W(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 (MTL) 的首席研究科學(xué)家、詳細(xì)介紹小型化硬件的論文的資深作者 Velásquez-García 說道。
例如，科學(xué)家可以將便攜式質(zhì)譜儀帶到雨林的偏遠(yuǎn)地區(qū)，用它來快速分析潛在的污染物，而無需將樣本運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。輕型設(shè)備會更便宜，更容易發(fā)送到太空，在那里它可以監(jiān)測地球大氣層或遙遠(yuǎn)行星大氣層中的化學(xué)物質(zhì)。
Velásquez-García 與該論文的主要作者 Colin Eckhoff 一起參與了這篇論文，他是麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué) (EECS) 專業(yè)的研究生。尼古拉斯·盧賓斯基 (Nicholas Lubinsky)，前麻省理工學(xué)院博士后；以及 Ardara Technologies 的 Luke Metzler 和 Randall Pedder。該研究發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》雜志上。
大小事項(xiàng)
質(zhì)譜儀的核心是濾質(zhì)器。該組件使用電場或磁場根據(jù)帶電粒子的質(zhì)荷比對帶電粒子進(jìn)行分類。通過這種方式，該設(shè)備可以測量樣品中的化學(xué)成分，從而識別未知物質(zhì)。
四極桿是一種常見類型的濾質(zhì)器，由圍繞軸的四個金屬桿組成。電壓施加到棒上，產(chǎn)生電磁場。根據(jù)電磁場的特性，具有特定質(zhì)荷比的離子將在過濾器的中間旋轉(zhuǎn)，而其他顆粒則從側(cè)面逸出。通過改變電壓的組合，人們可以瞄準(zhǔn)具有不同質(zhì)荷比的離子。
雖然設(shè)計(jì)相當(dāng)簡單，但典型的不銹鋼四極桿可能重幾公斤。但小型化四極桿并不是一件容易的事。使過濾器變小通常會在制造過程中引入錯誤。另外，較小的過濾器收集的離子較少，這使得化學(xué)分析的靈敏度較低。
本研究中報(bào)告的QMF在打印后制造過程中的選定圖像。a) 3D打印的 QMF 主體。b) 遮蓋連接 QMF 桿和上部結(jié)構(gòu)的柱子。c) 鍍有漆膜的 QMF。d) 沒有掩蔽的電鍍 QMF，產(chǎn)生工作裝置。相對桿之間的間距等于 12 毫米，四極桿的長度為 12.5 厘米
“你不能把四極子任意變小——這是一個權(quán)衡，”維拉斯奎茲-加西亞補(bǔ)充道。
他的團(tuán)隊(duì)通過利用增材制造來制造具有理想尺寸和形狀的小型四極桿，以最大限度地提高精度和靈敏度，從而平衡了這種權(quán)衡。
他們用玻璃陶瓷樹脂制造過濾器，這是一種相對較新的可印刷材料，可以承受高達(dá) 900 攝氏度的溫度，并且在真空中表現(xiàn)良好。
該設(shè)備采用大桶光聚合工藝生產(chǎn)，在這一過程中，活塞會推入一桶液態(tài)樹脂中，直到幾乎接觸到底部的 LED 陣列。它們會照亮并固化殘留在活塞和 LED 之間微小間隙中的樹脂。然后將一小層固化聚合物粘在活塞上，活塞上升并重復(fù)這個循環(huán)，一次一層地構(gòu)建該設(shè)備。
“這是一種相對較新的陶瓷打印技術(shù)，可讓您制作非常精確的 3D 物體。增材制造的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是您可以積極地迭代設(shè)計(jì)。”Velásquez-García 說道。
由于3D打印機(jī)幾乎可以形成任何形狀，研究人員設(shè)計(jì)了帶有雙曲桿的四極桿。這種形狀非常適合質(zhì)量過濾，但很難用傳統(tǒng)方法制造。許多商業(yè)過濾器采用圓棒，這會降低性能。
他們還在桿周圍印刷了一個復(fù)雜的三角形網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，這提供了耐用性，同時確保在設(shè)備移動或搖晃時桿保持正確的位置。
為了完成四極桿，研究人員使用了一種稱為化學(xué)鍍的技術(shù)，在桿上涂上一層金屬薄膜，使其具有導(dǎo)電性。他們用掩蔽化學(xué)品覆蓋除桿外的所有東西，然后將四極桿浸入加熱到精確溫度和攪拌條件的化學(xué)浴中。這樣可以在棒上均勻沉積一層金屬薄膜，而不會損壞設(shè)備的其余部分或使棒短路。
“考慮到我們3D打印機(jī)的限制，最終我們制造出了最緊湊、最精確的四極桿，”Velásquez-García 說道。
最大化性能
為了測試他們的3D打印四極桿，該團(tuán)隊(duì)將它們更換到商業(yè)系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)它們可以獲得比其他類型的微型濾波器更高的分辨率。它們的四極桿長約 12 厘米，密度是同類不銹鋼過濾器的四分之一。
此外，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，他們的3D打印四極桿可以達(dá)到與大型商業(yè)過濾器相當(dāng)?shù)木取?/span>
未來，研究人員計(jì)劃通過加長過濾器來提高四極桿的性能。較長的過濾器可以實(shí)現(xiàn)更精確的測量，因?yàn)楫?dāng)化學(xué)物質(zhì)沿著其長度移動時，更多應(yīng)該被過濾掉的離子會逸出。他們還打算探索可以更好地傳熱的不同陶瓷材料。
“我們的愿景是制造一款所有關(guān)鍵部件都可以3D打印的質(zhì)譜儀，從而在不犧牲性能的情況下降低設(shè)備的重量和成本。還有很多工作要做，但這是一個很好的開始，”委拉斯開茲-加西亞補(bǔ)充道。
這項(xiàng)工作由 Empiriko Corporation 資助。
這張照片顯示了3D打印的小型四極桿質(zhì)量過濾器的示例，它們可以在幾個小時內(nèi)以幾美元的價格制造出來
麻省理工學(xué)院的研究人員利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)了一種質(zhì)量過濾器，它是質(zhì)譜儀的核心部件，比采用傳統(tǒng)技術(shù)和材料制造的同類型過濾器更輕、更便宜。
他們的微型過濾器被稱為四極桿，可以在幾小時內(nèi)以幾美元的價格完全制造出來。該3D打印設(shè)備與一些商業(yè)級濾質(zhì)器一樣精確，而這些濾質(zhì)器的成本可能超過 100,000 美元，并且需要數(shù)周時間才能制造。
該過濾器采用耐用且耐熱的玻璃陶瓷樹脂制成，一步3D打印而成，因此無需組裝。裝配經(jīng)常會引入缺陷，從而影響四極桿的性能。
這種輕質(zhì)、廉價且精確的四極桿是 Luis Fernando Velásquez-García 20 年來致力于生產(chǎn)3D打印便攜式質(zhì)譜儀的重要一步。
無上部結(jié)構(gòu)QMF的3D CAD渲染，詳細(xì)描述了連接相對電極的螺旋橋。電極的長度為 12.5 厘米，而相對桿之間的間距為 12 毫米
“我們并不是第一個嘗試這樣做的人。但我們是第一個成功做到這一點(diǎn)的人。還有其他小型四極桿過濾器，但它們無法與專業(yè)級質(zhì)量過濾器相媲美。如果尺寸和成本能夠更小，而又不會對性能產(chǎn)生不利影響，那么這種硬件就有很多可能性?！甭槭±砉W(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 (MTL) 的首席研究科學(xué)家、詳細(xì)介紹小型化硬件的論文的資深作者 Velásquez-García 說道。
例如，科學(xué)家可以將便攜式質(zhì)譜儀帶到雨林的偏遠(yuǎn)地區(qū)，用它來快速分析潛在的污染物，而無需將樣本運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。輕型設(shè)備會更便宜，更容易發(fā)送到太空，在那里它可以監(jiān)測地球大氣層或遙遠(yuǎn)行星大氣層中的化學(xué)物質(zhì)。
Velásquez-García 與該論文的主要作者 Colin Eckhoff 一起參與了這篇論文，他是麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué) (EECS) 專業(yè)的研究生。尼古拉斯·盧賓斯基 (Nicholas Lubinsky)，前麻省理工學(xué)院博士后；以及 Ardara Technologies 的 Luke Metzler 和 Randall Pedder。該研究發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》雜志上。
大小事項(xiàng)
質(zhì)譜儀的核心是濾質(zhì)器。該組件使用電場或磁場根據(jù)帶電粒子的質(zhì)荷比對帶電粒子進(jìn)行分類。通過這種方式，該設(shè)備可以測量樣品中的化學(xué)成分，從而識別未知物質(zhì)。
四極桿是一種常見類型的濾質(zhì)器，由圍繞軸的四個金屬桿組成。電壓施加到棒上，產(chǎn)生電磁場。根據(jù)電磁場的特性，具有特定質(zhì)荷比的離子將在過濾器的中間旋轉(zhuǎn)，而其他顆粒則從側(cè)面逸出。通過改變電壓的組合，人們可以瞄準(zhǔn)具有不同質(zhì)荷比的離子。
雖然設(shè)計(jì)相當(dāng)簡單，但典型的不銹鋼四極桿可能重幾公斤。但小型化四極桿并不是一件容易的事。使過濾器變小通常會在制造過程中引入錯誤。另外，較小的過濾器收集的離子較少，這使得化學(xué)分析的靈敏度較低。
本研究中報(bào)告的QMF在打印后制造過程中的選定圖像。a) 3D打印的 QMF 主體。b) 遮蓋連接 QMF 桿和上部結(jié)構(gòu)的柱子。c) 鍍有漆膜的 QMF。d) 沒有掩蔽的電鍍 QMF，產(chǎn)生工作裝置。相對桿之間的間距等于 12 毫米，四極桿的長度為 12.5 厘米
“你不能把四極子任意變小——這是一個權(quán)衡，”維拉斯奎茲-加西亞補(bǔ)充道。
他的團(tuán)隊(duì)通過利用增材制造來制造具有理想尺寸和形狀的小型四極桿，以最大限度地提高精度和靈敏度，從而平衡了這種權(quán)衡。
他們用玻璃陶瓷樹脂制造過濾器，這是一種相對較新的可印刷材料，可以承受高達(dá) 900 攝氏度的溫度，并且在真空中表現(xiàn)良好。
該設(shè)備采用大桶光聚合工藝生產(chǎn)，在這一過程中，活塞會推入一桶液態(tài)樹脂中，直到幾乎接觸到底部的 LED 陣列。它們會照亮并固化殘留在活塞和 LED 之間微小間隙中的樹脂。然后將一小層固化聚合物粘在活塞上，活塞上升并重復(fù)這個循環(huán)，一次一層地構(gòu)建該設(shè)備。
“這是一種相對較新的陶瓷打印技術(shù)，可讓您制作非常精確的 3D 物體。增材制造的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是您可以積極地迭代設(shè)計(jì)。”Velásquez-García 說道。
由于3D打印機(jī)幾乎可以形成任何形狀，研究人員設(shè)計(jì)了帶有雙曲桿的四極桿。這種形狀非常適合質(zhì)量過濾，但很難用傳統(tǒng)方法制造。許多商業(yè)過濾器采用圓棒，這會降低性能。
他們還在桿周圍印刷了一個復(fù)雜的三角形網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，這提供了耐用性，同時確保在設(shè)備移動或搖晃時桿保持正確的位置。
為了完成四極桿，研究人員使用了一種稱為化學(xué)鍍的技術(shù)，在桿上涂上一層金屬薄膜，使其具有導(dǎo)電性。他們用掩蔽化學(xué)品覆蓋除桿外的所有東西，然后將四極桿浸入加熱到精確溫度和攪拌條件的化學(xué)浴中。這樣可以在棒上均勻沉積一層金屬薄膜，而不會損壞設(shè)備的其余部分或使棒短路。
“考慮到我們3D打印機(jī)的限制，最終我們制造出了最緊湊、最精確的四極桿，”Velásquez-García 說道。
最大化性能
為了測試他們的3D打印四極桿，該團(tuán)隊(duì)將它們更換到商業(yè)系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)它們可以獲得比其他類型的微型濾波器更高的分辨率。它們的四極桿長約 12 厘米，密度是同類不銹鋼過濾器的四分之一。
此外，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，他們的3D打印四極桿可以達(dá)到與大型商業(yè)過濾器相當(dāng)?shù)木取?/span>
未來，研究人員計(jì)劃通過加長過濾器來提高四極桿的性能。較長的過濾器可以實(shí)現(xiàn)更精確的測量，因?yàn)楫?dāng)化學(xué)物質(zhì)沿著其長度移動時，更多應(yīng)該被過濾掉的離子會逸出。他們還打算探索可以更好地傳熱的不同陶瓷材料。
“我們的愿景是制造一款所有關(guān)鍵部件都可以3D打印的質(zhì)譜儀，從而在不犧牲性能的情況下降低設(shè)備的重量和成本。還有很多工作要做，但這是一個很好的開始，”委拉斯開茲-加西亞補(bǔ)充道。
這項(xiàng)工作由 Empiriko Corporation 資助。