Bagaimana Kami Menggunakan Pencetakan 3D untuk Memvalidasi Desain &Skema Katup untuk Ventilator Mekanik Darurat Kami

Ketika pandemi COVID-19 menjadi perhatian serius di Amerika Utara pada awal 2020, banyak hal yang tidak diketahui. Bagaimana COVID-19 menyebar? Apa saja gejalanya? Bisakah COVID-19 menyebar ketika tidak ada gejala? Apakah ada efek samping yang bertahan lama, atau penyakit spin-off? Seberapa jauh dan seberapa cepat penyebaran akan terjadi? Akankah memakai masker membantu mengekang penyebaran? Kapan vaksin akan siap?

Namun, di antara semua yang tidak diketahui itu, satu fakta pasti – jika penyebaran pandemi dan kasus-kasus serius tumbuh secara eksponensial, ventilator akan sangat penting untuk merawat pasien dengan benar. Kepastian lain:Banyak negara, termasuk pangkalan Protocase sendiri di Kanada, tidak memiliki pasokan ventilator yang memadai untuk skenario seperti itu.

Pada tahap awal pandemi COVID-19, pemerintah federal menganggap Protocase sangat penting, karena basis klien kami dari organisasi yang bekerja di bidang inovasi, kedokteran, kedirgantaraan, dan pertahanan. Tetapi selain terbuka dan siap untuk membuat suku cadang dan penutup khusus pelanggan kami sehingga mereka dapat terus berinovasi dan mengembangkan teknologi baru, Tim Protocase ingin melakukan bagiannya untuk membantu menangani pandemi COVID-19. Proyek? Bangun ventilator portabel yang fungsional yang dapat dengan cepat diproduksi dan dirakit.

Tantangan

Setelah terhubung dengan sekelompok profesional medis, termasuk dokter darurat, terapis pernapasan, dan lainnya, untuk membahas kriteria ventilator fungsional, tim Riset dan Pengembangan kami memetakan sistem pneumatik. Salah satu bagian penting dari desain ventilator adalah katup, yang bekerja bersama-sama dengan pipa bercabang, membentuk sirkuit untuk menghirup dan menghembuskan napas. Tim perlu mendapatkan tiga jenis katup yang umum :katup periksa, katup periksa tekanan yang dapat disesuaikan, dan solenoid.

Satu masalah – katup yang siap dibeli sangat diminati.

“Semua orang melompat pada versi bagian-bagian ini yang cocok untuk ventilator dan semua solusi berbeda untuk pandemi. Ada beberapa gangguan rantai pasokan,” kata Justin Lewis, Insinyur Mekanik di tim R&D Protocase. “Setelah kami berjuang sedikit dengan mencoba memesan katup yang kami butuhkan, kami memutuskan untuk membuatnya sendiri. Katup hasil akhir pada dasarnya adalah versi suku cadang yang dapat kami buat dengan apa yang kami miliki di rumah dengan cepat tanpa harus berurusan dengan waktu tunggu.”

Desain untuk katup datang bersama dengan cepat, karena desain keseluruhan (dan kriteria penting dari fungsi katup) sudah ditetapkan dan ditetapkan dengan baik.

“Pada dasarnya, kami diberi daftar kriteria yang harus dipenuhi oleh dokter dan terapis pernapasan yang kami konsultasikan,” kata Jordan Rose, Insinyur Mekanik R&D di Protocase. “Berdasarkan desain pneumatik dari seluruh sistem, Anda dapat memperoleh tekanan apa yang perlu dilakukan oleh hal-hal ini. Itu adalah setengah dari informasi yang kami butuhkan untuk melanjutkan. Kami melihat bagaimana cara kerja katup periksa, dan pada tekanan dan laju aliran apa yang dibutuhkan hal-hal ini untuk bekerja, menggunakan matematika yang akan kami pelajari di sekolah teknik.”

“Ini Lego industri. Ini tentang melihat keseluruhannya, semua dibangun dari blok dasar ini, ”jelas Lewis. “Ini adalah blok dasar – kita hanya perlu membangunnya dan menyatukannya dalam urutan yang benar sehingga semuanya mencapai tujuan.”

Dengan desain katup yang mapan, serta persyaratan tekanan dan aliran yang ditetapkan, tim mulai bekerja untuk membangun prototipe awal. Untuk tugas itu, pencetakan 3D adalah langkah pertama yang logis, karena akan memvalidasi dimensi dan memverifikasi perhitungan untuk tekanan dan laju aliran.

“Karena proses pemesinan jauh lebih lama, pencetakan 3D suku cadang terlebih dahulu untuk mengonfirmasi spesifikasi adalah penting,” kata Rose.

“Pencetakan 3D memvalidasi seluruh skema,” bunyi lonceng di Lewis. “Ini memungkinkan kami untuk menyatukan semuanya dan berkata, 'Oke, ini berhasil,' sebelum menginvestasikan semua waktu dan uang untuk membangun suku cadang mesin yang tepat."

Tim melakukan beberapa iterasi pencetakan 3D katup periksa dan katup periksa yang dapat disesuaikan, mencoba merampingkan desain sebanyak mungkin dan memastikannya berfungsi dengan baik. Misalnya, dalam desain awal katup periksa yang dapat disetel, katup memiliki lingkaran dan bos di satu sisi.

“Alasan saya melakukan itu adalah untuk melihat dukungan seperti apa yang diperlukan untuk bos melingkar itu. Karena jika tidak, Anda mungkin perlu menopangnya di bawah, ”kata Rose. “Saya ingin mencoba menghindari masalah permukaan apa pun yang mungkin ada di sana sehingga selang yang ada di sistem pneumatik dapat dipasang dengan benar. Akhirnya, kami beralih ke bentuk tabung lurus yang bekerja dengan baik.”

“Teori keseluruhannya bagus sejak awal, ini lebih tentang membuatnya disegel dengan benar, memastikan kami memiliki pegas yang tepat,” kata Lewis.

Satu-satunya katup yang tidak dicetak 3D sebagai prototipe awal adalah solenoid pneumatik – dengan alasan yang bagus.

“Kelihatannya sederhana dari luar, karena hanya balok logam besar, tetapi di dalamnya ada banyak ruang yang berbeda,” jelas Rose. “Ini bukan sesuatu yang layak untuk dicetak 3D.”

“Dengan pencetakan 3D, akan lebih sulit untuk mencapai segel poros pada jenis bahan itu,” kata Lewis. “Dengan menggiling solenoid, kami dapat mengerjakannya dengan hasil akhir yang indah dan memasang poros yang terpasang di sana sehingga semuanya tersegel dengan benar.”

Solenoid pneumatik mencakup setiap aspek manufaktur kustom Protocase, dengan bagian bubut CNC, bagian yang digiling, bagian lembaran logam, bagian yang dicetak 3D, serta bahan paking. Alih-alih memotong bahan paking karet menjadi paking biasa, tim memotong karet menjadi lingkaran menggunakan router CNC untuk membuat kandung kemih katup.

Melihat ke Belakang – dan Melihat Ke Depan

Pada akhirnya, melakukan pencetakan 3D terlebih dahulu sangat bermanfaat untuk memastikan potongan Lego industri akan cocok bersama dan berfungsi sebagai skema yang ditata, tanpa menghabiskan waktu yang berharga dan penting untuk mengerjakan semua bagian dengan mesin CNC.

“Senang mengetahui Anda menuju ke arah yang benar. Anda memiliki skema, Anda menggabungkan semuanya dan kemudian pergi, 'Oh, tunggu, ini semua salah ditata.' Ada kalanya kami membuat penyesuaian bagaimana keseluruhan sistem ditata, ”kata Lewis. “Anda tidak ingin menghabiskan setumpuk uang dan waktu untuk blok mesin untuk melakukan itu. Komponen cetak 3D ini sedikit bocor, tetapi kami tahu bahwa keseluruhan sistem berfungsi, sehingga kami dapat berinvestasi dengan percaya diri di fase berikutnya.”

Bahkan versi final dari katup mesin CNC mungkin bukan yang paling ramping, dan mungkin kikuk dibandingkan dengan katup yang siap dibeli di pasaran, tetapi ada alasan untuk itu, kata Rose.

“Kami merancangnya agar sesuai dengan kemampuan kami, karena jika kami memang harus mengerjakan 2.000 unit, kami dapat melakukannya dengan cepat,” jelasnya. “Kami secara aktif mencoba untuk tidak mendesain sesuatu yang mewah, atau mendorong batas permesinan kami.”

Seperti halnya prototipe atau pengembangan suatu produk, akan berguna untuk merenungkan apa yang berjalan dengan baik, dan apa yang dapat ditingkatkan. Secara keseluruhan, baik Rose maupun Lewis sepakat bahwa proyek ini tetap kokoh berkat manufaktur gesit yang tersedia di ujung jari mereka untuk menguji tata letak dan mengonfirmasi spesifikasi tanpa penundaan waktu.

Namun, melihat ke belakang, mereka melihat manfaat menggunakan sistem kelistrikan untuk ventilator. Sistem dengan sistem kelistrikan dapat dihidupkan saat Anda membutuhkannya, dan dimatikan saat Anda membutuhkannya menggunakan perangkat lunak. Sistem pneumatik, di sisi lain, memiliki sistem vakum yang mungkin sulit.

“Solenoid pneumatik ini seperti memainkan alat musik,” jelas Lewis. “Sangat bagus jika Anda dapat menyetelnya saat keluar, tetapi jika sesuatu berubah, Anda tidak ingin harus memiliki seseorang di rumah sakit yang benar-benar tahu cara kerja mesin secara rumit. Anda idealnya menginginkan seseorang yang dapat mengatur kenop dengan mudah. Dalam hal sesuatu di rumah yang dapat kami lakukan dengan cepat, sistem yang kami rancang dan bangun sangat bagus, tetapi apa yang telah kami pelajari sejak Maret adalah bahwa jalur suplai telah kembali normal dan kami mungkin dapat menggunakan sistem kelistrikan .”

“Pada saat itu, itu adalah satu-satunya hal yang tidak bisa kami dapatkan – solenoid listrik,” tambah Rose. “Semua orang panik. Sekarang, sumbernya jauh lebih mudah.

Melihat gambaran besarnya, proyek ventilator, termasuk desain dan pembuatan tiga katup, telah membantu membentuk kerja tim R&D Protocase.

“Ketika proyek ini muncul, itu tampak seperti keadaan darurat global. Kami menjatuhkan yang lainnya dan banyak dari kami berkumpul bersama,” kata Rose. “Apa yang kami sadari, dalam mengerjakan proyek ini, bahwa kami dapat menghentikan proyek kami yang lain untuk fokus hanya pada satu atau dua hal, dan benar-benar mempersempit semuanya.”

Alih-alih menyebarkan diri mereka terlalu kurus, atau menjadi terisolasi dari pekerjaan satu sama lain, kelompok Penelitian &Pengembangan sekarang berfokus pada fungsi sebagai sebuah tim.

“Kami memiliki tujuan spesifik yang dapat kami kerjakan bersama dan kami dapat mengumpulkan sumber daya kami,” jelas Lewis. “Itu hanya mengubah cara semua orang mengerjakan proyek, kami hampir memperlakukan setiap proyek sekarang sebagai semacam keadaan darurat. Proyek ini adalah katalis untuk banyak perbaikan dalam departemen R&D kami.”