Menggunakan Cetak 3D untuk Memvalidasi Desain Klep Ventilator: Skema Ventilator Mekanik Darurat Kami

Saat pandemi COVID-19 menjadi kekhawatiran serius di Amerika Utara pada awal tahun 2020, ada banyak yang tidak diketahui. Bagaimana COVID-19 menyebar? Apa gejalanya? Dapatkah COVID-19 menyebar saat tidak ada gejala yang hadir? Apakah ada efek samping jangka panjang, atau penyakit turunan? Sejauh mana dan seberapa cepat penyebaran akan terjadi? Apakah memakai masker dapat membantu mengurangi penyebaran? Kapan vaksin akan siap?

Di tengah semua yang tidak diketahui itu, meskipun, satu fakta adalah pasti – jika pandemi menyebar dan kasus serius tumbuh secara eksponensial, ventilator akan krusial untuk merawat pasien dengan baik. Kepastian lain: Banyak negara, termasuk basis rumah Protocase di Kanada, tidak memiliki pasokan ventilator yang memadai untuk skenario tersebut.

Pada tahap awal pandemi COVID-19, pemerintah federal menentukan Protocase sebagai esensial, karena basis klien kami yang terdiri dari organisasi yang bekerja di inovasi, medis, penerbangan dan pertahanan. Namun di luar terbuka dan siap untuk membuat bagian dan enclosure kustom pelanggan kami sehingga mereka dapat terus berinovasi dan mengembangkan teknologi baru, Tim Protocase ingin berkontribusi dalam menangani pandemi COVID-19. Proyeknya? Membuat ventilator portabel yang fungsional yang dapat dengan cepat diproduksi dan dirangka.

Tantangan

Setelah terhubung dengan sekelompok profesional medis, termasuk dokter gawat darurat, terapis pernapasan dan lainnya, untuk membahas kriteria untuk ventilator yang fungsional, tim Penelitian dan Pengembangan kami memetakan sistem pneumatik. Salah satu bagian krusial dari desain ventilator adalah klep, yang, bekerja bersama pipa cabang, membentuk sirkuit untuk inhalasi dan exhalasi. Tim perlu menemukan tiga jenis klep umum: klep cek, klep cek tekanan yang dapat disesuaikan dan solenoid.

Satu masalah – klep siap beli sangat banyak permintaan.

“Semua orang cenderung melompat pada versi bagian ini yang cocok untuk ventilator dan semua solusi berbeda untuk pandemi. Ada beberapa gangguan rantai pasokan,” kata Justin Lewis, Insinyur Mekanis di tim R&D Protocase. “Setelah kami kesulitan untuk memesan klep yang kami butuhkan, kami memutuskan untuk membuat sendiri. Klep akhir yang dihasilkan pada dasarnya adalah versi bagian ini yang kami buat dengan apa yang kami miliki di dalam rumah dengan cepat tanpa harus menangani waktu produksi.”

Desain klep berkembang dengan cepat, karena desain keseluruhan (dan kriteria imperatif dari fungsi klep) sudah ditetapkan dan established.

“Pada dasarnya, kami diberikan daftar kriteria yang perlu dipenuhi oleh dokter dan terapis pernapasan yang kami konsultasikan,” kata Jordan Rose, Insinyur Mekanis R&D di Protocase. “Berdasarkan desain pneumatik seluruh sistem, Anda dapat menurunkan tekanan apa yang diperlukan oleh hal-hal ini. Itu adalah setengah informasi lainnya yang kami butuhkan. Kami melihat bagaimana cara kerja klep cek, dan pada tekanan dan laju aliran apa hal-hal ini perlu bekerja, menggunakan matematika yang kami pelajari di sekolah engineering.”

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

Dengan desain klep yang sudah established, serta persyaratan tekanan dan aliran yang ditetapkan, tim mulai bekerja pada pembuatan prototipe awal. Untuk tugas itu, cetak 3D adalah langkah logis pertama, karena akan memvalidasi dimensi dan memverifikasi perhitungan tekanan dan laju aliran.

“Karena proses pengolahan jauh lebih lama, mencetak 3D bagian terlebih dahulu untuk memverifikasi spesifikasi penting,” kata Rose.

“Cetak 3D memvalidasi skema keseluruhan,” tambah Lewis. “Ini memungkinkan kami untuk menyatukan semuanya dan berkata, ‘Oke, ini bekerja,’ sebelum menginvestasikan semua waktu dan uang untuk membangun bagian mesin yang tepat.”

 

 

Tim melakukan beberapa iterasi mencetak 3D klep cek dan klep cek yang dapat disesuaikan, mencoba menyederhanakan desain sebanyak mungkin dan memastikan berfungsi dengan baik. Misalnya, dalam desain awal dari klep cek yang dapat disesuaikan, klep memiliki lingkaran dan boss di satu sisi.

“Alasan saya melakukannya adalah untuk melihat jenis dukungan yang diperlukan untuk boss lingkaran itu. Karena jika tidak, Anda mungkin perlu mendukungnya di bawahnya,” kata Rose. “Saya ingin mencoba untuk menghindari masalah permukaan apa pun yang mungkin ada sehingga selang yang ada dalam sistem pneumatik akan muat dengan tepat. Akhirnya, kami pergi ke bentuk tabung lurus yang berfungsi baik.”

“Teori keseluruhan baik sejak awal, ini lebih tentang memastikan apung dengan benar, memastikan kita memiliki spring yang tepat,” kata Lewis.

Satu klep yang tidak dicetak 3D sebagai prototipe awal adalah solenoid pneumatik – dengan alasan yang baik.

“Tampak sederhana dari luar, karena itu hanyalah blok logam besar, namun di dalamnya, ada banyak kamar yang berbeda,” menjelaskan Rose. “Itu bukan sesuatu yang akan memungkinkan untuk dicetak 3D.”

“Dengan cetak 3D, bisa lebih sulit untuk mencapai seal shaft pada jenis material itu,” kata Lewis. “Dengan memill solenoid, kami dapat memprosesnya hingga finishing yang indah dan memasukkan shaft yang pas di dalamnya sehingga semuanya apung dengan benar.”

Solenoid pneumatik mencakup setiap aspek manufaktur kustom Protocase, dengan bagian mesin CNC lathe, bagian mill, bagian lemaran logam, bagian cetak 3D, serta bahan gasket. Alih-alih memotong bahan getaran karet menjadi gasket tipikal, tim memotong karet menjadi lingkaran menggunakan router CNC untuk membuat kandung klep cek.

Menatap ke Belakang – dan ke Depan

Pada akhirnya, pergi ke cetak 3D terlebih dahulu sangat bermanfaat untuk memastikan blok Lego industri akan muat bersama dan berfungsi sesuai skema yang diuraikan, tanpa mengambil waktu yang berharga dan krusial untuk CNC machining semua bagian.

“Hanya bagus untuk tahu Anda sedang bergerak ke arah yang benar. Anda memiliki skema, Anda menyatukan semuanya lalu pergi, ‘Oh tunggu, semuanya ini tata letaknya salah.’ Ada saatnya kita melakukan penyesuaian pada cara seluruh sistem di tata letak,” kata Lewis. “Anda tidak ingin menghabiskan uang dan waktu banyak pada blok mesin untuk melakukan ini. Bagian cetak 3D ini sedikit bocor, tetapi kami tahu bahwa sistem keseluruhan bekerja, sehingga kami dapat dengan yakin berinvestasi ke tahap berikutnya.”

Bahkan versi akhir dari klep yang diproses CNC mungkin tidak yang paling efisien, dan mungkin tidak rapi dibandingkan dengan serapan siap beli di pasar, namun ada alasan untuk itu, kata Rose.

“Kami merancang mereka agar berada dalam kemampuan kami, karena jika kami pernah harus memproses 2.000 dari mereka, kami dapat melakukannya dengan cepat,” katanya. “Kami secara aktif mencoba untuk tidak merancang sesuatu yang mewah, atau mendorong batas pemrosesan kami.”

Seperti dengan prototipe atau pengembangan produk apa pun, bermanfaat untuk merenung apa yang baik, dan apa yang dapat diperbaiki. Secara keseluruhan, baik Rose dan Lewis setuju bahwa proyek tetap pada dasar yang kokus berkat manufaktur yang cepat yang tersedia di ujung jari mereka untuk menguji tata letak dan memverifikasi spesifikasi tanpa penundaan waktu.

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

“Solenoid pneumatik ini seperti memainkan alat musik,” menjelaskan Lewis. “Bagus jika Anda dapat mengaturnya saat keluar namun jika ada yang berubah, Anda tidak ingin harus memiliki seseorang di rumah sakit yang benar-benar tahu secara mendalam cara kerja mesin. Idealnya Anda ingin seseorang yang dapat menyesuaikan knob dengan mudah. Dalam hal sesuatu di dalam rumah yang dapat kami lakukan dengan cepat, sistem yang kami rancang dan bangun bagus, tetapi apa yang kami pelajari sejak Maret adalah rantai pasokan telah kembali ke normal dan kami mungkin dapat memilih sistem listrik.”

“Pada saat itu, satu hal yang tidak dapat kami dapatkan adalah solenoid listrik,” tambah Rose. “Semua orang panik. Sekarang, mereka jauh lebih mudah ditemukan.

Melihat gambaran besar, proyek ventilator, termasuk desain dan produksi tiga klep, telah membantu membentuk pekerjaan tim R&D Protocase.

“Saat proyek ini muncul, tampaknya merupakan darurat global. Kami menahan segalanya dan banyak dari kami semua berkumpul,” kata Rose. “Apa yang kami sadari, dalam melakukan proyek ini, bahwa kami dapat menghentikan proyek lain untuk fokus pada satu atau dua hal, dan benar-benar menyempitkan hal-hal.”

Alih-alih terlalu membentur diri sendiri, atau menjadi terisolasi dari pekerjaan satu sama lain, kelompok Penelitian dan Pengembangan sekarang berfungsi sebagai tim.

“Kami memiliki tujuan spesifik yang dapat kami kerjakan bersama dan kami dapat menggabungkan sumber daya kami,” menjelaskan Lewis. “Itu mengubah cara semua orang bekerja pada proyek, kami hampir memperlakukan setiap proyek sekarang sebagai darurat semacam itu. Proyek ini adalah katalis untuk banyak perbaikan di departemen R&D kami.”