3D印刷を使用して、緊急人工呼吸器のバルブ設計と概略図を検証する方法

2020年初頭に北米でCOVID-19のパンデミックが深刻な問題となったとき、多くの未知数がありました。 COVID-19はどのように広まりましたか？症状は何でしたか？症状がないときにCOVID-19が広がる可能性はありますか？持続的な後遺症、またはスピンオフの病気はありましたか？スプレッドはどこまで、どれくらいの速さで発生しますか？マスクを着用することで広がりを抑えることができますか？ワクチンの準備はいつですか？

しかし、これらすべての未知数の中で、1つの事実が確かでした- if パンデミックの蔓延と深刻な症例が指数関数的に増加したため、患者を適切に治療するために人工呼吸器が不可欠になります。もう1つの確実性：カナダにあるProtocaseの本拠地を含む多くの国では、このようなシナリオに適した人工呼吸器が十分に供給されていませんでした。

COVID-19のパンデミックの初期段階では、革新、医学、航空宇宙、防衛に取り組んでいる組織のクライアントベースのため、連邦政府はプロトケースが不可欠であると見なしていました。しかし、お客様が新しいテクノロジーの革新と開発を継続できるように、オープンでお客様のカスタムパーツとエンクロージャーを作成する準備ができているだけでなく、Team Protocaseは、COVID-19パンデミックへの対処を支援する役割を果たしたいと考えていました。プロジェクト？ 機能的でポータブルな人工呼吸器を構築する 迅速に製造および組み立てることができます。

課題

救急医、呼吸療法士などの医療専門家のグループと連絡を取り、機能的な人工呼吸器の基準について話し合った後、私たちの研究開発チームは空気圧システムを計画しました。人工呼吸器の設計の重要な部分の1つはバルブです。バルブは、分岐パイプと連携して機能し、吸入と呼気の回路を形成します。チームは3つの一般的なタイプのバルブを調達する必要がありました ：チェックバルブ、調整可能な圧力チェックバルブおよびソレノイド。

1つの問題–すぐに購入できるバルブの需要は非常に高かった。

「誰もが、人工呼吸器やパンデミックに対するさまざまな解決策すべてに適したバージョンのこれらの部品に飛びついていました。サプライチェーンの中断がいくつかありました」と、ProtocaseのR＆Dチームの機械エンジニアであるジャスティンルイスは言います。 「必要なバルブを注文するのに少し苦労した後、自分で作ることにしました。最終的に得られるバルブは、基本的に、リードタイムを処理することなく、社内にあるものですばやく作成できる部品のバージョンです。」

全体的な設計（およびバルブの機能の必須基準）はすでに十分に設定および確立されているため、バルブの設計はすぐにまとめられました。

「基本的に、私たちが相談した医師や呼吸療法士が満たす必要のある基準のリストが与えられました」と、ProtocaseのR＆D機械エンジニアであるJordanRoseは述べています。 「システム全体の空気圧設計に基づいて、これらのものが作用する必要のある圧力を導き​​出すことができます。これが、私たちが続ける必要のある情報の残りの半分です。工学部で学んだであろう数学を使用して、逆止弁がどのように機能するか、そしてこれらのものがどのような圧力と流量で機能する必要があるかを調べました。」

「それは産業用レゴです。それは、すべてこれらの基本ブロックから構築された全体的なものを見ることです」とルイスは説明します。 「これらは基本的なブロックです。すべてが目標を達成できるように、それらを構築し、正しい順序でスナップする必要があります。」

バルブの設計が十分に確立され、圧力と流量の要件が設定されたため、チームは初期のプロトタイプの作成に取り掛かりました。そのタスクでは、3D印刷が論理的な最初のステップでした。これは、寸法を検証し、圧力と流量の計算を検証するためです。

「機械加工プロセスはかなり長いので、最初に部品を3D印刷して仕様を確認することが重要です」と、Rose氏は言います。

「3Dプリントは回路図全体を検証しました」とルイスのチャイム。 「適切な機械加工部品の製造にすべての時間とお金を投資する前に、すべてをまとめて「わかりました。これでうまくいきます」と言うことができました。」

チームは、チェックバルブと調整可能なチェックバルブの3D印刷を数回繰り返し、設計を可能な限り合理化し、正しく機能することを確認しました。たとえば、調整可能なチェックバルブの初期の設計では、バルブの片側に円とボスがありました。

「私がそれをした理由は、その円形のボスにどのようなサポートが必要かを見るためでした。そうでなければ、あなたはそれを下でサポートする必要があるかもしれないからです」とローズは言います。 「空気圧システムにあったホースが適切にフィットするように、そこにある可能性のある表面の問題を回避しようとしました。最終的には、正常に機能する直管形状になりました。」

「全体的な理論は最初から良かったです。それは正しく密閉することであり、適切なバネがあることを確認することでした」とルイスは言います。

最初のプロトタイプとして3D印刷されなかったバルブは、空気圧ソレノイドでした。これには正当な理由があります。

「それは金属の大きなブロックであるため、外側からはシンプルに見えますが、内側にはさまざまなチャンバーがたくさんあります」とローズは説明します。 「それは3Dプリントに適したものではありません。」

「3D印刷では、そのタイプの材料でシャフトシールを実現するのが難しくなる可能性があります」とルイス氏は言います。 「ソレノイドをフライス盤で削ることで、美しい仕上がりに加工し、取り付けられたシャフトをそこに入れて、すべてが適切に密閉されるようにすることができました。」

空気圧ソレノイドには、CNC旋盤部品、フライス盤部品、板金部品、3D印刷部品、ガスケット材料など、Protocaseのカスタム製造のあらゆる側面が含まれています。チームは、ゴム製ガスケットの材料を一般的なガスケットに切断する代わりに、CNCルーターを使用してゴムを円形に切断し、逆止弁ブラダーを作成しました。

振り返って–そして楽しみに

結局、最初に3D印刷を行うことは、すべての部品をCNCで機械加工する貴重な重要な時間を費やすことなく、工業用レゴの部品を合わせて回路図として機能させるために非常に有益でした。

「あなたが正しい方向に向かっていることを知ってうれしいです。回路図面があり、それをすべてまとめてから、「まあ、これはすべて正しくレイアウトされていません」と言います。システム全体のレイアウトを調整することがありました」とルイス氏は言います。 「それを行うために、機械加工されたブロックにたくさんのお金と時間を費やしたくありません。これらの3D印刷された部品は少し漏れがありましたが、システム全体が機能していることを知っていたので、自信を持って次のフェーズに投資することができました。」

CNC機械加工されたバルブの最終バージョンでさえ、最も合理化されていない可能性があり、市場に出回っているすぐに購入できるバルブと比較するとおそらく不格好ですが、それには理由があります。

「私たちはそれらを私たちの能力の範囲内に収まるように設計しました。なぜなら、もし私たちがそれらの2,000を行って機械加工しなければならなかったとしても、それらを迅速に行うことができるからです」と彼は説明します。 「私たちは積極的に派手なものを設計したり、機械加工の限界を押し広げたりしないように努めました。」

製品のプロトタイプや開発と同様に、何がうまくいったか、何を改善できるかを考えると便利です。全体として、RoseとLewisの両方が、時間の遅れなしにレイアウトをテストし、仕様を確認するために指先で利用できる軽快な製造のおかげで、プロジェクトが堅実な基盤を維持することに同意しました。

しかし、振り返ってみると、彼らは人工呼吸器に電気システムを使用することの利点を理解しています。電気システムを備えたシステムは、必要なときにオンにし、ソフトウェアを使用してオフにすることができます。一方、空気圧システムには、難しい真空システムがあります。

「この空気圧ソレノイドは楽器を演奏するようなものです」とルイスは詳しく説明します。 「途中で調整してもらうことができれば素晴らしいのですが、何かが変わった場合は、機械の操作方法を本当に複雑に知っている病院に誰かがいる必要はありません。理想的には、ノブを簡単に調整できる人が必要です。社内で迅速にできることという点では、設計・構築したシステムは素晴らしいのですが、3月から学んだことは、供給ラインがやや正常に戻っており、電気系統を使っていたのかもしれません。 。」

「当時、それは私たちが手に入れることができなかった唯一のことでした。電気ソレノイドです」とローズは付け加えます。 「誰もがパニックになりました。今では、調達がはるかに簡単になっています。

全体像を見ると、3つのバルブの設計と製造を含む人工呼吸器プロジェクトは、ProtocaseのR＆Dチームの作業を形作るのに役立ちました。

「このプロジェクトが立ち上がったとき、それは世界的な緊急事態のようでした。私たちは他のすべてを落とし、私たち全員が集まった」とローズは言う。 「このプロジェクトを実施する中で、他のプロジェクトを停止して1つか2つのことに集中し、実際に物事を絞り込むことができることに気づきました。」

研究開発グループは、自分自身を薄く広げすぎたり、お互いの仕事から隔離されたりするのではなく、チームとして機能することに重点を置いています。

「私たち全員が一緒に取り組むことができる特定の目標があり、リソースをプールすることができます」とルイスは説明します。 「それは、誰もがプロジェクトに取り組む方法を変えただけです。私たちは今、ほとんどすべてのプロジェクトをある種の緊急事態として扱っています。このプロジェクトは、研究開発部門内の多くの改善のきっかけとなりました。」