3D-printen Gebruiken om Ventilatorklep-ontwerpen te Valideren: Ons Nood-mechanisch Ventilator Schema

Toen de COVID-19-pandemie begin 2020 in Noord-Amerika een ernstig probleem werd, waren er veel onbekenden. Hoe verspreidt COVID-19? Wat zijn de symptomen? Kan het verspreiden zonder symptomen? Zijn er blijvende gevolgen? Hoe ver en snel zou het zich verspreiden? Helpen maskers? Wanneer is een vaccin klaar?

Tussen al die onbekenden was één zekerheid: als de pandemie zich uitbreidde en ernstige gevallen exponentieel groeiden, zouden ventilators cruciaal zijn om patiënten correct te behandelen. Een andere zekerheid: veel landen, inclusief Canada (Protocase's thuishaven), hadden een onvoldoende voorraad ventilators voor zo'n scenario.

In de vroege stadia werd Protocase door de federale overheid als essentieel beschouwd, gezien onze klantenbasis in innovatie, geneeskunde, luchtvaart en defensie. Maar naast het openblijven en klantenonderdelen maken, wilde Team Protocase zijn steentje bijdragen. Het project: een functionele, draagbare ventilator bouwen die snel geproduceerd en gemonteerd kon worden.

De Uitdaging

Na overleg met medische professionals (spoedeisende hulp artsen, respiratietherapeuten, anderen) om criteria voor een functionele ventilator te bespreken, kartografeerde ons R&D-team het pneumatische systeem. Een cruciale onderdeel zijn de kleppen, die samen met vertakkingssleidingen een circuit voor in- en uitademing vormen. Het team moest drie veelvoorkomende kleptypes bemachtigen: een terugslagklep, een instelbare druk-terugslagklep en een solenoid.

Probleem: de kant-en-klare kleppen waren in uitzonderlijk hoge vraag.

"Iedereen sprong op de versies van deze onderdelen die geschikt waren voor ventilators en alle oplossingen voor de pandemie. Er waren leveranciersonderbrekingen," zegt Justin Lewis, Mechanical Engineer in Protocase's R&D-team. "Na een tijdje worstelen met bestellen, besloten we ze zelf te maken. De resulterende kleppen zijn essentieel de versies die we snel met wat we in huis hadden konden maken, zonder levertijden."

De ontwerpen kwamen snel doordat de algehele specificaties al vaststonden.

"We kregen een lijst met criteria van de artsen en therapeuten," zegt Jordan Rose, R&D Mechanical Engineer. "Op basis van het pneumatische ontwerp van het hele systeem kun je afleiden welke drücken en stroomsnelheden nodig zijn. Dat was de andere helft van de info. We keken naar hoe een terugslagklep werkt, en bij welke drücken/stroomsnelheden, met de wiskunde die we in engineering school leerden."

"Het is industriële Lego. Het gaat om het grote plaatje, opgebouwd uit basiselementen," legt Lewis uit. "Dit zijn de basiselementen – we hoeven ze alleen te bouwen en in de juiste volgorde aan elkaar te klikken zodat ze het doel bereiken."

Met de klepontwerpen en druk/stroomvereisten vast, bouwde het team de eerste prototypes. 3D-printen was de logische eerste stap om afmetingen te valideren en berekeningen voor druk en stroom te verifiëren.

"Aangezien het bewerkingsproces aanzienlijk langer duurt, is 3D-printen van de onderdelen eerst om specificaties te bevestigen belangrijk," zegt Rose.

"3D-printen valideerde het hele schema," voegt Lewis toe. "Het liet ons alles samenvoegen en zeggen: 'Ok, dit werkt,' voordat we al die tijd en geld investeerden in de echte gefreesde onderdelen."

Het team deed een paar iteraties van 3D-printen van de terugslagklep en instelbare terugslagklep, om het ontwerp te stroomlijnen en correcte werking te garanderen. Bij een vroege versie van de instelbare terugslagklep had de klep een cirkel en een boss aan één kant.

"De reden was om te zien welke ondersteuning nodig was voor die circulaire boss. Anders had je ondersteuning onder nodig," zegt Rose. "Ik wilde eventuele oppervlakteproblemen vermijden zodat de slang in het pneumatische systeem goed paste. Uiteindelijk gingen we naar een rechte buisvorm die prima werkte."

"De theorie was goed vanaf het begin, het ging meer om correct afdichten, de juiste veren," zegt Lewis.

De ene klep die niet 3D-geprint werd als prototype was de pneumatische solenoid – met goede reden.

"Het ziet er simpel uit, een groot blok metaal, maar binnenin zijn veel verschillende kamers," legt Rose uit. "Niet haalbaar om te 3D-printen."

"Met 3D-printen is het lastiger om een asafdichting te bereiken op dat materiaal," zegt Lewis. "Door de solenoid te frezen, konden we hem tot een prachtige afwerking brengen en een gepaste as erin zetten zodat het goed afdichte."

De pneumatische solenoid omvat elk aspect van Protocase's aangepaste fabricage: CNC-draaibankonderdelen, gefreesde onderdelen, platenmetaalonderdelen, een 3D-geprint onderdeel, en pakkingmateriaal. In plaats van rubberen pakkingmateriaal in een typische pakking te snijden, sneed het team de rubber in een cirkel met een CNC-router om een terugslagklep-blaasje te maken.

Terugkijken – en Vooruitkijken

Uiteindelijk was 3D-printen eerst enorm nuttig om te verzekeren dat de industriële Lego-stukken samenpasten en functioneerden zoals het schema uitwees, zonder waardevolle CNC-bewerkingstijd op te offeren.

"Het is fijn om te weten dat je op het juiste pad bent. Je hebt het schema, je zet het samen en denkt: 'Oh wacht, dit is allemaal verkeerd uitgelegd.' Er waren momenten dat we aanpassingen maakten in de hele systeemlayout," zegt Lewis. "Je wilt geen berg geld en tijd besteden aan gefreesde blokken voor dat. Deze 3D-geprinte onderdelen lekten een beetje, maar we wisten dat het totale systeem werkte, zodat we met vertrouwen konden investeren in de volgende fase."

Zelfs de finale CNC-gefreesde kleppen zijn misschien niet de meest gestroomlijnde, en misschien klonterig vergeleken met marktconcurrenten, maar er is een reden, zegt Rose.

"We hebben ze ontworpen wel binnen onze mogelijkheden, zodat als we ooit 2.000 moesten frezen, we dat snel konden doen," legt hij uit. "We hebben actief geprobeerd niets fancy te ontwerpen, of de grenzen van onze bewerking te pushen."

Zoals bij elk prototype of productontwikkeling, is reflecteren nuttig. Rose en Lewis zijn het eens dat het project op een stevige basis bleef door de vlotte fabricage beschikbaar om layouts te testen en specificaties te bevestigen zonder vertragingen.

Terugkijkend zien ze voordelen van een elektrisch systeem voor de ventilator. Een elektrisch systeem kan via software in/uitgeschakeld worden. Een pneumatisch systeem heeft een vacuümsysteem dat moeilijk kan zijn.

"Deze pneumatische solenoid is als een muziekinstrument spelen," vertelt Lewis. "Geweldig als het gestemd is bij levering, maar als er iets verandert, wil je geen iemand in het ziekenhuis die intricaat weet hoe de machine werkt. Je wilt iemand die een knop eenvoudig kan aanpassen. Wat we in huis snel konden doen, is ons systeem goed, maar wat we sinds maart leerden is dat leverancierlijnen een beetje teruggekeerd zijn naar normaal en we misschien met een elektrisch systeem hadden kunnen gaan."

"Op dat moment was dat het ene ding dat we niet konden krijgen – een elektrische solenoid," voegt Rose toe. "Iedereen was in paniek. Nu zijn ze veel makkelijker te bemachtigen.

De ventilatorproject, inclusief ontwerp en fabricage van de drie kleppen, heeft het werk van Protocase's R&D-team gevormd.

"Toen dit project kwam, leek het een wereldwijde noodsituatie. We dropten alles en een groep kwam samen," zegt Rose. "We realiseerden ons dat we onze andere projecten konden stoppen om ons op één of twee dingen te richten, en dingen echt in te perken."

In plaats van zich te mager te spreiden, of geïsoleerd te raken van elkaars werk, richt het R&D-team nu op teamfunctionering.

"We hebben specifieke doelen waar we allemaal aan kunnen werken en we kunnen onze middelen bundelen," legt Lewis uit. "Het veranderde de manier waarop iedereen aan projecten werkt, we behandelen bijna elk project nu als een noodsituatie. Dit project was de katalysator voor veel verbeteringen in onze R&D-afdeling."