3D 프린팅을 사용하여 비상 기계식 인공호흡기의 밸브 설계 및 회로도를 검증한 방법

2020년 초 북미에서 COVID-19 전염병이 심각한 문제가 되었을 때 알려지지 않은 것이 많았습니다. COVID-19는 어떻게 퍼졌습니까? 증상은 무엇이었습니까? 증상이 없을 때 COVID-19가 퍼질 수 있습니까? 지속적인 후유증이나 파생 질병이 있었습니까? 얼마나 멀리 그리고 얼마나 빨리 확산될 것인가? 마스크를 착용하는 것이 확산을 억제하는 데 도움이 될까요? 백신은 언제 준비되나요?

하지만 그 모든 미지의 것들 중에서 한 가지 사실은 확실했습니다. 만약 팬데믹이 확산되고 심각한 사례가 기하급수적으로 증가함에 따라 환자를 적절하게 치료하기 위해서는 인공호흡기가 중요합니다. 또 다른 확실성:캐나다에 있는 Protocase의 본거지를 포함하여 많은 국가에서 이러한 시나리오에 적합한 인공호흡기를 공급하지 못했습니다.

COVID-19 대유행의 초기 단계에서 연방 정부는 혁신, 의학, 항공 우주 및 국방 분야에서 일하는 조직의 고객 기반으로 인해 Protocase를 필수적으로 간주했습니다. 그러나 Team Protocase는 고객이 계속해서 혁신하고 새로운 기술을 개발할 수 있도록 고객의 맞춤형 부품 및 인클로저를 개방하고 준비하는 것 외에도 COVID-19 전염병을 다루는 데 도움이 되는 역할을 하고 싶었습니다. 프로젝트? 기능적인 휴대용 인공호흡기 제작 신속하게 제조 및 조립할 수 있었습니다.

도전

응급 의사, 호흡기 치료사 등을 포함한 의료 전문가 그룹과 연결하여 기능적 인공호흡기의 기준에 대해 논의한 후 당사의 연구 개발 팀은 공압 시스템을 매핑했습니다. 인공호흡기 설계의 중요한 부분 중 하나는 분기 파이프와 함께 작동하여 흡입 및 호기를 위한 회로를 형성하는 밸브입니다. 팀은 세 가지 일반적인 유형의 밸브를 소싱해야 했습니다. :체크 밸브, 조절 가능한 압력 체크 밸브 및 솔레노이드.

한 가지 문제는 바로 구매 가능한 밸브에 대한 수요가 매우 높다는 것입니다.

“모두가 인공호흡기에 적합한 이 부품의 버전과 전염병에 대한 다양한 솔루션에 뛰어들었습니다. 일부 공급망 중단이 있었습니다.”라고 Protocase R&D 팀의 기계 엔지니어인 Justin Lewis는 말합니다. “필요한 밸브를 주문하는 데 약간의 어려움을 겪은 후 우리는 자체적으로 밸브를 만들기로 결정했습니다. 최종 결과 밸브는 본질적으로 리드 타임을 처리할 필요 없이 사내에 있는 것으로 신속하게 만들 수 있는 부품의 버전입니다.”

전체 설계(및 밸브 기능의 필수 기준)가 이미 잘 설정되고 확립되었기 때문에 밸브 설계는 신속하게 통합되었습니다.

Protocase의 R&D 기계 엔지니어인 Jordan Rose는 "기본적으로 우리가 상담한 의사와 호흡기 치료사가 충족해야 하는 기준 목록을 받았습니다. “전체 시스템의 공압 설계를 기반으로 이러한 것들이 작동해야 하는 압력을 파악할 수 있습니다. 그것은 우리가 계속해야 할 정보의 나머지 절반입니다. 우리는 공학 학교에서 배웠을 수학을 사용하여 체크 밸브가 어떻게 작동하는지, 어떤 압력과 유량에서 작동해야 하는지 살펴보았습니다."

“산업용 레고입니다. 이러한 기본 블록으로 구축된 전체를 보는 것입니다.”라고 Lewis는 설명합니다. "이것이 기본 블록입니다. 모두 목표를 달성할 수 있도록 블록을 만들고 올바른 순서로 연결하기만 하면 됩니다."

밸브 설계가 잘 확립되고 압력 및 유량 요구 사항이 설정되어 팀은 초기 프로토타입 제작 작업에 착수했습니다. 이 작업의 경우 3D 프린팅이 논리적인 첫 번째 단계였습니다. 치수를 검증하고 압력 및 유량 계산을 검증하기 때문입니다.

"가공 공정이 훨씬 더 오래 걸리기 때문에 먼저 부품을 3D 프린팅하여 사양을 확인하는 것이 중요합니다."라고 Rose는 말합니다.

"3D 프린팅은 전체 회로도를 검증했습니다."라고 Lewis는 말합니다. "모든 시간과 돈을 적절한 기계 부품을 만드는 데 투자하기 전에 모든 것을 통합하고 '알았어, 효과가 있어'라고 말할 수 있었습니다."

팀은 체크 밸브와 조절 가능한 체크 밸브를 3D 프린팅하는 작업을 몇 번 반복하여 설계를 최대한 간소화하고 제대로 작동하는지 확인했습니다. 예를 들어, 조절 가능한 체크 밸브의 초기 설계에서 밸브의 한쪽에는 원과 보스가 있었습니다.

“내가 그렇게 한 이유는 그 순환 보스에게 어떤 종류의 지원이 필요한지 확인하기 위해서였습니다. 그렇지 않으면 아래에서 지지해야 할 수도 있습니다.”라고 Rose가 말합니다. “공압 시스템에 있는 호스가 제대로 맞도록 표면 문제를 피하고 싶었습니다. 결국 우리는 잘 작동하는 직선 튜브 모양으로 갔습니다.”

"전체 이론은 처음부터 좋았습니다. 정확히 밀봉하고 스프링이 올바른지 확인하는 것이 더 중요했습니다."라고 Lewis는 말합니다.

초기 프로토타입으로 3D 프린팅되지 않은 밸브 중 하나는 공압 솔레노이드였습니다. 그만한 이유가 있습니다.

"큰 금속 블록이기 때문에 겉보기에는 단순해 보이지만 내부에는 다양한 챔버가 있습니다."라고 Rose가 설명합니다. "3D 프린팅으로 실현 가능한 것이 아닙니다."

"3D 프린팅을 사용하면 해당 유형의 재료에 샤프트 씰을 만드는 것이 더 어려울 수 있습니다."라고 Lewis는 말합니다. "솔레노이드를 밀링 가공하여 아름다운 마무리로 가공하고 거기에 맞는 샤프트를 넣어 모든 것이 제대로 밀봉되도록 할 수 있었습니다."

공압 솔레노이드에는 CNC 선반 부품, 밀링 부품, 판금 부품, 3D 인쇄 부품 및 개스킷 재료와 함께 Protocase의 맞춤형 제조의 모든 측면이 포함됩니다. 고무 가스켓 재료를 일반적인 가스켓으로 자르는 대신, 팀은 CNC 라우터를 사용하여 고무를 원형으로 절단하여 체크 밸브 블래더를 만들었습니다.

뒤돌아보기 – 그리고 앞을 내다보기

결국 3D 프린팅을 먼저 진행하는 것은 모든 부품을 CNC로 가공하는 귀중한 시간을 소비하지 않고도 산업용 레고 부품이 서로 맞물리고 도식에 따라 기능하도록 하는 데 매우 유익했습니다.

“당신이 올바른 방향으로 가고 있다는 것을 알게 되어 기쁩니다. 회로도가 있고 모든 것을 함께 넣은 다음 '잠깐만, 이것은 모두 잘못 배치되었습니다.'라고 말합니다. 전체 시스템의 배치 방식을 조정한 적도 있습니다."라고 Lewis는 말합니다. “그렇게 하기 위해 기계 블록에 돈과 시간을 낭비하고 싶지는 않습니다. 이러한 3D 프린팅 부품은 약간 누수가 있었지만 전체 시스템이 작동하고 있다는 것을 알고 있었기 때문에 다음 단계에 자신 있게 투자할 수 있었습니다.”

CNC 가공 밸브의 최종 버전도 시장에서 바로 구매 가능한 밸브에 비해 가장 능률적이지 않고 투박하지만 그럴 만한 이유가 있다고 Rose는 말합니다.

"저희는 그 중 2,000개를 가공해야 하는 경우 신속하게 처리할 수 있기 때문에 우리의 능력 범위 내에서 이를 잘 설계했습니다."라고 그는 설명합니다. "멋진 것을 디자인하거나 기계 가공의 한계를 뛰어 넘지 않으려고 적극적으로 노력했습니다."

제품의 프로토타입이나 개발과 마찬가지로 잘 된 부분과 개선할 수 있는 부분을 생각하는 것이 유용할 수 있습니다. 전반적으로 Rose와 Lewis는 손끝에서 시간 지연 없이 레이아웃을 테스트하고 사양을 확인할 수 있는 민첩한 제조 덕분에 프로젝트가 견고한 기반을 유지할 수 있다는 데 동의했습니다.

그러나 돌이켜보면 인공호흡기에 전기 시스템을 사용하는 것의 이점을 알고 있습니다. 전기 시스템이 있는 시스템은 필요할 때 켜고 필요할 때 소프트웨어를 사용하여 끌 수 있습니다. 반면에 공압 시스템에는 어려울 수 있는 진공 시스템이 있습니다.

"이 공압 솔레노이드는 악기를 연주하는 것과 같습니다."라고 Lewis는 설명합니다. “출퇴근 길에 조정할 수 있다면 좋겠지만, 무언가가 바뀌면 기계 작동법을 정말 잘 아는 사람이 병원에 있는 것을 원하지 않을 것입니다. 노브를 쉽게 조정할 수 있는 사람이 이상적입니다. 사내에서 신속하게 할 수 있는 일이라는 점에서 우리가 설계하고 구축한 시스템은 훌륭하지만 3월부터 배운 것은 공급 라인이 어느 정도 정상으로 돌아왔고 전기 시스템으로 갈 수도 있었다는 것입니다. .”

“당시 우리가 얻을 수 없었던 것은 전기 솔레노이드였습니다.”라고 Rose가 덧붙입니다. “모두가 패닉에 빠졌습니다. 이제 훨씬 쉽게 소싱할 수 있습니다.

큰 그림을 보면 3개의 밸브의 설계 및 제조를 포함한 인공호흡기 프로젝트가 Protocase의 R&D 팀 작업을 구체화하는 데 도움이 되었습니다.

“이 프로젝트가 떠올랐을 때 글로벌 비상사태인 것 같았습니다. 우리는 다른 모든 것을 내려놓았고 우리 모두가 하나가 되었습니다.”라고 Rose가 말합니다. "이 프로젝트를 수행하면서 우리가 깨달은 것은 다른 프로젝트가 한두 가지에만 집중하도록 중지하고 실제로 범위를 좁힐 수 있다는 것입니다."

연구 개발 그룹은 자신을 너무 얇게 퍼뜨리거나 서로의 작업에서 격리되는 대신 이제 팀으로 기능하는 데 중점을 둡니다.

"우리는 모두 함께 작업할 수 있는 특정 목표를 가지고 있으며 리소스를 공동으로 사용할 수 있습니다."라고 Lewis는 설명합니다. “모든 사람이 프로젝트에서 작업하는 방식을 변경했습니다. 이제 우리는 거의 모든 프로젝트를 일종의 비상 사태로 취급합니다. 이 프로젝트는 우리 R&D 부서의 많은 개선을 위한 촉매제였습니다.”