3D 프린팅으로 인공호흡기 밸브 설계 검증: 비상용 기계식 인공호흡기 회로도

2020년 초 북미에서 COVID-19 팬데믹이 심각한 우려로 대두되었을 때 많은 것이 불확실했습니다. 전파 경로, 증상, 무증상 전파 여부, 후유증, 확산 속도와 범위, 마스크 효과, 백신 개발 시기 등.

그 모든 불확실성 속에서도 확실한 사실 하나는, 팬데믹이 확산되고 중증 환자가 기하급수적으로 늘면 인공호흡기가 환자 치료에 필수적이라는 점이었습니다. 또 다른 확실한 사실: 프로토케이스 본사가 있는 캐나다를 포함한 많은 국가가 그런 시나리오에 대비한 적절한 인공호흡기 공급이 부족했습니다.

COVID-19 팬데믹 초기 단계에서 연방 정부는 혁신, 의료, 항공우주, 방산 분야 기관을 고객으로 둔 프로토케이스를 필수 사업장으로 지정했습니다. 하지만 고객의 맞춤 부품과 인클로저를 제작해 그들이 계속 혁신하고 신기술을 개발하도록 지원하는 것 외에도, 팀 프로토케이스는 COVID-19 팬데믹 대응에 일조하고자 했습니다. 프로젝트? 빠르게 제조 및 조립 가능한 기능성 휴대용 인공호흡기 제작.

도전 과제

응급의학 전문의, 호흡치료사 등 의료 전문가 그룹과 연결해 기능성 인공호흡기 기준을 논의한 후, R&D팀이 공압 시스템을 매핑했습니다. 인공호흡기 설계의 핵심 부품 중 하나는 밸브로, 분기 파이프와 함께 흡입/호기 회로를 형성합니다. 팀은 세 가지 일반적인 밸브 유형을 조달해야 했습니다: 체크 밸브, 조절 가능 압력 체크 밸브, 솔레노이드.

문제 – 기성 밸브가 예외적으로 높은 수요였습니다.

"모두가 인공호흡기용으로 적합한 이 부품 버전들과 팬데믹 해결을 위한 다양한 솔루션에 뛰어들었습니다. 공급망 차질이 있었습니다." 저스틴 루이스, 프로토케이스 R&D 기계 엔지니어. "필요한 밸브 주문에 잠시 어려움을 겪은 후 직접 만들기로 했습니다. 최종 밸브는 사내 자원으로 빠르게 만들 수 있는 그 부품들의 버전으로, 리드타임 걱정 없이 만들 수 있었습니다."

밸브 설계는 전체 설계와 밸브 기능의 필수 기준이 이미 잘 정립돼 있어 빠르게 완성됐습니다.

"기본적으로 의사들과 호흡치료사들이 제시한 충족해야 할 기준 리스트를 받았습니다." 조던 로즈, 프로토케이스 R&D 기계 엔지니어. "전체 공압 시스템 설계를 바탕으로 이 밸브들이 어떤 압력에서 작동해야 하는지 도출할 수 있었습니다. 그게 필요했던 정보의 다른 절반이었습니다. 체크 밸브가 어떻게 작동하는지, 어떤 압력과 유량에서 작동해야 하는지 공학 수업을 통해 배운 수학으로 분석했습니다."

"산업용 레고 같습니다. 전체를 보고 이 기본 블록들로 모두 구성된 것을 보는 것입니다." 루이스 설명. "이게 기본 블록들입니다. 올바른 순서로 조립해 목표를 달성하게 만들면 됩니다."

밸브 설계가 잘 정립되고 압력/유량 요구사항이 정해지자 팀은 초기 프로토타입 제작에 착수했습니다. 그 작업에 3D 프린팅이 논리적 첫 단계였습니다. 치수 검증과 압력/유량 계산 검증에 적합했기 때문입니다.

"가공 공정이 훨씬 길기 때문에 3D 프린팅으로 파트를 먼저 만들어 사양을 확인하는 것이 중요합니다." 로즈.

"3D 프린팅이 전체 회로도를 검증했습니다." 루이스 합류. "모든 것을 조립해 '좋아, 이건 작동해'라고 말할 수 있게 해주었고, 제대로 가공된 파트를 만드는 데 모든 시간과 돈을 투자하기 전에 확인할 수 있었습니다."

팀은 체크 밸브와 조절 가능 체크 밸브를 몇 차례 3D 프린팅 반복하며 설계를 최대한 간소화하고 제대로 작동하는지 확인했습니다. 예를 들어 초기 조절 가능 체크 밸브 설계에서 한쪽 면에 원형 보스가 있었습니다.

"그 원형 보스에 어떤 서포트가 필요한지 보기 위함이었습니다. 그렇지 않으면 아래에서 서포트가 필요할 수 있으니까요." 로즈. "공압 시스템의 호스가 제대로 맞도록 표면 이슈를 피하고 싶었습니다. 결국 직선 튜브 형태로 가니 잘 작동했습니다."

"전체 이론은 처음부터 좋았고, 제대로 밀봉되고 올바른 스프링을 확보하는 것이 더 중요했습니다." 루이스.

초기 프로토타입으로 3D 프린팅하지 않은 한 밸브는 공압 솔레노이드였습니다. 그만한 이유가 있습니다.

"겉보기엔 단순한 큰 금속 블록 같지만 내부에는 여러 다른 챔버가 있습니다." 로즈 설명. "3D 프린팅으로 실현하기 어려운 구조입니다."

"3D 프린팅으로는 그런 소재에서 샤프트 실링을 달성하기 어렵습니다." 루이스. "밀링으로 솔레노이드를 가공해 아름다운 마감을 얻고 피팅 샤프트를 넣어 제대로 밀봉했습니다."

공압 솔레노이드는 CNC 선반 파트, 밀링 파트, 시트 메탈 파트, 3D 프린트 파트, 가스켓 소재 등 프로토케이스 맞춤 제조의 모든 측면을 포함합니다. 고무 가스켓 소재를 일반적인 가스켓으로 자르는 대신 CNC 라우터로 원형으로 잘라 체크 밸브 블래더를 만들었습니다.

회고와 전망

결국 3D 프린팅을 먼저 한 것은 산업용 레고 조각들이 회로도대로 맞물리고 작동하는지, 귀중한 CNC 가공 시간 없이 확인하는 데 큰 도움이 되었습니다.

"올바른 방향으로 가고 있다는 걸 아는 것만으로도 좋습니다. 회로도를 다 조립해보고 '아, 이거 전체 레이아웃이 잘못됐네' 하는 순간이 있었습니다." 루이스. "그걸 위해 가공 블록에 돈과 시간을 쏟아붓고 싶지 않습니다. 3D 프린트 파트는 약간 새지만 전체 시스템이 작동한다는 걸 알 수 있어 다음 단계에 자신 있게 투자할 수 있었습니다."

최종 CNC 가공 밸브 버전도 시판 기성품보다 가장 간소화되거나 세련되진 않았을 수 있습니다. 어쩌면 투박할 수도 있지만, 이유가 있습니다. 로즈 설명.

"우리 역량 잘 내에서 설계했어요. 혹시 2,000개를 가공해야 한다면 빨리 할 수 있게요." 그는 설명합니다. "화려한 거나 가공 한계에 도전하는 건 의도적으로 피했습니다."

어떤 프로토타입이나 제품 개발이든 무엇이 잘됐고 무엇을 개선할 수 있는지 반성하는 건 유용합니다. 전반적으로 로즈와 루이스 모두 손에 잡히는 민첩한 제조 역량 덕분에 레이아웃 테스트와 사양 확인이 시간 지연 없이 가능해 프로젝트가 탄탄한 기반을 유지했다고 동의했습니다.

회고해보면 전기식 시스템으로 갔으면 하는 이점도 보입니다. 전기 시스템은 소프트웨어로 필요할 때 켜고 끌 수 있습니다. 공압 시스템은 진공 시스템이 있어 까다로울 수 있습니다.

"이 공압 솔레노이드는 악기 연주하는 것과 같습니다." 루이스 elaborates. "출고 시 튠이 돼 있으면 좋지만 무언가 변하면 병원에서 기계를 복잡하게 다루는 사람이 필요하지 않죠. 그냥 노브를 쉽게 조절할 수 있는 사람이 이상적입니다. 사내에서 빨리 할 수 있는 것으로는 우리가 설계하고 만든 시스템이 훌륭하지만, 3월 이후 공급망이 어느 정도 정상으로 돌아왔으니 전기 시스템으로 갈 수도 있었을 겁니다."

"당시엔 전기 솔레노이드를 구할 수 없었던 게 유일한 문제였죠." 로즈 추가. "모두 패닉이었습니다. 지금은 훨씬 쉽게 구할 수 있습니다."

큰 그림에서 인공호흡기 프로젝트(세 밸브 설계 및 제조 포함)는 프로토케이스 R&D팀의 업무 방식을 형성하는 데 기여했습니다.

"이 프로젝트가 글로벌 비상사태로 나타났을 때 우리는 다른 모든 것을 멈추고 여러 명이 뭉쳤습니다." 로즈. "이 프로젝트를 하면서 다른 프로젝트들을 멈추고 한두 가지에만 집중해 정말 좁혀나갈 수 있다는 걸 깨달았습니다."

너무 얇게 퍼지거나 서로의 작업에서 고립되는 대신, R&D 그룹은 이제 팀으로서 기능하는 데 집중합니다.

"우리 모두가 함께 작업할 구체적인 목표가 있고 자원을 모을 수 있습니다." 루이스 설명. "모든 프로젝트 작업 방식이 바뀌었습니다. 거의 모든 프로젝트를 일종의 비상사태처럼 대우하게 됐습니다. 이 프로젝트가 우리 R&D 부서의 많은 개선의 촉매제가 됐습니다."