利用 3D 打印验证呼吸机阀门设计：我们的应急机械呼吸机原理图

2020 年初，COVID-19 大流行在北美成为严重关切时，充满未知。COVID-19 如何传播？症状有哪些？无症状会传播吗？有持续后遗症或衍生疾病吗？传播多远多快？戴口罩能遏制传播吗？疫苗何时就绪？

在众多未知中，有一个确定事实——若大流行蔓延且重症病例指数级增长，呼吸机将成为妥善治疗患者的关键。另一确定性：包括 Protocase 总部所在的加拿大在内的许多国家，均无充足呼吸机储备应对此类场景。

COVID-19 大流行早期，联邦政府因我们的客户群涉足创新、医疗、航天和国防领域，认定 Protocase 为必需企业。除维持运营为客户制造定制零件机箱以支持其持续创新开发新技术外，Protocase 团队还想为应对 COVID-19 大流行贡献一份力量。项目目标：制造一台功能性、便携式呼吸机，可快速制造组装。

挑战

在与包括急诊医生、呼吸治疗师等医疗专业人员组成的小组讨论功能性呼吸机标准后，我们的研发团队规划了气动系统。呼吸机设计的关键部件之一是阀门，它们与分支管路协同构成吸入和呼气回路。团队需要采购三种常见阀门类型：单向阀、可调压力单向阀和电磁阀。

一个问题——现成阀门需求极高。

“大家都在抢购适合呼吸机的这些零件版本及各种大流行解决方案。供应链中断，”Protocase 研发机械工程师 Justin Lewis 说。“我们尝试订购所需阀门挣扎一番后，决定自制。最终得到的阀门本质上是我们凭手头资源能快速制作、无需应对交期的那些零件版本。”

阀门设计迅速成型，因整体设计（及阀门功能的关键标准）已明确确立。

“基本上，医生和呼吸治疗师给了我们必须满足的标准清单，”Protocase 研发机械工程师 Jordan Rose 说。“基于整个系统的气动设计，你能推导出这些阀门需在何种压力下动作。这是我们所需的另一半信息。我们研究单向阀如何工作，以及在何种压力和流速下工作，运用工程院校所学数学知识。”

“这是工业乐高。关键在于看到整体，所有由这些基础模块构建，”Lewis 解释。“这些是基础模块——我们只需按正确顺序构建并拼装，使它们共同达成目标。”

阀门设计确立、压力流量要求设定后，团队着手构建初始原型。3D 打印是合乎逻辑的第一步，可验证尺寸并确证压力流量计算。

“因机加工过程周期长得多，先 3D 打印零件确认规格很重要，”Rose 说。

“3D 打印验证了整个原理图，”Lewis 附和。“让我们把所有东西装配起来，说‘好吧，这行得通’，然后再投入大量时间和金钱制造正式机加工零件。”

团队对单向阀和可调单向阀进行了几轮 3D 打印迭代，力求精简设计并确保功能正常。例如，早期可调单向阀设计一侧有圆环和凸台。

“我那样做是为了看那个圆环凸台需要什么支撑。否则可能需要底部支撑，”Rose 说。“我想避免可能出现的表面问题，确保气动系统软管能正常配合。最终采用直管形状，效果良好。”

“整体理论从一开始就不错，更多是关于密封正确、弹簧选型合适，”Lewis 说。

气动电磁阀未作为初始原型 3D 打印，有充分理由。

“外观看似简单，只是大块金属，但内部有许多不同腔室，”Rose 解释。“不适合 3D 打印。”

“3D 打印难以在该材料上实现轴密封，”Lewis 说。“铣削电磁阀能将其加工至极佳光洁度并装配配合轴，确保密封可靠。”

气动电磁阀包含 Protocase 定制制造的各个方面：CNC 车削件、铣削件、钣金件、3D 打印件以及垫片材料。团队没有将橡胶垫片材料切成典型垫片，而是用 CNC 路由器将其切成圆形，制造单向阀气囊。

回顾与展望

最终，先 3D 打印极大地帮助确保工业乐高模块能按原理图拼装并运作，而无需占用宝贵关键时间 CNC 加工所有零件。

“知道方向正确真好。有原理图，装配起来，然后说‘哦，这布局全错了’。我们曾多次调整整个系统布局，”Lewis 说。“不想在机加工块上花大钱大时间做这事。这些 3D 打印件有点漏气，但我们知道整体系统在工作，从而有信心投入下一阶段。”

即使最终版 CNC 机加工阀门可能非最精简，或许比市售现成品笨重，但有原因，Rose 说。

“我们设计在能力范围内，因为如果真要机加工 2000 个，我们能快速完成，”他解释。“主动避免设计花哨或挑战加工极限。”

如同任何原型或产品开发，反思哪些做得好、哪些可改进很有用。总的来说，Rose 和 Lewis 都认为，项目得以稳健推进，得益于指尖可及的敏捷制造能力，能无延迟地测试布局、确认规格。

回顾来看，他们也看到采用电气系统呼吸机的益处。电气系统可通过软件按需开关。气动系统则有难以驾驭的真空系统。

“这气动电磁阀像演奏乐器，”Lewis 详述。“出厂调好音很棒，但若情况变化，不想要医院里真正懂得如何精细操作机器的人。理想是有人能轻松调节旋钮。就我们内部能快速做到的而言，我们设计构建的系统很棒，但自三月以来我们学到供应链已某种程度恢复正常，或许本可采用电气系统。”

“当时我们搞不到的就是电磁电磁阀，”Rose 补充。“大家都恐慌。现在容易采购多了。

放眼大局，呼吸机项目（含三阀门设计制造）塑造了 Protocase 研发团队的工作方式。

“项目出现时似是全球紧急事件。我们放下其他所有事聚在一起，”Rose 说。“我们意识到，做这个项目能让我们停下其他项目，聚焦一两件事，真正聚焦。”

不再分散精力或彼此隔离，研发小组现在聚焦作为团队运作。

“我们有具体目标可共同攻克，可整合资源，”Lewis 解释。“这改变了所有人做项目的方式，我们几乎把每个项目都视为紧急事件。这个项目催化了研发部门的许多改进。”