我们如何使用 3D 打印来验证紧急机械呼吸机的阀门设计和示意图

当 COVID-19 大流行于 2020 年初在北美成为一个严重问题时，存在许多未知数。 COVID-19 是如何传播的？有什么症状？没有症状时会传播 COVID-19 吗？是否有任何持久的后遗症或附带疾病？传播会发生多远和多快？戴口罩会有助于遏制传播吗？疫苗什么时候准备好？

然而，在所有这些未知因素中，有一个事实是确定的——如果 大流行病蔓延，严重病例呈指数增长，呼吸机对于妥善治疗患者至关重要。另一个确定性：许多国家，包括 Protocase 在加拿大自己的总部，都没有足够的呼吸机供应来应对这种情况。

在 COVID-19 大流行的早期阶段，联邦政府认为 Protocase 是必不可少的，因为我们的客户群是在创新、医学、航空航天和国防领域工作的组织。但除了开放并准备好为我们的客户定制零件和外壳以便他们能够继续创新和开发新技术之外，Protocase 团队还希望尽自己的一份力量来协助应对 COVID-19 大流行。该项目？构建一个功能强大的便携式呼吸机 可以快速制造和组装。

挑战

在与包括急诊医师、呼吸治疗师等在内的一组医疗专业人员讨论功能性呼吸机的标准后，我们​​的研发团队制定了气动系统。呼吸机设计的一个关键部分是阀门，它们与分支管道一起工作，形成吸气和呼气回路。团队需要采购三种常见类型的阀门 ：单向阀、可调压力单向阀和电磁阀。

一个问题——即买即用的阀门需求量非常大。

“每个人都对适合呼吸机的这些部件的版本以及针对大流行的所有不同解决方案感兴趣。出现了一些供应链中断，”Protocase 研发团队的机械工程师 Justin Lewis 说。 “在我们努力订购所需的阀门后，我们决定自己制造。最终产生的阀门本质上是那些我们可以用我们内部的东西快速制造而无需处理交货时间的零件的版本。”

阀门的设计很快就完成了，因为总体设计（以及阀门功能的必要标准）已经很好地制定和确立了。

“基本上，我们得到了一份我们咨询过的医生和呼吸治疗师需要满足的标准清单，”Protocase 的研发机械工程师 Jordan Rose 说。 “基于整个系统的气动设计，你可以推导出这些东西需要承受的压力。这是我们需要继续下去的另一半信息。我们研究了止回阀是如何工作的，以及这些东西需要在什么压力和流速下工作，使用我们在工程学校学到的数学知识。”

“这是工业乐高。这是关于看到整体事物，所有这些都是由这些基本块构建的，”刘易斯解释道。 “这些是基本的块——我们只需要构建它们并以正确的顺序将它们组合在一起，这样它们就可以实现目标。”

随着阀门设计的完善以及压力和流量要求的设定，团队开始着手构建初始原型。对于该任务，3D 打印是合乎逻辑的第一步，因为它将验证尺寸并验证压力和流量的计算。

“由于加工过程要长得多，首先 3D 打印零件以确认规格很重要，”Rose 说。

“3D 打印验证了整个示意图，”刘易斯说。 “它使我们能够将所有东西放在一起，然后说，‘好吧，这行得通’，然后再投入所有时间和金钱来制造合适的机加工零件。”

该团队对止回阀和可调节止回阀进行了几次 3D 打印迭代，试图尽可能简化设计并确保其正常运行。例如，在可调式止回阀的早期设计中，阀门的一侧有一个圆形和一个凸台。

“我这样做的原因是为了看看那个圆形老板需要什么样的支持。因为否则，你可能需要在下面支撑它，”罗斯说。 “我想尽量避免可能存在的任何表面问题，以便气动系统中的软管能够正确安装。最终，我们采用了直管形状，效果很好。”

“整体理论从一开始就很好，更多的是让它正确密封，确保我们有正确的弹簧，”刘易斯说。

没有 3D 打印作为初始原型的一个阀门是气动螺线管——这是有充分理由的。

“它从外面看起来很简单，因为它只是一大块金属，但在里面，有很多不同的房间，”罗斯解释说。 “这对于 3D 打印来说是不可行的。”

“使用 3D 打印，在这种类型的材料上实现轴封可能更难，”Lewis 说。 “通过对螺线管进行铣削，我们能够将其加工成漂亮的表面，并在其中放置一个合适的轴，以便完全密封。”

气动螺线管包括 Protocase 定制制造的各个方面，包括 CNC 车床零件、铣削零件、钣金零件、3D 打印零件以及垫圈材料。该团队没有将橡胶垫片材料切割成典型的垫片，而是使用 CNC 路由器将橡胶切割成圆形，以制造止回阀气囊。

回顾过去，展望未来

最后，首先进行 3D 打印非常有利于确保工业乐高积木能够组装在一起并按照原理图布局运行，而不会占用宝贵的关键时间 CNC 加工所有零件。

“很高兴知道你正朝着正确的方向前进。你有原理图，你把它们放在一起，然后说，‘哦等等，这一切都布局不正确。’有时我们对整个系统的布局进行了调整，”刘易斯说。 “你不想花大量的金钱和时间在加工块上来做到这一点。这些 3D 打印部件有点漏水，但我们知道整个系统都在工作，因此我们可以放心地投资下一阶段。”

即便是 CNC 加工阀门的最终版本也可能不是最精简的，而且与市场上的现成同类产品相比可能显得笨重，但这是有原因的，Rose 说。

“我们将它们设计为在我们的能力范围内，因为如果我们不得不去加工 2,000 个它们，我们可以快速完成它们，”他解释道。 “我们积极尝试不设计任何花哨的东西，或突破我们的加工极限。”

与产品的任何原型或开发一样，反思哪些方面进展顺利以及哪些方面可以改进是很有用的。总而言之，Rose 和 Lewis 都同意该项目能够站稳脚跟，这要归功于他们触手可及的灵活制造技术，可以在没有任何时间延迟的情况下测试布局和确认规格。

然而，回顾过去，他们确实看到了为呼吸机配备电气系统的好处。带有电气系统的系统可以在您需要时打开，并在您需要时使用软件关闭。另一方面，气动系统的真空系统可能很困难。

“这种气动螺线管就像演奏乐器一样，”Lewis 解释道。 “如果你能在出路时对其进行调整，那就太好了，但如果发生变化，你不希望医院里有人真正知道如何操作机器。理想情况下，您需要一个可以轻松调节旋钮的人。就我们可以快速完成的内部工作而言，我们设计和建造的系统非常棒，但自 3 月以来我们了解到，供应线已经恢复正常，我们可能会使用电气系统。”

“当时，这是我们无法获得的一件事——电磁阀，”罗斯补充道。 “每个人都惊慌失措。现在，它们更容易获取。

纵观全局，呼吸机项目，包括三个阀门的设计和制造，帮助塑造了 Protocase 研发团队的工作。

“当这个项目出现时，它似乎是一个全球紧急情况。我们放弃了所有其他东西，我们一群人走到了一起，”罗斯说。 “我们在做这个项目时意识到，我们可以阻止其他项目只关注一两件事，并真正缩小范围。”

研发团队现在不再把自己分散得太细，或者与彼此的工作隔离开来，而是专注于作为一个团队运作。

“我们有具体的目标，我们可以一起努力，我们可以集中我们的资源，”刘易斯解释说。 “它只是改变了每个人从事项目的方式，我们现在几乎将每个项目都视为某种紧急情况。这个项目是我们研发部门进行大量改进的催化剂。”