Использование 3D-печати для валидации дизайнов клапанов вентиляторов: наша схема аварийного механического вентилятора

Когда COVID-19 стал серьезной проблемой в Северной Америке в начале 2020 года, было много неизвестных. Как распространяется? Каковы симптомы? Может ли передаваться без симптомов? Будут ли последствия? Как далеко и быстро распространится? Помогут ли маски? Когда вакцина?

Среди всех неизвестных был один факт: если пандемия разгорится и тяжелые случаи вырастут экспоненциально, вентиляторы будут критичны для лечения пациентов. Другая уверенность: многие страны, включая Канаду — базу Protocase — не имели адекватного запаса вентиляторов для такого сценария.

На ранней стадии пандемии федеральное правительство признало Protocase esencialным из-за клиентской базы в инновациях, медицине, аэрокосмосе и обороне. Но помимо готовности делать кастомные детали и корпуса для клиентов, чтобы они продолжали инновировать, команда Protocase хотела внести свой вклад в борьбу с COVID-19. Проект: построить функциональный переносимый вентилятор, который можно быстро произвести и собрать.

Вызов

После консультаций с группой медиков — неотложки, респираторные терапевты и др. — для обсуждения критериев функционального вентилятора, наша R&D команда спроектировала пневматическую систему. Ключевая часть — клапаны, работающие в тандеме с разветвленными трубами, образующие цепь вдоха и выдоха. Нужно было получить три распространенных типа клапанов: обратный (check valve), регулируемый обратный клапан давления и пневматический соленоид.

Проблема — готовые клапаны были в экстремально высоком спросе.

«Все набрасывались на версии этих деталей, подходящие для вентиляторов и разные решения пандемии. Были нарушения цепочек поставок», — говорит Джастин Льюис, механический инженер R&D Protocase. «После борьбы с заказом нужных клапанов мы решили сделать свои. Получившиеся клапаны — это версии тех деталей, которые мы могли сделать имеющимся в-house быстро, без лидтаймов».

Дизайны клапанов собрались быстро, так как общий дизайн (и императивные критерии функции клапана) уже 잘 определены.

«Нам дали список критериев от врачей и респираторных терапевтов», — говорит Джордан Роуз, R&D механический инженер Protocase. «Исходя из пневматического дизайна всей системы, можно вывести, при каких давлениях эти вещи должны срабатывать. Это вторая половина инфы. Посмотрели, как работает обратный клапан, при каких давлениях и расходах, используя математику из инженерии».

«Это промышленный LEGO. Видеть общее, собранное из базовых блоков», — объясняет Льюис. «Это базовые блоки — просто нужно построить их и собрать в правильном порядке, чтобы все выполняли цель».

С дизайнами клапанов, давлениями и расходами команда приступила к прототипам. Для этого 3D-печать была логическим первым шагом — валидация размеров и верификация расчетов давления и расхода.

«Поскольку механическая обработка существенно дольше, 3D-печать деталей сначала для подтверждения спеков важна», — говорит Роуз.

«3D-печать валидировала всю схему», — добавляет Льюис. «Позволила собрать всё и сказать: "Ок, это работает", прежде чем вкладывать все время и деньги в механические детали».

Команда сделала несколько итераций 3D-печати обратного клапана и регулируемого, стремясь упростить дизайн и обеспечить функцию. Например, в раннем дизайне регулируемого клапана был круг и босс с одной стороны.

«Причина — увидеть, какая поддержка нужна для круглого босса. Иначе может понадобиться поддержка снизу», — говорит Роуз. «Хотел избежать поверхностных проблем, чтобы шланг пневматической системы садился правильно. В итоге перешли на прямую трубчатую форму — работало нормально».

«Общая теория была хороша с начала, больше про герметичность, правильные пружины», — говорит Льюис.

Один клапан не печатался 3D — пневматический соленоид, и не зря.

«Снаружи выглядит просто — большой блок металла, но внутри много камер», — объясняет Роуз. «Не feasibly напечатать 3D».

«С 3D-печатью сложнее добиться валовую уплотнение на таком материале», — говорит Льюис. «Фрезерованием соленоида мы смогли довести до красивой отделки и поставить подогнанный вал — всё загерметизировалось».

Пневматический соленоид включает все аспекты кастомного производства Protocase: ЧПУ-токарные детали, фрезерные, листовые, 3D-напечатанная деталь, прокладочный материал. Вместо резки резиновой прокладки в типичную прокладку, команда вырезала резину кругом ЧПУ-рутером для мембраны обратного клапана.

Оглядываясь назад — и вперед

В итоге, 3D-печать первой была огромной пользой для уверенности, что промышленные LEGO-блоки соберутся и будут функционировать по схеме, не тратя драгоценное время на ЧПУ все детали.

«Просто приятно знать, что идешь в правильном направлении. Есть схема, собираешь всё и: "Ой, это все выложено неверно". Были моменты, когда мы корректировали раскладку всей системы», — говорит Льюис. «Не хочешь тратить кучу денег и времени на механические блоки для этого. 3D-напечатанные детали были немного течи, но мы знали, что система в целом работает, поэтому могли уверенно инвестировать в следующую фазу».

Даже финальная версия ЧПУ-обработанных клапанов может быть не самой обтекаемой, возможно, громоздкой по сравнению с готовыми аналогами на рынке, но есть причина, говорит Роуз.

«Мы спроектировали их глубоко в наших возможностях, чтобы если когда-нибудь придется сделать 2000 штук — мы могли быстро», — объясняет он. «Активно старались не делать ничего изощренного, не толкать пределы обработки».

Как с любым прототипом или разработкой продукта, полезно рефлексировать: что прошло хорошо, что улучшить. И Роуз, и Льюис согласились, что проект держался на твердой почве благодаря гибкому производству у кончиков пальцев для тестирования раскладок и подтверждения спеков без задержек по времени.

Оглядываясь назад, видят преимущества электрической системы для вентилятора. Электрическая система можно включить/выключить по софту. Пневматическая — вакуумная система, которая может быть сложной.

«Этот пневматический соленоид — как игра на музыкальном инструменте», — рассуждает Льюис. «Круто, если настроен на выходе, но если что-то меняется, не хочешь в больнице кто-то, кто интрикатно знает, как работать с машиной. Идеально — кто-то, кто легко крутит ручку. В терминах того, что мы могли сделать быстро in-house — наша система отлична, но что мы узнали с марта — цепочки поставок немного нормализовались и можно было пойти по электрической системе».

«В то время мы не могли достать электрический соленоид», — добавляет Роуз. «Все паниковали. Теперь их легче достать».

Глядя на большую картину, проект вентилятора, включая дизайн и производство трех клапанов, сформировал работу R&D команды Protocase.

«Когда проект поднялся, казалось глобальной экстренной ситуацией. Мы бросили всё и много из нас собрались вместе», — говорит Роуз. «Что мы поняли, делая этот проект — можем остановить другие проекты, сфокусироваться на одном или двух вещах и реально сузить фокус».

Вместо того чтобы растягиваться тонко или изолироваться от работы друг друга, R&D группа теперь фокусируется на командной работе.

«У нас конкретные цели, над которыми все могут работать вместе и пулить ресурсы», — объясняет Льюис. «Это просто изменило то, как все работают над проектами, мы почти относимся к каждому проекту как к экстренному. Этот проект был катализатором множества улучшений в нашем R&D департаменте».