據悉,來自密西根理工大學的Joshua Pearce 教授領導的MOST實驗室團隊有意製作了對高溫3D印表機進行了開源設計,這些設計通過" Open source high-temperature RepRap for 3-D printing heat-sterilizable PPE and other applications " 已經發布在專門針對COVID-19技術的HardwareX特刊中。
根據世界衛生組織的報告,COVID-19的迅速傳播導致美國和歐洲的呼吸機等醫療設備以及個人防護設備(PPE)從當地到全球範圍內出現短缺。這場由SARS-CoV-2病毒引起的冠狀病毒疾病(COVID-19)傳播已經使區域性醫療基礎設施不堪重負。小型公司、傳統製造商和微觀裝配實驗室(fab Lab)的分布式製造(其中的產品在本地生產)激增。
使用臺式機製造甚至可以在個人層面上進行分布式製造,從而為大量產品節省了消費者的錢,包括個人設備和柔性產品。分布式製造,也稱為分布式生產、雲生產和本地製造,是企業使用地理分散的製造設施網絡(通過信息技術進行協調)進行的分散製造的一種形式。它還可以通過具有歷史意義的家庭手工業模型來指代本地製造,或者指代在消費者家中進行的製造。分布式製造還可用於克服一般醫療用品的這些短缺,特別是用於醫療面罩(約佔總數的60%)、呼吸器材料和呼吸機的換氣扇。具有3D列印的分布式製造已被用於有效地製造呼吸器的定製零件,也許最重要的是用於PPE,以幫助減少疾病的傳播,包括面罩、口罩、頭盔改造、呼吸閥和可重複使用的N95呼吸器。
這種3D列印PPE的絕大部分是一次性使用後即可丟棄的(例如防護罩和面罩),並且對3D列印PPE的再加工和再利用存在重大挑戰。之前已經有許多研究抗微生物聚合物的使用,但尚未證明對病毒有效。3D列印有助於延伸一次性PPE和可重複使用面罩的供應(可重複使用的呼吸機來了?)。但是,由於3D印表機/用戶功能的差異很大,因此產生的零件質量也存在很大差異,而且由於基於材料擠壓的3D列印的多孔性讓其中某些技術令人懷疑,使該方法的實施也面臨著挑戰。對於某些PPE,例如廣泛的3D列印面罩,化學方法可能就足夠了,但對於口罩,建議不要使用像肥皂水、酒精、漂白劑、環氧乙烷和電離輻射這樣的直接方法。即使病毒顆粒進入多孔介質中,也要使用口罩代替面罩,而使用滅菌箱被認為是家庭消毒的最有效方法。一臺低成本、可以列印高溫聚合物,從而能夠製造可熱滅菌的PPE的3D印表機因疫情原因面臨廣泛需求。
由於常用塑料的熔點(和變形溫度)相對較低,使用高溫滅菌對於普通的三維列印方法(材料擠出熔融長絲製造(FFF)/熔敷沉積模型(FDM))是不可行的。通常,基於FFF的印表機可列印熱聚合物,例如聚乳酸(PLA)、ABS、和PETG,後者已成為大多數COVID-19的首選列印材料。儘管還有其他3D列印方法,但是FFF是自複製快速原型開發程序(RepRap)項目的開源版本,由民主化帶來的低成本發展,是最廣泛使用的增材製造技術。
但是,先前的研究主要集中在低溫熔融塑料(例如PLA,ABS PETG和其他常見的商用長絲,例如尼龍和熱塑性聚氨酯(TPU))上。這也是因為具有耐高溫性能的3D印表機的價格普遍較高且可訪問性較低(例如,Aniwaa列出了2020年上市的7臺高溫3D印表機,價格範圍從25,000美元到110,000美元,最高費用超過50,000美元)。由於在高於250°C的溫度下進行列印存在挑戰,因此此類高溫印表機的成本很高。先前為降低高溫3D印表機成本而進行的嘗試是對現有系統的進行改造。NASA增強了商業開源Lulzbot Taz(本身就是RepRap),Zawaski和Williams展示了用於倒三角型高溫3D印表機的設計。在此之前的工作基礎上,來自密西根理工大學的研究人員原型化並驗證了笛卡爾式高溫3D印表機,該印表機可列印PPE和其他零件以應對COVID-19。
(A)面板安裝,(B)內部用鋁帶密封,(C)在床上列印測試。
(A)印表機已準備好進行接線,從(B)右和(C)左正視圖。
高溫3D印表機Cerberus的規格:
三頭自我複製快速原型製作器(RepRap)
開源的,可以不到1000美元建造
攝氏200度的加熱床
攝氏500度的熱端
帶1千瓦空間加熱器芯的隔離式加熱室,帶電源電壓室和床加熱裝置,可快速啟動
印刷拉強度分別為77.5和80.5 MPa的聚醚酮酮(PEKK)和聚醚醯亞胺(PEI, ULTEM)
消防人員用電動空氣淨化顆粒呼吸器(PAPR)的規格:
開源,可以進行3D列印,並與廣泛可用的組件組裝在一起,價格不到150美元,可替代商業轉換套件(節省85%)或專有的PAPR(節省90%以上)
參數化設計可以適應其他核心組件,並且可以專門定製適合消防員設備,包括其吊架
可控制的氣流及其設計使呼吸即使呼吸機斷開或電池沒電了
滿足國家職業安全與健康研究所(NIOSH)氣流要求的四個小時,比預期的常規使用量高300%
緊急呼吸機規格:
可以進行3D列印,價格低於$ 170
基於開源Arduino控制器和3D可列印基於參數組件的結構的復甦系統
控制的呼吸模式,潮氣量為100至800毫升,呼吸速率為5至40次呼吸/分鐘,吸氣與呼氣比為1:1至1:4
該系統旨在通過使用串行外圍接口來實現測量電路的可靠性和可擴展性,並且由於採用了面向對象的算法方法,因此能夠連接其他硬體。
在人工肺上進行峰值吸氣壓力(PIP),呼吸頻率(RR),呼氣末正壓(PEEP),潮氣量,近端壓力和肺壓力測試後的實驗結果表明,其重複性和準確性超過了BVM- 基於手動通風。
Pearce表示這些設計的本質是使用提供的協議和參數設計文件,相對容易通過測試添加所需的功能。我們希望這樣的設備其他人可以在此基礎上製造,獲得所有國家的全面監管批准以確保人類為下一次大流行做好準備。
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