Utiliser l'impression 3D pour valider des conceptions de valves de ventilateur : Notre schéma ventilateur d'urgence

Quand la pandémie COVID-19 est devenue une préoccupation sérieuse en Amérique du Nord début 2020, beaucoup d'inconnues : transmission, symptômes, asymptomatiques, séquelles, propagation, masques, vaccin.

Mais une certitude : si la pandémie s'étendait et les cas graves explosaient, les ventilateurs seraient cruciaux. Autre certitude : de nombreux pays, dont le Canada (base de Protocase), n'avaient pas assez de ventilateurs.

Début 2020, le gouvernement fédéral a jugé Protocase essentiel (clients innovation, médecine, aérospatiale, défense). Au-delà de rester ouverts pour fabriquer pièces custom clients, l'équipe Protocase a voulu contribuer : construire un ventilateur portable fonctionnel, rapidement manufacturable et assemblable.

Le Défi

Après concertation avec médecins urgentistes, thérapeutes respiratoires, notre équipe R&D a cartographié le système pneumatique. Partie cruciale : les valves, qui avec tuyaux branchés forment circuit inspiration/expiration. Trois types de valves nécessaires : clapet anti-retour, clapet pression réglable, électrovanne (solenoid).

Problème : valves prêtes à l'achat en demande exceptionnelle.

« Tout le monde se ruait sur les versions adaptées aux ventilateurs. Ruptures de chaîne d'approvisionnement », explique Justin Lewis, ingénieur mécanique R&D Protocase. « Après avoir galéré à commander, nous avons décidé de faire les nôtres. Valves résultantes = version que nous pouvions faire en interne vite, sans gérer les délais. »

Conceptions valves rapides : design global et critères fonctionnels déjà bien établis.

« On nous a donné une liste de critères par médecins/thérapeutes », dit Jordan Rose, ingénieur mécanique R&D. « Selon le design pneumatique global, on déduit pressions et débits requis. On a regardé comment fonctionne un clapet, à quelles pressions/débits, avec les maths de l'école d'ingénieur. »

« C'est du Lego industriel. Voir l'ensemble, construit avec blocs de base », explique Lewis. « Blocs de base – il faut les construire et les assembler dans l'ordre pour atteindre l'objectif. »

Avec designs valves et exigences pression/débit fixés, l'équipe a construit les premiers prototypes. L'impression 3D était l'étape logique pour valider dimensions et vérifier calculs pression/débit.

« L'usinage est bien plus long, imprimer 3D d'abord pour confirmer specs est crucial », dit Rose.

« L'impression 3D a validé tout le schéma », ajoute Lewis. « Permet d'assembler tout et dire "OK ça marche" avant d'investir temps/argent dans pièces usinées. »

Quelques itérations impression 3D pour clapet et clapet réglable, pour simplifier design et valider fonctionnement. Exemple : clapet réglable initial avait un cercle et un bossage d'un côté.

« Pour voir quel support requis pour ce bossage circulaire. Sinon, support dessous nécessaire. Je voulais éviter problèmes de surface pour que le tuyau s'ajuste. Finalement, tube droit a fonctionné. » (Rose)

« Théorie bonne dès le début, plus sur étanchéité, bons ressorts », dit Lewis.

L'électrovanne pneumatique n'a pas été imprimée 3D au début – bonne raison.

« Simple de l'extérieur (gros bloc métal), mais à l'intérieur beaucoup de chambres », explique Rose. « Pas faisable en impression 3D. »

« En impression 3D, étanchéité arbre difficile sur ce matériau », dit Lewis. « En fraisant, nous avons pu usiner finition parfaite et mettre arbre ajusté pour étanchéité. »

L'électrovanne intègre tous aspects fabrication Protocase : pièces tour CNC, pièces fraisées, pièces tôlerie, pièce imprimée 3D, matériau joint. Au lieu de découper caoutchouc joint en joint classique, équipe a découpé caoutchouc en cercle via routeur CNC pour créer membrane clapet.

Retour d'expérience – et perspectives

Finalement, impression 3D d'abord hugely beneficial pour assurer que les pièces Lego industrielles s'emboîtent et fonctionnent selon schéma, sans perdre temps crucial à tout usiner CNC.

« C'est rassurant de savoir qu'on va dans la bonne direction. Schéma, assemblage, puis "Attendez, tout est mal agencé." Parfois ajustements layout système », dit Lewis. « On ne veut pas dépenser temps/argent sur blocs usinés pour ça. Pièces 3D un peu fuites, mais système global marchait → investir sereinement phase suivante. »

Même version finale CNC peut ne pas être la plus épurée, peut-être massive vs versions commerciales, mais raison : « Conçues bien dans nos capacités, pour pouvoir en usiner 2000 vite si besoin. Évité design fancy, limites usinage. » (Rose)

Comme tout prototype, utile de réfléchir : ce qui a marché, améliorations. Rose et Lewis d'accord : projet resté solide grâce à fabrication agile pour tester layouts, confirmer specs sans délais.

Regard en arrière : bénéfices système électrique pour ventilateur. Système électrique = allumage/arrêt logiciel. Système pneumatique = système vide difficile.

« Cette électrovanne pneumatique = jouer instrument musique », élaboré Lewis. « Bien si réglée sortie usine, mais si changement, on ne veut pas hôpital avec quelqu'un qui connaît machine sur le bout des doigts. Idéal : bouton réglage facile. Pour solution interne rapide, notre système est bien, mais depuis mars chaînes d'approvisionnement revenues normales → électrovanne électrique possible. »

« À l'époque, c'était la seule chose introuvable : électrovanne électrique. Panique générale. Maintenant, facile à sourcer. » (Rose)

Vue d'ensemble : projet ventilateur (design/fabrication 3 valves) a façonné le travail équipe R&D Protocase.

« Projet = urgence mondiale. On a tout lâché, regroupés. Réalisé : on peut arrêter autres projets pour focus 1-2 choses, vraiment resserrer. » (Rose)

Au lieu de s'éparpiller ou s'isoler, groupe R&D fonctionne maintenant en équipe.

« Objectifs communs, mutualisation ressources », explique Lewis. « Changé façon de travailler : chaque projet traité comme urgence. Ce projet catalyseur de nombreuses améliorations R&D. »