可打印高温灭菌PPE的开源3D打印机,为下一次大流行做好准备

3D打印快讯
2020
09/27
10:42
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来源:江苏激光产业创新联盟

导读:据悉,来自密歇根理工大学的Joshua Pearce 教授领导的MOST实验室团队有意制作了对高温3D打印机进行了开源设计,这些设计通过" Open source high-temperature RepRap for 3-D printing heat-sterilizable PPE and other applications " 已经发布在专门针对COVID-19技术的HardwareX特刊中。
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根据世界卫生组织的报告,COVID-19的迅速传播导致美国和欧洲的呼吸机等医疗设备以及个人防护设备(PPE)从当地到全球范围内出现短缺。这场由SARS-CoV-2病毒引起的冠状病毒疾病(COVID-19)传播已经使区域性医疗基础设施不堪重负。小型公司、传统制造商和微观装配实验室(fab Lab)的分布式制造(其中的产品在本地生产)激增。

使用台式机制造甚至可以在个人层面上进行分布式制造,从而为大量产品节省了消费者的钱,包括个人设备和柔性产品。分布式制造,也称为分布式生产、云生产和本地制造,是企业使用地理分散的制造设施网络(通过信息技术进行协调)进行的分散制造的一种形式。它还可以通过具有历史意义的家庭手工业模型来指代本地制造,或者指代在消费者家中进行的制造。分布式制造还可用于克服一般医疗用品的这些短缺,特别是用于医疗面罩(约占总数的60%)、呼吸器材料和呼吸机的换气扇。具有3D打印的分布式制造已被用于有效地制造呼吸器的定制零件,也许最重要的是用于PPE,以帮助减少疾病的传播,包括面罩、口罩、头盔改造、呼吸阀和可重复使用的N95呼吸器。

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这种3D打印PPE的绝大部分是一次性使用后即可丢弃的(例如防护罩和面罩),并且对3D打印PPE的再加工和再利用存在重大挑战。之前已经有许多研究抗微生物聚合物的使用,但尚未证明对病毒有效。3D打印有助于延伸一次性PPE和可重复使用面罩的供应(可重复使用的呼吸机来了?)。但是,由于3D打印机/用户功能的差异很大,因此产生的零件质量也存在很大差异,而且由于基于材料挤压的3D打印的多孔性让其中某些技术令人怀疑,使该方法的实施也面临着挑战。对于某些PPE,例如广泛的3D打印面罩,化学方法可能就足够了,但对于口罩,建议不要使用像肥皂水、酒精、漂白剂、环氧乙烷和电离辐射这样的直接方法。即使病毒颗粒进入多孔介质中,也要使用口罩代替面罩,而使用灭菌箱被认为是家庭消毒的最有效方法。一台低成本、可以打印高温聚合物,从而能够制造可热灭菌的PPE的3D打印机因疫情原因面临广泛需求。

由于常用塑料的熔点(和变形温度)相对较低,使用高温灭菌对于普通的三维打印方法(材料挤出熔融长丝制造(FFF)/熔敷沉积模型(FDM))是不可行的。通常,基于FFF的打印机可打印热聚合物,例如聚乳酸(PLA)、ABS、和PETG,后者已成为大多数COVID-19的首选打印材料。尽管还有其他3D打印方法,但是FFF是自复制快速原型开发程序(RepRap)项目的开源版本,由民主化带来的低成本发展,是最广泛使用的增材制造技术。

但是,先前的研究主要集中在低温熔融塑料(例如PLA,ABS PETG和其他常见的商用长丝,例如尼龙和热塑性聚氨酯(TPU))上。这也是因为具有耐高温性能的3D打印机的价格普遍较高且可访问性较低(例如,Aniwaa列出了2020年上市的7台高温3D打印机,价格范围从25,000美元到110,000美元,最高费用超过50,000美元)。由于在高于250°C的温度下进行打印存在挑战,因此此类高温打印机的成本很高。先前为降低高温3D打印机成本而进行的尝试是对现有系统的进行改造。NASA增强了商业开源Lulzbot Taz(本身就是RepRap),Zawaski和Williams展示了用于倒三角型高温3D打印机的设计。在此之前的工作基础上,来自密歇根理工大学的研究人员原型化并验证了笛卡尔式高温3D打印机,该打印机可打印PPE和其他零件以应对COVID-19。

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(A)面板安装,(B)内部用铝带密封,(C)在床上打印测试。


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(A)打印机已准备好进行接线,从(B)右和(C)左正视图。


高温3D打印机Cerberus的规格:
  • 三头自我复制快速原型制作器(RepRap)
  • 开源的,可以不到1000美元建造
  • 摄氏200度的加热床
  • 摄氏500度的热端
  • 带1千瓦空间加热器芯的隔离式加热室,带电源电压室和床加热装置,可快速启动
  • 印刷拉强度分别为77.5和80.5 MPa的聚醚酮酮(PEKK)和聚醚酰亚胺(PEI, ULTEM)

消防人员用电动空气净化颗粒呼吸器(PAPR)的规格:
  • 开源,可以进行3D打印,并与广泛可用的组件组装在一起,价格不到150美元,可替代商业转换套件(节省85%)或专有的PAPR(节省90%以上)
  • 参数化设计可以适应其他核心组件,并且可以专门定制适合消防员设备,包括其吊架
  • 可控制的气流及其设计使呼吸即使呼吸机断开或电池没电了
  • 满足国家职业安全与健康研究所(NIOSH)气流要求的四个小时,比预期的常规使用量高300%

紧急呼吸机规格:
  • 可以进行3D打印,价格低于$ 170
  • 基于开源Arduino控制器和3D可打印基于参数组件的结构的复苏系统
  • 控制的呼吸模式,潮气量为100至800毫升,呼吸速率为5至40次呼吸/分钟,吸气与呼气比为1:1至1:4
  • 该系统旨在通过使用串行外围接口来实现测量电路的可靠性和可扩展性,并且由于采用了面向对象的算法方法,因此能够连接其他硬件。
  • 在人工肺上进行峰值吸气压力(PIP),呼吸频率(RR),呼气末正压(PEEP),潮气量,近端压力和肺压力测试后的实验结果表明,其重复性和准确性超过了BVM- 基于手动通风。

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PEKK高温打印口罩


Pearce表示这些设计的本质是使用提供的协议和参数设计文件,相对容易通过测试添加所需的功能。我们希望这样的设备其他人可以在此基础上制造,获得所有国家的全面监管批准以确保人类为下一次大流行做好准备。

本文来源:DOI: 10.1016/j.ohx.2020.e00130

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