3D-Druck validiert Beatmungsventil-Designs: Unser Notfall-Beatmungskonzept

Als COVID-19 im Frühjahr 2020 in Nordamerika ernst wurde, gab es viele Unbekannte: Übertragung, Symptome, asymptomatische Ansteckung, Spätfolgen, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Maskenwirksamkeit, Impfstoff-Timeline.

Eine Gewissheit: Falls die Pandemie eskaliert und Schwerverläufe exponentiell steigen, sind Beatmungsgeräte entscheidend. Eine weitere: Viele Länder, darunter Kanada (Protocase-Heimat), hatten unzureichende Beatmungsgeräte-Reserven.

Die Regierung stufte Protocase als systemrelevant ein (Kundenbasis: Innovation, Medizin, Luftfahrt, Verteidigung). Doch Team Protocase wollte mehr: Ein funktionales, portables Beatmungsgerät bauen, das schnell gefertigt & montiert werden kann.

Die Herausforderung

Nach Abstimmung mit Medizinern (Notärzte, Atemtherapeuten u.a.) zu funktionalen Kriterien skizzierte unser R&D-Team das pneumatische System. Kernstück: Drei Ventiltypen (Rückschlagventil, einstellbares Druck-Rückschlagventil, Magnetventil), die mit Verzweigungsrohren Ein-/Ausatem-Kreis bilden.

Problem: Fertigventile waren extrem gefragt.

„Alle sprangen auf die passenden Teile für Beatmungsgeräte und Pandemie-Lösungen an. Lieferkettenunterbrechungen.“ – Justin Lewis, Mechanical Engineer R&D. „Nach Bestellschwierigkeiten entschieden wir: Eigenbau. Die Resultate sind die Versionen, die wir mit Inhouse-Mitteln schnell ohne Lieferzeiten bauen konnten.“

Designs kamen schnell, da Ventilfunktionen & Kriterien etabliert waren.

„Ärzte/Thgave Kriterien. Aus pneumatischem Systemdesign leiteten sich Drücke/Flowrates ab – Ingenieursmathe. Wir analysierten: Wie funktioniert Rückschlagventil? Bei welchen Drücken/Flows?“ – Jordan Rose, R&D Mechanical Engineer.

„Industrielle LEGO-Steine. Gesamtbild aus Basisbauteilen.“ – Lewis. „Basisteile bauen, richtig zusammenstecken, Ziel erreichen.“

3D-Druck als Validierungsschritt

Mit etablierten Ventil-Designs & Druck/Flow-Anforderungen: 3D-Druck für Prototypen – validiert Dimensionen, prüft Druck/Flow-Berechnungen.

„Fräsen dauert substantially länger. 3D-Druck zuerst zur Spec-Bestätigung wichtig.“ – Rose.

„3D-Druck validierte das gesamte Schema. Alles zusammenbauen: ‚Okay, funktioniert‘ – bevor Zeit/Geld in echte Frästeile investiert.“ – Lewis.

Iterationen & Optimierung

Mehrere 3D-Druck-Iterationen bei Rückschlag- & einstellbarem Rückschlagventil zur Straffung & Funktionssicherheit. Frühes Design des einstellbaren Ventils: Kreis mit Ansatz auf einer Seite.

„Um zu testen, welche Stützstruktur der Kreisansatz braucht. Sonst Unterstützung von unten nötig. Oberflächenprobleme vermeiden, damit Schlauch im Pneumatik-System passt. Schließlich: Gerades Rohr – funktionierte.“ – Rose.

„Theorie war gut, es ging ums korrekte Abdichten & richtige Federn.“ – Lewis.

Magnetventil (Pneumatisches Solenoid): Nicht 3D-gedruckt

„Von außen simpel – großer Metallblock. Innen: viele Kammern. Nicht 3D-druckbar.“ – Rose.

„3D-Druck: Wellenabdichtung am Material schwierig. Fräsen → schöne Oberfläche, passende Welle → perfekte Abdichtung.“ – Lewis.

Solenoid vereint alle Protocase-Fertigungen: CNC-Drehteile, Frästeile, Blechteile, 3D-Druckteil, Dichtungsmaterial. Statt Gummi als typische Dichtung: CNC-Router schnitt Gummikreis als Rückschlagventil-Blasenbalg.

Rückblick & Ausblick

3D-Druck first war entscheidend: Industrielle LEGO-Steine passten & funktionierten per Schema, ohne wertvolle CNC-Zeit zu verbrennen.

„Schön zu wissen: Richtige Richtung. Schema zusammenbauen → ‚Warte, Layout falsch‘. Anpassungen am Gesamtsystem. Kein Geld/Zeit in Fräsblöcke für Fehlversuche. 3D-Teile etwas undicht, aber System funktionierte → sicher in nächste Phase investieren.“ – Lewis.

Endgültige CNC-Ventile vielleicht nicht elegant, klobig vs. Markprodukten – aber Grund:

„Innerhalb unserer Fähigkeiten designed, damit 2.000 Stück schnell machbar. Kein Fancy-Design, keine Grenzüberschreitung.“ – Rose.

Reflexion: Beide sehen Vorteile elektrischer Systeme (Software-gesteuert an/aus). Pneumatisch = Vakuumsystem, schwieriger.

„Pneumatisches Solenoid = Musikinstrument. Toll, wenn abgestimmt ausgeliefert. Aber bei Änderungen: Kein Krankenhauspersonal, das die Maschine intricat kennt. Idealer: Einfacher Drehknopf. Unser System war top für Inhouse-Schnellentwicklung, aber Lieferketten normalisierten sich – elektrisches System wäre später möglich.“ – Lewis.

„Damals: Elektrisches Solenoid nicht beschaffbar. Panik. Jetzt: Leicht verfügbar.“ – Rose.

Großes Bild: Beatmungsprojekt (Design & Fertigung der 3 Ventile) prägte Protocase R&D-Arbeit nachhaltig.

„Globale Notlage – alles fallen lassen, Team zusammen. Erkenntnis: Andere Projekte stoppen, auf 1–2 Dinge fokussieren, eingrenzen.“ – Rose.

Statt sich zu verzetteln oder isoliert zu arbeiten, funktioniert R&D jetzt als Team.

„Gemeinsame Ziele, Ressourcen-Pooling. Jedes Projekt jetzt quasi als Notfall behandeln. Katalysator für viele R&D-Verbesserungen.“ – Lewis.