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Des ingénieurs créent de nouveaux outils Open-source imprimables pour COVID-19

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Dans son blog, l'ingénieur Joshua Pearce raconte comment son laboratoire a développé une imprimante 3D à haute température, un masque de pompier et un ventilateur d'urgence imprimable en réponse à COVID-19.

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Il existe un besoin désespéré de matériel à bas prix pour traiter le COVID-19 dans le monde entier. Aujourd'hui, avec l'évolution des technologies de fabrication numérique telles que les imprimantes 3D et les systèmes de fraisage de circuits, l'humanité peut partager ses conceptions avec d'autres qui peuvent alors reproduire des dispositifs de qualité médicale pour le coût de matériaux d'origine locale.

Aujourd'hui, grâce à l'évolution des technologies de fabrication numérique telles que les imprimantes 3D et les systèmes de fraisage de circuits, l'humanité peut partager ses conceptions avec d'autres qui peuvent ensuite reproduire des dispositifs de qualité médicale pour le coût de matériaux d'origine locale.

Lorsque nous avons commencé ces études au printemps dernier, les équipements de protection individuelle (EPI) étaient en pénurie, la plupart des EPI étaient à usage unique et jetables, ce qui ajoutait aux problèmes de déchets plastiques, et la demande d'équipements hospitaliers était supérieure à l'offre. Le laboratoire MOST (Open Sustainability Technology) de l'Université technologique du Michigan a mis au point trois nouveaux outils pour nous aider.

L'impression en 3D peut prendre le dessus

Nous avons accéléré la mise au point d'une imprimante 3D à haute température et à faible coût. De nombreux fabricants dans le monde entier utilisent des imprimantes 3D pour fabriquer des EPI, mais normalement celles-ci sont utilisées une seule fois et jetées. La stérilisation thermique est généralement évitée pour les composants imprimés en 3D en raison de leur déformation relativement faible et de leur température de fusion. Les polymères requis pour les composants stérilisables à haute température pour le COVID-19 et d'autres applications exigeaient une imprimante 3D capable de supporter la chaleur.

Il existe plusieurs imprimantes à haute température sur le marché, mais leur coût élevé les rend inaccessibles pour la fabrication distribuée à domicile, nécessaire pendant les périodes de confinement de la pandémie. MOST a développé le Cerberus - un prototypeur rapide auto-répliquant à trois têtes (RepRap) à code source ouvert pour moins de 1 000 dollars

Voici les spécifications :

Lit chauffant pouvant atteindre 200 degrés Celsius

Partie chaude pouvant atteindre 500 degrés Celsius

chambre chauffée isolée avec noyau de chauffage de 1 kilowatt avec chambre sous tension et chauffage du lit pour un démarrage rapide

imprime le polyéthercétonecétone (PEKK) et le polyétherimide (PEI, ULTEM) avec des résistances à la traction de 77,5 et 80,5 MPa, respectivement

Nous avons montré qu'il était possible de fabriquer des masques faciaux en PEKK qui ne se déformeraient pas en utilisant une stérilisation au four accessible à domicile. Cela signifie que l'EPI peut être réutilisé.

Lutte contre l'incendie COVID-19

Les pompiers et autres premiers intervenants ont voulu utiliser leur équipement existant pour respirer pendant la pandémie sans utiliser de masques à usage unique. MOST a mis au point un kit en source libre pour convertir un appareil respiratoire autonome en un appareil respiratoire à particules purifiant l'air (PAPR). Le PAPR open-source peut être fabriqué avec une imprimante 3D open-source à bas prix et des composants largement disponibles pour moins de 150 $, remplaçant les kits de conversion commerciaux (économie de 85%) ou les PAPR propriétaires (économie de plus de 90%).

Les conceptions paramétriques permettent l'adaptation à d'autres composants de base et peuvent être adaptées spécifiquement à l'équipement des pompiers, y compris leurs suspensions.

Le PAPR à source ouverte a un débit d'air contrôlable et sa conception permet de respirer même si le ventilateur est déconnecté ou si la batterie est déchargée. Nous avons testé le débit d'air en fonction de la durée de vie de la batterie et il a satisfait aux exigences du National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) en matière de débit d'air pendant quatre heures, soit 300 % de plus que l'utilisation régulière prévue.

Ventilateurs imprimés en 3D

L'un des plus grands soucis durant la pandémie a été de manquer de ventilateurs pour les patients atteints de COVID-19. MOST a mis au point un système de compression simple et facile à construire, le masque à valve à poche automatisé (BVM), qui peut servir de ventilateur d'urgence temporaire en cas de pénurie aiguë et de rupture de la chaîne d'approvisionnement.

Le système de réanimation est basé sur le contrôleur open-source Arduino et sur une structure basée sur des composants paramétriques imprimables en 3D. Le ventilateur à source ouverte imprimable en 3D coûte moins de 170 dollars, ce qui le rend abordable pour être reproduit par des fabricants du monde entier

Voici les spécifications de l'appareil :

un mode de respiration contrôlé avec des volumes courants de 100 à 800 millilitres, des fréquences respiratoires de 5 à 40 respirations par minute et un rapport inspiration/expiration de 1:1 à 1:4

Le système est conçu pour assurer la fiabilité et l'évolutivité des circuits de mesure grâce à l'utilisation de l'interface périphérique série et a la possibilité de connecter du matériel supplémentaire grâce à l'approche algorithmique orientée objet.

Les résultats expérimentaux après test sur un poumon artificiel pour la pression inspiratoire de pointe (PIP), la fréquence respiratoire (RR), la pression expiratoire finale positive (PEEP), le volume courant, la pression proximale et la pression pulmonaire démontrent une répétabilité et une précision dépassant les capacités humaines dans la ventilation manuelle basée sur la BVM.

Des travaux futurs sont nécessaires pour développer et tester davantage le système afin de le rendre acceptable pour une utilisation dans des environnements cliniques en dehors des situations d'urgence comme la pandémie.

La nature de ces conceptions est telle que les caractéristiques souhaitées sont relativement faciles à ajouter au test à l'aide des protocoles et des fichiers de conception paramétrique fournis. Nous espérons que ces dispositifs pourront être utilisés par d'autres pour obtenir une approbation réglementaire complète dans tous les pays afin de garantir que l'humanité est prête pour la prochaine pandémie. D'importants groupes de fabricants, d'ingénieurs et de professionnels de la santé collaborent déjà pour mettre au point des solutions à code source libre qui peuvent être reproduites et assemblées localement dans le monde entier. Nous sommes heureux d'en faire partie.