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Ingenieros construyen nuevas herramientas de código abierto imprimibles para COVID-19

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En su blog de invitados, el ingeniero Joshua Pearce comparte cómo su laboratorio desarrolló una impresora 3D de alta temperatura, una máscara de bomberos y un ventilador imprimible de uso de emergencia en respuesta a COVID-19.

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Hay una necesidad desesperada de hardware de bajo costo para hacer frente a COVID-19 en todo el mundo. Hoy en día, con la evolución de las tecnologías de fabricación digital como las impresoras 3D y los sistemas de fresado de circuitos, la humanidad puede compartir los diseños con otros que pueden entonces replicar dispositivos de grado médico por el costo de los materiales de origen local.

Hoy en día, con la evolución de las tecnologías de fabricación digital como las impresoras 3D y los sistemas de fresado de circuitos, la humanidad puede compartir los diseños con otros que pueden entonces replicar dispositivos de grado médico por el costo de los materiales de origen local.

Cuando comenzamos estos estudios la primavera pasada, los equipos de protección personal (EPP) escaseaban, la mayoría de los EPP eran de un solo uso y desechables, lo que se sumaba a los problemas con los residuos plásticos, y la demanda de equipos hospitalarios era mayor que la oferta. El Laboratorio de Tecnología Abierta de Sostenibilidad de la Universidad Tecnológica de Michigan (MOST) desarrolló tres nuevas herramientas para ayudar.

La impresión en 3D puede soportar el calor

Hemos acelerado una impresora 3D de bajo costo y alta temperatura. Muchos fabricantes de todo el mundo han estado usando impresoras 3D para fabricar EPI, pero normalmente éstas se usan una vez y se tiran. Generalmente se evita la esterilización térmica de los componentes impresos en 3D debido a su deformación relativamente baja y a las temperaturas de fusión. Los polímeros necesarios para los componentes esterilizables por calor a alta temperatura para COVID-19 y otras aplicaciones exigían una impresora 3D que pudiera soportar el calor.

Hay varias impresoras de alta temperatura en el mercado, pero su alto costo las hace inaccesibles para la fabricación distribuida a domicilio completa que se requiere durante los cierres por pandemia. MOST desarrolló el Cerberus - un prototipo rápido de código abierto, de tres cabezas, auto-replicante (RepRap) por menos de 1.000 dólares

Aquí están las especificaciones:

Cama calefactora de 200 grados centígrados

El extremo caliente a 500 grados centígrados

cámara calefactora aislada con un núcleo calefactor de 1 kilovatio con cámara de tensión de red y calefacción de cama para un rápido arranque

imprime poliéter-cetona (PEKK) y poliéter-imida (PEI, ULTEM) con resistencias a la tracción de 77,5 y 80,5 MPa, respectivamente

Demostramos que podíamos hacer máscaras faciales de código abierto en PEKK que no se deformaran usando la esterilización en el horno, accesible en casa. Eso significa que el PEKK puede ser reutilizado.

Lucha contra el fuego COVID-19

Los bomberos y otros socorristas querían utilizar el equipo de respiración existente durante la pandemia sin utilizar máscaras de un solo uso. MOST desarrolló un kit de código abierto para convertir un aparato de respiración autónomo en un respirador de partículas purificadoras de aire (PAPR). El PAPR de código abierto puede fabricarse con una impresora 3D de código abierto de bajo costo y componentes ampliamente disponibles por menos de 150 dólares, reemplazando los kits de conversión comerciales (con un ahorro del 85%) o los PAPR patentados (con un ahorro de más del 90%).

Los diseños paramétricos permiten la adaptación a otros componentes básicos y pueden ser adaptados específicamente a los equipos de los bomberos, incluyendo sus tirantes.

El PAPR de fuente abierta tiene un flujo de aire controlable y su diseño permite la respiración incluso si el ventilador está desconectado o si la batería se agota. Probamos el flujo de aire en función de la duración de la batería y cumplió con los requisitos de flujo de aire del Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) durante cuatro horas, lo que supone un 300% más que el uso regular esperado.

Ventiladores impresos en 3D

Una de las mayores preocupaciones durante la pandemia fue quedarse sin ventiladores para los pacientes de COVID-19. MOST desarrolló un sistema de compresión de mascarilla de válvula de bolsa automatizado y portátil (BVM), que puede servir como un ventilador de emergencia temporal durante situaciones de escasez aguda e interrupciones en la cadena de suministro.

El sistema de resucitación se basa en el controlador de código abierto Arduino y en una estructura de componentes paramétricos imprimibles en 3D. El ventilador de código abierto e imprimible en 3D cuesta menos de 170 dólares, lo que lo hace asequible para su replicación por fabricantes de todo el mundo

Aquí están las especificaciones del dispositivo:

modo de respiración controlada con volúmenes de 100 a 800 mililitros, frecuencias respiratorias de 5 a 40 respiraciones por minuto, y relación inspirador-espirador de 1:1 a 1:4

El sistema está diseñado para la fiabilidad y escalabilidad de los circuitos de medición mediante el uso de la interfaz periférica en serie y tiene la capacidad de conectar hardware adicional debido al enfoque algorítmico orientado al objeto.

Los resultados experimentales después de probar en un pulmón artificial la presión inspiratoria máxima (PIP), la frecuencia respiratoria (RR), la presión positiva al final de la espiración (PEEP), el volumen tidal, la presión proximal y la presión pulmonar demuestran que la repetibilidad y la precisión superan las capacidades humanas en la ventilación manual basada en la BVM.

Es necesario trabajar en el futuro para seguir desarrollando y probando el sistema a fin de que sea aceptable para su uso en entornos clínicos fuera de emergencias como la pandemia.

La naturaleza de estos diseños es tal que las características deseadas son relativamente fáciles de añadir con la prueba utilizando los protocolos y archivos de diseño paramétrico proporcionados. Nuestra esperanza es que tales dispositivos puedan ser construidos por otros para lograr la plena aprobación regulatoria en todos los países para asegurar que la humanidad esté preparada para la próxima pandemia. Grandes grupos de fabricantes, ingenieros y profesionales médicos ya están colaborando para crear soluciones de código abierto que puedan reproducirse y ensamblarse localmente en todo el mundo. Estamos felices de ser una pequeña parte de ello.