可打印高溫滅菌PPE的開源3D打印機(jī)，為下一次大流行做好準(zhǔn)備

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉，來自密歇根理工大學(xué)的Joshua Pearce 教授領(lǐng)導(dǎo)的MOST實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)有意制作了對高溫3D打印機(jī)進(jìn)行了開源設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)通過" Open source high-temperature RepRap for 3-D printing heat-sterilizable PPE and other applications " 已經(jīng)發(fā)布在專門針對COVID-19技術(shù)的HardwareX特刊中。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的報(bào)告，COVID-19的迅速傳播導(dǎo)致美國和歐洲的呼吸機(jī)等醫(yī)療設(shè)備以及個(gè)人防護(hù)設(shè)備（PPE）從當(dāng)?shù)氐饺�球范圍�?nèi)出現(xiàn)短缺。這場由SARS-CoV-2病毒引起的冠狀病毒疾�。–OVID-19）傳播已經(jīng)使區(qū)域性醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施不堪重負(fù)。小型公司、傳統(tǒng)制造商和微觀裝配實(shí)驗(yàn)室(fab Lab)的分布式制造（其中的產(chǎn)品在本地生產(chǎn)）激增。

使用臺式機(jī)制造甚至可以在個(gè)人層面上進(jìn)行分布式制造，從而為大量產(chǎn)品節(jié)省了消費(fèi)者的錢，包括個(gè)人設(shè)備和柔性產(chǎn)品。分布式制造，也稱為分布式生產(chǎn)、云生產(chǎn)和本地制造，是企業(yè)使用地理分散的制造設(shè)施網(wǎng)絡(luò)（通過信息技術(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)）進(jìn)行的分散制造的一種形式。它還可以通過具有歷史意義的家庭手工業(yè)模型來指代本地制造，或者指代在消費(fèi)者家中進(jìn)行的制造。分布式制造還可用于克服一般醫(yī)療用品的這些短缺，特別是用于醫(yī)療面罩（約占總數(shù)的60％）、呼吸器材料和呼吸機(jī)的換氣扇。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，也許最重要的是用于PPE，以幫助減少疾病的傳播，包括面罩、口罩、頭盔改造、呼吸閥和可重復(fù)使用的N95呼吸器。

這種3D打印PPE的絕大部分是一次性使用后即可丟棄的（例如防護(hù)罩和面罩），并且對3D打印PPE的再加工和再利用存在重大挑戰(zhàn)。之前已經(jīng)有許多研究抗微生物聚合物的使用，但尚未證明對病毒有效。3D打印有助于延伸一次性PPE和可重復(fù)使用面罩的供應(yīng)（可重復(fù)使用的呼吸機(jī)來了？）。但是，由于3D打印機(jī)/用戶功能的差異很大，因此產(chǎn)生的零件質(zhì)量也存在很大差異，而且由于基于材料擠壓的3D打印的多孔性讓其中某些技術(shù)令人懷疑，使該方法的實(shí)施也面臨著挑戰(zhàn)。對于某些PPE，例如廣泛的3D打印面罩，化學(xué)方法可能就足夠了，但對于口罩，建議不要使用像肥皂水、酒精、漂白劑、環(huán)氧乙烷和電離輻射這樣的直接方法。即使病毒顆粒進(jìn)入多孔介質(zhì)中，也要使用口罩代替面罩，而使用滅菌箱被認(rèn)為是家庭消毒的最有效方法。一臺低成本、可以打印高溫聚合物，從而能夠制造可熱滅菌的PPE的3D打印機(jī)因疫情原因面臨廣泛需求。

由于常用塑料的熔點(diǎn)(和變形溫度)相對較低，使用高溫滅菌對于普通的三維打印方法（材料擠出熔融長絲制造（FFF）/熔敷沉積模型（FDM））是不可行的。通常，基于FFF的打印機(jī)可打印熱聚合物，例如聚乳酸（PLA）、ABS、和PETG，后者已成為大多數(shù)COVID-19的首選打印材料。盡管還有其他3D打印方法，但是FFF是自復(fù)制快速原型開發(fā)程序（RepRap）項(xiàng)目的開源版本，由民主化帶來的低成本發(fā)展，是最廣泛使用的增材制造技術(shù)。

但是，先前的研究主要集中在低溫熔融塑料（例如PLA，ABS PETG和其他常見的商用長絲，例如尼龍和熱塑性聚氨酯(TPU)）上。這也是因?yàn)榫哂心透邷匦阅艿?D打印機(jī)的價(jià)格普遍較高且可訪問性較低（例如，Aniwaa列出了2020年上市的7臺高溫3D打印機(jī)，價(jià)格范圍從25,000美元到110,000美元，最高費(fèi)用超過50,000美元）。由于在高于250°C的溫度下進(jìn)行打印存在挑戰(zhàn)，因此此類高溫打印機(jī)的成本很高。先前為降低高溫3D打印機(jī)成本而進(jìn)行的嘗試是對現(xiàn)有系統(tǒng)的進(jìn)行改造。NASA增強(qiáng)了商業(yè)開源Lulzbot Taz（本身就是RepRap），Zawaski和Williams展示了用于倒三角型高溫3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)。在此之前的工作基礎(chǔ)上，來自密歇根理工大學(xué)的研究人員原型化并驗(yàn)證了笛卡爾式高溫3D打印機(jī)，該打印機(jī)可打印PPE和其他零件以應(yīng)對COVID-19。

(A)面板安裝，(B)內(nèi)部用鋁帶密封，(C)在床上打印測試。

(A)打印機(jī)已準(zhǔn)備好進(jìn)行接線，從(B)右和(C)左正視圖。

高溫3D打印機(jī)Cerberus的規(guī)格：

• 三頭自我復(fù)制快速原型制作器（RepRap）
• 開源的，可以不到1000美元建造
• 攝氏200度的加熱床
• 攝氏500度的熱端
• 帶1千瓦空間加熱器芯的隔離式加熱室，帶電源電壓室和床加熱裝置，可快速啟動
• 印刷拉強(qiáng)度分別為77.5和80.5 MPa的聚醚酮酮(PEKK)和聚醚酰亞胺(PEI, ULTEM)
  

消防人員用電動空氣凈化顆粒呼吸器（PAPR）的規(guī)格：

• 開源，可以進(jìn)行3D打印，并與廣泛可用的組件組裝在一起，價(jià)格不到150美元，可替代商業(yè)轉(zhuǎn)換套件（節(jié)省85％）或?qū)Ｓ械腜APR（節(jié)省90％以上）
• 參數(shù)化設(shè)計(jì)可以適應(yīng)其他核心組件，并且可以專門定制適合消防員設(shè)備，包括其吊架
• 可控制的氣流及其設(shè)計(jì)使呼吸即使呼吸機(jī)斷開或電池沒電了
• 滿足國家職業(yè)安全與健康研究所（NIOSH）氣流要求的四個(gè)小時(shí)，比預(yù)期的常規(guī)使用量高300％
  

緊急呼吸機(jī)規(guī)格：

• 可以進(jìn)行3D打印，價(jià)格低于$ 170
• 基于開源Arduino控制器和3D可打印基于參數(shù)組件的結(jié)構(gòu)的復(fù)蘇系統(tǒng)
• 控制的呼吸模式，潮氣量為100至800毫升，呼吸速率為5至40次呼吸/分鐘，吸氣與呼氣比為1：1至1：4
• 該系統(tǒng)旨在通過使用串行外圍接口來實(shí)現(xiàn)測量電路的可靠性和可擴(kuò)展性，并且由于采用了面向?qū)ο蟮乃惴ǚ椒�，因此能夠連接其他硬件。
• 在人工肺上進(jìn)行峰值吸氣壓力(PIP)，呼吸頻率(RR)，呼氣末正壓(PEEP)，潮氣量，近端壓力和肺壓力測試后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其重復(fù)性和準(zhǔn)確性超過了BVM- 基于手動通風(fēng)。
  

PEKK高溫打印口罩

Pearce表示這些設(shè)計(jì)的本質(zhì)是使用提供的協(xié)議和參數(shù)設(shè)計(jì)文件，相對容易通過測試添加所需的功能。我們希望這樣的設(shè)備其他人可以在此基礎(chǔ)上制造，獲得所有國家的全面監(jiān)管批準(zhǔn)以確保人類為下一次大流行做好準(zhǔn)備。

本文來源：DOI: 10.1016/j.ohx.2020.e00130