Nuestro plan inicial era recibir los componentes electrónicos para armar el prototipo, el jueves de la semana pasada. El lunes anterior, salieron 3 encargos desde Estados Unidos y su fecha de llegada era el jueves 14 a las 18.00hrs. Uno de los encargos viajó en vuelo directo y llegó puntual. Los otros dos hicieron escala en Brasil, e inexplicablemente quedaron retenidos allá y volaron recién el sábado. Recibimos los componentes hoy después del medio día.
Para cada prototipo, debemos armar:
02 placas de control de válvulas.
01 placa de poder.
01 placa de sensores.
01 placa de control.
Actualmente contamos con las dos placas de control de válvulas y nos encontramos armando las dos primeras placas de poder. A continuación se presentan algunas fotografías del proceso.
Estación de montaje e inspección por microscopio.Placa de control de cuerpo de válvulas en proceso de montaje.Trabajo en equipo a pesar de la cuarentena.Placa de control de válvulas montada en el cuerpo de válvulas de entrada y válvula de control de espiración.Proceso de montaje de componentes en la placa de poder, previo a ser aplicada la curva de calor (hasta 260º) para soldar los componentes.Verificación de la calidad de la soldadura.Prototipo de la placa de poder.
Actualmente seguimos avanzando en la prueba de estas placas, en el armado de la placa de sensores y la placa de control para llegar a las primeras unidades prototipo. Estamos cerca, muy cerca !
La válvula de espiración requiere ser operada con proporcionalidad, a una muy baja presión. Desde el último diseño, hemos ensayamos distintas estrategias y, finalmente, optamos por un diseño que, aprovechando la linealidad de las válvulas VEMP, nos permitiera utilizarla como un accionador neumático de la válvula de espiración, algo así como una suerte de “transistor”, con una alta respuesta en frecuencia, evitando así el uso de motores stepper y las complejidades de filtración de aire del canal de espiración que pudieran haber hacia el motor.
Válvula de Espiración – ArmadaVálvula de espiración – DespieceVálvula de espiración – Simulación de elemento finitoVálvula de espiración – Render 3DVálvula de Inspiración – Render 3DVálvula de espiración – Prototipo de la carcasa exteriorVálvula de espiración – Molde para inyección de membrana flexibleVálvula de espiración – Membrana flexible en el moldeVálvula de espiración – Membrana flexible prototipoVálvula de espiración – Válvula de inspiración MK III ensamblada.
A continuación el video de las pruebas de stress acelerado a que está siendo sometida la válvula prototipo. Se están aplicando ciclos de 4.5Hz de 0-5 [psi] durante 24 horas, equivalentes a 388.800 ciclos, que en condiciones normales serían 14 días de operación continuada.
Válvula de espiración – pruebas de stress acelerado
Durante la semana pasada recibimos los PCB del circuito de control del cuerpo de válvulas y los componentes para ensamblar el cuerpo de válvulas. Junto con lo anterior, refinamos el proceso de producción del cuerpo de válvulas y su empaquetadura ( Figura 1 y 2).
Figura 1. Prototipo de la base del cuerpo de válvulas y sus empaquetaduras de UretanoFigura 2. Cuerpo de Válvulas ensamblado
El sábado 2 de Mayo , se montó la primera prueba neumática del sistema, con un compresor a 60 [psi], conectado a un regulador del 20 [psi]. Luego se conectó una línea al cuerpo de válvulas, que regula la salida al canal de inspiración, y se programaron las rutinas de control y la lectura de los sensores de voltaje de la placa de potencia en una placa Arduino, como se puede ver en el siguiente esquema en la Figura 3.
Figura 3. Prueba Neumática del sistema.
¡El resultado fue un éxito! Logramos controlar la válvula generando ciclos de carga y descarga de las dos vías de la válvula, de forma proporcional, con una velocidad de respuesta en el orden de los milisegundos, validando así todo el diseño y las estrategias de control para el respirador, además del funcionamiento de las partes neumáticas. A continuación se muestra un video de la operación de apertura y cierre de la válvula.
Prueba Cuerpo de Válvulas en escenario real: Linea de 60psi, regulada a 20psi para terminar en presión atmosférica.
¿Qué sigue?
Montar el control de las 4 válvulas en la placa de control integrada (las despachan este martes desde China).
Montar los sensores en su PCB (los despachan el jueves).
Conectar todo a la placa de control final, que también es despachado esta semana.
Uno de los elementos más importantes del respirador son las Válvulas. Estas regulan la dosificación de aire y oxígeno, junto con la Válvula de inspiración. En nuestro diseño, se optó por utilizar Válvulas proporcionales en lugar de solenoides, para asegurar un flujo continuo hacia el paciente. Dentro de las válvulas proporcionales, optamos por las válvulas VEMP de de la compañía alemana Festo ( www.festo.com ).
Se eligió la válvula VEMP ya que que controla muy finamente la velocidad del flujo de aire en equipos de terapia con oxígeno, asegurando así una entrega precisa y confiable de dosis de oxígeno durante la inhalación al paciente. Beneficios adicionales de esta válvula son que es pequeña, liviana, silenciosa al operar, consume muy poca energía y tiene una larga vida útil.
Es importante detallar tres características de la válvula VEMP :
1. La válvula VEMP no acumula calor, ya que mantiene su estado actual sin utilizar energía e incluso para realizar cambios de velocidad de flujo utiliza muy poca energía. Por otra parte, al ser poco pesada ( 20 grs) , le permite ser instalada en equipos portátiles .
2. Funcionamiento proporcional : la válvula VEMP, en conjunto con sensores de presión y flujo, permite un control extremadamente preciso y proporcional del control de flujo de gas y presión desde 0 a 30 l / min. Por otra parte, con una velocidad de respuesta de 15 ms, puede reaccionar muy rápido, siendo ideal para terapias de oxigenación y ventilación. El punto de operación de flujo se determina usando un voltaje DC (hasta 350 VDC), es decir, no requiere de señal de modulación por ancho de pulsos controlado.
3. Funcionamiento silencioso : la tecnología Piezo usa un sistema totalmente distinto al sistema mecánico de las válvulas solenoides, siendo silencioso en su operación.
En el diseño del equipo se espera utilizar 7 válvulas VEMP :
un cuerpo de dos válvulas para controlar el aire.
un cuerpo de una válvulas para controlar el oxígeno
un cuerpo de 4 válvulas para componer la válvula de Inspiración.
Por último es importante mencionar que la compañía alemana FESTO, presente en más de 176 países en el mundo, es un proveedor líder en tecnología automatizada cuya misión es maximizar la productividad y competitividad de sus clientes.
Electrónica de Potencia para el control de las Válvulas
La electrónica de potencia, corresponde a toda la electrónica que permite accionar las válvulas VEMP de forma segura, siguiendo las especificaciones del fabricante. ( Figura 1 )
Figura 1. Diagrama de bloques de la electrónica del respirador
A diferencia de las válvulas solenoides tradicionales, las válvulas VEMP tienen un modelo eléctrico que no es resistivo, si no que capacitivo, en donde cada línea de la válvula se modela como un condensador de 35 [nF], lo que impacta en la estrategia de control que se debe seguir para lograr alcanzar el voltaje de operación deseado.
Si bien el hecho de que sea proporcional, es decir, que el nivel de apertura de la válvula es proporcional al voltaje aplicado, simplifica mucho la estrategia de control del ventilador y supone un desafío de diseño electrónico para proporcionar un voltaje variable desde 0 [V] a los 350 [V] máximo que requiere la válvula para lograr una apertura completa.
En nuestro diseño, la electrónica de potencia se divide en dos bloques, el primero de ellos es una fuente switching del tipo Boost-Up, que eleva el voltaje de 12 [Vdc] a 350 [Vdc]. El segundo bloque corresponde a la electrónica de control de la válvula. La idea es que para lograr un voltaje de referencia (que nos da la apertura de la válvula), se generó un circuito de carga y otro de descarga de la válvula, que se accionan dependiendo de la diferencia que exista con el voltaje de referencia. El esquemático del bloque es el siguiente (Figura 2).
Figura 2.
La simulación del circuito nos permite anticipar el comportamiento que tendrá la válvula frente a distintas condiciones de operación. A modo de ejemplo, se presenta esta simulación de una baja desde el 100% de apertura a un 10% de apertura.
Figura 3. Simulación circuito de carga y descarga de una válvula VEMP
El tiempo de respuesta de la válvula está en el orden de los 10 [ms].
Cada válvula tiene dos canales de control. Para esta aplicación se requiere contar con cuatro válvulas VEMP, por lo que la electrónica de potencia debe manejar ocho circuitos.
Modelo 3D
El diseño del cuerpo de válvulas se hizo de tal forma que fuese lo más compacto posible, con las consideraciones necesarias para el manejo de pistas con alto voltaje. La tarjeta electrónica tiene una disposición similar a la que se observa en las siguientes imágenes. ( Figuras 4 – 9 )
Figura 4. Placa de control de válvulas VEMP – vista isométricaFigura 5. Placa de control de válvulas VEMP – vista superiorFigura 6. Placa de control de válvulas VEMP – vista inferior
De esta forma, se conectan las 4 válvulas en paralelo a la tarjeta electrónica, y la base del cuerpo de válvulas.
Figura 7. Despiece del cuerpo de válvulasFigura 8. Vista superior con placa de electrónica de potencia integradaFigura 9. Cuerpo de válvulas ensamblado
La Válvula de Espiración controla la presión de salida del flujo de aire del paciente ( Figura 1 ) . Trabaja a muy poca presión y es necesario que tenga poca carga. Se decidió imprimir esta pieza en 3D para tener la flexibilidad de diseño y disponibilidad para el proceso de producción ( Figura 2). La actuación sobre la válvula será por medio de un motor stepper de 200 pasos por revolución.
Es importante recordar que un paciente COVID-19 puede estar 14 días conectado a ventilación mecánica, por lo que las partes deben soportar al menos 1,2 millones de ciclos de funcionamiento.
Modelo Inicial
El diseño incial permitía controlar el flujo y la presión de la espiración de manera proporcional, algo muy deseable para los sistemas de control automático.
Figura 1. Diseño Válvula de Espiración – Versión inicial.Figura 2. Válvula impresa.
Se realizaron algunas pruebas con este diseño, sin embargo, no fue posible determinar con certeza la vida útil de la válvula producto del desgaste entre sus piezas.
Segunda Iteración
Dado lo anterior, se buscó una solución que diera la proporcionalidad en el control, pero que también permitiera asegurar un desgaste mínimo y la menor pérdida de flujo posible. Por esta razón, se cambió el diseño por el detallado en la Figura 3 , en donde el aire entra por la punta del cono y sale por un ducto lateral en la parte superior. El eje del motor stepper desplaza la válvula por medio de un hilo.
Figura 3. Diseño Válvula de Espiración.Figura 4. Válvula 2 – Vista 3D.Figura 5. Válvula 2 – Despiece.
Proceso de impresión 3D
Es importante mencionar que el proceso de impresión toma 8 horas y se imprimen todas las piezas juntas.
Figura 6. Captura software de impresión.Figura 7. Proceso de impresión de la válvula de espiración.Figura 8. Salida de la impresión.
El proceso de curado con luz UV de la resina impresa, toma cerca de 1 hora y permite darle a cada pieza, la dureza necesaria para soportar la carga de trabajo.
Figura 9. Proceso de curado de la pieza impresa.
La válvula ensamblada queda de la siguiente forma, detallada en la Figura 10.
Figura 10. Válvula ensamblada .Figura 11. Montaje en motor stepper.Figura 12. Montaje en motor stepper – otra vista.
El próximo paso es realizar pruebas de estrés a la válvula y determinar si será capaz de resistir los 1.2 millones de ciclos que requiere el diseño.
