Toegepaste Ingenieurs­wetenschappen

Verbetering corona-ventilator door virtual engineering

Professor Stijn Derammelaere (IW: elektromechanica) en zijn team van onderzoekers van CoSys-Lab werkten mee aan een noodtoestel voor het beademen van corona-patiënten. Ze slaagden erin om het originele ontwerp 43% energie-efficiënter te maken én zorgden ook voor een 47% goedkopere elektrische motor.

Toen de pandemie in 2020 uitbrak was er een groot tekort aan beademingstoestellen op de afdelingen intensieve zorg. Gear-up Medical bouwde een corona-ventilator met als doel op dit tekort in te spelen. Onderzoekers van UAntwerpen (CoSys-Lab), UGent en Flanders Make werkten samen onder de projecttitel Tetra OptiMotion voor de optimalisatie van het toestel. Het doel van het project is om nieuwe industriële technologieën te onderzoeken en op een duidelijke en snel inzetbare manier aan kmo’s uit te leggen. 

Corona-ventilator 

De aandrijving van een coronaventilator gebeurt door een stangenmechanisme, centraal aangedreven door een DC-motor (zie onderstaande afbeelding). Dit mechanisme voert een herhaaldelijke op- en neergaande beweging uit die de luchtbalg induwt. Dit creëert een bepaald luchtdebiet dat in de longen van de patiënt wordt gepompt.

De uitdaging was om de optimale afmetingen van aandrijfstangen (AD, CD en BC) te vinden, om een zo laag mogelijk aandrijfkoppel te bekomen. Zo kan een kleinere en goedkopere aandrijfmotor geselecteerd worden. Als gevolg zal het energieverbruik van de machine ook dalen.

Hoe optimaliseren? 

Na het opstellen van de doelstellingen ging het team aan de slag met de conceptstudie, om het meest optimale ontwerp te bekomen. Ze gebruikten hiervoor een innovatieve workflow: een combinatie van wiskundige optimalisatieroutines en virtual engineering. Bij virtual engineering wordt het effect van ontwerpwijzigingen meteen gesimuleerd in CAD-software (CAD = Computer Aided Design).

De taak van het optimalisatie-algoritme was dus om verschillende combinaties van afmetingen van aandrijfstangen te genereren en deze aan de CAD-software aan te bieden. De nieuwe afmetingen werden dan automatisch omgezet naar een aangepast 3D-model. Zo kan er automatisch gezocht worden tussen honderden verschillende combinaties van afmetingen en heel efficiënt een optimaal ontwerp bekomen worden.

Toekomst 

Deze aanpak kan evengoed toegepast worden op andere optimalisatieprojecten, zoals het optimaliseren het aandrijftraject van de coronaventilator. Testen op industriële cases hebben aangetoond dat door de geometrie of het aandrijftraject te optimaliseren tot 40% van het aandrijfkoppel gereduceerd kan worden. De gevolgen daarvan? 

  • Componenten moeten niet meer gedimensioneerd worden 
  • Je kan een kleinere motor kiezen 
  • Reductie van het energieverbruik van de machine 
  • Ontwerpcyclus gaat heel wat sneller en is dus goedkoper 

Studiedag 

Op woensdag 22 september 2021 wordt een studiedag georganiseerd waar alle resultaten en methodes van het project voorgesteld worden. Interesse om bij deze of de studiedag bij te wonen? Neem contact op met Bart Vanwalleghem of Stijn Derammelaere.