威斯康辛大学机械电子实验室的机械工程学院副教授Erick Oberstar，在那里完成了大部分的PAPR工作。
在2020年的初期，电话和电子邮件开始流入威斯康星大学的机械工程系 - 麦迪逊：“我们没有足够的呼吸机。你能设计别的东西吗？“然后几周后，“好的，我们有足够的呼吸机;现在我们需要个人保护设备（PPE），面罩和N95面具。“And suddenly another call for help, “We think we’re going to have to put a powered air-purifying respirator (PAPR) on every person who comes in contact with a Covid-19 patient — we don’t have enough, and the ones we have aren’t getting the job done!” The local hospital needed assistance on a variety of fronts.
威斯康辛大学(University of Wisconsin)机械工程副教授埃里克·奥伯斯塔(Erick Oberstar)和其他几名教学人员以及华盛顿大学工程学院(uw College of Engineering)的终身教授感到了压力，他们被允许在所有学生离开后留在校园。他回忆道:“那是一场情绪上的过山车。”“我们有六七个人放弃了其他的一切，还有十几个人在做贡献。我们花了两个月的时间每周工作120个小时，尽我们所能地帮助他们。情况很可怕。生命就靠它了。”
生物医学工程博士。候选人，Oberstar受电气工程培训，并在机械工程系中占据了教学职位。他目前的定量血流分析博士研究提供了一种关键工具，用于在大流行期间为医院进行PAPR设备修改。
2014年，奥伯斯塔的部门让他负责计量实验室的Micro-CT机器，因为他在临床场景中的计算机断层扫描(CT)有相当丰富的经验。“那是我们第一次发现Volume Graphics，”他说，但他的资源有限。后来，该部门为一个赞助项目获得了第二台更高功率的CT扫描仪，并为Volume Graphics的VGSTUDIO MAX获得了研究许可。该软件套件提供CT扫描数据的数字分析和可视化，使用户能够无损地检查物体内部的各种性能特征。奥伯斯塔说:“到COVID-19危机爆发时，我已经非常擅长使用这个工具，知道它能做什么。”
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地表铺面问题依然存在
虽然呼吸者的第一次呼吁将工程师渗透到行动中，随着当地医院的需求的进化，最大的挑战是paprs。该医院已获得额外的空气净化呼吸器，但它们没有足够的更换部件，以保持当前库存功能正常，在最佳的转变时间内能够充电。复杂化问题，他们手上的Paprs的完整“舰队”来自四个不同的制造商。
PAPR由一个装有电池动力鼓风机的腰包组成，该鼓风机将周围的空气通过一个高效过滤器，并将净化后的空气通过一根软管发送到头盔上。每一位医护人员都穿着一件密封的全身防护服，在一个自给自足的单元中为传染性患者提供安全服务，不断将清洁空气吸入，同时将病毒拒之门外。
4（b）
PAPRS非常有效，但在需要多小时的充电之前，运行鼓风机风扇的电池（虽然有时最多12个），但在此期间，整个PAPR适用于非功能性。医院没有任何更换电池切换出直接周转。滤镜在现有鼓风机中的使用寿命接近供应链中没有可用的替代品。
“所以，我们面临的两个问题。一个是过期的过滤器，另一个是电池运行时间问题，“Oberstar说。“这些PAPR设备必须适用于24/7的医疗保健工人，这意味着我们需要找到使用的替代电源，而诉讼的原始OEM电池正在充电。我们从许多不同的PAPR制造商和各种不同的电池形状和过滤器看起来复杂的几何形状，我们需要弄清楚如何获取用于插入所有这些现有接口的东西。这就像我们的Apollo 13时刻。方形钉，圆孔。“
4（c）。（顶部）VGStudio MAX 3.4中相关配合表面和几何的比较。用O形环代替圆柱形密封设计，并使用插入垫圈复制矩形密封的复杂几何形状。重新设计的物理原型（中间）和原始部分（底部）。
创新的替代来源：电动工具
当工程师们开始思考如何解决这一多方面的挑战时，他们意识到，电动工具设备可以作为充电电池和高质量空气过滤器的替代基础设施。是的，就是那些电池操作的电钻、车间真空吸尘器等，以及操作这些工具时用来防止灰尘和其他空气微粒进入混凝土的过滤器。
首先，过滤问题。研讨会来自当地公司，Milwaukee工具的工业过滤器进行了测试，并发现并发现符合国家职业安全和健康研究所（Niosh）的效率。FDA已发出紧急使用授权，允许使用NIOSH批准的医疗保健设置中的PAPRS在满足其标准中。对Niosh批准的PAPR的修改可能会将其视为FDA的EUA范围，而FDA和CDC通常建议医院和医疗服务提供者在可行的情况下仅使用N95呼吸器的Niosh批准的替代品。然而，修改的PAPRS用于使用会计Niosh标准的工业滤波器可以帮助填补保健环境中的差距，当所有其他FDA清除和Niosh批准的选择都耗尽时。
“工业工作场所过滤器使用HEPA（高效微粒空气）过滤器就像医院设备一样，”Oberstar说。“我们意识到，如果我们将工业过滤器缩放到具有更大的表面积，它们可能会满足Covid-19有问题的病毒粒度的过滤效率的Niosh要求。”经过一系列测试运行和重新设计后，该团队提出了一种三滤器设计，适合Papr鼓风机的管道，以提供足够的表面积，以提供可行的过滤器更换。
棘手的部分是如何精确匹配密封件的几何形状，将重新设计的过滤器集成到管道系统中以实现密封。许多部件可以很容易地用3D打印出来，但要达到生产完全密封的过滤器组件的精确尺寸并不容易。
这是CT-Data分析和Volume Graphics的可视化支持的位置。使用软件中的多重材料功能，卷图形客户支持协调员Kamil Szepanski使用的图像与大学CT设备的数据重新创建，以分割橡胶垫圈，过滤材料和塑料树脂的各个几何形状。通过分析每种材料的不同密度，该软件提供了对产品开发过程的支持。
利用VGSTUDIO MAX 3.4进行基于分割和高级表面确定的电池包内的撕咬机制的虚拟提取。
数字工具还有助于电池挑战。该工程师能够找到具有适配器的逆计电动刀电池，该电池将使它们从18伏下降到12伏的PAPR鼓风机。但适配器与现有PAPR的几何形状不符。CT-Scanned每种类型适配器，使用vgstudio max将其塑料盖的几何形状和设计的自定义连接器设计出来，可以集成到PAPR组件中。
“危机逆向工程”
在大流行关闭期间，Volume Graphics的Szepanski与威斯康星大学的团队进行了数周的远程工作。他说:“他们基本上是对所有交配表面进行ct扫描，然后我们帮助使用扫描数据对它们进行逆向工程。”
一个突出任务Szepanski记得是，需要精确复制的电池盖上的内部卡扣机制，因此适配器不会脱落。“这挑战了，因为电池外壳具有如此多的联络区的真正复杂的结构，”他回忆道。
“我们肯定是在通过逆向工程来度过危机。我们所能完成的一切，在真空中是不可能完成的。我们会在一个点上，似乎我们试图做的是不可能的，然后其他人会站出来说，‘哦，我可以完成它。所有的团队合作帮助我们做出了真正的改变。”
重新设计的PAPR用定制电池和三个过滤器组件。
团队合作继续。该医院采用了一款现已走出全球的面罩设计，由大学的Grainger Engineering Design Innovation Laboratory在工程学院中创建。另一个工程团队正在使用音量图形软件来分析复合材料中的纤维方向。与此同时，Oberstar继续细化他的PAPR过滤器参数。他现在正在使用卷图形的软件在一个组件的逆向工程项目中，这是他的博士学位的一部分。工作，修改用于卡车提升栅极的大型线性执行器的设计进入注入碘对比患者血管的设备。
提交：破坏危机：通过Covid-19工程
