De Fast Radius gezichtsmasker ontwerpen: ontwerp, prototyping en innovatie

Door Izzy de la Guardia, Application Engineer, Fast Radius

Terwijl de wereldwijde pandemie veel kwetsbaarheden in onze toeleveringsketen onthulde, heeft het ook innovatie geweekt. In het bijzonder heeft 3D-printen professionals en hobbyisten in staat gesteld om hun angst om te zetten in actie met ongekende snelheid en toegankelijkheid. We ervoerden dit uit eigen ervaring bij de creatie van ons open-source respirator ontwerp.

Hier is een blik in het proces en hoe we in staat waren om vier verschillende prototypes te creëren en drie gebruikers-testsessies uit te voeren in slechts twee weken door gebruik te maken van 3D-printen, een cross-functioneel team, en ons bedrijfs persoonlijke en professionele netwerken.

Rapid prototyping en gebruikerstesten

Toen veel Amerikanen mid-March begonnen te schuilen, ontving Fast Radius meerdere verzoeken voor 3D-geprinte respirators midden in groeiende zorgen over PBM tekortkomingen. Ik werd aangesproken door onze General Manager, John Nanry, op een vrijdagmiddag om het ontwerpinspanning te leiden om op deze behoefte te reageren. Uren later hadden we ons eerste ontwerp klaar om te printen, geïnspireerd door de open source ontwerpen van Copper 3D en La Factoría 3D.

De hoofdfocus van ons ontwerp was produceerbaarheid op al onze in-house additieve machines (Stratasys FDM, Carbon DLS™, en HP Multi Jet Fusion) door correcte overhanghoeken en vacuümventilatie te waarborgen. We produceerden ons eerste prototype op Carbon DLS die nacht.

Geavanceerde ontwerptools zoals nTop Platform ondersteunden snelle iteratie, zoals het wisselen van een voronoi patroon naar een meer regelmatig hex patroon dat makkelijker voor hobby FDM printers te hanteren was

Ons eerste geprint prototype bevatte FDM-vriendelijke overhangs en kanalen om vacuüms op DLS te voorkomen

Deze prototypes informeerden verdere ontwerpwijzigingen: het consolideren van de voorkap met de hoofmaskerbody om als één stuk te printen, het verdikken van de riemlussen voor duurzaamheid, en het verminderen van de dichtheid van het roosterpatroon en het circulair maken voor eenvoudiger printen op FDM. We waren in staat om onze tweede prototypes te beginnen printen zaterdagnacht, slechts 24 uur in het project.

Ons tweede geprint prototype ontwerp consolideerde onderdelen (links). Binnenkant van masker met ingedrukte plek om vinger in te steken en de snap-in filterkap te verwijderen (rechts).

Tweede geprint prototype in Carbon RPU70 (links), HP PA12 (midden), en FDM-geprint PLA (rechts)

Parallel met het ontwerpproces, greep ons netwerk aan om de behoefte beter te begrijpen en individuen te identificeren voor gebruikertesten. In minder dan 24 uur verbonden onze vrienden bij P33 ons met een dozijn artsen en werknemers bij een medisch onderzoeksfonds om meer inzicht in N95 maskers te geven. Onze werknemers bereikten ook de medische professionals die ze kenden. Op zondag, slechts twee dagen na het starten van het project, voerden we fit-tests uit met ons tweede prototype op 10 individuen in vier locaties.

De volgende twee weken gingen voort in dit patroon – ontwerp, print, test, herhaal. Ons derde geprint prototype had een herontwerp van het filterbehoudmechanisme. De offset halve cirkel omtrek geometrie fungeert als een cam dat het stuk in plaats vergrendelt wanneer gedraaid door wrijving (zie hieronder.) Er zijn twee tabs die het kapje naar beneden dwingen in de geroteerde of vergrendelde positie om een goede afdichting rond het filter te waarborgen. We creëerden een versie met een hartvormig geperforeerd gebied om het masker minder intimiderend te maken. Vanaf deze ronde prototypes, ontwierpen en testten we maskers in twee verschillende maten.

Derde geprint prototype ontwerp met twist cap.

Bij de vierde prototype waren we voornamelijk bezorgd over gemak van ademen en correcte pasvorm. Om dit aan te pakken, probeerden we het geperforeerde gebied te maximaliseren en de dichtheid te minimaliseren (helaas het hart verliezend) om de weerstand tegen luchtstroom te verminderen. We pasten ook de maten voor de twee maten aan op basis van feedback van gebruikertesten. Op dit punt waren we voldoende vertrouwd in de functie en maat van het masker om versie één als open source ontwerp vrij te geven.

Ontwerp voor toegankelijkheid

Om het masker beschikbaar te maken voor zoveel mogelijk mensen, creëerden we een open-source ontwerp dat geproduceerd kon worden op huishoudelijke 3D-printers. Deze beslissing voegde ontwerp- en materiaalbeperkingen toe. Een rigide masker kon niet conformeren aan een grote verscheidenheid aan gezichtsstanden, dus we erkenden het toevoegen van een flexibel materiaal aan de binnenste rand van het masker om de afdichting aan het gezicht te verbeteren.

We prototypeerden een eerste concept met SIL 30 op Carbon DLS. We gingen door om veel methoden te testen voor het creëren van een effectieve afdichting aan het gezicht (hieronder beschreven), inclusief een opgesneden handschoen, geprint en gegoten silicone, vormbaar costume gezichtsprosthetisch materiaal, FDM-geprinte TPU en PLA afdichtingen, en afdichtingsstrips. Uiteindelijk besloten we voor afdichtingsstrips, wat biocompatibel, gemakkelijk schoon te maken, en makkelijk te verkrijgen is.

Vorm mockup voor vormbare silicone

Geïntegreerde dunne PLA afdichting

Snelle teamvorming

Ik schrijf de succesvolle snelle iteratie op dit project niet alleen toe aan de kracht van digitale ontwerptools en additieve productietechnologie, maar ook aan de toewijding en diversiteit van het team dat we bijeenhaalden uit verschillende delen van het bedrijf. Daniel Baker (Manager Manufacturing Engineering) leverde DFM feedback en pulde nachten door om prototypes te printen en na-te-verwerken. Tim Ouradnik (Application Engineer) bezorgde afdichtingsmateriaal, assembleerde prototypes, en reed door heel Chicago om sociale-distancing gebruikertesten uit te voeren. Uriah Foley en Eldon Whitis (Lab Technicians) testten prototypes en verkenden geïntegreerde afdichtingen op hun persoonlijke 3D-printers thuis na werkuren.

Nick Tonini (Program Manager) leverde eindeloos uitvindende oplossingen en ontwerpfeedback. Jerry O'Leary (Chief Designer) verbeterde onze ontwerpen en creëerde concept renderings. Charlie Wood (Manager Computational Engineering) leverde leiderschap op afdichtingsontwerp. Hallee Deutchman (Director of Materials and Manufacturing Technology) coördineerde met onze partners en juridisch team voordat het ontwerp vrijgegeven werd. Sheila Seles (Senior Content Manager) en Austin Belisle (Content Specialist) verpakte, publiceerde en promootte ons ontwerp.

De lijst met erkenningen hierboven is niet alleen bedoeld om de individuen te crediteren die bijdroegen aan dit proces, maar ook om de kracht van bedrijfscultuur te demonstreren in het maken van nieuwe dingen mogelijk. We werkten aan dit project buiten onze normale verantwoordelijkheden en teamstructuren omdat we een product wilden creëren dat een impact kon hebben op de wereld buiten Fast Radius. Deze geest overschreed ook bedrijfsgrenzen; we zijn dankbaar voor P33 en alle artsen die hun tijd en expertise bijdroegen. Als we niets anders leren van deze pandemie, hoop ik dat we blijven intentioneel zijn over het kweken van een cultuur van diversiteit, nederigheid en collaboratie terwijl we werken om te reageren op dringende wereldwijde uitdagingen.

Ons ontwerp is beschikbaar en klaar om te printen. U kunt CAD-bestanden en instructies op onze website vinden.

Klaar om uw onderdelen te maken met Fast Radius?