Rekayasa Masker Wajah Fast Radius: Desain, Prototipasi, dan Inovasi

Oleh Izzy de la Guardia, Application Engineer, Fast Radius

Sementara pandemi global telah mengungkapkan banyak kerentanan dalam rantai pasokan kita, itu juga telah melahirkan inovasi. Khususnya, pencetakan 3D telah memungkinkan profesional dan hobiis untuk menyalurkan ketakutan mereka menjadi tindakan dengan kecepatan dan aksesibilitas yang tidak pernah ada sebelumnya. Kami mengalaminya secara langsung dalam penciptaan desain respirator open-source kami.

Ini adalah gambaran tentang prosesnya dan bagaimana kami mampu membuat empat prototipe yang berbeda dan melakukan tiga sesi pengujian pengguna hanya dalam dua minggu dengan memanfaatkan pencetakan 3D, tim lintas fungsi, dan jaringan pribadi dan profesional perusahaan kami.

Prototipasi Cepat dan Pengujian Pengguna

Saat banyak Amerikan mulai menempatkan diri di tengah pertengahan Maret, Fast Radius menerima banyak permintaan untuk respirator cetak 3D di tengah kekhawatiran yang semakin besar atas kekurangan PPE. Saya dipilih oleh General Manager kami, John Nanry, pada hari Jumat sore untuk memimpin upaya desain untuk merespons kebutuhan ini. Beberapa jam kemudian, kami sudah memiliki desain pertama siap dicetak, terinspirasi dari desain open-source Copper 3D dan La Factoría 3D.

Fokus utama desain kami adalah kemanufakturan pada semua mesin aditif internal kami (Stratasys FDM, Carbon DLS™, dan HP Multi Jet Fusion) dengan memastikan sudut overhang yang tepat dan ventilasi vakum. Kami menghasilkan prototipe pertama kami pada Carbon DLS malam itu.

Alat desain canggih seperti nTop Platform mendukung iterasi cepat, seperti beralih dari pola voronoi ke pola hex yang lebih teratur yang lebih mudah ditangani oleh printer FDM hobi

Prototipe cetak pertama kami mencakup overhang ramah FDM dan saluran untuk mencegah vakum pada DLS

Prototipe ini memberikan informasi untuk perubahan desain lebih lanjut: menggabungkan tutup depan dengan tubuh masker utama untuk dicetak sebagai satu bagian, mempertebal loop tali untuk daya tahan, dan mengurangi kepadatan pola grid serta membuatnya bulat untuk pencetakan yang lebih mudah pada FDM. Kami dapat mulai mencetak prototipe kedua kami pada hari Sabtu malam, hanya 24 jam setelah proyek dimulai.

Desain prototipe cetak kedua kami menggabungkan bagian (kiri). Dalam masker dengan resesi untuk memasukkan jari dan membuka tutup filter snap-in (kanan).

Prototipe cetak kedua dalam Carbon RPU70 (kiri), HP PA12 (tengah), dan PLA cetak FDM (kanan)

Secara paralel dengan proses desain, kami memanfaatkan jaringan kami untuk lebih memahami kebutuhan dan mengidentifikasi individu untuk pengujian pengguna. Dalam waktu kurang dari 24 jam, teman-teman kami di P33 menghubungkan kami dengan sepuluh dokter dan karyawan di sebuah yayasan penelitian medis untuk memberikan wawasan yang lebih besar tentang masker N95. Karyawan kami juga menghubungi profesional medis yang mereka kenal. Pada hari Minggu, hanya dua hari setelah memulai proyek, kami melakukan pengujian pas dengan prototipe kedua kami pada 10 individu di empat lokasi.

Dua minggu berikutnya berlanjut dalam pola ini — desain, cetak, uji, ulangi. Prototipe cetak ketiga kami menampilkan desain ulang mekanisme penahan filter. Geometri perimeter lingkaran separuh yang di-offset berfungsi sebagai kam yang mengunci bagian ke tempat ketika diputar melalui gesekan (lihat di bawah). Ada dua tab yang memaksa tutup ke posisi terputar atau terkunci untuk memastikan pengapalan yang baik di sekitar filter. Kami membuat versi dengan area lubang berbentuk hati untuk membuat masker kurang menakutkan. Mulai dari putaran prototipe ini, kami merancang dan menguji masker dalam dua ukuran berbeda.

Desain prototipe cetak ketiga dengan tutup twist.

Pada prototipe keempat, kami terutama khawatir tentang kemudahan bernapas dan pas yang tepat. Untuk mengatasi ini, kami mencoba memaksimalkan area lubang dan meminimalkan kepadatannya (sangat kehilangan hati) untuk mengurangi resistensi aliran udara. Kami juga menyesuaikan pengukuran untuk dua ukuran berdasarkan umpan balik dari pengujian pengguna. Pada titik ini, kami cukup yakin dengan fungsi dan ukuran masker untuk merilis versi satu sebagai desain open source.

Desain untuk Aksesibilitas

Untuk membuat masker tersedia bagi sebanyak mungkin orang, kami membuat desain open source yang dapat diproduksi pada printer 3D rumah tangga. Keputusan ini menambahkan batasan desain dan material. Masker rigid tidak dapat mengikuti berbagai bentuk wajah, jadi kami mengeksplorasi penambahan material fleksibel pada rim dalam masker untuk meningkatkan pengapalannya ke wajah.

Kami membuat prototipe konsep pertama menggunakan SIL 30 pada Carbon DLS. Kami melanjutkan pengujian banyak metode untuk menciptakan pengapalan yang efektif ke wajah (diberikan di bawah), termasuk sarung tangan yang dipotong, silicone cetak dan cetakan, material prostetik wajah pakaian yang dapat dicetak, segel TPU dan PLA cetak FDM, dan weather-stripping. Akhirnya, kami memutuskan pada weather-stripping, yang kompatibel dengan tubuh, mudah dibersihkan, dan mudah diperoleh.

Form mockup untuk silicone yang dapat dicetak

Segel PLA tipis terintegrasi

Pembentukan Tim Cepat

Saya mengaitkan iterasi cepat yang sukses pada proyek ini tidak hanya dengan kekuatan alat desain digital dan teknologi manufaktur aditif, tetapi juga dengan dedikasi dan keberagaman tim yang kami kumpulkan dari berbagai bagian perusahaan. Daniel Baker (Manajer Rekayasa Manufaktur) memberikan umpan balik DFM dan melamun sepanjang malam untuk mencetak dan memproses pasca prototipe. Tim Ouradnik (Application Engineer) mencari sumber material segel, merakit prototipe, dan berkendara seluruh Chicago untuk melakukan pengujian pengguna dengan jarak sosial. Uriah Foley dan Eldon Whitis (Teknisi Laboratorium) menguji prototipe dan menjelajahi segel terintegrasi pada printer 3D pribadi mereka di rumah setelah jam kerja.

Nick Tonini (Program Manager) memberikan solusi dan umpan balik desain yang terus-menerus inovatif. Jerry O’Leary (Chief Designer) meningkatkan desain kami dan menciptakan rendering konsep. Charlie Wood (Manajer Rekayasa Komputasi) memberikan kepemimpinan pada desain segel. Hallee Deutchman (Direktur Material dan Teknologi Manufaktur) berliaison dengan mitra dan tim hukum kami sebelum merilis desain. Sheila Seles (Senior Content Manager) dan Austin Belisle (Content Specialist) memaketkan, menerbitkan, dan mempromosikan desain kami.

Daftar ucapan terima kasih di atas dimaksudkan tidak hanya untuk memberikan kredit kepada individu yang berkontribusi pada proses ini, tetapi juga untuk menunjukkan kekuatan budaya perusahaan dalam membuat hal-hal baru menjadi mungkin. Kami bekerja pada proyek ini di luar tanggung jawab dan struktur tim normal kami karena kami ingin menciptakan produk yang dapat memberikan dampak pada dunia di luar Fast Radius. Semangat ini melintasi batas perusahaan, juga; kami bersyukur atas P33 dan semua dokter yang telah menyumbangkan waktu dan keahlian mereka. Jika kami tidak mempelajari hal lain dari pandemi ini, saya berharap kami terus sengaja membudayakan keberagaman, kesederhanaan, dan kolaborasi saat kami bekerja untuk merespons tantangan global yang mendesak.

Desain kami tersedia dan siap dicetak. Anda dapat menemukan berkas CAD dan instruksi di situs web kami.

Siap membuat bagian Anda dengan Fast Radius?

Mulai penawaran Anda