Инженерия маски Fast Radius: дизайн, прототипирование и инновации

Автор: Иззи де ла Гуардиа, инженер по применениям, Fast Radius

Пока глобальная пандемия выявила множество уязвимостей в нашей цепочке поставок, она также породила инновации. В частности, 3D-печать позволила профессионалам и энтузиастам gleichermaßen направить свои страхи в действие с беспрецедентной скоростью и доступностью. Мы пережили это из первых рук при создании нашего открытого дизайна респиратора.

Вот взгляд в процесс и как мы смогли создать четыре различных прототипа и провести три сессии пользовательского тестирования за всего две недели, используя преимущества 3D-печати, кросс-функциональной команды и наших личных и профессиональных сетей.

Быстрое прототипирование и пользовательское тестирование

Когда многие американцы начали изоляцию на месте в середине марта, Fast Radius получил множественные запросы на 3D-печатаемые респираторы посреди растущих опасений по дефициту СИЗ. Меня задействовал наш генеральный директор Джон Нанри в пятницу днем для руководства дизайнерскими усилиями в ответ на эту потребность. Через часы у нас был первый дизайн, готовый к печати, вдохновленный открытыми дизайнами Copper 3D и La Factoría 3D.

Главный фокус нашего дизайна — производимость на всех наших внутренних аддитивных машинах (Stratasys FDM, Carbon DLS™ и HP Multi Jet Fusion) за счет обеспечения правильных углов нависа и вакуумной вентиляции. Мы произвели наш первый прототип на Carbon DLS тем же вечером.

Продвинутые инструменты дизайна вроде nTop Platform поддерживали быструю итерацию, такую как переход от вороновского узора к более регулярному гексагональному, который был легче для хоббийных FDM-принтеров

Наш первый напечатанный прототип включал FDM-дружественные нависы и каналы для предотвращения вакуума на DLS

Эти прототипы информировали дальнейшие дизайнерские изменения: консолидацию передней крышки с основным корпусом маски для печати как одной детали, утолщение петель ремней для долговечности и снижение плотности сетчатого узора и делая его круглым для более легкой печати на FDM. Мы смогли начать печать вторых прототипов к субботе вечером, всего за 24 часа в проект.

Дизайн второго напечатанного прототипа консолидировал детали (слева). Внутренность маски с углублением для вставки пальца и выщелкивания защелкивающейся крышки фильтра (справа).

Второй напечатанный прототип в Carbon RPU70 (слева), HP PA12 (посередине), и FDM-печатанном PLA (справа)

Параллельно с дизайнерским процессом, мы обратились к нашей сети для лучшего понимания потребности и выявления людей для пользовательского тестирования. Менее чем за 24 часа наши друзья в P33 связали нас с дюжиной врачей и сотрудниками медицинского исследовательского фонда для большего понимания масок N95. Наши сотрудники также связались с известными им медицинскими профессионалами. К воскресенью, всего через два дня после запуска проекта, мы провели тестирование посадки второго прототипа на 10 лицах в четырех локациях.

Следующие две недели продолжались в этом ритме — дизайн, печать, тест, повтор. Наш третий напечатанный прототип обладал переработанным механизмом удержания фильтра. Геометрия периметра смещенного полукруга функционирует как экцентрик, который блокирует деталь на месте при скручивании через трение (см. ниже). Есть две ласточки, которые заставляют крышку вниз в повернутом или заблокированном положении для обеспечения хорошей герметичности вокруг фильтра. Мы создали версию с сердцевидным перфорированным участком, чтобы сделать маску менее пугающей. Начиная с этого раунда прототипов, мы проектировали и тестировали маски в двух разных размерах.

Дизайн третьего напечатанного прототипа с закручивающейся крышкой.

К четвертому прототипу мы были преимущественно озабочены легкостью дыхания и правильной посадкой. Для решения этого мы пытались максимизировать перфорированную область и минимизировать ее плотность (грустно теряя сердце) для снижения сопротивления потоку воздуха. Мы также скорректировали измерения для двух размеров на основе обратной связи от пользовательского тестирования. В этот момент мы были достаточно уверены в функции и размерной сетке маски, чтобы выпустить версию один как открытый дизайн.

Дизайн для доступности

Чтобы сделать маску доступной для максимального числа людей, мы создали открытый дизайн, который мог быть произведен на домашних 3D-принтерах. Это решение добавило дизайнерские и материальные ограничения. Жесткая маска не могла конформироваться к широкому разнообразию форм лиц, поэтому мы исследовали добавление гибкого материала к внутреннему краю маски для улучшения ее герметичности к лицу.

Мы прототипировали первую концепцию используя SIL 30 на Carbon DLS. Мы продолжили тестировать множество методов для создания эффективной герметичности к лицу (описанных ниже), включая разрезанную перчатку, напечатанный и отлитый силикон, формовый костюмный лицевой протезный материал, FDM-печатанные уплотнения из TPU и PLA, и везеростойкую ленту. В конечном счете мы остановились на везеростойкой ленте, которая биосовместима, легко чистится и легко доступна.

Мок-ап формы для отливного силикона

Интегрированное тонкое PLA уплотнение

Быстрое формирование команды

Я attribuю успешную быструю итерацию на этом проекте не только мощи цифровых инструментов дизайна и аддитивных производственных технологий, но также преданности и разнообразию команды, которую мы собрали из разных частей компании. Даниэль Бейкер (менеджер производственной инженерии) дал обратную связь по DFM и провел бессонные ночи, печатая и пост-обрабатывая прототипы. Тим Оурадник (инженер по применениям) закупал материал уплотнения, собирал прототипы и ездил по Чикаго для проведения социально-дистанцированного пользовательского тестирования. Урайа Фоли и Элдон Уитис (лаборанты) тестировали прототипы и исследовали интегрированные уплотнения на своих личных 3D-принтерах дома после часов.

Ник Тонини (менеджер программы) предоставлял бесконечно изобретательные решения и дизайнерскую обратную связь. Джерри О'Лери (главный дизайнер) улучшал наши дизайны и создавал концептуальные рендеры. Чарли Вуд (менеджер вычислительной инженерии) предоставлял лидерство в дизайне уплотнений. Хэлли Дойчман (директор по материалам и производственным технологиям) связывалась с нашими партнерами и юристами перед выпуском дизайна. Шейла Селс (старший менеджер контента) и Остин Белил (специалист по контенту) упаковывали, публиковали и продвигали наш дизайн.

Список благодарностей выше предназначен не только для признания вклада лиц, способствовавших этому процессу, но также для демонстрации силы корпоративной культуры в создании нового возможного. Мы работали над этим проектом за пределами наших нормальных обязанностей и командных структур, потому что хотели создать продукт, который мог бы иметь влияние на мир за пределами Fast Radius. Этот дух перешел и корпоративные границы; мы благодарны P33 и всем врачам, внесшим свое время и экспертизу. Если мы ничему не научимся от этой пандемии, я надеюсь, что мы продолжим быть намеренными в воспитании культуры разнообразия, смирения и сотрудничества, пока мы работаем над ответом на насущные глобальные вызовы.

Наш дизайн доступен и готов к печати. Вы можете найти CAD-файлы и инструкции на нашем сайте.

Готовы приступить к производству деталей с Fast Radius?

Начните расчет стоимости