Fast Radius 안면 마스크의 엔지니어링

작성자:Izzy de la Guardia, 애플리케이션 엔지니어, Fast Radius

세계적 대유행은 우리 공급망의 많은 취약점을 드러냈지만 동시에 혁신을 낳았습니다. 특히, 3D 프린팅은 전문가와 애호가 모두가 전례 없는 속도와 접근성으로 두려움을 행동으로 옮길 수 있게 해주었습니다. 우리는 오픈 소스 인공호흡기 디자인을 만들면서 이것을 직접 경험했습니다.

다음은 프로세스와 3D 프린팅, 교차 기능 팀, 회사의 개인 및 전문 네트워크를 활용하여 단 2주 만에 4개의 고유한 프로토타입을 만들고 3개의 사용자 테스트 세션을 수행할 수 있었던 방법에 대한 간략한 정보입니다.

신속한 프로토타이핑 및 사용자 테스트

많은 미국인들이 3월 중순에 대피하기 시작하면서 Fast Radius는 PPE 부족에 대한 우려가 커지는 가운데 3D 인쇄 호흡기에 대한 여러 요청을 받았습니다. 저는 금요일 오후에 총책임자인 John Nanry로부터 이러한 요구에 부응하기 위한 설계 노력을 이끌도록 제안받았습니다. 몇 시간 후, Copper 3D 및 La Factoría 3D의 오픈 소스 디자인에서 영감을 받아 첫 번째 디자인을 인쇄할 준비가 되었습니다.

우리 설계의 주요 초점은 적절한 오버행 각도와 진공 환기를 보장함으로써 모든 사내 적층 기계(Stratasys FDM, Carbon DLS™ 및 HP Multi Jet Fusion)에 대한 제조 가능성이었습니다. 그날 밤 Carbon DLS에 대한 첫 번째 프로토타입을 제작했습니다.

nTop Platform과 같은 고급 디자인 도구는 보로노이 패턴에서 취미 FDM 프린터가 다루기 더 쉬운 보다 일반적인 16진수 패턴으로 전환하는 것과 같은 빠른 반복을 지원했습니다.

우리의 첫 번째 인쇄된 프로토타입에는 FDM 친화적 오버행과 DLS의 진공을 방지하는 채널이 포함되었습니다.

이 프로토타입은 추가 디자인 변경 사항을 알려주었습니다. 전면 커버를 메인 마스크 본체와 통합하여 한 조각으로 인쇄하고, 스트랩 루프를 두꺼워 내구성을 높이고, 격자 패턴의 밀도를 줄이고 FDM에서 더 쉽게 인쇄할 수 있도록 원형으로 만듭니다. 프로젝트 시작 24시간 만에 토요일 밤까지 두 번째 프로토타입 인쇄를 시작할 수 있었습니다.

두 번째로 인쇄된 프로토타입 디자인 통합 부품(왼쪽). 손가락을 삽입하고 스냅인 필터 덮개(오른쪽)를 빼낼 수 있는 오목한 마스크 내부.

Carbon RPU70(왼쪽), HP PA12(가운데) 및 FDM으로 인쇄된 PLA(오른쪽)로 두 번째 인쇄된 프로토타입

설계 프로세스와 병행하여 네트워크를 활용하여 필요성을 더 잘 이해하고 사용자 테스트를 위한 개인을 식별했습니다. 24시간도 채 되지 않아 P33의 친구들이 N95 마스크에 대한 더 많은 통찰력을 제공하기 위해 의학 연구 재단의 의사 및 직원 12명과 연결했습니다. 우리 직원들은 또한 그들이 알고 있는 의료 전문가들에게 연락을 취했습니다. 프로젝트를 시작한 지 이틀 만에 일요일까지 4곳에서 10명을 대상으로 두 번째 프로토타입으로 적합성 테스트를 실시했습니다.

다음 2주는 디자인, 인쇄, 테스트, 반복과 같은 패턴으로 계속되었습니다. 세 번째로 인쇄된 프로토타입은 필터 고정 메커니즘의 재설계를 특징으로 합니다. 오프셋 반원 둘레 형상은 마찰을 통해 비틀었을 때 부품을 제자리에 고정하는 캠 역할을 합니다(아래 참조). 필터 주위에 양호한 밀봉을 보장하기 위해 회전되거나 잠긴 위치에서 덮개를 아래로 밀어내는 두 개의 탭이 있습니다. 마스크를 덜 위협적으로 만들기 위해 하트 모양의 천공 영역이 있는 버전을 만들었습니다. 이번 프로토타입을 시작으로 두 가지 크기의 마스크를 설계하고 테스트했습니다.

트위스트 캡이 있는 세 번째 인쇄된 프로토타입 디자인.

네 번째 프로토타입에서 우리는 호흡의 용이성과 적절한 착용감에 주로 관심을 기울였습니다. 이 문제를 해결하기 위해 우리는 기류에 대한 저항을 줄이기 위해 천공된 영역을 최대화하고 밀도를 최소화(슬프게도 심장을 잃음)하려고 했습니다. 또한 사용자 테스트의 피드백을 기반으로 두 가지 크기의 측정을 조정했습니다. 이 시점에서 우리는 마스크의 기능과 크기에 대해 충분히 확신을 갖고 버전 1을 오픈 소스 디자인으로 출시했습니다.

접근성을 위한 디자인

가능한 한 많은 사람들이 마스크를 사용할 수 있도록 하기 위해 가정용 3D 프린터에서 제조할 수 있는 오픈 소스 디자인을 만들었습니다. 이 결정은 디자인 및 재료 제약을 추가했습니다. 딱딱한 마스크는 다양한 얼굴 모양에 맞출 수 없었기 때문에 마스크의 안쪽 테두리에 유연한 소재를 추가하여 얼굴에 밀착되도록 개선했습니다.

우리는 Carbon DLS에서 SIL 30을 사용하여 첫 번째 개념의 프로토타입을 만들었습니다. 우리는 절단 장갑, 인쇄 및 성형 실리콘, 성형 가능한 의상 안면 보철 재료, FDM 인쇄 TPU 및 PLA 씰, 웨더 스트리핑을 포함하여 얼굴에 효과적인 밀봉을 만들기 위한 많은 방법(아래에 설명됨)을 테스트했습니다. 궁극적으로 우리는 생체 적합성, 쉽게 청소할 수 있고 쉽게 구할 수 있는 웨더 스트리핑으로 결정했습니다.

성형 가능한 실리콘용 폼 모형

통합된 얇은 PLA 씰

빠른 팀 구성

이 프로젝트의 성공적인 빠른 반복은 디지털 설계 도구와 적층 제조 기술의 힘뿐만 아니라 회사의 여러 부서에서 모인 팀의 헌신과 다양성 덕분이라고 생각합니다. Daniel Baker(제조 엔지니어링 관리자)는 DFM 피드백을 제공하고 프로토타입을 인쇄하고 후처리하기 위해 밤샘 작업을 했습니다. Tim Ouradnik(응용 엔지니어)은 씰 재료를 조달하고 프로토타입을 조립하고 시카고 전역을 운전하여 사회적으로 거리를 둔 사용자 테스트를 수행했습니다. Uriah Foley와 Eldon Whitis(Lab Technicians)는 퇴근 후 집에서 개인용 3D 프린터에서 프로토타입을 테스트하고 통합 씰을 탐색했습니다.

Nick Tonini(프로그램 관리자)는 끝없이 독창적인 솔루션과 디자인 피드백을 제공했습니다. Jerry O'Leary(최고 디자이너)는 우리의 디자인을 개선하고 개념 렌더링을 만들었습니다. Charlie Wood(전산 공학 관리자)는 씰 디자인에 대한 리더십을 제공했습니다. Hallee Deutchman(재료 및 제조 기술 이사)은 설계를 발표하기 전에 파트너 및 법무팀과 연락을 취했습니다. Sheila Seles(수석 콘텐츠 관리자)와 Austin Belisle(콘텐츠 전문가)는 우리 디자인을 패키징, 게시 및 홍보했습니다.

위의 감사 인사 목록은 이 과정에 기여한 개인에게 공로를 돌릴 뿐만 아니라 새로운 것을 가능하게 만드는 기업 문화의 힘을 보여주기 위한 것입니다. 우리는 Fast Radius를 넘어 세상에 영향을 줄 수 있는 제품을 만들고 싶었기 때문에 일반적인 책임과 팀 구조를 벗어나 이 프로젝트를 진행했습니다. 이 정신은 회사의 경계도 넘었습니다. 시간과 전문 지식을 제공한 P33과 모든 의사들에게 감사드립니다. 이 팬데믹에서 다른 것을 배울 수 없다면, 우리가 긴급한 글로벌 도전에 대응하기 위해 노력하면서 다양성, 겸손, 협력의 문화를 계속 의도적으로 육성하기를 바랍니다.

저희 디자인을 인쇄할 수 있습니다. 당사 웹사이트에서 CAD 파일 및 지침을 찾을 수 있습니다.

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