Fast Radius 페이스 마스크 엔지니어링: 설계, 프로토타이핑 및 혁신

작성자: 이지 데 라 과르디아(Izzy de la Guardia), 애플리케이션 엔지니어, Fast Radius

글로벌 팬데믹이 우리 공급망의 많은 취약성을 드러냈지만, 동시에 혁신을 낳았습니다. 특히 3D 프린팅은 전문가와 취미생활자 모두에게 전례 없는 속도와 접근성으로 두려움을 행동으로 옮길 수 있게 했습니다. 우리는 오픈소스 호흡기 설계 생성에서 이를 직접 경험했습니다.

3D 프린팅, 교차 기능 팀, 회사의 개인적 및 전문적 네트워크를 활용하여 단 2주 만에 4가지 독특한 프로토타입을 만들고 3번의 사용자 테스트 세션을 수행한 과정과 방법을 소개합니다.

신속 프로토타이핑 및 사용자 테스트

많은 미국인들이 3월 중순부터 자가 격리를 시작하면서, Fast Radius는 PPE 부족에 대한 우려가 커지는 가운데 3D 프린팅 호흡기에 대한 여러 요청을 받았습니다. 저는 금요일 오후 제너럴 매니저 존 난리(John Nanry)에 의해 이 필요에 대응하기 위한 설계 작업을 이끌도록 지명되었습니다. 몇 시간 후, Copper 3D와 La Factoría 3D의 오픈소스 설계에서 영감을 받아 첫 번째 설계가 프린팅 준비되었습니다.

우리 설계의 주요 초점은 적절한 오버행 각도와 진공 환기를 보장하여 우리 내부 모든 적층 기계(Stratasys FDM, Carbon DLS™, HP Multi Jet Fusion)에서 제조 가능하게 하는 것이었습니다. 우리는 그날 밤 Carbon DLS로 첫 번째 프로토타입을 생산했습니다.

nTop Platform 같은 고급 설계 도구는 취미용 FDM 프린터가 처리하기 더 쉬운 규칙적인 육각 패턴으로 보로노이 패턴을 전환하는 등 빠른 반복을 지원했습니다

첫 번째 프린팅 프로토타입에는 FDM 친화적 오버행과 DLS 진공 방지 채널이 포함되었습니다

이 프로토타입들은 추가 설계 변경을 알렸습니다: 전면 커버를 메인 마스크 바디와 통합하여 한 조각으로 프린팅, 스트랩 루프 두껍게 하여 내구성 향상, 그리드 패턴 밀도 감소 및 원형으로 변경하여 FDM 프린팅 용이성 확보. 우리는 토요일 밤까지, 프로젝트 시작 24시간 만에 두 번째 프로토타입 프린팅을 시작할 수 있었습니다.

두 번째 프린팅 프로토타입 설계로 부품 통합(왼쪽). 손가락을 넣어 스냅인 필터 커버를 빼낼 수 있는 마스크 내부 오목부(오른쪽).

Carbon RPU70(왼쪽), HP PA12(가운데), FDM 프린팅 PLA(오른쪽)로 제작된 두 번째 프린팅 프로토타입

설계 공정과 병행하여, 우리는 니즈를 더 잘 이해하고 사용자 테스트 대상자를 식별하기 위해 네트워크를 활용했습니다. 24시간도 안 되어 P33 친구들이 우리를 N95 마스크에 대한 더 큰 통찰력을 제공하기 위해 의료 연구 재단의 12명 의사 및 직원과 연결해 주었습니다. 우리 직원들도 아는 의료 전문가들에게 연락했습니다. 일요일, 프로젝트 시작 이틀 만에 4개 위치에서 10명을 대상으로 두 번째 프로토타입으로 핏 테스트를 수행했습니다.

다음 2주도 이 패턴으로 계속되었습니다. 설계, 프린팅, 테스트, 반복. 세 번째 프린팅 프로토타입은 필터 유지 메커니즘 재설계를 특징으로 했습니다. 오프셋 반원 둘레 형상은 마찰을 통해 비틀었을 때 조각을 제자리에 고정하는 캠 역할을 합니다(아래 참조). 회전 또는 잠금 위치에서 커버를 아래로 강제하는 두 개의 탭이 있어 필터 주변의 좋은 밀봉을 보장합니다. 마스크를 덜 위협적으로 보이게 하기 위해 하트 모양 천공 영역이 있는 버전을 만들었습니다. 이 라운드의 프로토타입부터 두 가지 다른 크기로 마스크를 설계하고 테스트했습니다.

트위스트 캡이 있는 세 번째 프린팅 프로토타입 설계.

네 번째 프로토타입에서는 주로 호흡 용이성과 적절한 핏에 집중했습니다. 이를 위해 천공 영역을 최대화하고 밀도를 최소화하여(안타깝게도 하트 모양 손실) 공기 흐름 저항을 줄이려 했습니다. 또한 사용자 테스트 피드백을 기반으로 두 크기의 치수를 조정했습니다. 이 시점에서 우리는 마스크의 기능과 크기에 충분히 자신감을 가지고 버전 1을 오픈소스 설계로 출시했습니다.

접근성을 위한 설계

마스크를 가능한 많은 사람들이 사용할 수 있게 하기 위해, 가정용 3D 프린터로 제조할 수 있는 오픈소스 설계를 만들었습니다. 이 결정은 설계와 소재 제약을 추가했습니다. 딱딱한 마스크는 다양한 얼굴 형태에 맞출 수 없었기 때문에, 마스크 내측 림에 유연한 소재를 추가하여 얼굴 밀봉을 개선하는 방안을 탐구했습니다.

Carbon DLS의 SIL 30을 사용하여 첫 번째 컨셉을 프로토타이핑했습니다. 우리는 장갑 잘라내기, 프린팅 및 몰딩 실리콘, 몰더블 코스튬 페이셜 보철 소재, FDM 프린팅 TPU 및 PLA 씰, 웨더스트리핑을 포함하여 효과적인 얼굴 밀봉을 만드는 여러 방법을 테스트했습니다(아래 설명). 결국 웨더스트리핑으로 결정했는데, 생체적합성이 있고, 쉽게 세척 가능하며, 조달이 쉽기 때문입니다.

몰더블 실리콘용 폼 목업

통합형 얇은 PLA 씰

신속한 팀 구성

이 프로젝트의 성공적인 신속 반복은 디지털 설계 도구와 적층 제조 기술의 힘뿐만 아니라, 회사의 여러 부분에서 모인 팀의 헌신과 다양성 덕분이라고 생각합니다. 다니엘 베이커(제조 엔지니어링 매니저)는 DFM 피드백을 제공하고 프로토타입 프린팅과 후처리를 위해 밤을 새웠습니다. 팀 아워드닉(Tim Ouradnik, 애플리케이션 엔지니어)은 씰 소재를 조달하고 프로토타입을 조립했으며 시카고 전역을 다니며 사회적 거리두기 사용자 테스트를 수행했습니다. 우리아 폴리(Uriah Foley)와 엘던 휘티스(Eldon Whitis, 랩 기술자)는 프로토타입을 테스트하고 퇴근 후 집에서 개인 3D 프린터로 통합 씰을 탐구했습니다.

니키 토니니(Nick Tonini, 프로그램 매니저)는 끝없이 창의적인 솔루션과 설계 피드백을 제공했습니다. 제리 오리어리(Jerry O'Leary, 수석 디자이너)는 우리 설계를 개선하고 컨셉 렌더링을 만들었습니다. 찰리 우드(Charlie Wood, 계산 엔지니어링 매니저)는 씰 설계에 리더십을 제공했습니다. 할리 도이치만(Hallee Deutchman, 소재 및 제조 기술 디렉터)은 설계 출시 전 파트너 및 법무 팀과 연락했습니다. 쉴라 셀레스(Sheila Seles, 시니어 콘텐츠 매니저)와 오스틴 벨리슬(Austin Belisle, 콘텐츠 스페셜리스트)는 설계를 패키징, 게시, 홍보했습니다.

위의 감사의 목록은 이 과정에 기여한 개인들에게 공로를 돌리기 위한 것일 뿐만 아니라, 새로운 것을 가능하게 하는 기업 문화의 힘을 보여주기 위한 것입니다. 우리는 정상적인 책임과 팀 구조 밖에서 이 프로젝트에 임했습니다. Fast Radius를 넘어 세상에 영향을 줄 수 있는 제품을 만들고 싶었기 때문입니다. 이 정신은 회사 경계를 넘어서기도 했습니다. P33과 시간과 전문성을 기여한 모든 의사들에게 감사드립니다. 이 팬데믹에서 아무것도 배우지 못한다면, 우리는 시급한 글로벌 과제에 대응하기 위해 다양성, 겸손, 협업의 문화를 의도적으로 조성하길 계속 바랍니다.

우리의 설계는 사용 가능하며 프린팅 준비가 되었습니다. 웹사이트에서 CAD 파일과 지침을 찾을 수 있습니다.

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