Fast Radius 面罩背后的工程

作者：Izzy de la Guardia，Fast Radius 应用工程师

虽然全球大流行揭示了我们供应链中的许多漏洞，但它也孕育了创新。特别是，3D 打印使专业人士和爱好者能够以前所未有的速度和可访问性将他们的恐惧转化为行动。我们在创建开源呼吸器设计时亲身体验了这一点。

以下是对该过程的一瞥，以及我们如何利用 3D 打印、跨职能团队以及我们公司的个人和专业网络在短短两周内创建四个不同的原型并进行三个用户测试会话。

快速原型设计和用户测试

随着许多美国人在 3 月中旬开始就地避难，在对个人防护装备短缺的担忧日益加剧的情况下，Fast Radius 收到了多份关于 3D 打印呼吸器的请求。周五下午，我们的总经理约翰·南里（John Nanry）邀请我领导设计工作，以应对这一需求。数小时后，受 Copper 3D 和 La Factoría 3D 开源设计的启发，我们准备好打印第一个设计

我们设计的主要重点是通过确保适当的悬垂角度和真空通风，在我们所有的内部增材机（Stratasys FDM、Carbon DLS™ 和 HP Multi Jet Fusion）上实现可制造性。那天晚上，我们在 Carbon DLS 上制作了我们的第一个原型。

nTop Platform 等高级设计工具支持快速迭代，例如从 voronoi 模式切换到更规则的十六进制模式，业余 FDM 打印机更容易处理

我们的第一个打印原型包括 FDM 友好的悬垂和通道，以防止 DLS 上出现真空

这些原型为进一步的设计更改提供了依据：将前盖与主面罩主体整合在一起打印成一体，加厚带环以提高耐用性，并降低网格图案的密度并使其呈圆形，以便在 FDM 上打印。我们能够在周六晚上开始打印我们的第二个原型，距离项目只有 24 小时。

我们的第二个打印原型设计整合了零件（左）。面罩内部带有凹陷，可插入手指并弹出卡入式过滤器盖（右）。

Carbon RPU70（左）、HP PA12（中）和 FDM 打印 PLA（右）的第二个打印原型

在设计过程的同时，我们利用我们的网络来更好地了解需求并确定用户测试的个人。在不到 24 小时内，我们 P33 的朋友将我们与一家医学研究基金会的十几位医生和员工联系起来，让我们更深入地了解 N95 口罩。我们的员工还联系了他们认识的医疗专业人员。到周日，也就是项目启动仅两天后，我们在四个地点对 10 个人进行了第二个原型的适合性测试。

接下来的两周以这种模式继续——设计、打印、测试、重复。我们的第三个打印原型重新设计了过滤器保持机制。偏置的半圆形周边几何形状用作凸轮，当通过摩擦扭转时将部件锁定到位（见下文）。有两个标签可将盖子向下推到旋转或锁定位置，以确保过滤器周围的良好密封。我们创建了一个带有心形穿孔区域的版本，以使面具不那么令人生畏。从这一轮原型开始，我们设计并测试了两种不同尺寸的口罩。

第三个​​带有扭盖的印刷原型设计。

到第四个原型时，我们主要关注的是呼吸的舒适度和合适的贴合度。为了解决这个问题，我们试图最大化穿孔区域并最小化其密度（可悲的是失去了心脏）以减少对气流的阻力。我们还根据用户测试的反馈调整了两种尺寸的测量值。在这一点上，我们对面具的功能和尺寸有足够的信心，可以将第一版作为开源设计发布。

无障碍设计

为了让尽可能多的人可以使用口罩，我们创建了一种可以在家用 3D 打印机上制造的开源设计。这一决定增加了设计和材料限制。刚性面罩无法适应各种脸型，因此我们探索了在面罩内缘添加柔性材料以改善其与面部的密封性。

我们在 Carbon DLS 上使用 SIL 30 对第一个概念进行了原型设计。我们继续测试了许多为面部创建有效密封的方法（如下所述），包括切割手套、印刷和模压硅胶、可模塑的服装面部修复材料、FDM 印刷的 TPU 和 PLA 密封，以及挡风雨条。最终，我们选择了具有生物相容性、易于清洁且易于采购的挡风雨条。

可成型硅胶的模型

集成薄 PLA 密封

快速组队

我将此项目的成功快速迭代不仅归功于数字设计工具和增材制造技术的力量，还归功于我们从公司不同部门召集的团队的奉献精神和多样性。 Daniel Baker（制造工程经理）提供 DFM 反馈，并通宵达旦地打印和后处理原型。 Tim Ouradnik（应用工程师）采购密封材料，组装原型，并驱车前往芝加哥各地进行与社会保持距离的用户测试。 Uriah Foley 和 Eldon Whitis（实验室技术员）下班​​后在家中测试了原型并探索了他们个人 3D 打印机上的集成密封件。

Nick Tonini（项目经理）提供了无穷无尽的创造性解决方案和设计反馈。 Jerry O'Leary（首席设计师）改进了我们的设计并创建了概念效果图。 Charlie Wood（计算工程经理）在密封设计方面发挥了领导作用。 Hallee Deutchman（材料和制造技术总监）在发布设计之前与我们的合作伙伴和法律团队进行了联络。 Sheila Seles（高级内容经理）和 Austin Belisle（内容专家）打包、发布和推广我们的设计。

上面的致谢清单不仅是为了表彰为这一过程做出贡献的个人，也是为了展示公司文化在使新事物成为可能方面的力量。我们在我们的正常职责和团队结构之外从事这个项目，因为我们想创造一种可以对 Fast Radius 之外的世界产生影响的产品。这种精神也跨越了公司边界。我们感谢 P33 和所有贡献时间和专业知识的医生。如果我们从这次大流行中没有学到任何其他东西，我希望我们在努力应对紧迫的全球挑战时，继续有意识地培育一种多元化、谦逊和协作的文化。

我们的设计可用并可以打印。您可以在我们的网站上找到 CAD 文件和说明。

准备好使用 Fast Radius 制作零件了吗？