Engenharia da Máscara Facial Fast Radius: Design, Prototipagem e Inovação

Por Izzy de la Guardia, Engenheira de Aplicação, Fast Radius

Enquanto a pandemia global revelou muitas vulnerabilidades em nossa cadeia de suprimentos, também gerou inovação. Em particular, impressão 3D permitiu profissionais e entusiastas canalizarem seus medos em ação com velocidade e acessibilidade sem precedentes. Experimentamos isso em primeira mão na criação de nosso design de respirador open-source.

Aqui está um vislumbre do processo e como conseguimos criar quatro protótipos distintos e conduzir três sessões de teste de usuário em apenas duas semanas aproveitando impressão 3D, equipe multifuncional e nossas redes pessoais e profissionais.

Prototipagem rápida e teste de usuário

Enquanto muitos americanos começaram a se abrigar em meados de março, a Fast Radius recebeu múltiplos pedidos por respiradores impressos em 3D em meio a crescentes preocupações com escassez de EPIs. Fui designada por nosso Gerente Geral, John Nanry, numa tarde de sexta-feira para liderar o esforço de design para responder a esta necessidade. Horas depois, tínhamos nosso primeiro design pronto para imprimir, inspirado nos designs open-source da Copper 3D e La Factoría 3D.

O foco principal de nosso design era fabricabilidade em todas nossas máquinas aditivas internas (Stratasys FDM, Carbon DLS™, e HP Multi Jet Fusion) garantindo ângulos de overhang adequados e ventilação a vácuo. Produzimos nosso primeiro protótipo em Carbon DLS naquela noite.

Ferramentas avançadas de design como nTop Platform suportaram iteração rápida, como trocar padrão voronoi por padrão hexagonal mais regular que era mais fácil para impressoras FDM hobbyistas lidarem

Nosso primeiro protótipo impresso incluía overhangs amigáveis para FDM e canais para prevenir vácuos em DLS

Estes protótipos informaram mudanças de design adicionais: consolidando tampa frontal com corpo principal da máscara para imprimir como uma peça, engrossando alças de fixação para durabilidade, e reduzindo densidade do padrão de grade e tornando-o circular para impressão mais fácil em FDM. Conseguimos começar a imprimir nossos segundos protótipos no sábado à noite, apenas 24 horas após início do projeto.

Design do segundo protótipo impresso consolidou peças (esquerda). Interior da máscara com rebaixo para inserir dedo e ejetar tampa do filtro snap-in (direita).

Segundo protótipo impresso em Carbon RPU70 (esquerda), HP PA12 (meio), e PLA impresso FDM (direita)

Em paralelo com o processo de design, recorremos à nossa rede para melhor entender a necessidade e identificar indivíduos para teste de usuário. Em menos de 24 horas, nossos amigos da P33 nos conectaram com uma dúzia de médicos e funcionários de uma fundação de pesquisa médica para fornecer maior insight sobre máscaras N95. Nossos funcionários também contataram profissionais médicos que conheciam. No domingo, apenas dois dias após iniciar o projeto, conduzimos testes de ajuste com nosso segundo protótipo em 10 indivíduos em quatro locais.

As duas semanas seguintes continuaram neste padrão — design, impressão, teste, repetição. Nosso terceiro protótipo impresso apresentou redesign do mecanismo de retenção do filtro. Geometria de perímetro semi-circular deslocado funciona como came que trava a peça no lugar quando girada através de atrito (veja abaixo). Há duas abas que forçam a tampa para baixo na posição rotacionada ou travada para garantir boa vedação ao redor do filtro. Criamos versão com área perfurada em forma de coração para tornar a máscara menos intimidadora. A partir desta rodada de protótipos, projetamos e testamos máscaras em dois tamanhos diferentes.

Design do terceiro protótipo impresso com tampa de giro.

No quarto protótipo, estávamos principalmente preocupados com facilidade de respiração e ajuste adequado. Para abordar isso, tentamos maximizar região perfurada e minimizar sua densidade (infelizmente perdendo o coração) para reduzir resistência ao fluxo de ar. Também ajustamos medidas para os dois tamanhos baseados em feedback de teste de usuário. Neste ponto, estávamos confiantes o suficiente na função e dimensionamento da máscara para lançar versão um como design open source.

Design para acessibilidade

Para tornar a máscara disponível ao máximo de pessoas possível, criamos design open-source que pudesse ser manufaturado em impressoras 3D domésticas. Esta decisão adicionou restrições de design e material. Máscara rígida não podia conformar a ampla variedade de formatos de rosto, então exploramos adicionar material flexível à borda interna da máscara para melhorar sua vedação ao rosto.

Prototipamos primeiro conceito usando SIL 30 em Carbon DLS. Prosseguimos testando muitos métodos para criar vedação eficaz ao rosto (descritos abaixo), incluindo luva cortada, silicone impresso e moldado, material de prótese facial moldável, vedações de TPU e PLA impressas FDM, e vedação de vedação de clima. Por fim, optamos por vedação de clima, que é biocompatível, facilmente lavável e fácil de obter.

Mockup de forma para silicone moldável

Vedação fina de PLA integrada

Formação rápida de equipe

Atribuo a iteração rápida bem-sucedida neste projeto não apenas ao poder de ferramentas de design digital e tecnologia de manufatura aditiva, mas também à dedicação e diversidade da equipe que reunimos de diferentes partes da empresa. Daniel Baker (Gerente de Engenharia de Manufatura) forneceu feedback DFM e fez noites inteiras para imprimir e pós-processar protótipos. Tim Ouradnik (Engenheiro de Aplicação) buscou material de vedação, montou protótipos, e dirigiu por toda Chicago para conduzir testes de usuário com distanciamento social. Uriah Foley e Eldon Whitis (Técnicos de Laboratório) testaram protótipos e exploraram vedações integradas em suas impressoras 3D pessoais em casa após horas.

Nick Tonini (Gerente de Programa) forneceu soluções infinitamente inventivas e feedback de design. Jerry O'Leary (Designer Chefe) melhorou nossos designs e criou renderizações de conceito. Charlie Wood (Gerente de Engenharia Computacional) forneceu liderança no design de vedação. Hallee Deutchman (Diretora de Materiais e Tecnologia de Manufatura) fez ligação com nossos parceiros e equipe legal antes de liberar o design. Sheila Seles (Gerente Sênior de Conteúdo) e Austin Belisle (Especialista de Conteúdo) empacotaram, publicaram e promoveram nosso design.

A lista de agradecimentos acima visa não apenas dar crédito aos indivíduos que contribuíram para este processo, mas também demonstrar o poder da cultura empresarial em tornar novas coisas possíveis. Trabalhamos neste projeto fora de nossas responsabilidades normais e estruturas de equipe porque queríamos criar produto que pudesse causar impacto no mundo além da Fast Radius. Este espírito cruzou fronteiras da empresa também; somos gratos à P33 e a todos os médicos que contribuíram seu tempo e expertise. Se não aprendermos nada mais desta pandemia, espero que continuemos intencionais sobre cultivar cultura de diversidade, humildade e colaboração enquanto trabalhamos para responder a desafios globais urgentes.

Nosso design está disponível e pronto para imprimir. Você pode encontrar arquivos CAD e instruções em nosso site.

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