Ingénierie du masque facial Fast Radius : conception, prototypage et innovation

Par Izzy de la Guardia, ingénieur d'application, Fast Radius

Alors que la pandémie mondiale a révélé de nombreuses vulnérabilités dans notre chaîne d'approvisionnement, elle a également engendré l'innovation. En particulier, l'impression 3D a permis aux professionnels et aux amateurs de canaliser leurs peurs en action avec une vitesse et une accessibilité sans précédent. Nous l'avons vécu de première main dans la création de notre conception de respirateur open source.

Voici un aperçu du processus et de la façon dont nous avons pu créer quatre prototypes distincts et mener trois sessions de tests utilisateurs en seulement deux semaines en tirant parti de l'impression 3D, d'une équipe interfonctionnelle et de nos réseaux personnels et professionnels.

Prototypage rapide et tests utilisateurs

Alors que de nombreux Américains commençaient à se confiner mi-mars, Fast Radius a reçu de multiples demandes de respirateurs imprimés en 3D face aux pénuries croissantes d'EPI. J'ai été sollicitée par notre directeur général, John Nanry, un après-midi de vendredi pour diriger l'effort de conception pour répondre à ce besoin. Quelques heures plus tard, nous avions notre première conception prête à imprimer, inspirée par les conceptions open source de Copper 3D et La Factoría 3D.

L'objectif principal de notre conception était la fabricabilité sur toutes nos machines additives internes (Stratasys FDM, Carbon DLS™ et HP Multi Jet Fusion) en assurant des angles de surplomb appropriés et une ventilation sous vide. Nous avons produit notre premier prototype sur Carbon DLS ce soir-là.

Des outils de conception avancés comme nTop Platform ont soutenu une itération rapide, comme le passage d'un motif voronoï à un motif hexagonal plus régulier, plus facile à gérer pour les imprimantes FDM amateurs

Notre premier prototype imprimé incluait des surplombs compatibles FDM et des canaux pour prévenir les vacuums sur DLS

Ces prototypes ont informé de nouvelles modifications de conception : consolidation de la face avant avec le corps principal du masque pour imprimer en une seule pièce, épaississement des boucles de sangle pour la durabilité, et réduction de la densité du motif de grille et le rendre circulaire pour une impression plus facile sur FDM. Nous avons pu commencer l'impression de nos deuxièmes prototypes samedi soir, seulement 24 heures après le début du projet.

Notre conception de deuxième prototype a consolidé les pièces (gauche). Intérieur du masque avec évidement pour insérer le doigt et faire sortir le couvercle de filtre à encliquetage (droite).

Deuxième prototype imprimé en Carbon RPU70 (gauche), HP PA12 (milieu), et PLA imprimé FDM (droite)

En parallèle avec le processus de conception, nous avons fait appel à notre réseau pour mieux comprendre le besoin et identifier des individus pour les tests utilisateurs. En moins de 24 heures, nos amis de P33 nous ont mis en relation avec une douzaine de médecins et d'employés d'une fondation de recherche médicale pour fournir un aperçu plus approfondi des masques N95. Nos employés ont également contacté les professionnels de la santé qu'ils connaissaient. Dimanche, seulement deux jours après le lancement du projet, nous avons effectué des tests d'ajustement avec notre deuxième prototype sur 10 individus dans quatre emplacements.

Les deux semaines suivantes ont continué selon ce schéma — conception, impression, test, répétition. Notre troisième prototype imprimé comportait une refonte du mécanisme de rétention du filtre. La géométrie de périmètre demi-cercle décalé fonctionne comme un came qui verrouille la pièce en place lorsqu'elle est tournée par friction (voir ci-dessous). Il y a deux languettes qui forcent le couvercle vers le bas dans la position tournée ou verrouillée pour assurer une bonne étanchéité autour du filtre. Nous avons créé une version avec une zone perforée en forme de cœur pour rendre le masque moins intimidant. À partir de ce tour de prototypes, nous avons conçu et testé des masques en deux tailles différentes.

Conception du troisième prototype imprimé avec bouchon à rotation.

Au quatrième prototype, nous nous préoccupions principalement de la facilité de respiration et de l'ajustement correct. Pour y remédier, nous avons essayé de maximiser la région perforée et de minimiser sa densité (perdant tristement le cœur) pour réduire la résistance au flux d'air. Nous avons également ajusté les mesures pour les deux tailles en fonction des retours des tests utilisateurs. À ce stade, nous étions assez confiants dans la fonction et le dimensionnement du masque pour publier la version 1 en tant que conception open source.

Conception pour l'accessibilité

Pour rendre le masque accessible au plus grand nombre, nous avons créé une conception open source qui pouvait être fabriquée sur des imprimantes 3D domestiques. Cette décision a ajouté des contraintes de conception et de matériaux. Un masque rigide ne pouvait pas s'adapter à une grande variété de formes de visage, donc nous avons exploré l'ajout d'un matériau flexible au bord intérieur du masque pour améliorer son étanchéité au visage.

Nous avons prototypé un premier concept en utilisant SIL 30 sur Carbon DLS. Nous avons continué à tester de nombreuses méthodes pour créer une étanchéité efficace au visage (décrites ci-dessous), y compris un gant découpé, du silicone imprimé et moulu, du matériau prothétique facial moulable, des joints FDM en TPU et PLA, et des bandes d'étanchéité. Finalement, nous avons opté pour les bandes d'étanchéité, qui sont biocompatibles, facilement nettoyables et faciles à se procurer.

Maquette de forme pour silicone moulable

Joint PLA fin intégré

Formation rapide d'équipe

J'attribue l'itération rapide réussie sur ce projet non seulement à la puissance des outils de conception numérique et de la technologie de fabrication additive, mais aussi au dévouement et à la diversité de l'équipe que nous avons réunie de différentes parties de l'entreprise. Daniel Baker (Responsable de l'ingénierie de fabrication) a fourni des retours DFM et a fait des nuits blanches pour imprimer et post-traiter les prototypes. Tim Ouradnik (Ingénieur d'application) a sourcé le matériau de joint, assemblé les prototypes et conduit partout à Chicago pour effectuer des tests utilisateurs à distance sociale. Uriah Foley et Eldon Whitis (Techniciens de laboratoire) ont testé les prototypes et exploré des joints intégrés sur leurs imprimantes 3D personnelles à la maison après les heures de travail.

Nick Tonini (Chef de programme) a fourni des solutions infiniment inventives et des retours de conception. Jerry O'Leary (Designer en chef) a amélioré nos conceptions et créé des rendus conceptuels. Charlie Wood (Responsable de l'ingénierie computationnelle) a fourni un leadership sur la conception des joints. Hallee Deutchman (Directrice des matériaux et de la technologie de fabrication) a fait le lien avec nos partenaires et l'équipe juridique avant de publier la conception. Sheila Seles (Responsable principal du contenu) et Austin Belisle (Spécialiste du contenu) ont emballé, publié et promu notre conception.

La liste des remerciements ci-dessus vise non seulement à créditer les individus qui ont contribué à ce processus, mais aussi à démontrer le pouvoir de la culture d'entreprise pour rendre de nouvelles choses possibles. Nous avons travaillé sur ce projet en dehors de nos responsabilités et structures d'équipe normales parce que nous voulions créer un produit qui pourrait avoir un impact sur le monde au-delà de Fast Radius. Cet esprit a traversé les frontières de l'entreprise aussi ; nous sommes reconnaissants envers P33 et tous les médecins qui ont contribué leur temps et leur expertise. Si nous n'apprenons rien d'autre de cette pandémie, j'espère que nous continuerons à être intentionnels sur la création d'une culture de diversité, d'humilité et de collaboration alors que nous travaillons à répondre aux défis mondiaux pressants.

Notre conception est disponible et prête à imprimer. Vous pouvez trouver les fichiers CAO et les instructions sur notre site web.

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