Ingeniería de la mascarilla facial Fast Radius: diseño, prototipado e innovación

Por Izzy de la Guardia, Ingeniero de Aplicaciones, Fast Radius

Mientras la pandemia global ha revelado muchas vulnerabilidades en nuestra cadena de suministro, también ha generado innovación. En particular, la impresión 3D ha permitido a profesionales y aficionados canalizar sus miedos en acción con velocidad y accesibilidad sin precedentes. Lo experimentamos de primera mano en la creación de nuestro diseño de respirador de código abierto.

Aquí hay un vistazo al proceso y cómo pudimos crear cuatro prototipos distintos y realizar tres sesiones de prueba de usuario en solo dos semanas aprovechando la impresión 3D, un equipo multifuncional y nuestras redes personales y profesionales.

Prototipado rápido y pruebas de usuario

Cuando muchos estadounidenses comenzaron a refugiarse en casa a mediados de marzo, Fast Radius recibió múltiples solicitudes de respiradores impresos en 3D en medio de crecientes preocupaciones por la escasez de EPP. Fui contactado por nuestro Director General, John Nanry, un viernes por la tarde para liderar el esfuerzo de diseño para responder a esta necesidad. Horas después, teníamos nuestro primer diseño listo para imprimir, inspirado en los diseños de código abierto de Copper 3D y La Factoría 3D.

El foco principal de nuestro diseño fue la fabricabilidad en todas nuestras máquinas aditivas internas (Stratasys FDM, Carbon DLS™ y HP Multi Jet Fusion) asegurando ángulos de voladizo adecuados y ventilación de vacío. Producimos nuestro primer prototipo en Carbon DLS esa noche.

Herramientas avanzadas de diseño como nTop Platform permitieron iteración rápida, como cambiar de patrón voronoi a un patrón hexagonal más regular que era más fácil de manejar para impresoras FDM de aficionados

Nuestro primer prototipo impreso incluía voladizos amigables para FDM y canales para prevenir vacíos en DLS

Estos prototipos informaron cambios de diseño adicionales: consolidar la cubierta frontal con el cuerpo principal de la mascarilla para imprimir como una sola pieza, engrosar los bucles de la correa para durabilidad, y reducir la densidad del patrón de cuadrícula y hacerlo circular para impresión más fácil en FDM. Pudimos empezar a imprimir nuestros segundos prototipos el sábado por la noche, solo 24 horas después de iniciar el proyecto.

Nuestro segundo diseño de prototipo impreso consolidó piezas (izquierda). Interior de la mascarilla con receso para insertar dedo y sacar la cubierta del filtro a presión (derecha).

Segundo prototipo impreso en Carbon RPU70 (izquierda), HP PA12 (centro), e impreso en FDM PLA (derecha)

En paralelo con el proceso de diseño, recurrimos a nuestra red para entender mejor la necesidad e identificar individuos para pruebas de usuario. En menos de 24 horas, nuestros amigos en P33 nos conectaron con una docena de médicos y empleados de una fundación de investigación médica para proporcionar mayor insight sobre mascarillas N95. Nuestros empleados también contactaron a los profesionales médicos que conocían. Para el domingo, solo dos días después de iniciar el proyecto, realizamos pruebas de ajuste con nuestro segundo prototipo en 10 individuos en cuatro ubicaciones.

Las siguientes dos semanas continuaron en este patrón —diseño, impresión, prueba, repetir. Nuestro tercer prototipo impreso presentó un rediseño del mecanismo de retención del filtro. La geometría de perímetro semi-circular desplazada funciona como una leva que bloquea la pieza en su lugar cuando se gira por fricción (ver abajo). Hay dos lengüetas que fuerzan la cubierta hacia abajo en la posición rotada o bloqueada para asegurar un buen sellado alrededor del filtro. Creamos una versión con área perforada en forma de corazón para hacer la mascarilla menos intimidante. A partir de esta ronda de prototipos, diseñamos y probamos mascarillas en dos tamaños diferentes.

Diseño del tercer prototipo impreso con tapa giratoria.

Para el cuarto prototipo, estábamos principalmente preocupados por la facilidad de respiración y el ajuste adecuado. Para abordar esto, intentamos maximizar la región perforada y minimizar su densidad (tristemente perdiendo el corazón) para reducir la resistencia al flujo de aire. También ajustamos las medidas para los dos tamaños basándonos en retroalimentación de pruebas de usuario. En este punto, estábamos lo suficientemente confiados en la función y tallaje de la mascarilla para lanzar la versión uno como diseño de código abierto.

Diseño para accesibilidad

Para hacer la mascarilla disponible para el mayor número de personas posible, creamos un diseño de código abierto que pudiera fabricarse en impresoras 3D domésticas. Esta decisión añadió restricciones de diseño y material. Una mascarilla rígida no podía adaptarse a una amplia variedad de formas faciales, así que exploramos añadir un material flexible al borde interior de la mascarilla para mejorar su sellado a la cara.

Prototipamos un primer concepto usando SIL 30 en Carbon DLS. Pasamos a probar muchos métodos para crear un sellado efectivo a la cara (descritos abajo), incluyendo un guante cortado, silicona impresa y moldeada, material prostético facial moldeable para disfraces, sellos de TPU y PLA impresos en FDM, y burletes. Finalmente, nos decidimos por burletes, que son biocompatibles, fácilmente limpiables y fáciles de conseguir.

Maqueta de forma para silicona moldeable

Sello PLA fino integrado

Formación rápida de equipo

Atribuyo la exitosa iteración rápida en este proyecto no solo al poder de las herramientas de diseño digital y la tecnología de fabricación aditiva, sino también a la dedicación y diversidad del equipo que reunimos de diferentes partes de la empresa. Daniel Baker (Gerente de Ingeniería de Fabricación) proporcionó retroalimentación DFM y pasó noches en vela para imprimir y post-procesar prototipos. Tim Ouradnik (Ingeniero de Aplicaciones) consiguió material de sellado, ensambló prototipos y condujo por todo Chicago para realizar pruebas de usuario con distanciamiento social. Uriah Foley y Eldon Whitis (Técnicos de Laboratorio) probaron prototipos y exploraron sellos integrados en sus impresoras 3D personales en casa después de horas.

Nick Tonini (Gerente de Programa) proporcionó soluciones infinitamente inventivas y retroalimentación de diseño. Jerry O'Leary (Diseñador Jefe) mejoró nuestros diseños y creó renderizados conceptuales. Charlie Wood (Gerente de Ingeniería Computacional) proporcionó liderazgo en diseño de sellos. Hallee Deutchman (Directora de Materiales y Tecnología de Fabricación) coordinó con nuestros socios y equipo legal antes de lanzar el diseño. Sheila Seles (Gerente Senior de Contenido) y Austin Belisle (Especialista de Contenido) empaquetaron, publicaron y promocionaron nuestro diseño.

La lista de reconocimientos arriba no solo pretende dar crédito a los individuos que contribuyeron a este proceso, sino también demostrar el poder de la cultura empresarial para hacer posibles cosas nuevas. Trabajamos en este proyecto fuera de nuestras responsabilidades y estructuras de equipo normales porque queríamos crear un producto que pudiera tener un impacto en el mundo más allá de Fast Radius. Este espíritu cruzó fronteras empresariales también; estamos agradecidos por P33 y todos los médicos que contribuyeron su tiempo y experiencia. Si no aprendemos nada más de esta pandemia, espero que continuemos siendo intencionales sobre criar una cultura de diversidad, humildad y colaboración mientras trabajamos para responder a desafíos globales apremiantes.

Nuestro diseño está disponible y listo para imprimir. Puede encontrar archivos CAD e instrucciones en nuestro sitio web.

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