Fast Radius Gesichtsmaske entwickeln: Design, Prototyping & Innovation

Von Izzy de la Guardia, Application Engineer, Fast Radius

Während die globale Pandemie viele Schwachstellen in unserer Lieferkette offenlegte, beförderte sie auch Innovation. Besonders 3D-Druck ermöglichte Profis und Hobbyisten, ihre Ängste mit beispielloser Geschwindigkeit und Zugänglichkeit in Aktion umzusetzen. Dies erlebten wir hautnah bei der Entwicklung unseres Open-Source-Respirator-Designs.

Hier ein Einblick in den Prozess – wie wir in nur zwei Wochen vier distincte Prototypen erstellten und drei Usertest-Sitzungen durchführten, indem wir 3D-Druck, ein funktionsübergreifendes Team und unsere persönlichen wie beruflichen Netzwerke nutzten.

Rapid Prototyping und Usertesting

Als viele Amerikaner Mitte März in den Lockdown gingen, erhielt Fast Radius zahlreiche Anfragen nach 3D-gedruckten Respiratoren angesichts wachsender PSA-Engpässe. Unser General Manager John Nanry tippte mich an einem Freitagnachmittag an, die Designleitung für die Reaktion auf diesen Bedarf zu übernehmen. Stunden später hatten wir unser erstes Design druckfertig – inspiriert von den Open-Source-Designs von Copper 3D und La Factoría 3D.

Der Hauptfokus lag auf Fertigbarkeit auf all unseren hauseigenen additiven Maschinen (Stratasys FDM, Carbon DLS™, HP Multi Jet Fusion) durch Sicherstellung korrekter Überhangwinkel und Vakuumentlüftung. Unseren ersten Prototyp druckten wir noch denselben Abend auf Carbon DLS.

Fortgeschrittene Designtools wie nTop Platform ermöglichten schnelle Iteration – z. B. Wechsel vom Voronoi- zu einem regelmäßigeren Hex-Muster, leichter für Hobby-FDM-Drucker

Unser erster gedruckter Prototyp mit FDM-freundlichen Überhängen und Kanälen zur Vakuumvermeidung bei DLS

Diese Prototypen informierten weitere Designänderungen: Konsolidierung der Frontabdeckung mit dem Hauptmaskenkörper zum Einzeldruck, Verstärkung der Riemenlaschen für Haltbarkeit, Reduktion der Gitterdichte und Kreisform für einfacheren FDM-Druck. Bereits Samstagnacht – nur 24 Stunden nach Projektstart – druckten wir zweite Prototypen.

Zweiter Prototyp: Konsolidierte Teile (links). Maskeninneres mit Aussparung für Finger zum Herauslösen des Snap-In-Filterdeckels (rechts).

Zweiter Prototyp in Carbon RPU70 (links), HP PA12 (Mitte), FDM-PLA (rechts)

Parallel zum Designprozess nutzten wir unser Netzwerk, um den Bedarf besser zu verstehen und Personen für Usertests zu identifizieren. In unter 24 Stunden verbanden uns unsere Partner von P33 mit einem Dutzend Ärzte und Mitarbeitern einer medizinischen Forschungsstiftung für tiefere Einblicke in N95-Masken. Auch unsere Mitarbeiter kontaktierten bekannte Mediziner. Bereits sonntags – nur zwei Tage nach Projektstart – führten wir Passformtests mit zweitem Prototyp an 10 Personen an vier Standorten durch.

Die nächsten zwei Wochen folgten diesem Muster – Design, Druck, Test, Wiederholung. Unser dritter Prototyp featured ein Redesign des Filterhaltemechanismus. Die versetzte Halbkreis-Perimeter-Geometrie fungiert als Kurbel, die das Stück durch Reibung beim Drehen verriegelt (siehe unten). Zwei Laschen drücken den Deckel in der gedrehten/verriegelten Position nach unten, um eine gute Abdichtung um den Filter zu gewährleisten. Wir erstellten eine Version mit herzförmigem Perforationsbereich, um die Maske weniger einschüchternd wirken zu lassen. Ab dieser Runde designeten und testeten wir Masken in zwei Größen.

Dritter Prototyp mit Twist-Cap-Design.

Beim vierten Prototyp lag der Fokus auf Atmungsfreundlichkeit und korrekter Passform. Wir maximierten den Perforationsbereich und minimierten dessen Dichte (leider ohne Herz), um Strömungswiderstand zu reduzieren. Wir passten die Maße der zwei Größen basierend auf Usertest-Feedback an. Zu diesem Zeitpunkt waren wir von Funktion und Größenüberzeugung genug, um Version 1 als Open-Source-Design zu veröffentlichen.

Design für Zugänglichkeit

Um die Maske so vielen Menschen wie möglich zugänglich zu machen, schufen wir ein Open-Source-Design für Haushalts-3D-Drucker. Diese Entscheidung brachte Design- und Materialbeschränkungen mit sich. Ein starrer Maskenkörper passt nicht zu vielfältigen Gesichtsformen – wir erforschten daher flexible Materialien am inneren Maskenrand für bessere Gesichtsdichtung.

Wir prototypen ein erstes Konzept mit SIL 30 auf Carbon DLS. Wir testeten viele Methoden für effektive Gesichtsdichtung (unten beschrieben): zerschnittener Handschuh, gedrucktes und gegossenes Silikon, formbares Kostüm-Gesichtsprothesen-Material, FDM-gedruckte TPU- und PLA-Dichtungen, Wetterschutzstreifen. Letztlich entschieden wir uns für Wetterschutzstreifen – biokompatibel, leicht zu reinigen, einfach zu beschaffen.

Form-Mockup für formbares Silikon

Integrierte dünne PLA-Dichtung

Schnelle Teambildung

Ich schreibe die erfolgreiche schnelle Iteration nicht nur der Macht digitaler Designtools und additiver Fertigungstechnologie zu, sondern auch dem Engagement und der Diversität des Teams, das wir aus verschiedenen Unternehmensbereichen zusammenzogen. Daniel Baker (Manufacturing Engineering Manager) lieferte DFM-Feedback und zog Nachtschichten für Druck und Nachbearbeitung. Tim Ouradnik (Application Engineer) beschaffte Dichtmaterial, montierte Prototypen und fuhr durch ganz Chicago für sozial-distanzierte Usertests. Uriah Foley und Eldon Whitis (Lab Technicians) testeten Prototypen und erforschten integrierte Dichtungen an ihren privaten 3D-Druckern nach Feierabend.

Nick Tonini (Program Manager) lieferte endlose kreative Lösungen und Designfeedback. Jerry O'Leary (Chief Designer) verbesserte Designs und erstellte Konzept-Renderings. Charlie Wood (Computational Engineering Manager) führte bei Dichtungsdesign. Hallee Deutchman (Director of Materials and Manufacturing Technology) koordinierte mit Partnern und Legal vor Designfreigabe. Sheila Seles (Senior Content Manager) und Austin Belisle (Content Specialist) verpackten, publizierten und bewarben unser Design.

Die obige Anerkennungsliste dient nicht nur der Würdigung der Mitwirkenden, sondern demonstriert die Kraft der Unternehmenskultur, Neues möglich zu machen. Wir arbeiteten außerhalb normaler Verantwortlichkeiten und Teamstrukturen, weil wir ein Produkt schaffen wollten, das über Fast Radius hinaus Wirkung entfaltet. Dieser Geist überschritt Unternehmensgrenzen; wir sind dankbar für P33 und alle Ärzte, die Zeit und Expertise beisteuerten. Wenn wir aus dieser Pandemie nichts anderes lernen, hoffe ich, dass wir weiterhin bewusst eine Kultur von Diversität, Demut und Kollaboration pflegen, um drängende globale Herausforderungen zu bewältigen.

Unser Design ist verfügbar und druckfertig. CAD-Dateien und Anleitungen finden Sie auf unserer Website.