Fast Radiusフェイスマスクのエンジニアリング：設計、プロトタイピング、イノベーション

著者：Izzy de la Guardia、Fast Radiusアプリケーションエンジニア

世界的パンデミックはサプライチェーンの多くの脆弱性を露見させましたが、同時にイノベーションを生みました。特に3Dプリントは、プロフェッショナルとホビイストの双方が、恐怖を行動に変えることを、前例のない速度とアクセシビリティで可能にしました。弊社オープンソース呼吸器設計の創造で、これを直接体験しました。

3Dプリント、クロスファンクショナルチーム、弊社の個人的・職業的ネットワークを活用し、わずか2週間で4つの異なるプロトタイプを作成し、3回のユーザーテストセッションを実行できたプロセスの一端をご紹介します。

ラピッドプロトタイピングとユーザーテスト

3月中旬に多くのアメリカ人が自宅待機を始めると、Fast RadiusにはPPE不足への懸念の中、3Dプリント呼吸器のリクエストが複数寄せられました。ジェネラルマネージャーJohn Nanryから金曜午後に設計リーダーとして指名され、数時間後には最初の設計がプリント準備完了。Copper 3DとLa Factoría 3Dのオープンソース設計に着想を得ました。

設計の主眼は、弊社社内アディティブマシン（Stratasys FDM、Carbon DLS™、HP Multi Jet Fusion）すべてで製造可能にすることでした。適切なオーバーハング角度と真空ベント確保により実現しました。初プロトタイプをCarbon DLSでその夜にプリントしました。

nTop Platformのような高度な設計ツールが、ホビイストFDMプリンタで扱いやすいより規則的なヘックスパターンへのボロノイパターン切替など、迅速な反復を支援

最初のプリントプロトタイプはFDMフレンドリーなオーバーハングと、DLSでの真空防止チャネルを装備

これらのプロトタイプから更なる設計変更が促されました：フロントカバーとメインマスクボディを統合しワンピースプリント化、ストラップループを厚くして耐久性向上、グリッドパターン密度を下げ円形にしてFDMプリント容易化。土曜夜には、プロジェクト開始わずか24時間で第2プロトタイプのプリントを開始しました。

第2プリントプロトタイプ設計で部品統合（左）。フィルター挿入用指掛け凹部を持つマスク内部（右）。

Carbon RPU70（左）、HP PA12（中）、FDMプリントPLA（右）での第2プリントプロトタイプ

設計プロセスと並行して、ネットワークを活用してニーズを深く理解し、ユーザーテスト参加者を特定しました。24時間以内に、P33の協力で12人の医師と医療研究財団従業員とつながり、N95マスクへの深い洞察を得ました。従業員も知り合いの医療従事者に連絡。日曜日、プロジェクトキックオフからわずか2日で、4箇所で10名に第2プロトタイプのフィットテストを実施しました。

その後2週間もこのパターンで継続しました——設計、プリント、テスト、繰り返し。第3プリントプロトタイプはフィルター保持機構の再設計を特徴としました。オフセット半円周形状がカムとして機能し、摩擦で捻ることでロックします（下図参照）。回転・ロック位置でカバーを押し下げる2つのタブがあり、フィルター周りの良好なシールを確保。ハート形穴あきバージョンで威圧感を軽減。このラウンドから、2サイズで設計・テストを開始しました。

ツイストキャップ付き第3プリントプロトタイプ設計

第4プロトタイプでは、呼吸しやすさと適切なフィットが主眼でした。穿孔領域を最大化し密度を最小化（残念ながらハート形は断念）して気流抵抗を低減。ユーザーテストフィードバックに基づき2サイズの寸法を微調整。この時点でマスクの機能とサイジングに十分な自信を得て、バージョン1をオープンソース設計として公開しました。

アクセシビリティ向け設計

マスクをできるだけ多くの人に利用可能にするため、家庭用3Dプリンタで製造可能なオープンソース設計を作成しました。この決定は設計と材料に制約を加えました。剛性マスクは多様な顔形状にフィットできないため、マスク内側リムに柔軟材料を追加して顔へのシール改善を探りました。

Carbon DLSでSIL 30を用いて第一概念をプロトタイピング。その後、効果的な顔面シール作成のため多くの手法をテストしました（以下に記述）：カットした手袋、プリント・成形シリコーン、成形可能コスチューム用顔面義肢材料、FDMプリントTPUとPLAシール、ウェザーストリッピング。最終的にウェザーストリッピングに決定。生体適合性があり、洗浄容易、調達容易だからです。

成形可能シリコーン用フォームモックアップ

一体型薄型PLAシール

迅速なチーム形成

このプロジェクトの成功した迅速な反復は、デジタル設計ツールとアディティブ製造テクノロジーの力だけでなく、社内の様々な部署から引き抜かれた献身的で多様なチームのおかげでもあると感じています。Daniel Baker（製造エンジニアリングマネージャー）がDFMフィードバックを提供し、プロトタイププリントと後処理で徹夜を重ねました。Tim Ouradnik（アプリケーションエンジニア）がシール材調達、プロトタイプ組立、シカゴ中をソーシャルディスタンス保ちながらユーザーテストで走り回りました。Uriah FoleyとEldon Whitis（ラボテクニシャン）がプロトタイプテストと一体型シール探索を、勤務時間後に自宅のパーソナル3Dプリンタで実施。

Nick Tonini（プログラムマネージャー）が尽きない創造的解決策と設計フィードバックを提供。Jerry O'Leary（チーフデザイナー）が設計改善とコンセプトレンダリング作成。Charlie Wood（計算エンジニアリングマネージャー）がシール設計でリーダーシップ発揮。Hallee Deutchman（材料・製造技術ディレクター）がパートナーと法務チームと連携し設計公開前調整。Sheila Seles（シニアコンテンツマネージャー）とAustin Belisle（コンテンツスペシャリスト）が設計のパッケージング、公開、プロモーションを担当。

上記の謝辞リストは、このプロセスに貢献した個人へのクレジットであると同時に、新しいことを可能にする企業文化の力を示すものでもあります。通常業務とチーム構造の外でこのプロジェクトに取り組んだのは、Fast Radiusを超えて世界にインパクトを与える製品を作りたかったからです。この精神は会社の枠を超えました。P33と時間と専門知識を提供してくれたすべての医師に感謝します。このパンデミックから何も学ばないとしても、多様性、謙虚さ、協調の文化を意図的に育み、差し迫った地球規模課題に対応し続けることを願います。

設計ファイルと手順はウェブサイトで公開中です。

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