Fabricación de mascarilla FFP2 reutilizable mediante diseño parametrizado

1-INTRODUCCIÓN

El pasado mes de Marzo, tras el comienzo del estado de alarma, nos planteamos la idea de contribuir en la búsqueda de soluciones para la lucha contra el COVID-19. Entramos a participar en varios foros y grupos colaborativos que surgieron con este fin, como CoronaMakers o Respirador DIY, y fabricamos elementos de protección básicos tales como viseras, piezas para pruebas en equipos de respiración o clips de ajuste para mascarillas.

 

En el contexto de estas iniciativas, nos planteamos la posibilidad de diseñar un modelo de mascarilla que fuera lavable, reutilizable y con un material de filtración que fuese equivalente a FFP1 o FFP2. Esto permitiría un ahorro en material y por tanto, una reducción de residuos que se traduciría en un ahorro de costes.

 

 

 

2-ANTECEDENTES

La creciente demanda y falta de abastecimiento de mascarillas en toda Europa hace que las empresas del sector de la fabricación aditiva se planteen fabricar mascarillas mediante impresión 3D. Muchas otras iniciativas se basaron en la utilización de máquinas FDM. Esta tecnología (FDM) tiene como ventaja su bajo coste y por tanto es el tipo de fabricación más extendida tanto en empresas como entre particulares, lo que permitiría imprimir elementos de protección por todo el país de manera deslocalizada. Esto tuvo un buen resultado con elementos como pantallas faciales, aunque para el caso de una mascarilla realmente operativa, adolecía de varias carencias:

• Acabado final / productividad en tiempo baja. Acabados finos requieren mucho tiempo de impresión.
• Generación de soportes al imprimir geometrías complicadas, que hay que eliminar posteriormente mediante postprocesado.
• Problemas en la estanqueidad.
• La multitud y variabilidad de equipos existentes, muchos de ellos operando de forma particular, hace difícil la repetitividad del proceso.

Ante estas limitaciones, nuestra apuesta fue emplear la tecnología Multi Jet Fusion de HP, con la que CAF DM lleva trabajando desde 2017. Esta impresora permite la fabricación en poliamida 12 con formas complejas sin generación de soportes, un acabado final muy superior a las piezas fabricadas mediante deposición de material y, sobre todo, la posibilidad de asegurar una correcta estanqueidad. Contaríamos con muchas de las ventajas de otras técnicas de fabricación tradicional, como por ejemplo la inyección, sin miedo a las limitaciones de desmoldeos, líneas de partaje y demás consideraciones de molde.

3-METODOLOGÍA DE DISEÑO

El factor principal en la rentabilidad de esta tecnología es el aprovechamiento del volumen de la cubeta de impresión. Por ello, uno de los condicionantes de partida fue crear una mascarilla con geometría autoapilable, de forma que encajaran entre sí aprovechando la concavidad interna. Como punto de partida, se utilizó un diseño de código abierto, del que se extrajo la superficie exterior y se utilizó de base para el rediseño.

 

FILTRO MAXIMIZADO DESARROLLABLE

El siguiente punto a resolver era el diseño de la zona de filtrado. Uno de los test más críticos para conseguir el nivel FFP2 en mascarillas reutilizables es la resistencia a la respiración, esto es, la presión que el usuario necesita producir para generar un caudal de aire suficiente a través del filtro. Esta presión es función del material filtrante e inversamente proporcional al cuadrado del área permeable. Por tanto, aumentar el tamaño efectivo del filtro disminuye drásticamente el esfuerzo respiratorio del usuario.

Partiendo de esta premisa, se decidió aprovechar al máximo la superficie disponible de la mascarilla, creando un asiento en la parte frontal adecuado para que un filtro plano y rectangular envolviera los orificios de respiración. Este asiento se plegaría hacia los extremos cubriendo toda el área posible mediante una superficie desarrollable, es decir, sin alabeos que produjeran arrugas y pliegues a la hora de colocar el filtro.

 

 

TAPA FILTRO

Para asegurar la sujeción del filtro y que éste pudiera reemplazarse con facilidad se optó por un sistema de clipajes perimetral. La poliamida 12 impresa mediante fusión cuenta con una combinación de tenacidad y flexibilidad que la hace especialmente conveniente para este tipo de soluciones. La tapa, además, presionaría el filtro mediante un nervio continuo en el borde, tanto para fijar su posición como para evitar fugas de aire

 

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Éste último punto demostró ser más complicado de asegurar de lo que parecía en un principio, pues a pesar de presionar el filtro de manera continua, el aire conseguía escapar a través del propio espesor del tejido. En las siguientes iteraciones se probaron diferentes versiones del clipaje, haciendo una pestaña continua que, a modo de serpentín, dificultara las fugas del aire.
Finalmente se comprobó que con esto no era suficiente. Para conseguir una correcta estanqueidad era necesario añadir una junta elástica que sellara por deformación todo el perímetro de la tapa.

 

 

ESTANQUEIDAD EN ZONA FACIAL

Una vez resuelta la zona frontal, quedaba pendiente el asiento con la cara. A estos efectos, la poliamida 12 es demasiado rígida como para conseguir un ajuste cómodo y adaptable. La mascarilla era relativamente maleable en su conjunto (podía abrirse o cerrarse en los extremos de las mejillas al cambiar la tensión de las gomas de amarre), pero el perímetro era prácticamente indeformable, lo que generaba puntos de presión incómodos y oquedades.
Por tanto, vimos necesario añadir una junta elástica que pudiera amoldarse a la cara del usuario. Se consideraron diferentes modelos de juntas de silicona, con resultados dispares y nunca del todo satisfactorios. Se intentó emplear un sistema de clipaje, pero debido a la forma alabeada del contorno de la mascarilla, se producían tensiones en los huecos de los pómulos que tendían a desplazar la goma de su posición. También se probaron diferentes adhesivos, pero resultaba difícil aplicarlos de una manera limpia para que no comprometiera el aspecto higiénico del producto.

 

 

 

 

CAMBIO DE POLIAMIDA A TPU

Llegados a este punto, surgió la posibilidad de utilizar un material flexible (TPU) que nos solventaría el problema de adaptabilidad de la mascarilla a la cara. En este caso se pensó en el Lubrizol, material empleado por la HP 4200 y dotado de unas propiedades excelentes, que nos permitiría llegar allí donde la poliamida 12 habitual no era capaz. La junta de silicona dejaría de ser necesaria, ya que el ajuste con la cara podría hacerse con un labio que fuera prolongación de la propia mascarilla.

Además, al ser flexible, la estanqueidad en la zona de la tapa podría lograrse mediante una modificación de diseño del clipaje, con lo que la junta tórica de la tapa también sería prescindible.

 

 

La fabricación se simplificaría sustancialmente al reducir al mínimo los elementos adicionales a la impresión: filtros y gomas de fijación.

Por otra parte, comprobamos que la operación de cambio de filtro era más sencilla con este material. Con la poliamida 12, el equilibrio entre estanqueidad y facilidad de montaje de la tapa era delicado, ya que el clipaje debía estar muy ajustado para impedir el paso de aire. Con el material flexible, era mucho más cómodo desmontar la tapa, ya que ésta podía deformarse y liberarse de su alojamiento.

ERGONOMÍA

El primer modelo en TPU consistió en replicar la geometría de la última versión en PA12 y añadir el labio de estanqueidad en sustitución de la junta de silicona. Con este prototipo quedó claro que, si bien el material flexible era el camino a seguir, no sería suficiente sin un rediseño completo de la zona facial. La mascarilla no terminaba de resultar cómoda y seguía presentando fugas de aire, sobre todo en la zona de los pómulos hacia los ojos.

 

 

Durante las diversas iteraciones en PA12 se habían llevado a cabo pequeñas modificaciones del contorno para mejorar la ergonomía, pero siempre con un esfuerzo de diseño muy alto. Hasta este punto del proyecto, la base de la forma general seguía siendo las superficies extraídas del modelo de libre acceso. A nivel de metodología CAD esto implica partir de una geometría congelada, sin posibilidad de cambiar los parámetros de las curvas. Cada modificación que quisiera introducirse obligaba a cortar, deformar y parchear la superficie original.

 

 

 

 

Esta forma de trabajar no sólo resultaba poco versátil, sino que con cada cambio la estructura del archivo CAD se iba complicando, haciendo cada parche dependiente del anterior y multiplicando las posibilidades de error a la hora de computar la forma final.

La única zona relativamente maleable a la hora de aplicar cambios era el labio de estanqueidad facial. A fin de cuentas se trataba de un añadido nuevo y por tanto diseñado con operaciones modificables. Sin embargo, aunque pudiéramos cambiar la forma, longitud o ángulo de este labio, seguíamos partiendo de una línea no parametrizada. Se estaba diseñando al revés de lo que dictaba la lógica, desde el antiguo contorno rígido hacia el borde del labio, haciendo la zona funcional (de contacto) dependiente de una superficie que a fin de cuentas sólo debía servir de transición entre la cara y el filtro.

 

 

A pesar del esfuerzo invertido en la mejora de este diseño, tomamos la decisión de cambiar completamente la estructura de operaciones y hacerla más racional, dividiendo la mascarilla en dos zonas funcionales y una superficie de transición. Se liberó la zona de filtración de la dependencia de la superficie original, y aprovechamos para cambiar la forma a una redondeada que facilitara el proceso de termosellado del filtro. También se añadió un centrador para alinear el cierre de la tapa.

 

 

Sin la imposición de una geometría fija de partida, el siguiente paso lógico era utilizar un modelo de cara en el que referenciarse. Esto no sólo mejoraría la forma final del producto, sino que hacía la metodología de diseño mucho más ágil. En las versiones anteriores había que modificar cada región del labio de contacto a ciegas, definiendo ángulos, curvaturas y longitudes dependientes entre sí, intentando converger hacia una forma ajustada a la cara. Partiendo de un modelo humano bastaba con determinar el perímetro de la zona de contacto.

 

 

Dado que el modelo humano sería el punto de partida del diseño, era primordial que sus superficies fueran lo más limpias posibles: continuas en tangencia y con el mínimo número de facetas. Las superficies que parten de escaneados suelen estar compuestas por muchas regiones discontinuas en curvatura, lo que genera una cascada de divisiones adicionales con cada superficie nueva que se genera durante el diseño. Es por ello que en lugar de utilizar un escaneado, se buscó en la red un modelo de referencia de acceso libre y generado mediante NURBS, un tipo particular de superficies que permite minimizar el número de facetas y asegurar la continuidad en curvatura.

TALLAS

La división de la mascarilla en regiones independientes brindaba una última ventaja que acabaría por resultar determinante en el proyecto: la posibilidad de generar diferentes tallas de manera inmediata.

Las estructuras de diseño paramétrico permiten modificar la geometría final cambiando operaciones que están al principio o en mitad del proceso, en lugar de añadiendo pasos adicionales al final. En el caso concreto de nuestra mascarilla, por ejemplo, al variar el contorno de la zona de contacto (que es la primera operación de la región de la cara), el programa puede recalcular toda la geometría y actualizarla. Sin embargo, cuanto más al principio del proceso se modifique la operación, más pasos subsiguientes se ven afectados y es más probable el error.

 

 

En nuestro caso, la única zona dependiente era el puente de transición, consistente en una sola operación. Esto significa que prácticamente todo el trabajo computacional se lleva a cabo por dos caminos independientes entre sí (cara y tapa), que convergen en un único paso final con muy pocas probabilidades de fallo.

Aprovechando esto, se añadió una operación de escalado en la superficie de contacto de la cara justo antes de realizar la transición. De esta forma, modificando la escala y sin cambiar la estructura de diseño, podrían lograrse mascarillas adaptadas a diferentes tallas diferentes pero con una tapa y filtro compatibles. Por supuesto, esta operación debía llevarse a cabo antes de dar espesor a la mascarilla para que éste no se viera afectado por el escalado.

 

 

El último paso era determinar qué tamaños eran adecuados para cubrir el mayor espectro posible de población. Consultamos las tablas de distribución de distintas medidas antropométricas de la población laboral española, y aislamos los valores de longitud y anchura de cabeza, así como la distancia nasion-mentón.

 

 

 

Con estos valores, escalamos la cabeza del modelo para ajustarlo al percentil 50 en cada uno de los ejes.

Como puede observarse en la tabla, las dimensiones de la cabeza varían de forma diferente en los tres ejes. Esto significa que, en general un cambio de tamaño lleva aparejado una proporción diferente. Así pues, la distancia nasion-mentón (eje Z) varía de forma más acusada, mientras que la anchura y longitud de la cabeza cambian de manera similar. Por tanto, es esperable que caras de menor tamaño sean más redondas, y las caras de mayor tamaño más alargadas.

 

Estas tablas nos servirían para terminar de completar la parametrización del modelo. No bastaba con escalar la zona de contacto, sino que había que obligarle a cambiar sus proporciones en función del percentil deseado. Se establecieron tres relaciones lineales, una por eje, de manera que el único parámetro que se introdujera manualmente fuera el percentil.

 

4. FILTRO

En paralelo a la fase de diseño se estaba realizado un estudio profundo de materiales filtrantes. Una de las partes más críticas del conjunto es el filtro ya que determinaría la viabilidad de la mascarilla a nivel de filtración y respirabilidad. Además estos datos marcarían el grado de filtración de la mascarilla enmarcándola dentro de las FFP1, FFP2 o FFP3.

Dentro de este contexto se probaron materiales como los TNT (tejidos no tejidos) de las mascarillas quirúrgicas, filtros de café y filtros de aire acondicionado, siendo este último el material elegido para las pruebas de filtración.

Para las pruebas se han realizado conjuntos tipo sándwich compuestos de una capa externa de un material TNT que hiciera de filtrina, es decir, que sirviera de barrera de protección para el filtro y que también impidiera que partículas del núcleo llegasen a las vías respiratorias del usuario. Todo el conjunto está termosellado para impedir fugas por el borde y unir las diferentes capas en un solo elemento, lo que permite su reemplazo de forma sencilla.

 

 

Las pruebas de filtración y respirabilidad se han realizado en el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial. Estos ensayos han de cumplir unos valores comprendidos entre unos máximos indicados en las siguientes tablas.

 

Los valores obtenidos para el filtro seleccionado dan unos resultados inferiores al 1% en penetración y unos valores de 0.6 mbar para 30 l/min y 1,4 mbar para 95 l/m.

Estos valores permiten situar la capacidad de filtración entre FFP2 y FFP3.

 

5-CONCLUSIONES

El resultado final ha sido una mascarilla reutilizable con excelentes capacidades de filtración y una cómoda adaptabilidad a la cara.

 

Gracias a la parametrización, se ha logrado modificar el diseño de manera ágil y controlada en función de diferentes tamaños, y nos abre la puerta a realizar modificaciones para adaptarla de manera personalizada a formas de rostro particulares. Al fabricarse mediante impresión 3D y no depender de los utillajes necesarios para otras tecnologías tradicionales, como el molde de inyección, estas modificaciones pueden implementarse en unos plazos muy reducidos.

Por otro lado, se ha calculado que la amortización del precio se produce en el primer mes de uso, comparándola con el coste de adquirir mascarillas FFP2 desechables. Una vez fabricada la mascarilla, el único gasto asociado a su uso se limita al cambio de filtro. Además, las pruebas de limpieza realizadas nos indican que la mascarilla puede reutilizarse durante al menos un año, lo que permite un largo periodo de uso tras la amortización, con el consiguiente ahorro.

 

En paralelo se ha realizado un grupo de trabajo que podría derivar en la fabricación de estas mascarillas mediante inyección de plástico. Este proyecto partiría de nuestro diseño y material de filtración, en cuanto al material se está trabajando en un material similar al usado por nosotros mediante fabricación aditiva. El fin de este proyecto es llegar al máximo número de usuarios al mínimo precio posible.

Se han realizado pruebas a través de los médicos residentes del Hospital Universitario de San Sebastián en las áreas de Neumología y epidemiología. Este equipo ha ayudado a la prescripción del perfil final de usuario.

Por último, el material del filtro es aplicable a otros proyectos, y solo implicaría el cambio de tamaño y la fabricación del correspondiente troquel.