Несколько дней назад я написал на своем фейсбуке, что подключаюсь к проекту по разработке защитных масок для печати на 3D-принтере.

Сейчас моя работа завершена, маска доступна для печати всем желающим.

Но для начала я хочу объяснить, почему я решил этим заняться и в чем вообще смысл печати масок на 3D-принтерах.

Смысл печати 3D масок такой.

Сейчас, даже в условиях глобального карантина, у большинства из нас в быту есть легкий доступ к высокоэффективным фильтрующим материалам (даже если мы об этом не догадываемся), которые способны улавливать более 98% вирусных частиц. Это так называемая HEPA-ткань, из которой делаются воздушные фильтры автомобилей и фильтры тонкой очистки бытовых пылесовов.

Однако в силу своих физических свойств HEPA из нее невозможно пошить обычную маску. Но мы можем использовать 3D принтер, чтобы напечатать своеобразный держатель для такого фильтрующего материала, который бы обеспечивал плотное прилегание к лицу. Это и будет та самая 3D-маска.

Почему я решил этим заняться, когда в 3D хранилищах уже лежат сотни файлов для печати подобных масок?

Ровно то той же причине, по которой немцы перед второй мировой войной начали разрабатывать Фолькваген, хотя промышленность уже выпускала кучу хороших автомобилей.

Подавляющее большинство файлов для печати масок, которые находятся на стоках, требуют (для обеспечения плотного прилегания маски) использования специального гибкого резиноподобного пластика, который сейчас, в условиях карантина, найти и купить не так просто. Для печати таким гибким пластиком самые распространенные недорогие 3D-принтеры с Bowden экструдерами (а это сейчас 9 принтеров из 10) малопригодны.

Если же маску такую маску напечатать из легко доступного жесткого пластика, то будет сложно обеспечить плотное прилегание.

Далее, подавляющее большинство масок рассчитаны на использование какого-то конкретного типа фильтрующего материала, который имелся в наличии у автора маски, но не факт, что будет у вас. Часть масок предназначена для использования фильтров, которые выглядят очень надежными, но на самом деле таковыми не являются.

Например, чуть ли не половина всех масок предназначены для использования в качестве фильтра «ватных косметических дисков» (см. фото).

Эти диски выпускаются разными производителями, из разных материалов, по разным технологиям. Среди них есть диски, удовлетворяющие требованиям HEPA, которые обеспечивают высокую фильтрацию, а есть и такие, которые вообще ничего не фильтруют. Получается что-то вроде игры в лотерею, где ставкой является ваше здоровье.

Я ставил себе задачу подготовить маску, которая удовлетворяла бы следующим условиям.

1. Использовался бы жесткий, дешевый и самый доступный PLA пластик (который к тому же – биоразлагаемый)
2. Процесс подгонки по размеру был бы предельно простым и при этом обеспечивалось бы плотное прилегание маски к лицу.
3. Можно было бы использовать для печати любой принтер, даже если этот принтер уже раздолбан вдрызг и не обеспечивает хорошей точности.
4. Маску можно было бы печатать даже в скоростном «черновом» режиме, без потери ее качества, без использования поддержек, или даже в режиме «вазы» (владельцы 3D принтеров поймут, что это значит).
5. В качестве фильтра можно было бы использовать любую HEPA-ткань, любой формы. А сама установка фильтра была бы тоже максимально простой и быстрой безо всяких резьб, винтов и прочего.

В итоге на выходе получилась маска, где все эти условия – соблюдены.

Скачать файлы для печати маски можно отсюда http://shipilov.com/Virus_Mask.zip

Отступление: Что такое HEPA-ткань.

Это английская аббревиатура High Efficiency Particulate Arrestance. В России такую ткань называют «Ткань Петрянова», поскольку советский вариант был разработан академиком Петряновым-Соколовым. Детально прочитать можно в википедии по запросу HEPA, или вот тут https://habr.com/ru/company/tion/blog/385461/.

Даже самая низкокачественная HEPA задерживает более 90% вирусов. Обычно же этот показатель составляет более 98%. В любом случае два слоя такой ткани задержат практически все вирусы.

Теперь вопрос, где же взять эту чудесную ткань? А проблем с этим нет вообще никаких! Из HEPA делаются салонный фильтры автомобилей и воздушные фильтры тех же автомобильных двигателей. Вы наверняка в их видели – эдакие «гармошки». Если откроете свой домашний пылесос, то там тоже найдете так называемый «фильтр тонкой очистки» в виде чашки или той же «гармошки».

В любой случае, если вам под руку попадется нечто что-то вроде волокнистого картонна и тем более в виде гармошки – это HEPA. Достаете гармошку из каркаса, распрямляете, и вот у вас – куча HEPA, буквально за копейки.

Очень хороший вариант – копеечные строительные респираторы типа «лепесток», такие тоненькие, в виде дисков. Сами по себе эти респираторы фиговые и в качестве антивирусных масок не годятся, потому что совсем не прилегают к лицу, но вот ткань, из которой они сделаны – это очень качественная HEPA. Будучи вставленными в нашу 3D маску, они дадут более 99% защиты. Впрочем, и воздушный фильтр автомобиля даст не меньше, особенно, если в два слоя.

Как сделать, подогнать и собрать маску

Как я уже сказал, подавляющее большинство 3D-масок, размещенных на стоках, сделаны по образцу промышленных респираторов, рассчитанных на использование гибких материалов, чтобы обеспечить плотное прилегание к лицу. А пластик у нас не гибкий, а жесткий.

Но с другой стороны, лицо человека – тоже гибкая «субстанция». Поэтому если жесткая маска обеспечивает контакт с кожей лица на большой плоскости – это тоже даст нужную герметичность.

К счастью, мне не пришлось самому экспериментировать с формой такой маски, я нашел на стоке Thingiverse вариант, который был рассчитан именно на жесткий пластик. Имя автора модели, к сожалению, не знаю, файлы были опубликованы пользователем под псевдонимом Tomas33, за что ему большое спасибо.

Взяв поверхность этой маски за основу, я создал на ее базе свой вариант из двух деталей: собственно маски и фискатора. Маска и фиксатор выполнены в виде тонкостенных объектов равномерной толщины, которые печатаются 3D-принтерами очень быстро и могут быть напечатаны в черновом режиме без потери прочности.

Я специально использовал в тестовом образце самую грубую черновую печать, и на качестве маски это никак не сказалось.

Важно – печатать можно без поддержек, даже если ваша программа печати будет говорить, что они нужны. Это сэкономит вам половину времени.

Собирается маска очень просто. На верхнюю поверхность маски накладывается кусок HEPA ткани размером немного больше среза и прижимается сверху фиксатором, как в пяльцах. Фиксатор защелкивается и получается прочное соединение достаточной герметичности.

Детально процесс сборки можно посмотреть на видео.

Теперь, как подогнать маску под размер. На видео это процесс показан подробно.

В комплект файлов входит измерительный шаблон. Его надо распечатать и приложить к лицу так, чтобы подбородок уперся в нижнюю часть шаблона. Важно, шаблоне не надо изгибать по форме лица. Просто аккуратно приложить.

Посмотреть, где находится верхний край маски. Он должен быть примерно на уровне линии, соединяющей нижний край открытых глаз. Плюс-минус пять миллиметров. Если это условие соблюдается, значит маска вам подходит по высоте.

Если нет, надо будет отмасштабировать маску добавить недостающие миллиметры по вертикали при печати.

То же самое по ширине. Боковые крылья маски должны касаться щек. Если не касаются, приложить линейку и замерить зазор. Добавить недостающие миллиметры при печати. Погрешность в пару миллиметров не страшна.

Хочу зафиксировать внимание. Сами файлы печати править не надо. Любая программа 3D-печати (слайсер) позволяет масштабировать объект непосредственно в процессе печати.

И не забудьте отмасштабировать не только саму маску, но и фиксатор.

Теперь пару слов по использованию.

HEPA-ткань уникальна в том отношении, что по мере использования ее фильтрующие свойства не уменьшаются, а растут. Она может забиваться отфильтрованными частицами и оказывать большее сопротивление воздуху, но защитные свойства ее при этом не пропадают.

Поскольку мы фильтруем не пыль, а вирусы – фильтр получается практически вечным.

Но остается вопрос заразности вирусов, попавших на маску. Вирусы, осевшие внутри фильтра – будут инактивированы, они не опасны. Но какая-то их часть может осесть и на поверхности и сохранить жизнеспособность.

Поэтому после каждого использования фильтр надо менять. Использованный фильтр выбрасывать не надо, после инактивации вируса его можно использовать повторно.

Спрячте его в полиэтиленовый пакет и теоретически в нескольких трех дней вирус должен погибнуть. Особенно если вы обрызгаете поверхность фильтра спиртовым аэрозолем или подержите пакет с фильтром на солнце. Если вы будете иметь 7-10 кусочков HEPA-ткани и ежедневно менять их по кругу, вы получите практически вечную маску.