Wie man eine Maske durch 3D-Druck herstellt

In der aktuellen Situation, in der wir uns aufgrund der Ausbreitung des Coronavirus COVID-19 mit einer weltweiten Pandemie konfrontiert sehen, glauben wir, dass jeder Beitrag und jede Hilfe, die aus irgendeinem Bereich geleistet werden kann, extrem wichtig sein kann, und aus dem 3D-Drucksektor entstehen sehr interessante Initiativen, die unserer Meinung nach relevant für die Verbreitung sind.

In den letzten Tagen häufen sich die Nachrichten über den Mangel an Masken, einer grundlegenden Schutzausrüstung, insbesondere für medizinisches Fachpersonal, aber auch für andere Personen, die aufgrund ihrer Arbeit oder anderer Umstände dem Virus stärker ausgesetzt sein können.

Daher hat das Copper3D-Team, Hersteller des antibakteriellen Filaments PLActive, das Design einer Maske geteilt, die für die Herstellung in praktisch jedem FDM-3D-Drucker gültig ist und deren STL-Datei zum kostenlosen Download zur Verfügung steht:

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Bild 1: Design der NanoHack-Maske. Quelle: Kupfer 3D.

Diese Maske hat die folgenden Eigenschaften:

• Antimikrobiell und antiviral, da es mit PLActive hergestellt wird, einem innovativen Nanokomposit, das mit einem hochwertigen PLA und einem patentierten, wissenschaftlich validierten und hochwirksamen Nanokupferzusatz entwickelt wurde.
• Wiederverwertbar. Der vermehrte Einsatz von Einwegmasken und Beatmungsgeräten wird sich nachteilig auf die Umwelt auswirken. Um diese negative Auswirkung auf das Ökosystem zu vermeiden, verbrauchen Sie durch die Verwendung von PLActive-Filament für den Druck ein recycelbares Material.
• Flaches Muster, für einfache Massenproduktion auf praktisch jedem FDM-3D-Drucker.
• Modulares Filtersystem. Die Maske verfügt über ein neuartiges modulares Feinpartikelfiltersystem aus einem Material, das Kupfer-Nanokomposite verwendet, die nachweislich Viren deaktivieren. Dieses Filtersystem umfasst mehrere Schichten mit unterschiedlichen Geometrien, um eine effektive Filtration von feinen Partikeln zu gewährleisten. Außerdem kann es Filtermaterialien von Drittanbietern wie Propylenvliese, Schwämme oder Textilien aufnehmen.
• Thermoforming-Fähigkeit bei 55 - 60°C, die es ermöglicht, die korrekte Form an die Anatomie jedes Gesichts anzupassen, indem einfach ein Fön oder warmes Wasser verwendet wird.
• Steuerung der Filtration und der Luftansaugung. Längerer Gebrauch von Atemschutzmasken reduziert nachweislich die Lungenkapazität. Diese Einweg-Atemschutzmasken ermöglichen keine Regulierung der Luftzufuhr oder der Partikelgröße. Diese Maske verfügt über eine modulare Filterscheibe, die den Lufteinlass und die Partikelgröße effektiv regulieren kann. Dieses System kann durch die Verwendung von Filtrationsvliesen, Kleidung, Schwämmen und verschiedenen Textilien angepasst werden, um den Filtrationsgrad zu reduzieren.

Der 3D-Druck und die Montage der Maske sind sehr einfach, aber es ist wichtig, die folgenden Anweisungen für eine sichere Verwendung zu befolgen:

1. Drucken Sie die Teile mit 20 % Füllstoff, ohne Stütze oder Rafts. Jede Maske verbraucht etwa 40 Gramm Filament, so dass Sie mit einer 750-Gramm-Spule PLActive etwa 17-18 Masken drucken können.
2. Erhitzen Sie die Maske mit einem Fön oder heißem Wasser auf 55 - 60 ºC. Der runde Teil muss intakt sein, deshalb ist er dicker, um Verformungen zu vermeiden.
3. Verbinden Sie beim Erweichen die Nasenflügel mit den Einstellflügeln, die sich am Unterkiefer befinden.
4. Erwärmen Sie es erneut und legen Sie es auf das Gesicht, um es vollständig an die jeweilige Physiognomie anzupassen.
5. Setzen Sie ein oder zwei zusätzliche Filter ein. Wenn ein Filter verwendet wird, kann ein kreisförmiges Stück (einfach oder doppelt) einer herkömmlichen Propylenvliesmaske (A) verwendet oder ein Abschminkkissen aus Baumwolle (B) hinzugefügt werden, das gut in das Fenster des Filtersystems passt. Filterung und Luftstrom können mit Kombinationen dieser Elemente reguliert werden.
6. Fügen Sie die Gummibänder zur Befestigung hinzu.

Bild 2: NanoHack Montageanleitung. Quelle: Kupfer 3D.

Eine weitere Option wäre die Verwendung des flexiblen, antibakteriellen Filaments MD1 Flex, das ebenfalls von Copper3D hergestellt wird. Da es flexibel ist, müsste die gedruckte Maske für ihre Anpassung nicht erhitzt werden.

Andererseits ist zu beachten, dass diese Masken zwar wirksam sind, aber gewisse Einschränkungen haben, wie z. B. eine kurze Lebensdauer (ca. 8 Stunden). Atemwegsviren, insbesondere SARS-Cov-2 (COVID-19), können bis zu 72 Stunden auf verschiedenen Oberflächen überleben, denn am Ende des Tages hätten wir eine hohe Virus-/Bakterienlast, die nur wenige Millimeter von unserer Nase und unserem Mund entfernt gefangen ist und uns noch mehr diesen gefährlichen Mikroben aussetzt.

Wir danken dem NanoHack-Projekt und seinem Team von Wissenschaftlern und Industriedesignern aus den USA und Chile dafür, dass sie der Gesellschaft sowohl die Beschreibung als auch die Zeichnungen ihres Patents zur Verfügung gestellt haben.

UPDATE (20. März): Copper3D hat eine Mitteilung veröffentlicht, um Zweifel an den Nanohack-Zertifizierungen und -Verwendungen auszuräumen.

UPDATE (21. März): Neue Mitteilung von Copper3D, in der sie angeben, dass die Filtrationseffizienz von Nanohack 96,4 % für Mikroorganismen mit 1 Mikron und 89,5 % für Mikroorganismen mit 0,02 Mikron beträgt. Außerdem werden die Spezifikationen und Konfigurationen für den korrekten Druck von Nanohack auf praktisch jedem FDM-3D-Drucker beschrieben. 

NanoHack 2.0

Vor kurzem hat das Copper3D-Team ein neues Maskendesign vorgestellt: NanoHack 2.0.

Im Gegensatz zu anderen Konzepten besteht der NanoHack 2.0 aus einer starken, luftdichten Monoblock-Struktur, die mit PLActive 3D-gedruckt werden muss, um maximalen Schutz gegen die äußere Umgebung zu bieten. Um die Maske luftdicht zu machen, wird die Struktur mit einem Rand versiegelt, der mit MDFlex, einem antimikrobiellen TPU, 3D-gedruckt ist.

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Bild 3: NanoHack 2.0 Maskendesign. Quelle: Kupfer 3D.

Technische Überlegungen

Die NanoHack-Maske ist ein Gerät, das zum Schutz vor luftgetragenen Partikeln und zur Verhinderung der Verbreitung von Flüssigkeiten, die die Atemwege verunreinigen, entwickelt wurde.

Durch Studien über die Effektivität von selbst hergestellten Gesichtsmasken wurde gezeigt, dass NanoHack Filtrationsmaterialien (nicht gewebtes Polypropylen, das gleiche Material, das in chirurgischen Masken verwendet wird), eine Filtrationseffizienz von 96,4 % für Mikroorganismen von 1 Mikron und 89,5 % für Mikroorganismen von 0,02 Mikron erreicht.

Laut einer Studie der US-amerikanischen Gesundheitsbehörde FDA bietet das Design gängiger OP-Masken aufgrund einer suboptimalen Passform keinen vollständigen Schutz vor Keimen und anderen Verunreinigungen. Darüber hinaus sind chirurgische Masken Einwegprodukte, die sicher entsorgt werden sollten. Die Gesundheitsbehörden empfehlen, diese Gegenstände in eine Plastiktüte zu geben und sie im Müll zu entsorgen sowie sich nach dem Umgang mit der benutzten Maske die Hände zu waschen. Bereits veröffentlichte Forschungsergebnisse weisen darauf hin, dass die hohe Viruslast, die auf chirurgischen Masken und Beatmungsgeräten verbleibt, eine Quelle der Virusübertragung sowohl auf die Person, die die Maske oder das Beatmungsgerät trägt, als auch auf andere sein kann. Dies kann passieren, wenn Mitarbeiter des Gesundheitswesens ihre Maske berühren und sich dann nicht ordnungsgemäß die Hände waschen oder wenn sie die Maske ohne angemessene Entsorgungsvorkehrungen entsorgen. Darüber hinaus erhöhen Erreger, die von chirurgischen Beatmungsgeräten an Patienten im Operationssaal abgegeben werden, das Risiko nosokomialer Infektionen (während eines Krankenhausaufenthalts erworbene Infektionen). Aus all diesen Gründen verwendet die NanoHack-Maske ein recycelbares, biokompatibles Polymer, das ein Kupfer-Nanokomposit enthält, das antimikrobielle Eigenschaften gezeigt hat: PLActive.

Über die antimikrobielle Aktivität von Kupfer lässt sich sagen, dass es die Replikations- und Vermehrungsfähigkeit von SARS-CoV, Influenza und anderen Atemwegsviren hemmt. Das liegt daran, dass sie ein hohes antimikrobielles Potenzial (antiviral und antibakteriell) haben.

Bild 4: Antivirale Aktivität von Kupfer. Quelle: Kupfer 3D.

So kann Kupfer Viren wie SARS-CoV, Influenza-Virus, H1N1 inaktivieren und gefährliche Bakterien wie Staphylococcus aureus, Escherichia coli oder Listeria u.a. nach kurzer Einwirkzeit abtöten. PLActive- und MDflex-Filamente des Herstellers Copper3D könnten eine effektive und kostengünstige ergänzende Strategie sein, um die Übertragung verschiedener Infektionskrankheiten zu reduzieren, indem sie die nosokomiale Infektionsübertragung einschränken.

NanoHack wurde als antimikrobielle Gesichtsmaske konzipiert, die für den FDM-3D-Druck geeignet ist und aus aktiven Materialien besteht. Für die Montage sollten aktive Vliesstoff-Polypropylenfilter (3 Schichten) zum zusätzlichen Schutz vor Mikroorganismen verwendet werden.

Bild 5: Aufbau der NanoHack 2.0 Filtermaske. Quelle: Kupfer 3D.

Laut der Studie von Borkow G. (Neutralizing viruses in suspensions using copper oxide-based filters. Antimikrobielle Mittel und Chemotherapie) ist ein mit Kupferoxid imprägnierter Vliesstofffilter in der Lage, eine Filtration von Viren verschiedener Typen, einschließlich Atemwegsviren, zu erzeugen. Für einen optimalen Schutz vor der Umwelt wird empfohlen, den von The Copper Company entwickelten dreilagigen Polypropylen-Vliesfilter mit Kupfer-Nanokompositen zu verwenden.

Bild 6: Tabelle zur Reduzierung der Viruslast mit Kupferpartikelfiltern... Quelle: Kupfer 3D.

Bild 7: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von mit Kupferoxid imprägnierten Polypropylenfasern. Quelle: Kupfer 3D.

Für den Fall, dass Sie keinen Zugang zu dieser Art von Filter haben, analysiert eine Studie von Anna Davies die Filtereffizienz verschiedener Materialien wie Staubsaugerfilter und Fasern wie Baumwolle oder Seide:

Bild 8: Effektivitätsdiagramm verschiedener Filtermaterialien. Quelle: Kupfer 3D.

Empfehlungen für die Verwendung

Die NanoMask 2.0 soll die Öffentlichkeit vor luftgetragenen Partikeln schützen und die Ausbreitung von flüssigen Aerosolen verhindern, die die Atemwege kontaminieren könnten. Es ist zu beachten, dass es sich nicht um eine N95-Maske handelt. Sie ist eine Gesichtsmaske und sollte nicht als zugelassene PSA betrachtet werden.

In Bezug auf medizinisches Fachpersonal sollte dieses Gerät nur als letztes Mittel verwendet werden: Führen Sie keine Intubationen, mechanische Beatmung oder Bronchoskopien oder ähnliche Verfahren durch.

Diese Maske ist für die Verwendung in Gemeinschaftsräumen und für maximal 8 Stunden ausgelegt, wobei der Vliesfilter einmal täglich gewechselt werden sollte. Nach der Handhabung des aktiven Filters sollten die Hände gewaschen und die von den Gesundheitsbehörden empfohlenen Vorsichtsmaßnahmen befolgt werden.

Die Reinigungshinweise für NanoMask lauten wie folgt:

1. Waschen: Das Gerät sollte mit Wasser und Seife gewaschen werden.
2. Spülen: Spülen Sie nach dem Waschen gründlich mit klarem Wasser nach.
3. Desinfektion: Das Gerät sollte desinfiziert werden, um verbleibende Krankheitserreger zu inaktivieren. Hierfür sollte eine chemische Desinfektion verwendet werden, nicht das Autoklavieren, da PLActive keine 80°C oder höher verträgt. Die gebräuchlichsten chemischen und keimtötenden Methoden sind im Folgenden dargestellt:
4. Methode 1: Alkohol ist wirksam gegen das Grippevirus. Ethylalkohol (70 %) ist ein starkes Breitspektrum-Keimtötungsmittel und wird im Allgemeinen als besser als Isopropylalkohol angesehen. Da Alkohol brennbar ist, sollte seine Verwendung als Flächendesinfektionsmittel auf kleine Flächen beschränkt sein und nur in gut belüfteten Räumen verwendet werden. Längerer und wiederholter Gebrauch von Alkohol als Desinfektionsmittel kann auch zu Verfärbung, Aufquellen, Verhärtung und Rissbildung von Gummi und bestimmten Kunststoffen führen.
5. Methode 2: Die meisten Haushaltsbleichlösungen enthalten 5 % Natriumhypochlorit (50.000 Teile pro Million verfügbares Chlor). Empfohlene Verdünnung: Eine 1: 100-Verdünnung von 5 % Natriumhypochlorit ist die übliche Empfehlung. Verwenden Sie zur Desinfektion von Oberflächen 1 Teil Bleichmittel auf 99 Teile kaltes Leitungswasser (Verdünnung 1:100). Passen Sie das Verhältnis von Bleichmittel zu Wasser nach Bedarf an, um die richtige Konzentration von Natriumhypochlorit zu erreichen. Verwenden Sie z. B. für Bleichmittelpräparate, die 2,5 % Natriumhypochlorit enthalten, die doppelte Menge Bleichmittel (d. h. 2 Teile Bleichmittel auf 98 Teile Wasser).
6. Spülen: Wenn eine chemische Desinfektion verwendet wird, spülen Sie mit sterilem oder sauberem Wasser (d. h. 5 Minuten lang abgekochtes und abgekühltes Wasser). Steriles Wasser wird zum Abspülen von Resten des flüssigen chemischen Desinfektionsmittels von einem Beatmungsgerät, das zur Wiederverwendung chemisch desinfiziert wurde, bevorzugt, da Leitungswasser oder destilliertes Wasser Mikroorganismen beherbergen kann, die eine Lungenentzündung verursachen können. Wenn das Spülen mit sterilem Wasser jedoch nicht möglich ist, spülen Sie mit Leitungswasser oder gefiltertem Wasser (d. h. Wasser, das durch einen 0,2 μ-Filter läuft). Empfohlen wird eine Tauchdesinfektion mit einer Einwirkzeit von 30 Minuten.
7. Trocknen: Folgen Sie dem vorherigen Schritt, indem Sie mit Alkohol spülen und mit Zwangsluft trocknen.
8. Lagerung: Schließlich sollten die trockenen Geräte in geschlossenen Verpackungen gelagert werden.

NanoHack 2.2

Copper 3D hat vor kurzem ein Update für die NanoHack 2.0 Maske veröffentlicht; die NanoHack 2.2.

Der NanoHack 2.2 besteht wie sein Vorgänger aus einem Monoblockaufbau. In dieser neuen Version bestehen die Wände aus 3 Schichten und die Winkel sind reduziert, um die Struktur des Geräts zu stärken. Darüber hinaus werden zwei Optionen für die interne Filterstruktur angeboten: Voronoi oder Gyroid.

Die Gesamtdruckzeit des NanoHack 2.2 beträgt 4,5 Stunden.

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Bild 9: Aufbau der NanoHack 2.2 Quelle: Copper 3D.

Es ist zu beachten, dass die Masken NanoHack 2.0 und NanoHack 2.2 für ein Gesicht mit einer Höhe von 12 cm, gemessen von der Kinnspitze bis zur Augenebene (eine horizontale Linie, die genau zwischen den Augen verläuft), und einem Abstand zwischen den Wangenknochen (direkt über der Nase gemessen) von ebenfalls 12 cm ausgelegt sind. Wenn Ihr Gesicht kleiner oder größer als diese Maße ist, wird empfohlen, die Größe des Modells um 5 % oder 10 % zu ändern, damit es perfekt zu Ihrem Gesicht passt.