Wie man eine Maske durch 3D-Druck herstellt

In der aktuellen Situation, in der wir mit einer weltweiten Pandemie aufgrund der Ausbreitung des Coronavirus COVID-19 konfrontiert sind, glauben wir, dass jeder Beitrag und jede Hilfe, die aus jedem Bereich kommen kann, äußerst wichtig sein kann, und es gibt sehr interessante Initiativen, die aus dem Bereich des 3D-Drucks hervorgehen, von denen wir glauben, dass sie relevant sind, um verbreitet zu werden.

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

Aus diesem Grund hat das Team von Copper3D, Hersteller des antibakteriellen PLActive-Filaments, das Design einer Maske geteilt, die sich für die Herstellung auf praktisch jedem 3D-FDM-Drucker eignet und deren STL-Datei kostenlos und frei zum Download zur Verfügung steht:

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

Diese Maske hat folgende Eigenschaften:

• Antimikrobiell und antiviral, hergestellt mit PLActive, einem innovativen Nanokomposit, das mit einem hochwertigen PLA und einem patentierten, wissenschaftlich validierten und hochwirksamen Nano-Kupferadditiv entwickelt wurde.
• Recyclebar: Die verstärkte Verwendung von Einweg-Chirurgiemasken und Atemschutzmasken wird negative Auswirkungen auf die Umwelt haben. Um diese nachteiligen Auswirkungen auf das Ökosystem zu vermeiden, ist die Verwendung des PLActive-Filaments für den Druck ein recycelbares Material.
• Flaches Muster, um seine Herstellung in großem Maßstab und praktisch auf jedem 3D-FDM-Drucker zu erleichtern.
• Modulares Filtersystem: Die Maske enthält ein neuartiges modulares Filtersystem für feine Partikel aus einem Material, das auf bewährten Kupfernanokompositen basiert, um Viren zu deaktivieren. Dieses Filtersystem umfasst mehrere Schichten mit unterschiedlichen Geometrien, um eine effektive Filtration feiner Partikel zu ermöglichen. Darüber hinaus kann es Filtermaterialien von Drittanbietern wie nicht gewebtes Propylen, Schwämme oder Textilien aufnehmen.
• Thermoformungsfähigkeiten bei 55 - 60 ºC, was es ermöglicht, die richtige Form der Anatomie eines jeden Gesichts einfach mit einem Haartrockner oder warmem Wasser zu geben.
• Regelung der Filtration und der Luftzufuhr. Die langfristige Verwendung von Atemschutzmasken hat gezeigt, dass die Lungenkapazität reduziert wird. Diese Einweg-Atemschutzmasken ermöglichen keine Regulierung der Luftzufuhr oder der Partikelgröße. Diese Maske enthält eine modulare Filterplatte, die die Luftzufuhr und die Partikelgröße effektiv regulieren kann. Dieses System kann durch Verwendung von nicht gewebtem Filterpropylen, Kleidung, Schwämmen und verschiedenen Textilien angepasst werden, um das Filtrationsniveau 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 % Füllung, ohne Stützstrukturen oder Flöße. Jede Maske verbraucht etwa 40 Gramm Filament, sodass mit einer Rolle von 750 Gramm PLActive 17-18 Masken gedruckt werden können.
2. Erhitzen Sie die Maske auf 55 - 60 ºC mit einem Haartrockner oder warmem Wasser. Der kreisförmige Teil muss intakt sein, aus diesem Grund ist er dicker, um Verformungen zu vermeiden.
3. Beim Erweichen die Nasenflügel und die Einstellflügel am Unterkiefer zusammenführen.
4. Erneut erwärmen und auf das Gesicht legen, um es vollständig an jedes Gesicht anzupassen.
5. Einen oder zwei zusätzliche Filter einsetzen. Wenn Sie einen Filter verwenden, können Sie ein kreisförmiges Stück (einfach oder doppelt) einer herkömmlichen nicht gewebten Propylenmaske (A) verwenden oder ein Wattepad für Make-up (B) hinzufügen und sie gut an das Fenster des Filtersystems anpassen. Die Filtration und der Luftstrom können mit Kombinationen dieser Elemente reguliert werden.
6. Fügen Sie die Gummibänder zur Befestigung hinzu.

Bild 2: Montageanleitung für NanoHack. Quelle: Copper 3D.

Eine weitere Option wäre die Verwendung des flexiblen antibakteriellen MD¹ Flex-Filaments, ebenfalls hergestellt von Copper3D, das aufgrund seiner Flexibilität keine Erwärmung der gedruckten Maske zur Anpassung erfordert.

Andererseits muss berücksichtigt werden, dass diese Masken, obwohl sie wirksam sind, bestimmte Einschränkungen haben, wie eine kurze Lebensdauer (ungefähr 8 Stunden). Atemwegsviren, speziell SARS-CoV-2 (COVID-19), können bis zu 72 Stunden auf verschiedenen Oberflächen überleben, weil wir am Ende des Tages eine hohe virale / bakterielle Belastung nur wenige Millimeter von unserer Nase und unserem Mund entfernt haben würden, was uns weiterhin diesen gefährlichen Mikroorganismen aussetzt.

Abschließend möchten wir dem NanoHack-Projekt und seinem Team von Wissenschaftlern und Industriedesignern aus den Vereinigten Staaten und Chile danken, dass sie der Gesellschaft die Beschreibung und die Pläne ihres Patents zur Verfügung gestellt haben.

UPDATE (20. März): Copper3D hat eine Mitteilung veröffentlicht, um Zweifel bezüglich der Zertifizierungen und Verwendungen von Nanohack zu klären. Publikation anzeigen

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

NanoHack 2.0

Kürzlich hat das Team von Copper3D ein neues Maskendesign geteilt: NanoHack 2.0.

Im Gegensatz zu anderen Konzepten besteht NanoHack 2.0 aus einer starken und hermetischen Monoblockstruktur, die mit PLActive gedruckt werden muss, um maximalen Schutz gegen die äußere Umgebung zu bieten. Um die Maske wasserdicht zu machen, wird der Rahmen mit einem 3D-gedruckten Rand mit MDFlex, einem antimikrobiellen TPU, abgedichtet.

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Bild 3: Design der NanoHack 2.0-Maske. Quelle: Copper 3D.

Technische Überlegungen

Die NanoHack-Maske ist ein Gerät, das entwickelt wurde, um Schutz vor Partikeln in der Luft zu bieten und die Ausbreitung von Flüssigkeiten zu verhindern, die die Atemwege kontaminieren könnten.

Durch Studien zur Wirksamkeit von selbstgemachten Masken wurde festgestellt, dass die NanoHack-Filtermaterialien (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 erreichen.

Einem Bericht der United States FDA zufolge bieten gewöhnliche chirurgische Masken aufgrund ihrer lockeren Passform keinen vollständigen Schutz vor Keimen und anderen Verunreinigungen. Darüber hinaus sind chirurgische Masken Einweggeräte, die sicher entsorgt werden müssen. Die Gesundheitsbehörden empfehlen, diese Gegenstände in einem Plastikbeutel zu verstauen und ordnungsgemäß zu entsorgen. Die Hände sollten nach dem Umgang mit der gebrauchten Maske gewaschen werden. Vorherige Forschungen haben darauf hingewiesen, dass die hohe Viruslast, die in chirurgischen Masken und Atemschutzmasken verbleibt, eine Quelle für virale Übertragung sowohl für die Masken tragende Person und Atemschutzmasken als auch für andere sein kann. Dies kann passieren, wenn Toiletten ihre Maske berühren und dann ihre Hände nicht waschen oder wenn sie die Maske ohne ordnungsgemäße Entsorgungsmaßnahmen entsorgen. Darüber hinaus erhöhen Pathogene, die von chirurgischen Atemschutzmasken bei Patienten im Operationssaal übersehen werden, das Risiko nosokomialer Infektionen (Infektionen, die während eines Krankenhausaufenthalts auftreten). Aus all diesen Gründen verwendet die NanoHack-Maske ein recycelbares und biokompatibles Polymer, das ein Kupfer-Nanokomposit enthält, das antimikrobielle Eigenschaften aufweist: PLActive.

Hinsichtlich der antimikrobiellen Aktivität von Kupfer kann gesagt werden, dass es die Replikations- und Verbreitungsfähigkeiten von SARS-CoV, Influenza und anderen Atemwegsviren hemmt. Dies liegt daran, dass sie ein hohes antimikrobielles Potenzial (antiviral und antibakteriell) haben.

Bild 4: Kupfer antivirale Aktivität. Quelle: Copper 3D.

Daher kann Kupfer Viren wie SARS-CoV, Influenzavirus, H1N1 inaktivieren und gefährliche Bakterien wie Staphylococcus aureus, Escherichia coli oder Listeria unter anderem nach kurzer Expositionszeit eliminieren. PLActive und MDflex Filamente des Herstellers Copper3D können daher eine wirksame und kostengünstige ergänzende Strategie sein, um die Übertragung verschiedener Infektionskrankheiten zu reduzieren, indem die nosokomiale Infektionsübertragung begrenzt wird.
NanoHack wurde als antimikrobielle Gesichtsmaske konzipiert, die für den 3D-Druck in FDM geeignet ist und mit aktiven Materialien hergestellt wird. Für die Montage müssen aktive nicht gewebte Polypropylenfilter (3 Schichten) verwendet werden, um zusätzlichen Schutz gegen Mikroorganismen zu erhalten.

Laut einer Studie von Borkow G. (Neutralisierung von Viren in Suspensionen mit kupferoxidbasierten Filtern. Antimikrobielle Mittel und Chemotherapie) ist ein mit Kupferoxid imprägnierter nicht gewebter Stofffilter in der Lage, verschiedene Arten von Virenfiltern zu erzeugen, einschließlich respiratorischer Viren.

Bild 5: Design von NanoHack 2.0-Maskenfiltern. Quelle: Copper 3D.

Für optimalen Schutz gegen die Umwelt wird empfohlen, den dreilagigen nicht gewebten Polypropylenfilter mit Kupfer-Nanokompositen, die von der Copper Company entwickelt wurden, zu verwenden.

Bild 6: Tabelle zur Reduzierung der viralen Last mit Filtern mit Kupferpartikeln. Quelle: Copper 3D.

Bild 7: Rasterelektronenmikroskopbilder von Polypropylenfasern, die mit Kupferoxid imprägniert sind. Quelle: Copper 3D.

Falls kein Zugang zu diesem Filtertyp besteht, analysiert eine Studie von Anna Davies die Effizienz von Filtern aus verschiedenen Materialien wie Vakuumfiltern und Fasern wie Baumwolle oder Seide:

Bild 8: Tabelle zur Wirksamkeit verschiedener Materialien als Filter. Quelle: Copper 3D.

Empfehlungen zur Verwendung

Das Ziel von NanoMask 2.0 ist es, der Bevölkerung Schutz vor Partikeln in der Luft zu bieten und die Verbreitung von flüssigen Aerosolen zu vermeiden, die die Atemwege kontaminieren könnten. Bitte beachten Sie, dass es sich nicht um eine N95-Maske handelt. Es handelt sich um eine Gesichtsmaske und sollte nicht als zugelassene PSA betrachtet werden.

In Bezug auf Gesundheitsfachkräfte sollte dieses Gerät als letztes Mittel verwendet werden: Intubationen, mechanische Beatmung oder Bronchoskopien oder ähnliche Verfahren sollten nicht manipuliert werden.

Diese Maske ist für die Verwendung in gemeinsamen Räumen vorgesehen, maximal 8 Stunden lang, und der nicht gewebte Filter sollte einmal täglich gewechselt werden. Nach dem Umgang mit dem aktiven Filter sollten Sie sich die Hände waschen und die von den Gesundheitsbehörden empfohlenen Vorsichtsmaßnahmen befolgen.

Die Reinigungstipps für NanoMask lauten wie folgt:

1. Waschen: Das Gerät sollte mit Seife und Wasser gewaschen werden.
2. Spülen: Nach dem Waschen sollte es gründlich mit sauberem Wasser gespült werden.
3. Desinfizieren: Das Gerät muss desinfiziert werden, um eventuell verbleibende Krankheitserreger zu inaktivieren. Dazu müssen chemische Desinfektionsmittel verwendet werden, keine Autoklaven, da PLActive 80 ºC oder mehr nicht verträgt. Die zugänglichsten chemischen und keimtötenden Methoden werden unten gezeigt:
1. Methode 1: Alkohol ist wirksam gegen das Influenzavirus. Äthylalkohol (70 %) ist ein leistungsstarkes Breitbandkeimizid und wird allgemein als überlegen gegenüber Isopropylalkohol angesehen. Da Alkohol entflammbar ist, beschränken Sie seine Verwendung als Oberflächendesinfektionsmittel auf kleine Flächen und verwenden Sie es nur in gut belüfteten Räumen.
2. Methode: Die meisten Haushaltsbleichlösungen enthalten 5 % Natriumhypochlorit (50.000 Teile pro Million verfügbares Chlor). Empfohlene Verdünnung: Eine Verdünnung von 1: 100 von 5 % Natriumhypochlorit ist die übliche Empfehlung. Verwenden Sie 1 Teil Bleichmittel zu 99 Teilen kaltem Leitungswasser (1: 100-Verdünnung), um Oberflächen zu desinfizieren. Passen Sie das Verhältnis von Bleichmittel zu Wasser gegebenenfalls an, um die richtige Konzentration von Natriumhypochlorit zu erreichen. Verwenden Sie beispielsweise für Bleichmittelpräparate mit 2,5 % Natriumhypochlorit doppelt so viel Bleichmittel (dh 2 Teile Bleichmittel zu 98 Teilen Wasser).
4. Spülen: Bei Verwendung chemischer Desinfektion mit sterilem oder sauberem Wasser spülen (dh Wasser, das 5 Minuten lang gekocht und abgekühlt wurde). Steriles Wasser ist zum Ausspülen von übrig gebliebenem flüssigem chemischem Desinfektionsmittel von einem für die Wiederverwendung chemisch desinfizierten Atemgerät bevorzugt, da Leitungs- oder Destillationswasser Mikroorganismen beherbergen kann, die Lungenentzündung verursachen können. Wenn das Spülen mit sterilem Wasser jedoch nicht möglich ist, spülen Sie stattdessen mit Leitungswasser oder gefiltertem Wasser (dh Wasser, das durch einen 0,2-μ-Filter geleitet wurde). Die Desinfektion durch Eintauchen wird mit einer Kontaktzeit von 30 Minuten empfohlen.
5. Trockene Ausrüstung: Befolgen Sie den vorherigen Schritt mit einem Alkoholspülen und einer Zwangslufttrocknung.
6. Speichern: Lagern Sie die Ausrüstung trocken in geschlossenen Verpackungen.

NanoHack 2.2

Copper3D hat kürzlich ein Update für die NanoHack 2.0-Maske veröffentlicht: die NanoHack 2.2.

Wie sein Vorgänger besteht NanoHack 2.2 aus einer Monoblockstruktur. In dieser neuen Version besteht sie aus 3 Schichten konstanter Wände ohne Winkel, um die Struktur des Geräts zu stärken. Darüber hinaus werden zwei Optionen für die interne Filterstruktur angeboten: Voronoi oder Gyroid.

Die Gesamtdruckzeit für NanoHack 2.2 beträgt 4 1/2 Stunden.

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Bild 9: NanoHack 2.2 Maskenentwurf. Quelle: Copper 3D.

Die Masken NanoHack 2.0 und NanoHack 2.2 sind für ein Gesicht mit einer Höhe von 12 cm konzipiert, gemessen von der Kinnspitze bis zur Augenebene (eine horizontale Linie, die genau zwischen den Augen verläuft) und einem Abstand zwischen den Wangenknochen (direkt auf der Nase gemessen) ebenfalls 12 cm. Wenn Ihr Gesicht kleiner oder größer als diese Maße ist, wird empfohlen, das Modell um 5 % oder 10 % zu vergrößern, um Ihr Gesicht perfekt anzupassen.