CN112773018A - 一种基于熔融沉积原位3d打印技术的口罩制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于熔融沉积原位3D打印技术的口罩制作方法，是一种基于熔融沉积成型原位3D打印技术制作的可更换滤芯口罩，包含口罩的主体通用部分，其通过注塑模具大批量制造。还包含脸部贴合定制部分，首先通过逆向工程提取佩戴者面部三维特征，根据注塑模具件尺寸和使用者面部特征建立个性化定制件三维模型，进行熔融沉积成型3D打印，最终成型出一体化口罩。本发明制作的可更换滤芯口罩，贴合使用者面部，佩戴起来更加舒适，而且密封性好，防护效果更佳，还可循环使用。本发明将模具制造和3D打印制造相结合，既能很好地满足实际使用需求，又能缩短加工周期，降低成本，适合批量化生产。
Description
技术领域
本发明涉及口罩制作的技术领域，具体是一种基于熔融沉积成型，即FDM (FusedDeposition Modeling)原位3D打印技术的口罩及其制作方法。
背景技术
传统的熔喷布口罩由于在高温、酒精等环境下会被破环，所以无法实现循环利用。无纺布双层口罩、过滤膜式口罩等一定程度上延长了口罩的使用寿命，但当使用时间超出7天时，不仅过滤效果会大打折扣，而且较容易引起细菌滋生。因此，可替换滤芯式口罩就成为一种较优的解决方案。
一种可更换滤芯口罩(公开号CN111802724A)，该方案提供了一种可替换滤芯口罩的制作方法，和市场上现有的其他可替换滤芯式口罩一样，采用注塑模具加工的方式制作。但是每个人的面部特征不尽相同，统一模具制作的口罩舒适性不佳，长时间佩戴还会产生疼痛感，同时由于不能很好地贴合面部，会导致口罩的密封性较差。此外，不仅在日常情景中，而且在医院或生产车间等特殊场景中的可替换滤芯口罩也存在类似问题，并不能很好地满足实际使用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种舒适性高、密封性好的可替换滤芯口罩的制作方法，结合注塑模具制造和熔融沉积成型原位3D打印两种技术，制作贴合面部的可循环使用口罩更加舒适，能更好地起到防护作用，而且缩短了制作周期，可以实现大批量生产。
本发明的实现方案：
一种基于熔融沉积成型原位3D打印技术制作的可替换滤芯口罩，包含口罩的主体部分注塑模具加工件，还包含脸部贴合部分个性化定制件。
所述主体部分注塑模具加工件为口罩通过模具大批量生产制造的通用部分，包含呼吸所用的通风口、过滤片固定结构、耳挂或绑带连接结构。
所述脸部贴合部分个性化定制件为通过熔融沉积原位3D打印技术在模具加工件上原位制造的个性化部分，包含与模具加工件连接的结构，贴合佩戴者鼻梁、脸部轮廓和下颌的个性化定制结构。
进一步地，通过逆向工程提取使用者面部三维特征并建立个性化定制件模型，基于熔融沉积成型原位3D打印定位技术在模具加工件上精准打印，最终成型出一体式可替换滤芯口罩。
本发明的有益效果在于：
(1)与现有可替换滤芯口罩口罩相比，本发明提供的方法制作的口罩能够更好地贴合使用者面部，密封性更好，能更好地起到防护作用，而且更加舒适；
(2)在疫情防控常态化背景下，与常见熔喷布口罩相比，本发明长期使用无需频繁更换，使用成本更低；
(3)本发明将注塑模具制造和熔融沉积成型原位3D打印两种技术相结合，既能很好地满足实际需求，又能缩短加工周期，降低成本，适合批量化生产；
(4)本发明中提出的熔融沉积成型原位3D打印技术除了可用于生产口罩，还可以推广到其他需要个性化定制产品的制作。若个性化定制产品完全采用3D 打印制作，将增加其制作周期，所以本发明为提高其效率提供了一种思路。
附图说明
图1是本发明整体模型示意图。
图2是注塑模具加工件模型示意图。
图3是个性化定制件模型示意图。
图4是熔融沉积成型原位3D打印定位技术示意图。
标号说明：1.口罩主体部分，2.主体部分与脸部贴合部分连接部分，3.口罩脸部贴合部分，4.通风口，5.过滤片固定结构，6.耳挂或绑带连接结构，7.个性化定制件与注塑模具加工件连接结构，8.贴合面部的个性化定制结构，9.熔融沉积成型原位3D打印定位框，10.熔融沉积成型3D打印平台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细的描述。
图1所示的是基于熔融沉积成型原位3D打印技术制作的可替换滤芯口罩示意图，包含口罩的主体部分1，还包含口罩脸部贴合部分3。
优选地，图2所示的是口罩的主体部分1的具体结构。首先使用Solidworks 软件设计口罩主体部分的CAD三维模型，确定各组成部分的位置、角度及尺寸等参数，包含呼吸所用的通风口4，配备固定结构5以安装过滤片起到防护过滤作用，两侧有耳挂连接结构6，同时可根据使用者佩戴习惯替换为头戴式绑带。该部分作为本发明中的通用部分使用注塑模具加工的方式大批量制造，大大缩短整个口罩的制作时间。
优选地，图3所示的是口罩脸部贴合部分的具体结构，它通过熔融沉积3D 打印技术在注塑件上原位制造作为本发明中的个性化定制部分，包含与注塑件连接的结构7，此结构基于注塑件的尺寸特征建立，以在熔融沉积原位3D打印时精确对接，一体成型。还包含贴合佩戴者鼻梁、脸部轮廓和下颌的定制结构8。
优选地，基于逆向工程，采用手持式扫描设备提取佩戴者面部三维特征，使用Geomagic Studio软件自动延伸和剪截曲面功能进一步完善三维扫描数据，以减少人为因素和噪声产生的采集误差。当由扫描误差产生复杂的孔洞时，基于Geomagic Studio的补孔技术，重建缺少扫描数据的区域，能够节省重新扫描对象的时间和成本。利用GeomagicStudio的参数转换功能将扫描数据无缝转换成具有佩戴者面部特征的CAD三维模型。
进一步地，根据佩戴者面部特征参数使用Solidworks软件设计口罩脸部贴合部分坯体模型，并将人脸模型和口罩脸部贴合坯体模型共同导入Magics软件中。通过调整上述两个模型在Magics界面的空间位置X、Y、Z值，模拟出使用者佩戴口罩画面，以评估个性化定制件贴合效果。若贴合效果不佳，在 Solidworks中微调口罩脸部贴合坯体模型的参数，直至实现贴合目的。最终依此确定个性化定制件的CAD三维模型，准备在注塑件上基于熔融沉积成型技术原位3D打印。
优选地，本发明的核心在于将根据使用者面部特征设计的个性化定制件模型基于熔融沉积原位3D打印技术在注塑件上精准打印，最终成型出一体化的口罩。图4所示的是熔融沉积原位3D打印定位技术示意图，根据注塑件四周切线建立定位矩形框9，正式原位3D打印前先在打印平台10中央打印出定位框，以确定个性化定制件的打印位置参数X值和Y值。根据注塑件的高度调整打印基准面，以确定打印位置参数Z值。正式打印时，首先将注塑件放置于打印平台定位框的中央，然后在进行原位3D打印。
进一步地，在进行熔融沉积成型原位3D打印时，首先使用Simplify3D软件将贴合佩戴者面部的个性化定制件CAD三维模型进行分层切片处理，以得到每一层的打印机挤出头运动路径。然后设定打印参数，优选地，FDM 3D打印机的喷嘴直径选取为0.40mm，其较高精度；挤出倍率设定为110％，以提高最终成型出口罩的密封性；分层厚度一般设定范围为0.15-0.20mm，在保证成型质量的同时提高制作效率；填充率设定为100％，内部填充方案为Full Honeycomb，外部填充方案为Rectilinear；打印速度建议优先选取10mm/s，由于所打印结构为薄壁结构，为保证打印质量，打印速度不建议超出15mm/s；打印材料为柔性材料TPU，以提高佩戴的舒适性，因此所用打印机必须为近程送丝式FDM 3D打印机，打印温度必须大于220℃。最后，将切片处理后的G代码文件传输至FDM 3D打印机，根据所规划的路径和设定的参数，在计算机控制下根据三维模型截面轮廓在注塑件上作X-Y平面运动，同时柔性材料TPU由挤出机送至加热喷头熔融后挤出，原位涂覆在注塑件上。一层截面打印成型后打印头升高一定高度(改变Z值)，再进行下一层的熔融沉积成型，依次循环往复最终原位3D打印出一体化口罩。
进一步地，本发明中的熔融沉积原位3D打印技术，不仅仅适用于熔融沉积 FDM工艺，而且还可以推广至选区激光烧结SLS工艺和立体光固化成型SLA工艺。除了可用于可更换滤芯口罩，还可以推广到其他需要个性化定制产品的制作。
以上为本发明的优选实施例，通过上述内容，本领域相关技术人员还可以在此基础上进行各种修饰和改进，任何变换在不脱离本发明技术思想前提下都应当属于本发明权利要求保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于熔融沉积原位3D打印技术的口罩制作方法，所述口罩包含口罩的主体部分注塑模具件(1)，具有呼吸所用的通风口(4)、装载过滤片的结构(5)、连接耳挂或绑带的结构(6)；还包含贴合佩戴者面部的个性化定制件(3)，具有与注塑模具件连接的结构(7)，贴合使用者鼻梁、脸部轮廓和下颌的定制结构(8)；
其特征在于：
制作方法包括以下步骤：
1)使用Solidworks设计口罩的通用部分，并通过注塑模具制造；
2)使用扫描设备提取佩戴者面部三维特征，包括鼻梁、脸部轮廓及下颌参数信息，使用Geomagic Studio处理扫描采集的数据，并完成文件格式转换；
3)根据口罩注塑模具件的尺寸参数和提取的面部特征信息，使用Solidworks设计个性化定制件坯体模型，使用Magics模拟佩戴效果，实现与注塑模具件精确对接并贴合佩戴者面部的个性化定制件；
4)根据熔融沉积原位3D打印定位技术，依照注塑模具件四周切线建立定位框(9)，在打印平台(10)中央预先打印出定位框，并将注塑模具件放置在定位框中心。
5)根据注塑模具件高度Z调整打印基准面，使用Simplify3D对个性化定制件模型分层切片，并设置打印参数，利用3D打印机在注塑模具件原位上将TPU材料熔融沉积，最终成型出一体化口罩；
3D打印机的喷嘴直径选取为0.40mm，挤出倍率设定为110％，分层厚度设定范围为0.15-0.20mm，填充率设定为100％，打印速度建议优先选取10mm/s-15mm/s；打印机为近程送丝式FDM 3D打印机，打印温度必须大于220℃。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述的注塑模具件为塑料或硅胶。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，适用于熔融沉积FDM成型工艺、选区激光烧结SLS工艺或立体光固化成型SLA工艺。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210511 |