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Additive manufacturing: la mascherina made in CETMA usa i filtri dei ventilatori polmonari

Vi racconteremo di seguito un interessante progetto di innovazione dove design e tecnologie hanno consentito di sviluppare e produrre una mascherina riutilizzabile facilmente producibile con stampanti 3D non professionali, con un costo indicativo inferiore ai 2€ al pezzo.

L’emergenza COVID-19 ha portato alla ribalta il mondo dei makers che, con soluzioni ingegnose, hanno cercato di far fronte nel più breve tempo possibile alla difficoltà di approvvigionamento di dispostivi di protezione individuale (DPI) e sistemi di protezione per gli operatori sanitari.

In questi mesi di crisi abbiamo avuto modo di toccare con mano progetti legati alla stampa 3D di connettori e di particolari per ventilatori polmonari, così come abbiamo avuto modo di verificare la funzionalità di tanti progetti a basso costo per la realizzazione di visiere protettive.
Nel mondo non professionale, e comunque non direttamente collegato con la sanità, la varietà di modelli e di soluzioni tecniche per l’autoproduzione di mascherine protettive è stata importante. Le principali criticità di questi progetti sono sostanzialmente la scarsità della disponibilità di materiali filtranti idonei ad una corretta protezione degli utilizzatori professionali e la difficoltà di ottenere una buona ergonomia di utilizzo.

In questo specifico scenario si inserisce il modello sviluppato dall’area di New Product Development del CETMA. Una innovativa soluzione, oggi in fase di testing e sperimentazione, messa a punto con le competenze in ambito ergonomico, le tecnologie di scansione 3D e soprattutto grazie ad un’idea intuitiva di un medico di Lecce, il Dottor Andrea Leo.

La mascherina CETMA sfrutta i filtri commerciali, che fortunatamente ancora non scarseggiano, in dotazione agli ospedali ed utilizzati sui ventilatori polmonari. Tali filtri, che hanno un diametro di ingresso di circa 22mm, funzionano in entrambe le direzioni (inspirato ed espirato) e garantiscono una completa filtrazione dell’aria che vi passa. Il filtro ha una sezione filtrante elettrostatica molto ampia e questo consente, con una piccola area di ingresso, di avere comunque una ridotta resistenza al passaggio dell’aria e quindi un generale comfort durante il normale utilizzo. Inoltre tali filtri sono già certificati e garantiscono quindi una completa protezione dell’utilizzatore, ma anche delle persone circostanti essendo la maschera priva di valvole per l’espirato.

La mascherina è stata sviluppata dopo un attento studio di prodotti commerciali ed è stata dimensionata sfruttando la possibilità di disegnarla integrando nell’ambiente di modellazione scansioni 3D di volti reali e di manichini virtuali rappresentativi delle antropometrie reali. Come noto la forma del volto, ed in particolare di naso e mento, sono molto differenti da persona e persona e serviva quindi un progetto che con poche taglie potesse assecondare una grande varietà di utilizzatori.

I progettisti del CETMA hanno quindi deciso di sfruttare due specifici materiali, a basso costo, che potessero consentire un minimo di adattabilità della maschera stampata sul volto. Il primo il PLA (Acido Polilattico) è un materiale largamente utilizzato nelle stampanti a filamento che mediante tecnologia FDM (Fused Deposition Modeling) fondono un filamento di materiale termoplastico per realizzare l’oggetto finale strato dopo strato. Questo materiale, oltre ad avere un costo al kilogrammo inferiore ai 30€ ed essere quindi molto utilizzato dai possessori di stampanti 3D, ha anche il grosso vantaggio di essere facilmente termoformabile a basse temperature. Il labbro di tenuta della maschera è stato quindi progettato affinché l’utilizzatore finale, una volta stampata la taglia più ideona per il proprio viso, possa poi termoformare la maschera direttamente sul proprio volto. Dai test eseguiti in laboratorio è bastato immergere il solo labbro di tenuta per 30 secondi, in acqua portata a bollore al microonde (80° C), così da ammorbidire il materiale quanto basta per poterlo adattare sul viso senza scottarsi.

Lo speciale labbro di tenuta, che si estende sia esternamente che internamente, è stato sviluppato in maniera tale da garantire un’ampia superficie di appoggio su viso. La particolare geometria del labbro sfrutta infatti le potenzialità della produzione additiva, consentendo la realizzazione di geometrie altrimenti non realizzabili con i metodi tradizionali di produzione. La stessa geometria è stata anche testata con la stampa in materiale morbido ed in particolare con il filamento Bioflex antibatterico di FILOALFA® caratterizzato da un’ottima flessibilità e dotato di certificazione medicale. Questo materiale, un po’ più complesso da gestire in stampa, offre il notevole vantaggio di avere una maschera morbida, termoformabile, decisamente più ergonomica e con proprietà antibatteriche integrate nel filamento.

La maschera pesa meno di 100gr. e può essere realizzata in meno di 4 ore. È stata progettata per poter essere stampata anche con stampanti a singolo estrusore ed alcuni accorgimenti dello specifico design ne consentono la produzione senza supporti, accelerando quindi il processo di produzione e riducendo sia il consumo di materiale che le ore necessarie a ottenere il prodotto finito, che di fatto è già pronto all’uso una volta uscito dalla stampante.

Il sistema sanitario nazionale, ed in particolare quello pugliese, giustamente disincentivano l’utilizzo di prodotti non verificati e non certificati. Il nostro progetto infatti non vuole essere sostitutivo dei materiali e dei dispositivi di protezione individuale professionali, che devono essere prioritari e resi disponibili per tutti i lavoratori. L’obiettivo è quello invece di migliorare le competenze e le conoscenze di un settore in rapida crescita, dove le idee innovative potranno farsi strada grazie anche ai virtuosismi messi in moto da una crisi che ci ha visto tutti coinvolti. Inoltre le soluzioni messe in campo potranno forse essere garanzia di avere valide soluzioni di emergenza già pronte all’uso qualora si dovessero presentare improvvise scarsità di prodotti professionali.

Si ringraziano per il progetto, il team di ricercatori del CETMA, composto da ingegneri dei materiali, ingegneri biomedici e designer, i medici e gli end-user che hanno reso possibile il progetto con i loro importanti feed-back ed alcuni makers, tra cui AR-dream e Teronteca, che hanno realizzato gratuitamente i primi modelli da testare.
Per informazioni sul progetto luca.rizzi@cetma.it