雙層可拆卸式防護(hù)口罩及佩戴裝置設(shè)計(jì)

（西京學(xué)院，陜西西安市，710000） 邱 智 胡亞南 劉 毅 黨灝辰 馬振馨

全球新型冠狀病毒疫情迅猛發(fā)展，各國醫(yī)療系統(tǒng)都受到了巨大的挑戰(zhàn)，口罩成為人們生活出門、購物、工作不可或缺的防護(hù)物品，全球口罩消費(fèi)數(shù)量達(dá)到空前劇增，從業(yè)者則利用研發(fā)3D打印口罩輔助扣來固定口罩，緩解醫(yī)務(wù)人員和人們的不適。另外還有3D打印護(hù)目鏡、3D打印獨(dú)立隔離病房以及重癥病患的肺部病灶模型，從多個(gè)角度也為一線帶來一些幫助[1]。本文通過逆向掃描工程和3D打印技術(shù)的設(shè)計(jì)一款雙層可拆卸式防護(hù)口罩及佩戴裝置設(shè)計(jì)，有效解決當(dāng)下疫情期間口罩佩戴存在的問題。文章規(guī)劃了整個(gè)設(shè)計(jì)制作工藝流程，依據(jù)人體面部特征設(shè)計(jì)制造及采用可塑材料，可嚴(yán)密貼合，防止污染空氣進(jìn)入口腔，具有佩戴舒適、安全、衛(wèi)生的優(yōu)點(diǎn)。

1 工藝流程

該設(shè)計(jì)采用手持三維掃描儀對(duì)人體臉部進(jìn)行多次掃描，通過數(shù)據(jù)對(duì)齊整合后獲得人體臉部STL多邊形參數(shù)模型數(shù)據(jù)，然后利用Geomagic Studio軟件對(duì)臉部多邊形數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格點(diǎn)云預(yù)處理、多邊形優(yōu)化處理和曲面重構(gòu)，再把臉部造型的三維模型導(dǎo)入SolidWorks軟件中提取部分曲線并構(gòu)建合理的空間輪廓線進(jìn)行口罩的外形設(shè)計(jì)，使口罩能夠最大化貼合臉型，再使用切片軟件將模型設(shè)計(jì)好，最后用3D打印機(jī)打印出口罩，如圖1所示。

圖1 雙層可拆卸式防護(hù)口罩及佩戴裝置設(shè)計(jì)流程

2 臉部三維掃描和逆向曲面重建

2.1 臉部三維掃面

由于人處于不同的光照環(huán)境下、掃描儀有限的掃描范圍、角度等問題，在掃描的時(shí)候就要進(jìn)行多次掃描。另外，多次的掃描融合誤差會(huì)造成合并后點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差，所以臉部在多次掃描中要盡量保持一致的表情狀態(tài)，否則多次掃描出來的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)存在較多的孤立點(diǎn)，融合后將加大點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差[2]。多次掃描后將所有的掃描圖像合并在一起，得到一個(gè)單一的三角網(wǎng)格,再對(duì)模型表面進(jìn)行光滑優(yōu)化處理,最后創(chuàng)建并導(dǎo)出臉部的STL格式模型。

2.2 臉部逆向曲面重建

由于每次掃描人的表情各不相同，掃描的時(shí)候還是會(huì)出現(xiàn)遺漏或相互重疊,掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在孤點(diǎn)和重疊，因此要對(duì)每次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包括網(wǎng)格點(diǎn)云預(yù)處理、多邊形處理階段,最后通過擬合NURBS曲面來逼近還原實(shí)體模型[3]。

2.2.1 網(wǎng)格點(diǎn)云處理階段

將臉部STL格式模型導(dǎo)入到Geomagic Studio軟件中,從三角形網(wǎng)格中裁剪掉鼻子以上不需要的部分,再將多邊形模型轉(zhuǎn)成點(diǎn)云模型,對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行“非連接項(xiàng)”、“體外孤點(diǎn)”、“移除重疊”等操作去除無用雜點(diǎn)云，優(yōu)化后封裝成多邊形網(wǎng)格。

2.2.2 多邊形處理階段

由于數(shù)據(jù)封裝時(shí)會(huì)出現(xiàn)多余、錯(cuò)誤的點(diǎn)構(gòu)成三角形，使數(shù)據(jù)表面出現(xiàn)孔洞、凸起、自相交、釘狀物、非流行邊等問題，需要對(duì)這些錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除和編輯。多邊形階段通過流行操作、孔處理、砂紙打磨、網(wǎng)格醫(yī)生等命令后，對(duì)邊界進(jìn)行編輯，并創(chuàng)建或擬合孔，光順平滑網(wǎng)格表面,達(dá)到表面光順效果。

2.2.3 曲面建模階段

主要操作步驟如下：①通過輪廓線技術(shù)的探測(cè)和編輯輪廓線、探和編輯測(cè)曲率、升級(jí)/約束得到理想的臉部輪廓線；②通過構(gòu)造、松弛、編輯、移動(dòng)曲面片命令對(duì)曲面片進(jìn)行處理，使臉部曲面片較為均勻整潔；③通過對(duì)曲面的合并、刪除、擬合及偏差比較技術(shù)完成NURBS曲面處理；④得到臉部的NURBS曲面模型，以IGES格式文件輸出。

3 雙層可拆卸式防護(hù)口罩及佩戴裝置設(shè)計(jì)和3D打印成型

3.1 雙層可拆卸式防護(hù)口罩設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上存在口罩種類較多，多采用彈性掛耳方式佩戴，若要起到較好的防護(hù)功能，需要勒緊口罩佩戴在口腔外部，則會(huì)造成人體耳部、面部壓迫性損傷；目前，市場(chǎng)上的防護(hù)口罩多為一次性或短時(shí)間佩戴型口罩，一方面造成資源浪費(fèi)，另一方面佩戴后的口罩污染環(huán)境。

采用雙層可拆卸式設(shè)計(jì)，通過更換一次性柔性濾芯和口罩內(nèi)外層消毒，實(shí)現(xiàn)口罩的多次循環(huán)使用，提高資源的利用率；口罩佩戴裝置采用伸縮頭戴式，可依據(jù)頭圍大小調(diào)節(jié)掛扣長(zhǎng)度，避免人們耳部、面部壓迫性損傷，提升口罩佩戴的舒適度；口腔呼吸出熱氣可通過口罩內(nèi)層進(jìn)入口罩內(nèi)外層空間，防止口腔熱氣通過外鼻與口罩內(nèi)層間隙流出聚集鏡片遮擋視線，避免安全事故的發(fā)生；口罩內(nèi)層依據(jù)人體面部特征設(shè)計(jì)及采用可塑材料，可嚴(yán)密貼合，防止污染空氣進(jìn)入口腔。

3.2 口罩佩戴裝置設(shè)計(jì)

市面口罩生產(chǎn)均采用標(biāo)碼生產(chǎn)，但由于人的臉型不一致，在佩戴時(shí)阻力可能也會(huì)高一些，即佩戴舒適性會(huì)略微下降。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)采用扣伸縮方式，留有多個(gè)擋位可以根據(jù)臉大小調(diào)節(jié)好檔位使其能夠按照佩戴者頭圍進(jìn)行精確調(diào)整不會(huì)對(duì)耳朵造成損傷。

3.3 口罩3D打印成型

實(shí)例中的口罩由FDM打印機(jī)打印成型，材料為PLA，該材料具有較好的強(qiáng)度和柔韌性。在切片軟件中導(dǎo)入口罩STL文件，完成打印截面填充角度、層厚、填充方式、支撐角度、打印質(zhì)量等參數(shù)設(shè)定。

4 結(jié)論

本實(shí)例從人體面部點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集到構(gòu)建曲面，到提取曲面中的曲線輪廓進(jìn)行口罩的整體外形設(shè)計(jì)，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方法具有可行性，能更好的貼合人體面部的設(shè)計(jì)制作過程，并能充分體現(xiàn)口罩個(gè)性化特點(diǎn)以及科學(xué)的設(shè)計(jì)理念。3D打印在快速設(shè)計(jì)及生產(chǎn)醫(yī)療物資上具有更多的可能性和可行性，也對(duì)于3D打印發(fā)展邁出一大步。