雙層可拆卸式防護口罩及佩戴裝置設計

（西京學院，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展，各國醫療系統都受到了巨大的挑戰，口罩成為人們生活出門、購物、工作不可或缺的防護物品，全球口罩消費數量達到空前劇增，從業者則利用研發3D打印口罩輔助扣來固定口罩，緩解醫務人員和人們的不適。另外還有3D打印護目鏡、3D打印獨立隔離病房以及重癥病患的肺部病灶模型，從多個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打印技術的設計一款雙層可拆卸式防護口罩及佩戴裝置設計，有效解決當下疫情期間口罩佩戴存在的問題。文章規劃了整個設計制作工藝流程，依據人體面部特征設計制造及采用可塑材料，可嚴密貼合，防止污染空氣進入口腔，具有佩戴舒適、安全、衛生的優點。

1 工藝流程

該設計采用手持三維掃描儀對人體臉部進行多次掃描，通過數據對齊整合后獲得人體臉部STL多邊形參數模型數據，然后利用Geomagic Studio軟件對臉部多邊形數據進行網格點云預處理、多邊形優化處理和曲面重構，再把臉部造型的三維模型導入SolidWorks軟件中提取部分曲線并構建合理的空間輪廓線進行口罩的外形設計，使口罩能夠最大化貼合臉型，再使用切片軟件將模型設計好，最后用3D打印機打印出口罩，如圖1所示。

圖1 雙層可拆卸式防護口罩及佩戴裝置設計流程

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境下、掃描儀有限的掃描范圍、角度等問題，在掃描的時候就要進行多次掃描。另外，多次的掃描融合誤差會造成合并后點云數據的誤差，所以臉部在多次掃描中要盡量保持一致的表情狀態，否則多次掃描出來的點云數據會存在較多的孤立點，融合后將加大點云數據的誤差[2]。多次掃描后將所有的掃描圖像合并在一起，得到一個單一的三角網格,再對模型表面進行光滑優化處理,最后創建并導出臉部的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，掃描的時候還是會出現遺漏或相互重疊,掃描所得的點云數據存在孤點和重疊，因此要對每次測量數據進行預處理,包括網格點云預處理、多邊形處理階段,最后通過擬合NURBS曲面來逼近還原實體模型[3]。

2.2.1 網格點云處理階段

將臉部STL格式模型導入到Geomagic Studio軟件中,從三角形網格中裁剪掉鼻子以上不需要的部分,再將多邊形模型轉成點云模型,對點云進行“非連接項”、“體外孤點”、“移除重疊”等操作去除無用雜點云，優化后封裝成多邊形網格。

2.2.2 多邊形處理階段

由于數據封裝時會出現多余、錯誤的點構成三角形，使數據表面出現孔洞、凸起、自相交、釘狀物、非流行邊等問題，需要對這些錯誤的數據進行刪除和編輯。多邊形階段通過流行操作、孔處理、砂紙打磨、網格醫生等命令后，對邊界進行編輯，并創建或擬合孔，光順平滑網格表面,達到表面光順效果。

2.2.3 曲面建模階段

主要操作步驟如下：①通過輪廓線技術的探測和編輯輪廓線、探和編輯測曲率、升級/約束得到理想的臉部輪廓線；②通過構造、松弛、編輯、移動曲面片命令對曲面片進行處理，使臉部曲面片較為均勻整潔；③通過對曲面的合并、刪除、擬合及偏差比較技術完成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 雙層可拆卸式防護口罩及佩戴裝置設計和3D打印成型

3.1 雙層可拆卸式防護口罩設計

目前市場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功能，需要勒緊口罩佩戴在口腔外部，則會造成人體耳部、面部壓迫性損傷；目前，市場上的防護口罩多為一次性或短時間佩戴型口罩，一方面造成資源浪費，另一方面佩戴后的口罩污染環境。

采用雙層可拆卸式設計，通過更換一次性柔性濾芯和口罩內外層消毒，實現口罩的多次循環使用，提高資源的利用率；口罩佩戴裝置采用伸縮頭戴式，可依據頭圍大小調節掛扣長度，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層進入口罩內外層空間，防止口腔熱氣通過外鼻與口罩內層間隙流出聚集鏡片遮擋視線，避免安全事故的發生；口罩內層依據人體面部特征設計及采用可塑材料，可嚴密貼合，防止污染空氣進入口腔。

3.2 口罩佩戴裝置設計

市面口罩生產均采用標碼生產，但由于人的臉型不一致，在佩戴時阻力可能也會高一些，即佩戴舒適性會略微下降。因此我們在設計時采用扣伸縮方式，留有多個擋位可以根據臉大小調節好檔位使其能夠按照佩戴者頭圍進行精確調整不會對耳朵造成損傷。

3.3 口罩3D打印成型

實例中的口罩由FDM打印機打印成型，材料為PLA，該材料具有較好的強度和柔韌性。在切片軟件中導入口罩STL文件，完成打印截面填充角度、層厚、填充方式、支撐角度、打印質量等參數設定。

4 結論

本實例從人體面部點云數據采集到構建曲面，到提取曲面中的曲線輪廓進行口罩的整體外形設計，結果表明該設計方法具有可行性，能更好的貼合人體面部的設計制作過程，并能充分體現口罩個性化特點以及科學的設計理念。3D打印在快速設計及生產醫療物資上具有更多的可能性和可行性，也對于3D打印發展邁出一大步。