本发明涉及一种3d打印技术以及一种一体化防护面罩的制作方法，属于增材制造领域和医用护具领域，特别是使用了fdm或者sls技术制备了一种3d打印智能型一体化防护面罩。
背景技术：
当前，新冠状病毒肺炎疫情的防控已进入关键时期，全国人民正携手同心、众志成城，全力抗击疫情。疫情之下，广大医护人员、一线工作者，不惧艰险、夜以继日奋战在抗击疫情的第一线。当前疫情仍在持续，每日医用物资消耗巨大，尤其是护目镜，口罩，防护服等物资十分紧缺。
另外，传统的的护目镜和口罩虽然在功能上给予了我们一线人员很好的保护，但还是存在很多可以改进的缺点。例如，传统的口罩一般是口鼻一体，长时间佩戴很可能会再次将口腔呼出含有各种异味、病菌的气体再次吸入，而且还会造成气流循环堵塞，导致佩戴人员呼吸不畅等问题。我们还注意到，为了让医护人员的身体、尤其是眼口鼻完全与外界隔离，医用护目镜、口罩、全身防护服都具有很好的气密性。然而，高强度的劳动会让医护人员大量出汗，汗液蒸发形成水蒸汽，当水蒸汽遇到表面温度较低的护目镜时，水汽就会凝结在护目镜的内表面形成凝露。山西医科大第一医院的胡建美针对全面防护时护目镜容易出现雾气的问题，提出防雾剂涂抹镜片、留置针贴膜封闭口罩上缘、洗洁精擦拭镜片的措施，但该方式过于繁琐，影响工作效率。而且由于传统护目镜边框需要紧紧地与面部贴合，会导致佩戴的医护人员脸上有压痕，长时间佩戴会造成脸部伤害，这很大影响了工作人员的工作效率。
我们所设计的一体式防护口罩面向此次疫情需要，由于医护人员所处工作环境的高风险性，面对感染能力极强的病毒，对于医护人员的体温检测也尤为重要，因此一体式防护口罩配备有体温传感器来实时监测医护人员的健康状态。如何能够快速生产所需的防护设备，并且改进传统口罩和护目镜的缺点，是本项目将要解决的重点同时也是一体式防护面罩的创新点。
随着3d打印技术的进步与发展，3d打印技术在医疗行业应用越发广泛。由于3d打印独特的成型方式，它在产品的个性化定制方面有明显的优势。因此，我们提出利用sls或fdm3d打印技术研发3d打印智能型一体化防护面罩。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于sls或fdm3d打印技术的智能型一体化防护面罩的制作方法。
本发明是通过以下材料及装置实现的：尼龙pa2200粉末与sls3d打印机或者pla与fdm3d打印机。
1.一种3d打印智能型一体化防护面罩的制作方法，其特征在于口罩与护目镜为一体式结构、口罩具有单向气流的口鼻分离功能、具备检测体温装置，通过3d打印的方式来进行制作；
具体包括以下步骤：
1)通过solidworks对3d打印智能型一体防护面罩模型进行设计；①对呼吸口罩部分进行了结构设计，其设计根据“口鼻分离”的设计理念，通过隔板将口腔与鼻腔的呼吸空间分为两个部分，并且隔板具有上表面靠近鼻子的圆直径为2～3mm，下表面即靠近嘴巴圆直径为0.1～0.5mm的锥形通孔阵列结构；在口罩主体部分设计了3～4mm的通孔阵列结构以减轻整体重量，隔板内部设计有镶嵌可更换滤芯的夹层；
②护目镜具有防雾功能，镜框选用尼龙pa2200材料或者pla材料，结构厚度为2～2.5mm；镜片采用亚克力板，厚度为4～5mm；镜框表面的温度差远大于镜片表面温度差③防护面罩顶部设计有凹槽结构，用来放置体温传感器
2)通过选区激光烧结3d打印技术对防护面罩进行制作
①打印参数：激光功率50～130w，扫描速度为1000～2000mm/s，光斑直径为0.08～0.13mm，供粉率为0.06％～0.12％，循环风率为2.5～2.8，层厚为0.09～0.12mm，预热温度为167～171℃；
②后处理过程：对sls制作的防护面罩表面进行喷砂处理，然后将其放入超声震荡机2～3分钟，通过酒精将其表面多余的粉末清理干净；
通过熔融沉积制造(fdm)3d打印技术进行制作：
打印参数：预热温度150～200℃，打印层厚0.1～0.5mm，打印速度30～120mm/s，喷头流速24cc/h，填充率50％～100％。
防护面罩与人体面部接触部分有圆倒角凹槽设计，圆倒角直径0.5mm，凹槽宽度为0.5mm。
镜框和口罩主体结构左右两侧各有一绳带穿孔，通过松紧带穿过通孔，绕过人体后颈部以及后脑进行固定。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一、使用三维建模软件进行模型的设计
设计护目镜、口罩结构，通过在口罩主体结构表面增加阵列的通孔结构，实现空气的流通并减低面罩整体重量。设计口鼻分离挡板以及滤芯夹层结构；设计放置体温传感器的凹槽；进行结构局部优化、布尔运算、整体装配、最终得到完整的防护面罩模型。
二、对所涉及的模型进行相关性能模拟
将处理后的模型导入到ansys中。针对面罩的力学性能，通过添加固定载荷来验证其静态抗压缩性能，通过碰撞模拟，来验证其掉落地面后对结构的损伤程度。通过热力学模拟以及流体模拟，来验证护目镜的防雾性能。通过模拟结果的反馈，对模型进行修改优化，直至其满足所需的性能。
三、进行3d打印制作过程
sls成型方式：将模型进行切片处理，导入3d打印设备；清理设备，进行预热，设置打印参数，激光功率50～130w，扫描速度为1000～2000mm/s，光斑直径为0.08～0.13mm，供粉率为0.06％～0.12％，循环风率为2.5～2.8，层厚为0.09～0.12mm，预热温度为167～171℃。
成型过程结束后，经过10～15个小时的冷却，然后通过1.5mm的玻璃珠对sls制作的防护面罩表面进行喷砂处理，使其表面更加光滑，然后将其放入0.4w/cm2的超声震荡机震荡2～3分钟，通过酒精将其表面多余的粉末清理干净。
fdm成型方式：将模型进行切片处理，导入设备内，将pla丝材放入设备，设置预热温度150～200℃，打印层厚0.1～0.5mm，打印速度30～120mm/s，喷头流速24cc/h，填充率50％～100％。
得到成型实物后，将宽度为2～4mm的定制松紧带穿过通孔固定；将kn95口罩滤芯放入口鼻部分的挡板夹层内；根据模型尺寸使用激光切割机切割亚克力板制作镜片，将其嵌入镜框凹槽内；最后将体温传感器放入顶部凹槽内。
本发明具有以下创新性：
(1)本发明将防护面罩与护目镜进行一体式的设计与制作，充分发挥了3d打印的优势，密封性能优异，可以有效的隔绝飞沫、粉尘、花粉等污染物。通过将护目镜与口罩二者结合到一体以及其便捷化的设计，使用者可以轻松穿戴，省时省力。
(2)传统口罩的设计通常是口鼻一体的，口鼻呼出的气体会混杂在一起，影响呼吸感受，本发通过具有圆锥通孔的隔板将口鼻的呼吸空间分离，并且空气流向只能由鼻腔呼出的气体流入口腔的呼吸空间，这样既保证了热流不会影响眼睛，也不会由于口腔气体的味道影响佩戴感受。
(3)传统口罩的固定方式，是通过两侧的绑带挂在耳朵上进行固定的。这种固定方式虽然合理，但经过长时间的佩戴会对使用者的耳朵造成勒伤。本发明使用了新型绑带设计，其绑带并不与耳朵接触，而是通过一个固定装置固定在后脑位置，当然，固定装置采用了舒适轻量的结构设计，并不会对使用者造成任何的不适感。
(4)3d打印智能型一体化防护面罩的护目镜具有良好的防起雾特性，其实现的方式是通过结构的优化设计使得镜片部位的内外温差远小于镜框部位的温度差，从而让镜框部位优先生成水雾并及时排除，以实现防止镜片起雾。
(5)与一次性口罩相比，耐用型口罩的最大缺点就是重量不够轻便，长期佩戴会产生酸痛等不适感。为了改进这类问题，3d打印智能型一体化防护面罩采用了拓扑优化的多孔结构设计，通过多孔结构，既保证了使用的力学性能要求，又能大幅度减轻重量，大大提高舒适感。
(6)3d打印智能型一体化防护面罩的红外温度传感器设计，是通过在护目镜上方安装红外线体温传感器，从而实时监测使用者的体温，可以检测医护人员是否有发热症状，及时关注佩戴者的健康状况。
(7)选用了fdm或sls3d打印的制作方式，fdm与sls工艺无需添加支撑，可真实还原模型形貌，设计者无需考虑制造难题，这使得制件的设计可以从一体化的概念进行设计，从而提高零件的强度，可靠性，缩短生产周期同时可以实现个性化定制。
附图说明
图1是智能型一体防护面罩针对具有单向气流口鼻分离功能所设计的挡板
图2是弹性系带穿孔
图3是放置温度传感器的凹槽
图4是口鼻分离挡板的锥形孔和滑动卡槽
口鼻分离式口罩分割挡板-1
弹性系带穿孔-2
放置温度传感器的凹槽-3
分离挡板锥形孔-4
分离挡板滑动卡槽-5
具体实施方式
实施例一：
1.使用solidworks、设计护目镜镜框、口罩结构，在口罩主体结构表面增加阵列的通孔结构。设计口鼻分离挡板以及滤芯夹层结构；设计放置体温传感器的凹槽；使用magics进行结构局部优化、布尔运算、整体装配、最终得到完整的防护面罩模型。
2.使用ansys对初步设计的模型进行有限元模拟
静态力学和碰撞模拟结果：
面罩在100n的压力下变形量小于0.1mm，防护面罩从2m高出跌落地面，其结构变形量小于2.8×10-4mm。
热力学模拟与流体结果：
模拟人体佩戴防护面罩的温度分布，在室温下，4h的时间内，镜片内外温度差远低于镜框内外温度差，雾气均产生于镜框表面并可以及时流道镜框底部。模拟结果所体现的性能均满足设计需求。
3.将最终优化确定后的模型进行切片，导入sls3d打印设备，设置打印参数：激光功率60w，扫描速度为1400mm/s，光斑直径为0.12mm，供粉率为0.09％，循环风率为2.5，层厚为0.12mm，预热温度为169.9℃，实施打印过程。成型过程结束后，经过15个小时的冷却，然后通过1.5mm的玻璃珠对sls制作的防护面罩表面进行喷砂处理，使其表面更加光滑，然后将其放入0.4w/cm2的超声震荡机，通过酒精将其表面多余的粉末清理干净,得到完整的一体式防护面罩。
4.通过fdm成型方式进行打印：将模型进行切片处理，导入设备内，将pla丝材放入设备，设置预热温度200℃，打印层厚0.1mm，打印速度50mm/s，喷头流速24cc/h，填充率98％。
5.将宽度为2mm的松紧带穿过通孔固定；将kn95口罩滤芯放入口鼻部分的挡板夹层内，向内推动卡槽使其固定；根据打印模型的尺寸使用激光切割机切割亚克力板作为镜片，将其嵌入镜框凹槽内；最后将体温传感器放入凹槽内。
1.一种3d打印智能型一体化防护面罩的制作方法，其特征在于口罩与护目镜为一体式结构、口罩具有单向气流的口鼻分离功能、具备检测体温装置，通过3d打印的方式来进行制作；
具体包括以下步骤：
1)通过solidworks对3d打印智能型一体防护面罩模型进行设计；①对呼吸口罩部分进行了结构设计，其设计根据“口鼻分离”的设计理念，通过隔板将口腔与鼻腔的呼吸空间分为两个部分，并且隔板具有上表面靠近鼻子的圆直径为2～3mm，下表面即靠近嘴巴圆直径为0.1～0.5mm的锥形通孔阵列结构；在口罩主体部分设计了3～4mm的通孔阵列结构以减轻整体重量，隔板内部设计有镶嵌可更换滤芯的夹层；
②护目镜具有防雾功能，镜框选用尼龙pa2200材料或者pla材料，结构厚度为2～2.5mm；镜片采用亚克力板，厚度为4～5mm；镜框表面的温度差远大于镜片表面温度差③防护面罩顶部设计有凹槽结构，用来放置体温传感器
2)通过选区激光烧结3d打印技术对防护面罩进行制作
①打印参数：激光功率50～130w，扫描速度为1000～2000mm/s，光斑直径为0.08～0.13mm，供粉率为0.06％～0.12％，循环风率为2.5～2.8，层厚为0.09～0.12mm，预热温度为167～171℃；
②后处理过程：对sls制作的防护面罩表面进行喷砂处理，然后将其放入超声震荡机2～3分钟，通过酒精将其表面多余的粉末清理干净；
通过熔融沉积制造(fdm)3d打印技术进行制作：
打印参数：预热温度150～200℃，打印层厚0.1～0.5mm，打印速度30～120mm/s，喷头流速24cc/h，填充率50％～100％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
防护面罩与人体面部接触部分有圆倒角凹槽设计，圆倒角直径0.5mm，凹槽宽度为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
镜框和口罩主体结构左右两侧各有一绳带穿孔，通过松紧带穿过通孔，绕过人体后颈部以及后脑进行固定。
技术总结