双层可拆卸式防护口罩及佩戴装置设计

（西京学院，陕西西安市，710000） 邱 智 胡亚南 刘 毅 党灏辰 马振馨

全球新型冠状病毒疫情迅猛发展，各国医疗系统都受到了巨大的挑战，口罩成为人们生活出门、购物、工作不可或缺的防护物品，全球口罩消费数量达到空前剧增，从业者则利用研发3D打印口罩辅助扣来固定口罩，缓解医务人员和人们的不适。另外还有3D打印护目镜、3D打印独立隔离病房以及重症病患的肺部病灶模型，从多个角度也为一线带来一些帮助[1]。本文通过逆向扫描工程和3D打印技术的设计一款双层可拆卸式防护口罩及佩戴装置设计，有效解决当下疫情期间口罩佩戴存在的问题。文章规划了整个设计制作工艺流程，依据人体面部特征设计制造及采用可塑材料，可严密贴合，防止污染空气进入口腔，具有佩戴舒适、安全、卫生的优点。

1 工艺流程

该设计采用手持三维扫描仪对人体脸部进行多次扫描，通过数据对齐整合后获得人体脸部STL多边形参数模型数据，然后利用Geomagic Studio软件对脸部多边形数据进行网格点云预处理、多边形优化处理和曲面重构，再把脸部造型的三维模型导入SolidWorks软件中提取部分曲线并构建合理的空间轮廓线进行口罩的外形设计，使口罩能够最大化贴合脸型，再使用切片软件将模型设计好，最后用3D打印机打印出口罩，如图1所示。

图1 双层可拆卸式防护口罩及佩戴装置设计流程

2 脸部三维扫描和逆向曲面重建

2.1 脸部三维扫面

由于人处于不同的光照环境下、扫描仪有限的扫描范围、角度等问题，在扫描的时候就要进行多次扫描。另外，多次的扫描融合误差会造成合并后点云数据的误差，所以脸部在多次扫描中要尽量保持一致的表情状态，否则多次扫描出来的点云数据会存在较多的孤立点，融合后将加大点云数据的误差[2]。多次扫描后将所有的扫描图像合并在一起，得到一个单一的三角网格,再对模型表面进行光滑优化处理,最后创建并导出脸部的STL格式模型。

2.2 脸部逆向曲面重建

由于每次扫描人的表情各不相同，扫描的时候还是会出现遗漏或相互重叠,扫描所得的点云数据存在孤点和重叠，因此要对每次测量数据进行预处理,包括网格点云预处理、多边形处理阶段,最后通过拟合NURBS曲面来逼近还原实体模型[3]。

2.2.1 网格点云处理阶段

将脸部STL格式模型导入到Geomagic Studio软件中,从三角形网格中裁剪掉鼻子以上不需要的部分,再将多边形模型转成点云模型,对点云进行“非连接项”、“体外孤点”、“移除重叠”等操作去除无用杂点云，优化后封装成多边形网格。

2.2.2 多边形处理阶段

由于数据封装时会出现多余、错误的点构成三角形，使数据表面出现孔洞、凸起、自相交、钉状物、非流行边等问题，需要对这些错误的数据进行删除和编辑。多边形阶段通过流行操作、孔处理、砂纸打磨、网格医生等命令后，对边界进行编辑，并创建或拟合孔，光顺平滑网格表面,达到表面光顺效果。

2.2.3 曲面建模阶段

主要操作步骤如下：①通过轮廓线技术的探测和编辑轮廓线、探和编辑测曲率、升级/约束得到理想的脸部轮廓线；②通过构造、松弛、编辑、移动曲面片命令对曲面片进行处理，使脸部曲面片较为均匀整洁；③通过对曲面的合并、删除、拟合及偏差比较技术完成NURBS曲面处理；④得到脸部的NURBS曲面模型，以IGES格式文件输出。

3 双层可拆卸式防护口罩及佩戴装置设计和3D打印成型

3.1 双层可拆卸式防护口罩设计

目前市场上存在口罩种类较多，多采用弹性挂耳方式佩戴，若要起到较好的防护功能，需要勒紧口罩佩戴在口腔外部，则会造成人体耳部、面部压迫性损伤；目前，市场上的防护口罩多为一次性或短时间佩戴型口罩，一方面造成资源浪费，另一方面佩戴后的口罩污染环境。

采用双层可拆卸式设计，通过更换一次性柔性滤芯和口罩内外层消毒，实现口罩的多次循环使用，提高资源的利用率；口罩佩戴装置采用伸缩头戴式，可依据头围大小调节挂扣长度，避免人们耳部、面部压迫性损伤，提升口罩佩戴的舒适度；口腔呼吸出热气可通过口罩内层进入口罩内外层空间，防止口腔热气通过外鼻与口罩内层间隙流出聚集镜片遮挡视线，避免安全事故的发生；口罩内层依据人体面部特征设计及采用可塑材料，可严密贴合，防止污染空气进入口腔。

3.2 口罩佩戴装置设计

市面口罩生产均采用标码生产，但由于人的脸型不一致，在佩戴时阻力可能也会高一些，即佩戴舒适性会略微下降。因此我们在设计时采用扣伸缩方式，留有多个挡位可以根据脸大小调节好档位使其能够按照佩戴者头围进行精确调整不会对耳朵造成损伤。

3.3 口罩3D打印成型

实例中的口罩由FDM打印机打印成型，材料为PLA，该材料具有较好的强度和柔韧性。在切片软件中导入口罩STL文件，完成打印截面填充角度、层厚、填充方式、支撑角度、打印质量等参数设定。

4 结论

本实例从人体面部点云数据采集到构建曲面，到提取曲面中的曲线轮廓进行口罩的整体外形设计，结果表明该设计方法具有可行性，能更好的贴合人体面部的设计制作过程，并能充分体现口罩个性化特点以及科学的设计理念。3D打印在快速设计及生产医疗物资上具有更多的可能性和可行性，也对于3D打印发展迈出一大步。