一种新型3D打印口罩的制作方法

一种新型3d打印口罩
技术领域
1.本发明涉及技术领域为口罩领域，特别涉及一种结合增材制造技术能适应个体面部特征防止漏气的新型3d打印罩。


背景技术：

2.无论是出于医药卫生或者工业生产的需求，口罩都是一种必不可少的防护工具。口罩通常是通过束紧带固定于使用者双耳而佩戴于使用者的脸部从而覆盖了使用者的鼻子，嘴部，下颌等位置。由于防护封闭的需求，口罩需要和使用者的面部紧密贴合。但是由于人种差异，脸型差异，五官差异，胖瘦差异等多个因素，如何使一种口罩能够贴合所有使用者的面部仍然是一个公认的技术难题。
3.目前已有的一些解决方案包括使用柔软易变形的金属鼻夹，通过鼻夹的弯曲而使口罩与脸部，特别是鼻梁部分的面部曲线相贴合。但是这种方法一来只能解决鼻梁部分的贴合问题，而对于脸颊、下颌等部位的帮助并不明显，从而达不到理想的防护效果。二来是使用了嵌入型的金属材料，造成了如何回收处理的难题。
4.另外一种解决方案是使用弹性材料立体成型，通过材料的弹性实现与使用者面部形状的贴合。然而这类方法制备的口罩其形状固定，只能通过制造多种尺寸来配合不同的使用者。况且即使是多种尺寸，也很难达到适配单个使用者脸型的需求。市面上还有一种解决方案是用密封硅胶条实现口罩主体与人脸的密封，但是硅胶弹性差，与皮肤接触的触感也不够好，长期佩戴会在使用者面部留下勒痕。而且为了实现口罩与人脸的密封，硅胶条需要布置在口罩整体的边缘，这样导致口罩成本增加。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，通过3d打印的制造技术，提供一种新型3d打印口罩，该口罩的口罩龙骨由弹性材料通过3d打印技术一体成型，口罩龙骨与过滤层可拆卸连接，其主要优势在于口罩龙骨在外力作用下可发生形变，当口罩佩戴者将使用该口罩龙骨利用束紧带佩戴于脸部时，口罩通过口罩龙骨的形变并将过滤层与佩戴者的脸部实现紧密贴合，从而实现在使用过程中的个性定制，同时达到优秀的防护效果。本发明披露的口罩龙骨使用的弹性材料具有优异的弹性性能，使用安全，重量轻，佩戴舒适，同时口罩龙骨可以重复使用，更加环保。目前市场上已有口罩防护效果主要由过滤层的性能决定，但是并未彻底解决如何使口罩的过滤层根据佩戴者的面部结构特点与佩戴者的面部严格贴合的问题，造成防护没有达到最优的效果。本发明主要利用由性能优异的弹性材料3d打印制备而成的口罩龙骨在外力作用下可发生形变的特点，将口罩的过滤层更好的固定贴合于佩戴者的脸部，进一步提升其防护效果。
6.本发明披露了一种新型3d打印口罩，包括口罩龙骨、过滤层以及与束紧带，所述口罩龙骨的边框上设有固定结构，所述过滤层通过夹层与口罩龙骨可拆卸连接，所述口罩龙骨由弹性材料3d打印一体成型，所述过滤层与口罩龙骨固定后，在外力作用下通过口罩龙
骨的形变将过滤层的边缘与口罩使用者的面部相贴合。
7.进一步地，所述口罩龙骨的边框上的固定结构为连续的夹层，该夹层形成环形结构。
8.进一步地，所述口罩龙骨的边框上的固定结构为分段式夹层结构，至少有2段且相对应的设置在口罩龙骨边框的两端。
9.进一步地，所述口罩龙骨包括边框以及主体镂空结构，所述主体镂空结构包括多个相互连接的单元，所述单元为由多个连接柱及顶点组成的几何体，边框的内缘与其中一些单元的多个连接柱和/或顶点相连接。
10.进一步地，所述单元在外力作用下可发生形变。
11.进一步地，所述单元为一种或是多种的规则几何体。
12.进一步地，所述单元为棱柱体、椎体、四面体、六面体、八面体、十六面体、二十面体、多面体中的任意一种或多种规则几何体。
13.进一步地，所述单元为由多个连接柱及顶点组成的无规则几何体。
14.进一步地，所述弹性材料的弹性模量为1-50mpa。
15.进一步地，所述弹性材料为双重固化树脂材料。
16.进一步地，所述口罩龙骨在外力作用下通过一个或多个单元的形变与口罩使用者的面部形状相贴合。
17.进一步地，所述外力为将使用口罩龙骨的口罩固定于口罩使用者面部的力。
18.进一步地，所述口罩龙骨的边框上设有接口，所述束紧带通过该接口与口罩龙骨连接，所述束紧带帮助所述口罩与口罩使用者的面部形状相贴合。
19.进一步地，所述束紧带与过滤层的边缘连接，所述束紧带帮助所述口罩与口罩使用者的面部形状相贴合。
附图说明
20.图1是本发明中口罩龙骨的结构示意图；
21.图2是本发明中3d打印口罩的爆炸图；
22.图3是本发明中3d打印口罩的使用状态图。
23.其中：10、口罩龙骨；11、边框；12、主体镂空结构；13、单元；14、单元连接柱；15、单元顶点；16、鼻腔空位；17、下颌位；18、接口；19、夹层；20、过滤层；21、连接部；30、束紧带；31固定部。
具体实施方式
24.下面结合具体实施方式对发明作进一步详细地说明。
25.要理解的是，当一个元件被提到在另一元件“上”、“附着到”另一元件上、“连接到”另一元件上、与另一元件“结合”、“接触”另一元件等时，其可以直接在另一元件上、附着到另一元件上、连接到另一元件上、与另一元件结合和/或接触另一元件或也可存在中间元件。相反，当一个元件被提到“直接在另一元件上”、“直接附着到”另一元件上、“直接连接到”另一元件上、与另一元件“直接结合”或“直接接触”另一元件时，不存在中间元件。本领域技术人员还会理解，提到与另一构件“相邻”布置的一个结构或构件可具有叠加在该相邻
构件上或位于该相邻构件下的部分。
26.空间相关术语，如“下方”、“低于”、“下部”、“上方”、“上部”等在本文中可为易于描述而使用以描述如附图中所示的元件或构件与另外的一个或多个元件或构件的关系。要理解的是，空间相关术语除附图中描绘的取向外还意在包括器件在使用或运行中的不同取向。例如，如果倒转附图中的器件，被描述为在其它元件或构件“下方”或“下面”的元件则将取向在其它元件或构件“上方”。因此，示例性术语“下方”可包括上方和下方的取向两者。器件可以以其它方式取向(旋转90度或其它取向)并相应地解释本文所用的空间相关描述词。类似地，除非明确地另行指示，术语“向上”、“向下”、“垂直”、“水平”等在本文中仅用于解释说明。
27.龙骨通常指用于支撑造型、固定结构的一种结构，本发明中的口罩龙骨不仅仅能提供对口罩支撑造型，固定结构的作用，同时由于其弹性材质可发生形变可以提高口罩的密闭性能。同时，本发明在龙骨上设置与口罩过滤层的固定结构，通过龙骨的弹性变形解决根据佩戴者脸部形状的个性特点将口罩过滤层更好的与佩戴者脸部贴合的目的。
28.本发明中口罩的过滤层可以仅仅包括常规口罩中的核心中层过滤层，也可以包括核心中层过滤层与常规口罩的内外层(通常情况下内层为吸湿层，外层为阻水层)中的一层或多层的组合。其中核心中层过滤层可以为多层结构，分别设计为实现不同目的的阻挡防护。
29.如图1-3所述，本发明所述的3d打印口罩由弹性材料3d打印一体成型，包括口罩龙骨10、过滤层20以及与束紧带30，其中过滤层20与口罩龙骨10可拆卸连接，束紧带30与口罩龙骨10和/或过滤层20固定连接将二者贴合口罩使用者的面部。在一些实施例中，口罩龙骨10包括边框11和主体镂空结构12，在边框11的外缘向口罩整体的四周方向设有接口18，且在边缘11的内缘向口罩整体的中心方向设有固定结构，在图1-3所示的实施例中，该固定结构为夹层结构19，所述接口18用于连接束紧带30，夹层19用于固定过滤层20。
30.有关于过滤层20与口罩龙骨10的可拆卸连接方式，上述记载了通过夹层19实现二者的可拆卸连接，这里的在边框11上设置夹层19可以替换为卡槽、钩结构等固定结构。在一些实施例中，在使用时，过滤层20与口罩龙骨10整体贴合并被固定在口罩使用者面部上，实现二者的连接。在一些实施例中，在使用时，过滤层20仅仅与被口罩龙骨10的边框11部分贴合并被固定在口罩使用者面部上，实现二者的连接。夹层19能引导口罩佩戴者把过滤层20与口罩龙骨10合适的装配在一起，且夹层19结构对过滤层20起到一定的限位作用，避免在佩戴时，外力作用下口罩龙骨10的形变使得过滤层20与其发生相对位移。在一些实施例中，夹层19可以是连续的，围绕口罩龙骨10的边框11形成一个环形结构，过滤层20的形状与该夹层19围起的形状相同，使用时，将过滤层20的外缘放入夹层19内固定。在一些实施例中，夹层19可以是多段的，分段式的夹层19分别设置在口罩龙骨10的边框11上用于固定过滤层20，优选的，至少有2段夹层19被相对应的设置在口罩龙骨10边框11的两端，使得二者连接更加稳固。
31.有关于束紧带30与口罩龙骨10或者过滤层20的连接方式，束紧带30可以根据3d打印口罩的佩戴方式分为挂耳式或是头戴式。上述记载了在边框11的外缘向口罩整体的四周方向设有接口18，接口18用于连接束紧带30(束紧带可以是一次性使用产品或非一次性使用产品)，这样的连接方式对于束紧带30的耐用性要求较高，束紧带可以为目前市场上口罩
所使用的织物材质，或者使用与口罩龙骨10相同的树脂材料由3d打印制备而成。这类实施例中，束紧带30可以通过常规连接方式与口罩龙骨10连接，如带钩。在一些实施例中，束紧带30设置在过滤层20上，束紧带30与过滤层20的边缘连接(束紧带30与过滤层20为一次性使用产品)，这样的连接方式对于束紧带30的耐用性要求较低。在这些实施例中，束紧带30可以通过常规连接方式与过滤层20的边缘连接，如粘结，超声波焊接，热粘合等方式。
32.如图1所示的是本发明的口罩龙骨10的一个实施例。图中口罩龙骨10包括边框11和主体镂空结构12，在边框11的外缘向口罩整体的四周方向设有接口18，所述接口18分为两两一组分别位于口罩龙骨10的两侧，在边缘11的内缘向口罩整体的中心方向设有夹层19，所述夹层19为弧形结构分别设置在口罩龙骨10的两侧，所述口罩龙骨10由弹性材料3d打印一体成型，使用时，将过滤层20的边缘插入夹层19内，使其与口罩龙骨10固定，在外力作用下通过口罩龙骨10的形变将过滤层20的边缘与口罩使用者的面部相贴合。
33.具体的，主体镂空结构12包括多个相互连接的单元13，每个单元13为多个连接柱14和多个顶点15定义的几何体。相邻单元13通过共享一些相同的连接柱14和顶点15从而实现相互连接。在一些实施例中，主体镂空结构12的单元13为形状和体积相同的几何体，其中几何体可以为规则几何体，也可以为不规则几何体；而另一些实施例中主体镂空结构12的单元13可以为形状和/或体积不相同的几何体，其中几何体可以为规则几何体，也可以为不规则几何体。例如，靠近使用者脸部的单元13相对于远离使用者脸部的单元13可以体积更小，从而在实现紧密贴合使用者脸部的同时进一步降低呼吸的阻力。本发明的口罩龙骨10的主体镂空结构单元13可以是规则的几何体，例如棱柱体、椎体、四面体、六面体、八面体、十六面体、二十面体等多面几何体；在另一些实施例中，主体镂空结构单元13也可以是不规则的几何体。
34.在一些实施例中，可以通过调节以下变量从而定制口罩龙骨10的性能，这些变量包括但不限于单元13的连接柱14的长短、横截面形状、横截面面积、横截面面积在连接柱14纵向的变化；单元13在整体镂空结构12中的分布密度，单元13几何体的体积大小、单元13的几何体形状。
35.在一些实施例中，夹层19可以是与主体镂空结构12一样由多个相互连接的单元13组成，也可以是具有连续表面的片状结构，由于口罩龙骨10整体是由弹性树脂材料由3d打印一体成型制备而成，所以夹层19与边框11的连接处具有弹性，夹层19与边框11之间的空隙可调，佩戴者能够轻松的将过滤层20放置在夹层19与边框11之间，过滤层20能够被固定在夹层19与边框11所限定的空间内。夹层19的宽度没有限制要求，在一些实施例中，边框11的宽度可以为0.5-4cm。
36.图1中的口罩龙骨10的边框11通过靠近边框11的一圈单元13的连接柱14和/或顶点15连接。边框11的厚度没有限制要求，可以根据镂空主体结构12中单元13的层数决定，单元13的层数越少，边框11的厚度越小。在一些实施例中，主体镂空单元12仅包括一层单元13；而另一些实施例中，主体镂空单元12可以包括多层单元13，即每个单元13不仅有横向相邻单元，同时还有纵向相邻单元。边框11的宽度没有限制要求，在一些实施例中，边框的宽度可以为0.5-4cm。边框11的曲度呈一个类倒u型，包括一个鼻腔空位16、两个侧翼及一个下颌位17，其中在口罩使用过程中鼻腔空位16与口罩佩戴者的鼻梁部分嵌合，下颌位17与佩戴者的下颌部分贴合，而两个侧翼则与佩戴者的脸颊部位相贴合。边框11的曲面形状无需
进行个人制定，由于制造口罩龙骨10的材料特性以及口罩龙骨10的特殊结构，使用本发明口罩龙骨10的口罩在佩戴时通过龙骨的主体镂空结构12的单元在外力下的形变从而完成和佩戴者脸型的贴合，并通过口罩的束紧带30一直维持紧密贴合的状态。
37.本发明的口罩龙骨10由弹性树脂材料由3d打印一体成型制备而成，弹性树脂材料可以是聚氨酯丙烯酸酯，聚酯丙烯酸酯，环氧丙烯酸酯，同时也可以是美国临时专利申请62/861,240，62/872,062，62/942,678中所披露的具有一重或多重组分并具有多重固化机制的弹性材料，上述申请以引用的方式并入本文。上述申请中披露的材料通过iso10993-10:2010 biological evaluation of medical devices
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part 10:test for irritation and skin sensitization测试。本发明使用的弹性树脂材料也可以是美国专利us9,598,606,us9,453,142,us9,982,164,us9,676,963中披露的具有双重组分双重固化机制的树脂材料，上述专利的公开内容均以引用方式并入本文。本发明使用的弹性树脂材料的弹性模量可以为1-50mpa，拉伸强度可以为：5-50mpa，断裂伸长率可以为：50-600％。
38.本发明的口罩龙骨10由3d打印一体成型，在一些实施例中，该3d打印技术为光固化3d打印，具体的打印步骤包括：
39.步骤一、在计算机软件中建立口罩龙骨10的三维模型，本领域技术人员可以在rhino、grasshopper、solidworks、catia或ug等软件中制作所述三维模型；
40.(可选的)步骤二、对于制作的三维模型添加打印支撑结构(由于本发明披露的口罩龙骨10可以使用光固化3d打印技术打印，在约束液面式(bottom-up)类型光固化3d打印技术中，打印件为逐层成型，光固化由树脂料槽底部开始，每完成一层固化，成型台携带已固化的打印件向上移动一层的高度，整个打印过程需要成型台不断向上运动，附着在成型台上的打印件会受到重力以及未固化液体(如光敏树脂)的影响，成型台在每层打印完成向上移动的过程中都可能使得打印件产生晃动，甚至造成打印的偏差。在光固化3d打印的材料为弹性体材料时，成型台向上移动而造成的打印件晃动问题会尤为凸出。因此对于此类弹性材料的光固化3d打印，打印过程中的支撑结构尤为重要。中国专利申请cn201910735447.6和cn201910736413.9中公布的支撑结构的设计以及移除方法均可适用于本专利中的口罩龙骨10的打印，上述申请以引用的方式并入本文。)
41.步骤三、利用光固化3d打印技术设备使用弹性树脂材料将前述步骤制作的三维模型打印出本发明的口罩龙骨10。
42.(可选的)步骤四、对打印成型的口罩龙骨10进行清洗，清除表面未固化的多余树脂；如使用支撑，移除支撑结构；
43.(可选的)步骤五、如使用具有多重固化机制的弹性树脂材料，光固化完成的打印件进行进一步固化；进一步固化的条件可能为热固化(其中包括加温固化，常温固化，烤箱固化，水浴固化等多种适用固化条件)或进一步的光固化。
44.在一些实施例中，上述步骤四的移除支撑结构可以在第五步进一步固化后进行。
45.图2所示的是使用本发明3d打印口罩的实施例，图中3d打印口罩包括口罩龙骨10，过滤层20，以及束紧带30。具体的，由于使用时口罩龙骨10是覆盖在过滤层20上，所以过滤层20整体形状与口罩龙骨10一致，且在过滤层20的边缘设有向外延伸的连接部21，该连接部21的形状与口罩龙骨10上的夹层19一致。如图3所示，将过滤层20的连接部21放入口罩龙骨10边框11上的夹层19内，使得过滤层20固定在口罩龙骨10靠近佩戴者脸部的内表面，过
滤层20可以使用常规的口罩过滤材料制成。束紧带30的两端连有固定部31，该固定部31用于和口罩龙骨10的接口18固定连接，束紧带30可以具备收紧装置，在口罩使用时对口罩龙骨10施以外力，口罩龙骨10的主体镂空结构单元13发生弹性形变，从而帮助过滤层20紧密贴合于佩戴者的脸部。由于口罩龙骨10使用的弹性材料弹性性能优异，因此本发明的口罩适用于各种面部形状。
46.本发明所披露的3d打印口罩相对于市场上的其他口罩具有更好的密合度，由于市场上的其他口罩是依靠束紧带将其过滤层其原形状贴合佩戴者的脸部，而本发明所披露的3d打印口罩由于其口罩龙骨能够发生形变，特别是口罩龙骨的边框部分，在外力作用下，固定结构发生形变将过滤层与口罩龙骨的边缘紧密贴合，当口罩龙骨贴合佩戴者脸部时口罩龙骨收到反作用力发生进一步的形变，进一步与贴合佩戴者脸部的同时将过滤层的边缘压紧，使得过滤层边缘能够紧贴佩戴者的脸部，实现过滤层与佩戴着脸部的高度密合。利用专业的tsi-8038口罩密合度测试仪对附图2、3实施例中所示的3d打印口罩整体的防护效果进行了评估。在真人实际佩戴情况下，不同测试者均获得了满分200 的密合度评分，且口罩的整体过滤效率(口罩内颗粒物的浓度/环境中颗粒物浓度)达到了99.9％以上，达到并超越了kn95的标准。且经过多为佩戴者的反复试戴，该款口罩具备较好的长时间佩戴舒适性。
47.如图3所示的实施例中龙骨10的外表面暴露于环境中，在一些实施例中，口罩龙骨10的外表面也可以覆盖功能性部件，例如初过滤层，或者干燥层帮助吸附佩戴者使用时呼出的水汽，维持口罩内部的干爽舒适。在一些实施例中，3d打印口罩在口罩龙骨10的外表面也可以具备其他常用功能附件，例如呼吸阀门等。
48.使用本发明中的3d打印口罩的口罩龙骨10在使用时由于束紧带30的作用下，导致部分或全部的龙骨主体镂空结构单元13发生弹性形变，特别是口罩龙骨10的边框11部分，从而帮助过滤层20的边缘能够更加紧密贴合于佩戴者的脸部。对比市面上其他的使用龙骨或框架的口罩，其龙骨或框架没有使用三维的镂空结构，其作用仅为将口罩固定为某个与大众脸型相适配的形状，并不能起到帮助贴合，适应多种不同面部形状的作用。而且过滤层20与口罩龙骨10为可拆卸连接，口罩龙骨10结构根据佩戴者脸型定制，且材料安全、耐用能够长时间使用，过滤层20作为一次性使用品可替换，替换操作便捷，不仅降低了3d打印口罩的生产成本，而且确保了其使用的安全性、有效性。
49.以上所述，仅是本发明较佳可行的实施示例，不能因此即局限本发明的权利范围，对熟悉本领域的技术人员来说，凡运用本发明的技术方案和技术构思做出的其他各种相应的改变都应属于在本发明权利要求的保护范围之内。