N95 口罩过滤器的高效 3D 打印

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N95 口罩在新型冠状病毒肺炎(COVID-19)大流行期间需求量非常大,因为它透气性好,又能够有效保护公众,同时还可以通过可重复性使用减少环境中的废弃物。3D打印的N95医用口罩过滤器还具有抗菌性或可灭菌性,且适合于灵活设计。然而,这些过滤器的生产速度缓慢,目前相关产业正在通过粘结剂喷射3D打印、micro-CT 扫描、三维图像处理和 CFD 模拟等工作流程解决这一问题。匹兹堡大学、ExOne、Ansys 和 Synopsys 的研究人员致力于开发一种高效的数字化原型工艺,有助于在制造3D打印铜和不锈钢口罩过滤器时节省时间和资源。

图:带过滤器的N95口罩示例

优化 3D 打印过滤器

整合不同资源创建过滤器的工作流:

  • ExOne 公司利用粘结剂喷射打印和烧结的方法获得不同的过滤器样品及其实验数据。
  • 使用 Bruker SkyScan 12972 uCT 设备扫描样品。
  • 将扫描图像数据导入 Simpleware 软件,对多孔结构进行分割,生成可用于模拟的 CFD 网格模型。
  • 采用 Ansys FLUENT 分析 N95 口罩正常使用时的性能,包括多孔电阻和不同条件下 Simpleware 精细网格的模拟运行,从而预测哪些金属粉末/烧结组合符合可接受的过滤标准。
  • 结果表明,相较于 1 µm 颗粒,打印的过滤器提高了对 5 µm 颗粒的过滤效率。研究高、低流量区间如何为口罩设计和提高性能提供见解。

图:在 Simpleware 软件中创建的 CFD 网格(左)和 Ansys FLUENT 中的颗粒流模拟:1 µm 颗粒(效率58%)(中)和 5 µm 颗粒(效率97%)(右)。

未来影响

鉴于对 N95 口罩和高效过滤器制造的持续需求,这种结合粘结剂喷射3D打印和打印及后处理参数的迭代优化有望提高灭菌型金属 N95 过滤器的可重复使用性。此外,通过数字化原型进行设计优化平均只需要4天左右,而物理方法大约是 21 天,并且还减少了材料浪费。

参考

  • 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/n95-filter.html
  • Acierno A, Stevens E, Sedlar T, et al. OPTIMIZING 3D-PRINTED, REUSABLE METAL N95 FILTERS BY 3D CHARACTERIZATION AND MODELING: As N95 masks are in short supply and high demand, reusable, sterilizable metal flters for masks built using 3D microstructural characterization and simulation methods are a promising alternative[J]. Advanced Materials & Processes, 2021, 179(2): 23-27.

 
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