Сомкнуть щиты!

В первые дни, когда эпидемия коронавируса только обрушилась на США, Кэролайн Шоу не испытывала особого беспокойства. Менеджер по закупкам на заводе по производству ветрогенераторов GE Renewable Energy в городе Пенсакола (штат Флорида), она не могла даже предположить, что новая болезнь столь круто изменит ее профессиональную жизнь. Между тем, произошло непредвиденное. На фоне быстро разгорающейся пандемии ей вместе с несколькими другими коллегами было поручено предпринять меры для предотвращения распространения инфекции на заводе. Наряду с организацией профилактических осмотров, в обязанности Кэролайн входило обеспечение всего штата сотрудников средствами индивидуальной защиты, в первую очередь – медицинскими масками n95.

Хирургическая маска n95 относится к числу наиболее надежных средств защиты от агрессивного вируса COVID-19: она выполняет двойную функцию, с одной стороны, не позволяя вредным бактериям и вирусам извне попадать в дыхательные пути человека, а с другой стороны – предотвращает распространение его собственных во внешней среде. Такие маски одобрены Всемирной организацией здравоохранения. Пожалуй, единственный их недостаток – ограниченное время использования: без проведения дополнительных обеззараживающих процедур их можно носить всего несколько часов.

Кэролайн рассказывает: «Вместе с коллегами мы быстро провели ревизию на складе и поняли, что имеющегося небольшого запаса масок надолго не хватит. Необходимо было срочно его пополнить. Однако одновременно обнаружился острый дефицит средств индивидуальной защиты на рынке. Выяснилось, что их не хватает даже для медицинских работников, оказавшихся на переднем крае борьбы с эпидемией и рисковавшими собственными жизнями, чтобы помочь заболевшим. Чтобы не отвлекать на себя и без того ограниченные ресурсы системы здравоохранения, мы решили сами искать выход из создавшегося положения».

Озарение снизошло на Кэролайн в воскресенье, 22 марта, во время просмотра френд-ленты в Facebook. В тот день одна из ее друзей в своем посте рассказала о супружеской паре из Вирджинии, на обычном 3d-принтере напечатавшей лицевые «щитки» из пластика для защиты одноразовых масок n95.

Первые защитные щитки были изготовлены из АБС-пластика (акрилонитрил-бутадиен-стирола) – одного из наиболее популярных типов расходных материалов, используемых в аддитивном производстве. При сильном нагревании этот термопластичный полимер становится гибким, а после остывания затвердевает, образуя прочную оболочку, которая вплотную прилегает к маске N95, обеспечивая ее надежную защиту. Изображение предоставлено GE Renewable Energy

Концепция оказалась простой до гениальности: размещение защитного экрана снаружи маски позволяло значительно сократить воздействие на нее болезнетворных бактерий и соответственно существенно продлевало срок ее службы. Тут же проведенное онлайн-«расследование» позволило Кэролайн удостовериться в правильности выдвинутой гипотезы. По всей видимости, предложенное жителями Вирджинии решение могло стать выходом из непростой ситуации. Забегая немного вперед, скажем, что уже вскоре оно получило одобрение Центра по контролю и профилактике заболеваний США – специализированного подразделения федерального министерства здравоохранения, занимающегося изучением и профилактикой новейших эпидемических инфекций и, в частности, сыгравшего важнейшую роль в борьбе США с распространением гриппа A/H1N – так называемого «свиного» гриппа.

Что касается аддитивных технологий, используемых для производства щитков, то о них Кэролайн знала не понаслышке. Дело в том, что на заводе GE, где она работает, технология промышленной 3D-печати применяется для изготовления высокотемпературных комплектующих ветряных турбин. Одно из основных преимуществ аддитивного производства – использование интегрированных методов проектирования. Это позволяет многократно сократить время, необходимое для того, чтобы на 3D-принтере получить материальное воплощение теоретической задачи, то есть, выражаясь простыми словами, изготовить прототип изделия и наладить его промышленное производство.

Блестящая идея использования аддитивных технологий для изготовления индивидуальных средств защиты пришла в голову Кэролайн в воскресенье, а уже на следующий день прототип защитного щитка для маски был отпечатан. Опытный образец Кэролайн передала медсестре заводской поликлиники для проведения дальнейших «полевых» испытаний. «Разведка боем» прошла успешно, и ноу-хау получило благоприятное заключение медицинского персонала.

Уже через деньоб инициативе Кэролайн узнала старший инженер по ремонту оборудования Тиффани Крафт. Она немедленно принялась за изготовление защитных щитков. Отпечатанная на 3D-принтере пробная партия была передана в городской госпиталь. Одновременно Тиффани стала тестировать разные виды термопластиков, чтобы определить оптимально подходящий для изготовления лицевых щитков вариант. Собранная ей «коллекция» стала основой обширной «библиотеки прототипов» - онлайн-ресурса, где консолидирована вся имеющаяся информация о производстве нового продукта. На этой открытой платформе специалисты GE со всего мира, подключившиеся к этому движению, могут устраивать «мозговые штурмы», заимствовать необходимые для изготовления изделий «выкройки» и обмениваться опытом.
Сегодня число участников проекта постоянно расширяется. С самого начала гуманитарная акция получила горячий отклик среди коллег Тиффани и Кэролайн по GE. Уже на первом этапе к этой работе с энтузиазмом подключились около 20 сотрудников компании из самых разных ее подразделений не только в Америке, но и в Европе, в том числе работники GE Aviation, GE Research и GE Power. Через Интернет они координируют краудсорсинговые исследования в этой области.

Несмотря на то, что пилотный образец лицевого щитка стал безусловной удачей разработчиков и получил благоприятные отзывы медиков, в дальнейшем модель была усовершенствована. Например, в ответ на пожелания медиков, выступы, удерживавшие щит в неизменном положении и имевшие тенденцию отламываться, были утолщены, прорези в нижней части подбородка сужены. Кроме того, производители отказались от использования эластичного крепления. Взамен был создан пластиковый переходник, куда устанавливается фильтр маски n95, что позволяет плотно сомкнуть защитную оболочку с маской, предохраняя от попадания на нее вредных веществ.

Сегодня завод ежедневно производит 24 защитных лицевых щитка. Все они передаются в дар одной из местных клиник. Щиток изготавливается из АБС-пластика (акрилонитрил-бутадиен-стирола) – одного из наиболее распространенных типов термопластичных полимеров, использующегося для производства различных промышленных изделий – от деталей автомобилей до пылесосов и кофеварок. Благодаря своим физическим и механическим свойствам АБС-пластик относится к числу самых популярных расходных материалов для 3D-печати. Гибкий при сильном нагревании, после остывания он затвердевает. Это позволяет обеспечить его плотное прилегание к любой маске n95, а значит и избежать попадания внутрь вредоносных бактерий.

Для изготовления одного лицевого щитка для маски n95 на 3D-принтере Qidi требуется около 40 минут

Сегодня работа по совершенствованию методов производства индивидуальных защитных средств не прекращается. Аддитивное производство, одним из основных преимуществ которого является быстрое прототипирование – технология, обеспечивающая оперативное макетирование и создание опытных образцов продукта, позволяет изготавливать один лицевой щиток за 40 минут. Следующим шагом может стать изготовление защитных щитков с помощью водоструйной резки. Это метод, при котором исходный пластик обрабатывается тонкой сверхскоростной струей воды с добавлением микрочастиц абразивного материала, например, гранатового песка, для увеличения ее разрушительной силы.

Уникальность технологии гидроабразивной резки заключается в том, что с ее помощью можно «раскроить» практически любые виды материалов, в том числе менее пористые разновидности пластика, чем те, которые используются при 3D-печати. Это может существенно облегчить последующую дезинфекцию щитков и уменьшить вероятность того, что вирус осядет и задержится на пористой поверхности изделия. Эта технология позволит производить щиток за 5 минут. В дальнейшем может быть осуществлен переход на лазерную или плазменную резку, сократив время изготовления одного лицевого щитка до 5 секунд.