CN111358069A - 一种3d打印的口罩龙骨以及口罩 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种由3D打印一体成型制造的口罩龙骨，所述龙骨包括边框和主体镂空结构，其中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/或相连接，该口罩龙骨由弹性材料通过3D打印技术一体成型，其主要优势在于龙骨所包含的单元的连接柱为弹性材料，使得所述单元在外力作用下可发生形变，当口罩佩戴者将使用该龙骨的口罩利用束紧带佩戴于脸部时，口罩通过龙骨结构单元的形变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，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。

Description

一种3D打印的口罩龙骨以及口罩

技术领域

本发明涉及技术领域为三维成型领域，特别涉及一种3D打印的口罩龙骨以及使用该口罩龙骨的口罩。

背景技术

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。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。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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，通过3D打印的制造技术，提供一种口罩龙骨结构，龙骨主体由多个互相连接的镂空结构单元组成，该口罩龙骨由弹性材料通过3D打印技术一体成型，其主要优势在于龙骨所包含的单元的连接柱为弹性材料，使得所述单元在外力作用下可发生形变。当口罩佩戴者将使用该龙骨的口罩利用束紧带佩戴于脸部时，口罩通过龙骨结构单元的形变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。

本发明披露了一种由3D打印一体成型制造的口罩龙骨，所述龙骨包括边框和主体镂空结构，其中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/或相连接。

进一步地，所述口罩龙骨由弹性材料3D打印一体成型。

进一步地，所述弹性材料弹性模量为1-50MPa。

进一步地，所述弹性材料为双重固化树脂材料。

进一步地，所述构成单元的连接柱为弹性材料，一个或多个单元在外力作用下可发生形变。

进一步地，所述单元为一种或是多种的规则几何体。

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。

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。

进一步地，所述龙骨的形状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。

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。

进一步地，本发明披露了一种口罩，所述口罩包括上述描述所述的龙骨、过滤层，束紧带，其特征在于：所述过滤层覆盖于所述口罩龙骨远离口罩使用者面部的外表面，所述束紧带帮助所述口罩龙骨与口罩使用者的面部形状相贴合。

进一步地，在于过滤层的外缘部分与封闭件的外缘部分相结合，其中延着过滤层的外缘与密封件的外缘的连接结合部插入口罩龙骨。

附图说明

图1是本发明中口罩龙骨的结构示意图；

图2是本发明中使用口罩龙骨的口罩的示意图；

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、侧翼；18、下颌位；20、口罩；21、过滤层；22、束紧带；23、密封件。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对发明作进一步详细地说明。

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。

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。

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，同时可以提高口罩的密闭性能。

图1所示的是本发明的口罩龙骨的一个实施例。图中口罩龙骨10包括边框11和主体镂空结构12，其中主体镂空结构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。

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。

图1中的口罩龙骨10的边框11通过靠近边框的一圈单元13的连接柱14和/或顶点15连接。边框13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13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13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13的曲度呈一个类倒U型，包括一个鼻腔空位16、两个侧翼17及一个下颌位18，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18与佩戴者的下颌部分贴合，而两个侧翼17则与佩戴者的脸颊部位相贴合。边框13的曲面形状无需进行个人制定，由于制造口罩龙骨的材料特性以及龙骨的特殊结构，使用本发明口罩龙骨的口罩在佩戴时通过龙骨的主体镂空结构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一直维持紧密贴合的状态。

本发明的口罩龙骨由弹性树脂材料由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ISO 10993-10：2010Biological Evaluation of Medical Devices-Part 10：Test for irritation andskin sensitization测试。本发明使用的弹性树脂材料也可以是美国专利US 9,598,606，US 9,453,142，US 9,982,164，US 9,676,963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％。

本发明的口罩龙骨由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：

步骤一、在计算机软件中建立口罩龙骨的三维模型，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；

(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的打印，上述申请以引用的方式并入本文。)

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。

(可选的)步骤四、对打印成型的口罩龙骨进行清洗，清除表面未固化的多余树脂；如使用支撑，移除支撑结构；

(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。

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。

图2所示的是使用本发明的口罩龙骨的一个口罩实施例，图中口罩20包括口罩龙骨10，过滤层21，束紧带22以及封闭件23。其中过滤层21覆盖于口罩龙骨10远离佩戴者脸部的外表面，过滤层21可以使用常规的口罩过滤材料制成。过滤层21的外缘部分与封闭件23的外缘部分相结合，其中延着过滤层21的外缘与密封件23的外缘的连接结合部插入口罩龙骨10。过滤层21的外缘部分与封闭件23的外缘部分的封接可以通过热熔粘合实现。封闭件23可以使用弹性材料制成，例如硅胶，橡胶，弹性树脂，弹性纤维材料等。中国专利CN1456370B中披露了一种封闭件的制备材料，将软树脂例如聚氨基甲酸酯层压在由尼龙或聚酯纤维制成的弹性织物表面上从而形成薄片，上述文献的公开部分以引用的方式并入本文。束紧带22可以具备收紧装置，在口罩使用时对口罩龙骨10施以外力，龙骨10的主体镂空结构单元13发生弹性形变，从而帮助封闭件23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。

图2所示的实施例中龙骨10的内表面暴露于环境中，在一些实施例中，龙骨10的内表面也可以覆盖功能性部件，例如过滤层，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，口罩20可以具备其他常用功能附件，例如呼吸阀门等。

使用本发明中的口罩龙骨10的口罩20在使用时由于束紧带22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，从而帮助封闭件23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。

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。

Claims (12)

1.一种3D打印的口罩龙骨，包括边框和主体镂空结构，其中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。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印的口罩龙骨，其特征在于，所述口罩龙骨由弹性材料3D打印一体成型。

3.根据权利要求2所述的一种3D打印的口罩龙骨，其特征在于，所述弹性材料的弹性模量为1-50MPa。

4.根据权利要求3所述的一种3D打印的口罩龙骨，其特征在于，所述弹性材料为双重固化树脂材料。

5.根据权利要求1所述的一种3D打印的口罩龙骨，其特征在于，所述构成单元的连接柱为弹性材料，单元在外力作用下可发生形变。

6.根据权利要求1所述的一种3D打印的口罩龙骨，其特征在于，所述单元为一种或是多种的规则几何体。

7.根据权利要求6所述的一种3D打印的口罩龙骨，其特征在于，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。

8.根据权利要求1所述的一种3D打印的口罩龙骨，其特征在于，所述单元为由多个连接柱及顶点组成的无规则几何体。

9.根据权利要求1所述的一种3D打印的口罩龙骨，其特征在于，所述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。

10.根据权利要求9所述的一种3D打印的口罩龙骨，其特征在于，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。

11.一种口罩，包括上述1-10所述的口罩龙骨、过滤层、束紧带，其特征在于：所述过滤层覆盖于所述口罩龙骨远离口罩使用者面部的外表面，所述束紧带帮助所述口罩龙骨与口罩使用者的面部形状相贴合。

12.根据权利要求11所述的一种口罩，其特征在于，所述口罩还包括密封件，所述过滤层的外缘部分与封闭件的外缘部分相结合，其中延着过滤层的外缘与密封件的外缘的连接结合部插入口罩龙骨。

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