Topology Optimization for 3D Printer Technology: A Study on the N95 Mask

Abstract

The disease is an undesired situation outside the life of the individuals that cannot be programmed. The disease primarily affects the individual biologically and psychologically. Although it may seem that it affects one person, it can affect more than one person, and therefore chaining can somehow harm the community. The treatment of infectious diseases is a great variety and varies according to the type of disease-causing microbe. As an example of the infectious diseases; flu, measles, cholera, meningitis, psittacosis, malaria, chickenpox, tetanus, tularemia, tuberculosis, sleep disease, pneumonia, typhoid, typhus and new types of coronavirus (COVID-19). New coronavirus disease (COVID-19), the virus that first appeared on December 31, 2019, as a result of research in a group of patients who developed respiratory tract symptoms (fever, cough, shortness of breath) in Wuhan Province in late December, January 13. It was defined in 2020. This study comprises the topology optimization of the N95 mask design. The cover design is designed with ergonomics accordingly for easy replacement of the mask filter. In the N95 mask design, drawings with 30%, 40%, and 50% topology optimization and lightning are applied with the solid model. The solid models were manufactured by using a 3D printing device at 50 mm/sec printing speed, 0.2 mm layer thickness, and 15% filling rate. Finite element analysis was carried out using designs, SolidWorks simulation program, and a topology optimization module. Findings obtained were evaluated by comparison.

Keywords

• N95 Mask,Covid-19,3D Printer,Topology Optimization

3B Yazıcı Teknolojisi için Topoloji Optimizasyonu: N95 Maske Üzerine Bir Çalışma

Abstract

Hastalık, bireylerin yaşamı açısından programlanmayan iradesi dışında ve istenmeyen bir durumdur. Hastalık, biyolojik ve psikolojik olarak öncelikle bireyi etkiler. Görünür de tek kişiyi etkilemiş gibi görünse de birden fazla kişiyi etkileyebilir ve bu yüzden zincerleme bir şekilde topluma zarar verebilir. Bulaşıcı hastalıkların tedavisi çok çeşitli olup, hastalık yapıcı mikrobun cinsine göre değişir. Bunlar; grip, kızamık, kolera, menenjit, psittakoz, sıtma, suçiçeği, tetanos, tularemi, tüberküloz, uyku hastalığı, zatürre, tifo, tifüs ve yeni tip koronavirüs (COVID-19) gibi bulaşıcı hastalıklar örnek verilebilir. Yeni koronavirüs hastalığı (COVID-19), ilk olarak Çin’in Vuhan Eyaleti’nde Aralık ayının sonlarında solunum yolu belirtileri (ateş, öksürük, nefes darlığı) gelişen bir grup hastada yapılan araştırmalar sonucunda ilk başta 31 Aralık 2019 da ortaya çıkan virüs 13 Ocak 2020’de tanımlanmıştır. Çalışma N95 maske tasarımı üzerinde yapılan topoloji optimizasyonunu kapsamaktadır. Maske filtresinin kolay değiştirilebilmesi için kapak tasarımı buna uygun ergonomide tasarlanmıştır. N95 maske tasarımında; tam dolu katı model ile %30, %40 ve %50 oranında topoloji optimizasyonu ile hafifletme işlemi uygulanmış çizimler yapılmıştır. Elde edilen katı modeller 3B baskı cihazı ile 50 mm/sn baskı hızında, 0,2 mm katman kalınlığında, %15 doluluk oranında işleme parametreleri ile imal edilmiştir. Tasarımlar, Solidworks simülasyon programı ile topoloji optimizasyon modülü kullanarak sonlu elemanlar analizi yapılmıştır. Elde edilen bulgular kendi içerisinde karşılaştırma ile değerlendirme yapılmıştır.

Keywords

• N95 Maske,Covid-19,3B Baskı,Topoloji Optimizasyonu

References

1. [1] Tekin A. Sağlık-Hastalık Olgusu Ve Toplumsal Kökenleri [yüksek lisans tezi]. Isparta: Süleyman Demirel Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Sosyoloji Anabilim Dalı; 2007
2. [2] Krauss, H. Weber A., Appel, M. , Enders B., Graevenitz A. v., Isenberg H. D., Schiefer H. G., Slenczka W., Zahner H. Infectious Diseases Transmissible from Animals to Humans. 3rd Edition, 456 pages. ASM Press. American Society for Microbiology, Washington DC., USA. 2003.
3. [3] Til, U. D. A., Yeni Koronavirüs hastalığı Hakkında bilinmesi gerekenler. Ayrıntı Dergisi, 2020; 8(85), 53-57.
4. [4] Wikipedia [Internet]. 2020 [cited 2020 Jun 17]. Available from: https://tr.m.wikipedia.org/wiki/COVID-19
5. [5] Çetintepe, S. P., İlhan, M. N., COVİD-19 Salgınında Sağlık Çalışanlarında Risk Azaltılması. Journal of Biotechnology and Strategic Health Research,2020; 4, 50-54.
6. [6] Şahan, C., Özgür, E. A., Arkan, G., Alagüney, M. E., Demiral, Y. COVID-19 Pandemisi’nde Meslek Hastalığı Tanı Kılavuzu,2020.
7. [7] Mahouti, P. 3 Boyutlu Yazıcı Teknolojisi İle Bir Mikroşerit Yama Antenin Maliyet Etkin Üretimi, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 2019, 7(3), 473-479.
8. [8] Duman, B., Kayacan, M. C, Seçmeli lazer sinterleme tezgâhı için imalat yazılımı geliştirilmesi. Uluslararası Teknolojik Bilimler Dergisi, 2016; 8(3), 27-45.

9. [9] Ertugrul, I. The Fabrication of Micro Beam from Photopolymer by Digital Light Processing 3D Printing Technology. Micromachines, 2020, 11.5: 518.
10. [10] Çelebi, A., Seziş, Ü. G. Katmanlı imalatta destek yapısının ve konumlandırmanın çarpılma üzerine etkisinin sımufact addıtıve yazılımı ile simülasyonu. International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry, 2019; 3(2), 182-188.
11. [11] Ishack, S., & Lipner, S. R. (2020). Applications of 3D Printing Technology to Address COVID-19 Related Supply Shortages. The American Journal of Medicine.
12. [12] Li, J., Tanaka, H., & Miyagawa, S. (2018, July). Applying the Programmable Modeling Tool to Support the Hospital Infection Control Staff in Customizing the Filtering Face-Piece Respirators for Health Care Worker. In International Conference on Applied Human Factors and Ergonomics (pp. 270-279). Springer, Cham.
13. [13] R. J. Morrison, K. N. Kashlan, C. L. Flanangan, J. K. Wright, G. E. Green, S. J. Hollister, K. J. Weatherwax, Clinical and translational science, 2015; 8, 594.
14. [14] M. Di Prima, J. Coburn, D. Hwang, J. Kelly, A. Khairuzzaman, L. Ricles, 3D printing in medicine, 2016; 2, 1.
15. [15] Davies, A., Thompson, K. A., Giri, K., Kafatos, G., Walker, J., Bennett, A. Testing the efficacy of homemade masks: would they protect in an influenza pandemic?. Disaster medicine and public health preparedness, 2013; 7(4), 413-418.
16. [16] Provenzano, D., Rao, Y. J., Mitic, K., Obaid, S. N., Pierce, D., Huckenpahler, J., Loew, M. H. Rapid Prototyping of Reusable 3D-Printed N95 Equivalent Respirators at the George Washington University, 2020.