Perfekter Sitz, Schutz und Komfort – Gesichtsmaske basiert auf modernster 3D-Technologie

27. Aug. 2021

Als inmitten der Corona-Pandemie im August 2020 in weiten Teilen des Westens der USA zusätzlich Waldbrände loderten, dauerte es nur noch wenige Wochen bis Kevin Ngo eines seiner bedeutendsten Produkte entwerfen würde.

Die einzigartige Kreation war bereits seit zwei Jahren in der Entwicklung. Sie sollte nicht nur seine eigenen drei Kinder, sondern auch alle anderen Kinder im Grundschulalter vor Viren und der andauernden Luftverschmutzung schützen. Dabei bildete effektives und effizientes 3D-Scannen die Basis Ngos bisher wichtigstem persönlichen Projekt – der Flo Mask.

Die Flo Mask ist eine wiederverwendbare Atemschutzmaske mit Submikron-Filterung. Ihre Stärke liegt in dem einzigartigen Filter und der maßgeschneiderten Dichtung, die von hochrangigen Produktdesignern entwickelt wurden und für Kinder im Alter von 4 bis 12 Jahren perfekt angepasst sind. Die in den USA hergestellten Filter fangen luftgetragene Partikel von bis zu 0,1 Mikron ab. Unabhängige Tests von Nelson Labs haben gezeigt, dass die Filter der Flo Mask über 99,8 Prozent der Viren blockieren und die Atmungsaktivitätsstandards der FDA (U.S. Food and Drug Administration) um 600 Prozent übertreffen.

Aufbauend auf der Technologie, die bei der Entwicklung der Atemschutzmaske für Kinder erarbeitet wurde, entwirft Ngo nun auch eine Maske für Erwachsene. Mitunter hat er auch am Wettbewerb „Mask Innovation Challenge: Building Tomorrow's Mask“ teilgenommen, der vom U.S. Department of Health and Human Services – Biomedical Advanced Research and Development Authority (BARDA) ausgeschrieben wurde.

Bei diesem Wettbewerb geht es um die Entwicklung innovativer und effektiver Designs für massenproduzierbare, kostengünstige Geräte, die von der Allgemeinheit getragen werden können und Schutz vor Krankheitserregern der Atemwege bieten können. Ngos Unternehmen Air Flo Labs, LLC konnte das Finale erreichen und konkurriert nun um ein Preisgeld von 400.000 US-Dollar. Die bis zu fünf Gewinner werden später in diesem Jahr bekannt gegeben.

Die Silikondichtung der Flo Mask sorgt für Komfort, während ihr verifizierter Filter die FDA-Normen für Atmungsaktivität um 600 Prozent übertrifft.

Der Beginn

Das Konzept entstand aus einem Mangel auf dem bestehenden Markt: „Für Erwachsene haben wir geeignete, gut schützende N95-Masken, doch für Kinder gab es zu der Zeit einfach keine Optionen“, so Ngo. „Die Ironie dabei war, dass diejenigen, die am meisten gefährdet sind, auch diejenigen waren, für die es keine Lösung gab.“ Auf der Suche nach einer Maske, die seine Kinder sicher schützen würde, machte sich Kevin schließlich daran, selbst eine zu entwerfen.

Das Projekt um die Flo Mask nahm im Sommer 2018 Gestalt an, in der Zeit der tödlichsten und zerstörerischsten Waldbrandsaison, die in Kalifornien je verzeichnet wurde.

Die Kinder kamen mit Übelkeit und schlimmen Kopfschmerzen von der Schule nach Hause. Die Schule verschickte sogar eine E-Mail, in der stand, dass die Kinder keine N95-Masken tragen sollten, weil sie nicht passen und die Kinder weiterhin giftige Luft einatmen würden.

Kevin Ngo, der Vater aus dem Silicon Valley und Entwickler der Flo Mask

Kevin Ngo recherchierte ausgiebig nach Atemschutzutensilien für Kinder, die in anderen Ländern, in denen die Luftverschmutzung besonders hoch ist, erhältlich sind. Aber kein Produkt entsprach seinen Erwartungen: „Ich habe alle Arten von Kindermasken aus der ganzen Welt gekauft. Jede, die wir untersuchten, hatte entweder eine schlechte Passform, war unbequem oder hatte eine sehr fragwürdige Effektivität. Viele der Masken waren Stoffmasken, von denen wir wissen, dass sie in Bezug auf die Filterung von PM2,5-Partikeln nichts bewirken.“

Dank seines umfassenden Wissens im Bereich AR/VR wusste Kevin genau, wo er mit der Entwicklung seiner eigenen ultimativen Gesichtsmaske für Kinder ansetzen musste: beim 3D-Scannen. Kevin Ngo probierte Dutzende von Lösungen aus, von denen aber keine alle notwendigen Kriterien erfüllte: Entweder war die Qualität der erfassten Daten, die Geschwindigkeit der Datenerfassung oder beides nicht gegeben. Und für dieses Projekt würde jeder halbe Millimeter entscheidend sein.

Brainstorming verschiedener Designkonzepte für die Flo Mask

Ich kam auf Indicate Technologies, die mir berichteten, dass sie ein äußerst nützliches Gerät von Artec 3D anbieten.“ Kurz darauf traf sich Ngo mit Márcio Adamy, einem Produktexperten des zertifizierten Artec 3D Gold-Partners Indicate Technologies. Nach genauen Erläuterungen seines Projekts und dessen Anforderungen an den 3D-Scanner (hohe Geschwindigkeit, Auflösung und Genauigkeit) wusste Adamy, der selbst Vater ist und dessen Familie ebenfalls von Luftschadstoffen betroffen war, dass sich hier eine sichere Lösung anbot: der 3D-Scanner Artec Eva.

Artec Eva ist ein tragbarer 3D-Scanner mit Struktur-Licht (Genauigkeit: bis zu 0,1 mm, Auflösung: bis zu 0,2 mm).

Nach einer kurzen Einführung stellte sich heraus, dass Artec Eva ideal für den Gesichtsscan der Kinder geeignet war. Ngo erlernte den Umgang mit dem Scanner und der Software sowie einige Tipps und Tricks, um alle Arbeitsschritte so schnell wie möglich zu erledigen. Da Kevin Ngo den Scanner nur für dieses eine Projekt benötigte, vereinbarte er eine Anmietung des Artec Eva an den Wochenenden.

Artec Eva ist ein tragbarer 3D-Scanner, der weißes, strukturiertes Licht, das für Menschen zu 100 Prozent sicher ist, verwendet. Er eignet sich, um Scans von mittelgroßen bis großen Objekten schnell und mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1 mm sowie einer Auflösung von bis zu 0,2 mm im HD-Modus zu erstellen. Innerhalb von einer Stunde hatte Ngo den genauen Umgang mit dem Gerät erlernt.

Kevin Ngo scannt seinen Sohn in 3D mit dem Scanner Artec Eva

An den folgenden zwei Wochenenden scannte Kevin Ngo in der San Francisco Bay Area jedes Kind im Alter von 5 bis 11 Jahren, das er kannte. Es war ihm besonders wichtig, ein ganzes Spektrum an 3D-Daten zu sammeln, um die ganze Vielfalt existierender Nasenrücken und -größen berücksichtigen zu können. So wurden Kinder verschiedener Ethnien gescannt, während vollständige Kopfscans die Entwicklung von Riemen, welche die empfindliche Haut hinter den Ohren nicht aufscheuerten, ermöglichen sollten.

Für jeden Kopfscan benötigte er weniger als 20 Sekunden und nur 30 Sekunden für die Nachbearbeitung. Trotz seiner anfänglichen Bedenken musste er keinen neuen Laptop kaufen, um die zugehörige Software Artec Studio auszuführen – für diese Aufgabe war sein bisheriges Gerät für eine reibungslose Scanverarbeitung vollkommen ausreichend.

Kevin Ngos erster 3D-Scanversuch von seinem Sohn mit dem Scanner Artec Eva – alle körperlichen Merkmale wurden originalgetreu rekonstruiert

„Irgendwann standen etwa ein Dutzend Kinder an der Schule Schlange. Das Schöne an der Software Artec Studio ist, dass ich den Großteil der Arbeit nach dem Scannen erledigen konnte“, berichtet er. „Ich musste nur alles Überflüssige, sprich das Rauschen hinter den Köpfen, ausschneiden.“

Nach der Bearbeitung in Artec Studio wurde jeder Kopfscan an die CAD-Software Pro Engineer weitergeleitet. Jeder Scan wurde an der Lippenspitze ausgerichtet und von dort aus die optimale, für alle passende Form erstellt. Die Scans halfen dabei, eine Form zu entwickeln, die zu 90 Prozent optimal saß. Während etwa einem halben Dutzend Durchgängen mit 3D-Druck und Testanpassungen an Kindern wurden jedes Mal kleine Anpassungen vorgenommen und nach und nach Prototypen mit höherer Auflösung hergestellt.

Ausarbeitung des perfekten Dichtungsdesigns

Verfeinerung des Designs

Nachdem das Projekt so weit fortgeschritten war, musste das Experten-Team um Ngo das Design neu anpassen.

Es wurde ein PolyJet-Druck angefertigt, um zu simulieren, wie sich ein potenzielles Silikonmaterial anfühlen würde. Dadurch konnte die bereits existierende Form validiert werden. Als nächstes wandte sich das Team den Produktionswerkzeugen zu. Für die Güsse wurde flüssiger Silikonkautschuk mit Kunststoffteilen verbunden, um ein Material zu schaffen, bei dem die Filteröffnung der einzige Ort sein würde, an dem Luftpartikel eindringen könnten.

Die weiche Dichtung der Flo Mask passt sich perfekt an das Gesicht des Kindes an und verhindert, dass die Maske die Lippen berührt. Die verstellbaren Bänder wurden so konzipiert, dass die Ohren frei bleiben, und das obere Band wurde mit einer Gummierung versehen, um zu verhindern, dass es vom Kopf rutscht.

Das Team von Flo Mask konnte nach mehrmaligen CAD-Konstruktionen, 3D-Drucks und verschiedenen Tests die maßgeschneiderte Passform der Dichtung festlegen

Durchbruch bei der Suche nach dem richtigen Filter

Die Suche nach dem richtigen Filter war eine schwierige Aufgabe, die beinahe das gesamte Projekt torpediert hätte. Der entscheidende Punkt für die Qualität der Maske war die Atmungsaktivität. Normalerweise besteht ein Filter aus Fasern, die sehr eng miteinander verwoben sind, um den Durchtritt von Partikeln zu verhindern. Jedoch sorgt ein höherer Virenschutz dadurch gleichzeitig für eine geringere Atmungsaktivität. Nach einer ausgiebigen Suche war das Team schließlich fündig geworden: ein medizinisches Unternehmen in den USA, das Beatmungsfilter herstellt.

Belüftungsfilter aus einem Vliesstoff namens Spunbond erwiesen sich als außergewöhnlich effizient bei der Abwehr von Viren, während gleichzeitig ein hohes Luftvolumen durchströmen kann. Der Herstellungsprozess ist hier ein anderer. Die Fasern werden nicht gewebt, sondern es werden Löcher hineingestochen. Dabei wird eine elektrostatische Ladung erzeugt, die sehr effizient schädliche Partikel und Viren anzieht.

Die Einwegfilter der Flo Mask können bis zu acht Stunden bei ununterbrochenem Gebrauch halten. In einer verrauchten Umgebung wird die Kapazität des Filters schneller verbraucht sein, sodass er bereits vorher ausgetauscht werden sollte. Wenn die Maske beispielsweise nur zum Einkaufen getragen wird, hält der Filter mehrere Tage. Der Rest der Maske ist mit herkömmlicher Seifenlauge abwaschbar und innerhalb einer Stunde wieder getrocknet und einsatzbereit.

Das Säubern der Flo Mask gestaltet sich unkompliziert

Rückmeldungen von Nutzern

„Ich habe bislang kein Kind getroffen, dem unsere Form nicht perfekt passte“, erzählt Kevin Ngo. „Wir haben die Altersgruppen zwischen 5 bis 11 Jahren gescannt, und die Form, die wir darauf basierend entwarfen, war derartig passgenau, dass wir sie sogar auf die Altersgruppen 4 bis 12 Jahren ausweiten konnten. Wir sind weit über unsere eigenen Vorstellungen hinaus gegangen.“ Mittlerweile zählen sogar Kleinkinder im Alter von zwei Jahren zu den Trägern der Masken.

An den Wochenenden nimmt Kevin Ngo seine Kinder oft mit in Parks, wo sie stundenlang mit ihren Masken Fußball spielen. Sie haben dabei keinerlei Probleme beim Atmen oder Sprechen, obwohl sie ständig in Bewegung mit ihren Freunden sind. Auch Dr. James Cisco, Mitbegründer von Burgess Pediatrics in Menlo Park, Kalifornien, verifizierte die Flo Mask, nachdem er den Blutsauerstoffgehalt von Ngos 4-jähriger Tochter gemessen hatte, während sie ihre Flo Mask trug. Der Kinderarzt war vollends von dem Produkt überzeugt, als der Wert 100 Prozent betrug.

Die Flo Mask setzt neue Maßstäbe für Kindermasken. Die einzigartige Silikondichtung, Filtrationseffizienz und Waschbarkeit funktioniert besser als alle bisher verfügbaren Optionen.

Die Filter der Flo Mask haben eine Effektivität von bis zu 0,1 Mikron und blockieren über 99,8 Prozent der Viren, wie von Nelson Labs getestet und bestätigt wurde.

Familien, die an der Entwicklung der Flo Mask beteiligt waren, erhielten das Produkt kostenlos und waren mit den Ergebnissen mehr als zufrieden.

Ein Fünftklässler namens Patrick, der die Flo Mask im Flugzeug getestet hatte, erzählt, dass er sich schnell an die Maske gewöhnte: „Obwohl die Maske ein bisschen auf mein Gesicht drückte, war sie relativ bequem – und nach kurzer Zeit spürte ich sie gar nicht mehr“, sagt er.

„Diese Art von Maske ist sicherlich besser geeignet für Kinder, die eine Brille tragen“, fügt sein Vater hinzu. „Es entstehen viel weniger Probleme mit Kondenswasser, das sich auf der Brille bildet, wenn man durch die Maske atmet.“

Eine Mutter von zwei Kindern im Alter von 5 und 10 Jahren lobt die Kombination aus Effektivität und Design. „Sie bietet eine gute Abdichtung um den unteren Teil ihres Gesichts, und die Festigkeit sorgt für einen offenen Raum vor dem Mund, wenn die Kinder atmen“, sagt sie. „Außerdem ist die Maske definitiv ein Hingucker in Anbetracht des Designs.“

Flo Mask jetzt verfügbar

Nach zwei Jahren und Dutzenden von Prototypen wurde die Flo Mask im Dezember 2020 offiziell auf dem Markt eingeführt. Nach jetzigem Stand tragen bereits mehr als 2.000 Kinder in den USA die Flo Mask. Viele Eltern geben hervorragende Referenzen auf Onlineplattformen ab – insgesamt liegt die Maske bei einer durchschnittlichen Kundenbewertung von 4,5 von 5 Sternen.

Eine Flo Mask mit fünf Einwegfiltern

„In der aktuellen Pandemiesituation werden Masken mehr denn je benötigt“, erläutert Kevin Ngo abschließend. „Selbst wenn uns die Welt wieder offen steht und die Kinder wieder zur Schule oder auf Reisen gehen können, werden die charakteristisch aussehende Masken weiterhin nützlich sein und immer mehr Leuten auffallen. Ich habe noch keine andere Lösung gesehen, bei der die Passform so gut gelungen ist – das führt auch vor Augen, wie erstaunlich die Scantechnologie von Artec 3D ist. Denn die Erstellung der Flo Mask wäre ohne den Scanner Artec Eva nicht möglich gewesen.“