3Dスキャンソルーション

Artec 3D社のウクライナへの支援内容

パーフェクトフィット、プロテクション、快適性。このマスクは、3Dテクノロジーのおかげですべてを備えています

課題:世界最高の子供用マスクを作成すること。

ソリューション:Artec Eva 3Dスキャナ、3Dプリント、液体シリコーンゴムの成形、Artec Studio、Pro Engineer、そしてRhinocerosソフトウェア

結果:Artec Evaによる3Dスキャンは、シリコンバレーのとある父親が、大気汚染やウイルスから子供を保護するための究極のマスクを発明するのに役立ちました。

2020年8月。新型コロナウイルスによるパンデミックの最中、米国西部の広大な面積が山火事によって燃え上がったとき、ケビン・ゴー(Kevin Ngo)氏はある製品のデザインがちょうどあと数週間で終わるという時期にいました。それは今まで彼が手掛けてきたどの仕事よりも重要なものでした。

開発に2年かかったこのケビン氏のユニークな製品は、彼の3人の子供達だけでなく、小学生の年齢の児童全員をウイルスや大気汚染から保護するために開発されました。そして高速で正確な3Dスキャンは、ケビン氏が今まで手掛けてきた中で最も重要なプロジェクトである、Flo Maskを支える要素の1つになりました。

Flo Maskは、次世代まで繰り返し使用することができる、サブミクロンフィルターを搭載した、子供向けのマスクです。このマスクの強みは、4~12歳までの子供の顔に完全にフィットするよう、世界規模で活躍する製品デザイナー達によってデザインされた、独自のフィルターとオーダーメイドのガスケットにあります。アメリカ製のこれらのフィルターは、浮遊粒子を0.1ミクロンまで封じ込めることができます。Nelson Labsによって実施された独自試験によると、Flo Maskのフィルターはウイルスの99.8%以上をブロックし、FDA(米国食品医薬品局)の通気性基準を600%も超えていることが証明されました。

ケビン氏は、子供向けの最高のマスクを設計した際に開発された技術に基づいて、現在は大人向けのマスクを作成しています。そして彼はマスク・イノベーション・チャレンジ(Mask Innovation Challenge)というコンテストにも応募しました。それは、米国保健社会福祉省の、生物医学先端研究開発局(BARDA)が立ち上げた次世代マスクの開発を競うコンテストです。

このコンテストは、呼吸器疾患系の病原体から人々を守るために、大量生産が可能で低コストな一般大衆向けマスクの革新的かつ効果的なデザイン開発を目標としています。ケビン氏のKevin's Air Flo Labs, LLCはなんと決勝まで勝ち上がり、現在多額の賞金をかけて競い続けています。今年の後半に発表される最大5組の勝者達は、合計$ 400,000の賞金が分け与えられます。

Flo Maskのシリコンガスケットは物理的な快適性を提供し、Nelson Labsによって検証された独自のフィルターは、FDAの通気性基準を600%も上回っています。

始まり

このコンセプトは、現在の市場に欠落していたものから始まりました。「大人向けには、保護性がとても高い、優れたN95マスクがありますが、当時それには子供用はありませんでした」とケビン氏は言います。「皮肉なことに、解決策がなかったのは最も脆弱な子供達だったのです」彼の子供達を安全に保護するマスクがどこにも見つからなかったので、ケビン氏はそれを自分で発明しようということになったのです。

Flo Maskプロジェクトは、カリフォルニアで史上最も致命的で破壊的な山火事シーズンとなった、2018年の夏に形になり始めました。その山火事は、2020年になると特にひどいものでした。

「子供達は、ひどい頭痛を抱え、吐き気も催して学校から帰宅してくるほどでした。学校は、N95マスクを持っていても、子供にはフィットしないため、有毒な空気を吸い続けることになるので子供達にはそのマスクを着用させないで下さいと私たちにメールで知らせてきました」と彼は言います。

大気汚染やウイルスから子供達を守るためにFlo Maskを作成した、シリコンバレー在住の父親であるケビン・ゴー氏

ケビン氏は、国で利用可能な子供用の呼吸装置で、日常的な大気汚染に耐久性のあるものついて徹底的な調査を行いましたが、彼の期待に応えたものはありませんでした。「私は世界中から、ありとあらゆる種類の子供用マスクを購入してみました。私達が試してみたものは、みなフィット感が悪いか、不快であるか、もしくは非常に疑わしい効果を持っていました。それらのマスクの多くは布製マスクで、私達はそれらが微小粒子状物質(PM2.5)のフィルタリングには全く効果がないことを知っていました。

ケビン氏はAR(拡張現実)とVR(仮想現実)を熟知したバックグラウンドを持っていたので、子供向けの究極のフェイスマスクを自分で開発するにあたって、何をどうすればいいのかはっきり分かっていました。

さまざまなFlo Maskの設計コンセプトを発案している様子

ケビン氏は何十というソリューションを試してみましたが、どれもすべての必要事項をクリアするものはありませんでした。キャプチャされたデータの品質および/またはキャプチャの速度が優れませんでした。このプロジェクトでは、0.5ミリメートルの差が全てにおいて重要になります。

「Artec 3Dのデバイスを持っていると言っていた、Indicate Technologiesを見つけたんです」とケビン氏は言います。「自分の休日に彼らに電話で連絡をしたら、おいで下さいと言ってくれました」

カリフォルニアのArtec 3Dゴールド認定パートナーである IndicateTechnologiesは、ケビン氏の自宅から車で15分のところにあり、この会社で3D製品のエキスパートである、マルシオ・アダミー(Márcio Adamy)氏と出会うまで、そう長くはかかりませんでした。ケビン氏がこのプロジェクトの課題点と3Dスキャナの要件(高速、高解像度、高精度)について話しをすると、彼と同じ状況で自分の子供達が大気汚染物質の影響を受けていたマルシオ氏は、これもうあのソリューションしかないと確信しました。それは、Artec Evaでした。

ポータブルの構造化光3DスキャナであるArtec Eva(精度:最大0.1 mm、解像度:最大0.2 mm)。

「Artec Evaが子供の顔のスキャンに使用できることを証明し、ケビン氏にそのスキャナとソフトウェアの使用方法、そしてそれをできるだけ速く行うためのヒントとコツを教えました」とマルシオ氏は言います。ケビン氏はこのプロジェクトのためだけにスキャナを必要としていたので、彼は週末に Artec Evaをレンタルするようお願いしてみました。

ポータブル3DスキャナのArtec Evaは、人体にとって100%安全な、白色の構造化光を使用し、中~大型のオブジェクトを最大0.1 mmの精度と最大0.2mmの解像度(HDモード)で高速スキャンをすることができます。

「マルシオ氏は素晴らしいインストラクターだったので、スキャナの使用方法を学ぶのにたった1時間しかかかりませんでした」とケビン氏は言います。

Artec Evaで息子を3Dスキャンするケビン氏。

その後2週間、ケビンは氏はサンフランシスコのベイエリアをあちこち運転して周り、「5歳から11歳のすべての知り合いの子供」をスキャンしたそうです。鼻梁とサイズの多様性を計算に入れるために、さまざまな3Dデータを収集することが特に重要となりました。そのため、さまざまな人種の子供たち(アジア系やヒスパニック系、アフリカ系アメリカ人そして白人)がスキャンされました。完全な頭部のスキャンのおかげで、耳の後ろのデリケートな肌を擦らないストラップデザインが可能になりました。

それぞれの 頭部のスキャン にかかった時間は20秒未満で、スキャン後にクリーンアップをする作業には、わずか30秒しかかかりませんでした。最初に彼が心配していたように、Artec Studioを実行するためだけにWindowsのノートパソコンを購入する必要はありませんでした。このタスクには、彼がすでに持っていた2015 MacBook ProでBoot Campを使用するだけで、十分にスムーズなスキャン処理を行うことができました。

Artec Evaを使用し、ケビン氏の息子を最初に3Dスキャンのしてみた様子。すべての物理的特徴を忠実に再構築することができました。

「ある時には、私の子供達の学校に十数人の子供たちの列ができたこともありました。Artec Studioの優れた所は、後処理があとでできるという点です」と 彼は言います。「唯一私が修正しなければならなかったところは、彼らの頭の後ろにできたアーティファクトを取り除くことだけでした。ノイズを完全に取り除くのは本当に簡単でした

Artec Studioで処理した後、それぞれの頭部のスキャンはPro EngineerのCADソフトウェアに送られます。「各スキャンを唇の先端で位置合わせさせ、そこから、すべての顔の形状に最適なフリーサイズを見つけだしました。スキャンは、90%の形状を考慮するのに役立ちました。次に、6回ほどの3Dプリントをして、子供達とそれのフィッティングを行うことで小さな調整を行っていき、徐々に高解像度のプロトタイプを作成していきました」とケビン氏は述べています。

完璧なガスケットデザインの作業を行っている様子

デザインの洗練

プロジェクトの計画がここまできた段階で、ケビン氏の友人3人(多方面の分野のエキスパート達)とケビン氏が属するチームは、設計を再定義する必要が出てきました。

「私達はPolyJet方式のプリンタで、使用を考慮しているシリコーンがどんな感じになるのか、シミュレーションしてみました。これは、私たちが持っていた形を検証するのに役に立ちました」とケビン氏は言います。次に、彼らチームは生産ツールにとりかかりました。成形の段階で、液体シリコーンゴムがプラスチック部品に接着され、フィルターの開口部が空気中の粒子が通る唯一の箇所になりました。

その結果、Flo Maskのソフトガスケットは、マスクを唇に触れさせないようにしながら、子供の顔に完全にフィットさせることができました。調節可能なストラップは耳をすっきりさせるように設計されており、頭から滑り落ちないよう、上部のストラップにゴム製の裏地が追加されました。

Flo Maskチームは、CAD設計や3Dプリント、そしてテストを数回行ったことで、ガスケットの調整されたフィット感を出せるようになりました。

画期的なフィルター

適切なフィルターを見つけるまでには難航し、もう少しでケビン氏がプロジェクトを中止させていたほどでしたが、通気性のある適切なフィルターを見つけることは、マスクの品質にとって最も重要なことでした。

通常、フィルターは粒子が通過するのを防ぐため、非常にしっかりと織り合わされた繊維で構成されています。しかし、だからといって保護を強化すると、通気性が低下してしまいます。「この世界には十分に通気性のあるフィルターなんて存在しないように最初は思えましたが、ついに米国でベンチレーター用フィルターを製造している医療会社を見つけたのです」とケビン氏は言います。

スパンボンド(Spunbond )と呼ばれる不織布で作られたベンチレーターフィルターは、大量の空気の流れを維持しながら、ウイルスを遮断するのに非常に効率的であることが証明されました。「この製造プロセスは非常に特有なんです」とケビン氏は説明します。「この医療会社は繊維を織り込んでいるのではなく、実際に繊維に穴を開けているんです。そして、そのプロセスは静電荷を生成します。これは、有害な粒子やウイルスを引き付けるのに非常に効率的です」

Flo Maskの使い捨てフィルターは、最大8時間の連続使用が可能です。「煙が充満している環境では、フィルターへの負荷が急速にかかるので、フィルターをより早く交換する必要があります」とケビン氏は説明します。「食料スーパーでマスクを着用するだけならば、フィルターは数日間持続します。マスクの残りの部分は水と石鹸で洗うことができ、1時間以内で乾きます」

Flo Maskの洗浄はとても簡単です。

ユーザーフィードバック

「私達のマスクの形が全く合わない子供はまだ見つけていません」とケビン氏は言います。「私達は5歳から11歳までをスキャンしてきましたが、そこから得られた形状は非常に優れていたため、実はマスクが使用できる年齢の対象を4歳から12歳まで拡大させることができました。私達は自分達が思い描いていたもの以上のものを手に入れました」現在の時点では、2歳以上の幼児はこれらのマスクで効果を得ることができます。

週末には、ケビン氏は子供たちを公園に連れて行き、そこで何時間もマスクをしてサッカーをします。カリフォルニア州のメンロパークにある、バージェス小児科の共同創設者であるジェームズ・シスコ博士は、ケビン氏の4歳の娘が Flo Mask着用中に血中酸素レベルを測定したことがあり、それからというもの、彼はこのマスクを人々に推奨しています。小児科医であるジェームズ博士は、100%の血中酸素レベルを測定したことで、確信したのです。

「Flo Maskは子供用マスクの基準を引き上げています。このユニークなシリコンガスケットにフィルターの効率性、しかも洗えるというのは、私が見てきた従来の製品とは異なります」とシスコ博士は言います。

Flo Maskフィルターは、Nelson Labsによってそれが0.1ミクロンまで有効であることがテストおよび検証され、99.8%以上のウイルスをブロックすることができます。

Flo Maskの開発に参加した家族は無料で製品を入手することができ、マスクの結果に大満足していました。

飛行機でFlo Maskを試してみた小学5年生のパトリック君は、すぐに製品に慣れたと言います。「顔が少し押さえつけられた感じはしたけど、まあまあ快適で、しばらくしたらそれに慣れて、それを感じることはほとんどなくなりました」と彼は言います。

「このタイプのマスクは、眼鏡をかけている子供とっては特に優れています」と彼の父親はそう付け加えました。「マスクを通して呼吸するときに眼鏡が曇ることははるかに従来のものより気になりません」

とある5歳と10歳の2人の子供の母親は、その効果とスタイル両方を賞賛しました。 

「このマスクは子供達の顔の下半分に良い密閉性を提供し、そのしっかりとした作りは呼吸するときに口元にきちんと呼吸できるスペースを確保しています」と彼女は言います。「しかも、それはスタイルの点で言っても間違いなく、ずば抜けています」

Flo Masksが利用可能になりました

2年間かけて数十のプロトタイプを試した後、Flo Maskは 2020年12月に正式にローンチしました。現在までに、Flo Masksを着用している子供達は全米で2,000人を超えており、多くの親御さん達がAmazonで彼らの子供達がこのマスクを気に入ってくれたことを賞賛し、平均で4.5の顧客評価を誇っています。

使い捨てフィルターが5枚入ったFlo Mask 。

「現在のこのパンデミックでは、マスクがこれまで以上に必要とされています」とケビン氏は言います。「子供達が学校にまた戻ったり旅行するようになって、世界が元のようになると、人々はこの非常に象徴的なマスクに気付くかもしれません。私達の製品のようにフィット感を完璧にしたソリューションはまだ見かけていませんが、 きっとそれはArtec 3Dの製品がいかに素晴らしいかを示す大きな証拠でしょうね。Artec Evaがなければ、Flo Mask を作成することはできなかったでしょうから

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