Eine ganzheitlichere und effizientere Art des Testens

Formen von Geräten für den Menschen

DOE/Sandia National Laboratories

Bild: Michael Omana befestigt beim Testen in den Sandia National Laboratories eine Maske an der aktuellen Generation des 3D-gedruckten Kopfes.mehr sehen

Bildnachweis: Craig Fritz/Sandia National Laboratories

ALBUQUERQUE, NM – Ein Team der Sandia National Laboratories hat eine schnellere und umfassendere Methode zum Testen persönlicher Schutzausrüstung (PSA) entwickelt. Das Grundprinzip: Ein Gerät so modellieren, dass es der menschlichen Form und dem menschlichen Verhalten entspricht.

Als COVID-19 ausbrach, wurden PSA-Tests zu einem dringenden Bedarf. Im März 2020, als das Land abgeriegelt wurde, wandten sich viele Menschen an Sandia, um Unterstützung bei PSA-Tests zu erhalten. Sie versuchten, neue Masken auf den Markt zu bringen, eine Qualitätssicherung für importierte Masken bereitzustellen und die Reinigungsverfahren für die Wiederverwendung von Einweg-PSA zu verbessern.

„Unabhängig davon, ob wir interne oder kommerzielle Filtertestsysteme verwenden, haben wir festgestellt, dass der Testprozess sehr zeitaufwändig und nicht so effizient war, wie er sein könnte“, sagte Michael Omana, Aerosolwissenschaftler bei Sandia.

Das Team, dem die Ingenieure Todd Barrick und Brad Salzbrenner angehören, war entschlossen, eine bessere Lösung zu finden. Sie versuchten, Wege zu finden, wie Atemschutzmasken schnell und nicht zerstörerisch getestet werden könnten, und führten andere Testmöglichkeiten ein, die über die Prüfung des Filtermaterials hinausgingen.

Die alte Art des Testens Die derzeitige Methode zum Testen von PSA besteht darin, eine Maske mit heißem Wachs oder Kitt an einer flachen Platte in einer Box zu befestigen und dann ein Testaerosol einzuführen, um den Durchdringungsgrad zu messen. Um die Zertifizierung durch das National Institute for Occupational Safety zu erhalten, müssen 20 Masken des gleichen Typs getestet werden. Das hat sich als zeitaufwendig erwiesen. Während der Pandemie kam es in der Atemschutzgeräteindustrie zu einem massiven Teststau.

Das Team sagte jedoch, die Zeit sei nur ein Problem. Der aktuelle Prozess berücksichtigt keine anderen Faktoren bei der Maskennutzung.

„Sie testen lediglich das Filtermedium selbst“, erklärte Barrick. „Es wird nicht die Geometrie getestet, wie die Atemschutzmaske auf ein Gesicht passt, wie sie mehrmals auf- und abbewegt wird, wie die Riemen funktionieren, wie der Nasensteg funktioniert, wie sich die Maske im Laufe der Zeit tragen lässt.“

Es gab auch die Frage der Wiederverwendung von PSA. Angesichts dieses weltweiten Mangels waren die Mitarbeiter an vorderster Front gezwungen, Atemschutzmasken für den einmaligen Gebrauch wiederzuverwenden. Es gab jedoch keine Standardmethode zum Testen der Wiederverwendung von Masken.

„Ich denke, es wurden viele Lehren daraus gezogen, als alle plötzlich auf die Industriestandards schauten“, sagte Omana.

Eine neue Idee

Das Team hatte eine neue Idee, um den Prozess zu beschleunigen und effektiver zu gestalten. Sie begannen mit der Erstellung eines Modells eines menschlichen Gesichts, das in ein kommerzielles Filtertestsystem geladen werden konnte.

„Wir wollten schnellere Tests und mehr Funktionen, beispielsweise wie die Maske auf ein Gesicht passt“, sagte Salzbrenner. „Wir haben 3D-Druckfunktionen genutzt, um es geschmeidiger zu machen, wie eine Haut.“

Sobald die Maske am Formular befestigt ist, übt der Tester Druck aus, um eine luftdichte Versiegelung zu gewährleisten, und führt dann das Aerosol ein.

Aber das Team war sich einig, dass noch mehr getan werden könnte. Die aktuellen Teststandards berücksichtigen nicht, wie eine reale Person eine Maske tragen könnte und welche Lücken oder Mängel eine Maske unter realen Bedingungen aufweisen könnte. Deshalb entwickelten sie eine komplexere Version mit einem vollständigen menschlichen Kopf.

Sobald die Maske befestigt ist, wird der gesamte Kopf in eine luftdichte Box gesteckt, die dann in die Maschine gelegt und getestet wird, um einen natürlicheren Luftstrom über die Maske zu ermöglichen und ihrer Meinung nach ein realistischeres Bild der Maskenleistung zu erhalten.

Die Maschinenbauingenieure des Teams gingen dann noch einen Schritt weiter, um die Wiederverwendung von PSA anzugehen, für die es derzeit keinen Prüfstandard gibt.

„Wir haben die Kammerversion entwickelt, um das An- und Ausziehen (das An- und Ausziehen eines Artikels) zu automatisieren, um die Funktion der Atemschutzmaske im Laufe der Zeit zu testen, ein vorherrschender Faktor beim Tragen einer Maske. Es ahmt auch nach, wie eine Maske auf das Gesicht gesetzt wird, und zeigt Ihnen alle Lücken, durch die Luft und Partikel hindurchkommen können“, sagte Salzbrenner.

Das Team sagte, dass dies zusätzlich zu den anderen Testmodellen, die sie erstellt oder entwickelt haben, als All-in-One-Tester verwendet werden kann. All dies wäre ein großer Fortschritt bei der Art und Weise, wie PSA in den USA und anderen Ländern getestet wird.

„Ich nenne es ganzheitliche Tests“, sagte Omana. „Es berücksichtigt alle Aspekte der Maske. Aerosole sind wie Elektrizität und nehmen den Weg des geringsten Widerstands. Selbst wenn das Filtermedium einwandfrei funktioniert, kann die PSA unbrauchbar werden, wenn eine andere Unterkomponente ausfällt. Aktuelle Teststandards prüfen PSA nicht quantitativ im realen Einsatz. Dies emuliert den realen Einsatz von PSA.“

Was kommt als nächstes Das Team arbeitet nun daran, seinen Ansatz mit Hilfe von 100.000 US-Dollar aus dem Technology Maturation Program von Sandia weiter zu testen. Ziel ist es, die Wissenschaft an ein Unternehmen zu lizenzieren, das sie kommerziell produzieren kann. Das ist Teil der Technologietransferinitiative von Sandia.

Notwendigkeit ist die Mutter der Erfindung Das Sprichwort „Not macht erfinderisch“ ist nicht wahrer als in diesem Fall. Diese Erfindung entstand während einer der verheerendsten Pandemien der Geschichte, zu einer Zeit, als unzählige Leben auf dem Spiel standen. Und wie so oft zuvor, wenn die Welt ein Problem hat, versuchen die Mitarbeiter von Sandia, es anzugehen.

„Ohne die vielfältigen Fähigkeiten der Menschen bei Sandia wäre ein Projekt wie dieses nicht zustande gekommen.“ sagte Salzbrenner. „Wenn man sich den Hintergrund jedes Einzelnen in diesem Team ansieht, kommt jeder aus einer anderen Disziplin oder einem anderen Lebensbereich. Es war eine Kombination all dieser Menschen, die diese Dinge möglich gemacht haben.“

„Als nationales Labor haben wir das Glück, einige der klügsten Köpfe zu haben, und angesichts dieser Expertise sahen wir es als unsere Verantwortung an, etwas zu tun, um der Gemeinschaft zu helfen“, fügte Barrick hinzu.

Das Team sagte, einer der besten Teile dieses Projekts sei, dass es organisch zustande gekommen sei.

„Alle sind einfach eingesprungen, um zu helfen“, sagte Barrick. „Wenn wir eine Antwort brauchten, sagte jemand: ‚Ich weiß, wer das beantworten kann.‘ Wir würden diese Person kontaktieren und sie würde sich engagieren. Das Erstaunliche daran ist, dass die Leute ihre Zeit gespendet haben. Die Menschen haben mehr gearbeitet, als von ihnen verlangt wurde, um zur Lösung dieses Problems beizutragen. Es geschah wirklich aus reiner Herzensgüte. Das war ein Aufruf zum Handeln.“

Für B-Roll-Aufnahmen des Maskentests wenden Sie sich bitte an Kim Vallez Quintana, [email protected], 505-537-3294.

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