Adaptando un protector facial de licencia open source al fenotipo peruano

Desarrollo de un producto de bajo costo para una adecuada y oportuna bioprotección durante la emergencia por la COVID-19

 Resumen:

La llegada del Covid 19 al Perú, incrementó exponencialmente la demanda de protectores faciales, sobrepasando la disponibilidad de estos productos de forma comercial. Una alternativa de rápida respuesta, fue acceder y replicar diseños con licencia open source, creados en norteamérica y europa. Sin embargo, la fabricación local expuso algunos inconvenientes en los diseños originales que dificultan su uso, ¿La razón? la diferencia de fenotipo. El usuario latino, en general, presenta ciertas diferencias ergonómicas y en consecuencia se requieren adaptaciones y/o mejoras. En este artículo se registra el proceso que siguió el Fab Lab ESAN para rescatar estos diseños y adaptarlos para que el ciudadano peruano pueda utilizarlos a bajo costo, utilizando materiales locales y accesibles.

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Contexto

Con la expansión del COVID-19 a nivel global, se comenzaron a desarrollar y compartir diversos diseños de protectores faciales de bajo costo con materiales fáciles de conseguir en mercados locales. Grandes empresas como Apple¹ se sumaron a este movimiento que busca empoderar a las comunidades en la fabricación de sus propios protectores faciales utilizando estos diseños y empleando tecnologías de fabricación digital.

Sin embargo, dado que la mayoría de diseños disponibles en internet fueron desarrollados en base a ciudadanos europeos o norteamericanos, al fabricarse localmente se detectaron características que no se adecuan al fenotipo latino y en consecuencia requerían adaptaciones y/o mejoras que permitieran  una protección adecuada. En el caso peruano, estos diseños presentan las mismas dificultades para ser usado, una problemática que puede ser resuelta poniendo en práctica conocimientos de diseño y fabricación digital.

Es necesario resaltar, que durante los últimos años, en el contexto local ha incrementado la disponibilidad de equipos de fabricación digital, que incluyen impresoras 3D, máquinas de corte láser, fresadoras CNC, entre otras tecnologías. Las instituciones académicas impulsan también este proceso por lo cual se han capacitado para usarlas apropiadamente.

La Universidad ESAN, en el año 2013, inició la implementación de un laboratorio de fabricación digital, que adoptó el nombre de Fab Lab ESAN,  el cual busca liderar la difusión de esta tecnología. En el año 2017, logró ser reconocidos por el Consejo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación Tecnológica (Concytec), como un Centro de Innovación Tecnológico.

Esta distinción ha logrado incrementar la interacción con el sector empresarial, buscando afianzar su rol articulador en el ecosistema de innovación en el Perú. La emergencia ocasionada por la COVID-19, permitió iniciar un proceso de coordinación entre diversos actores, facilitando el desarrollo de tareas para rescatar los diseños open source de protectores faciales disponibles en Internet y adaptarlos para que el ciudadano peruano pueda utilizarlo.

El proceso

El primer paso fue la evaluación de diversos diseños, considerando el tipo de licencia, los materiales requeridos y su disponibilidad en el mercado peruano, así como las características de ensamblado y/o requerimientos de equipos para fabricación. Entre los diversos modelos de protector facial disponibles para fabricarse tanto con impresión 3D como corte láser, se optó por iniciar con el modelo diseñado por Prusa Research², llamado Prusa PRO Face Shield³, que utiliza PLA para la impresión 3D y acetato para la lámina de protección cortada en láser.

El modelo está compuesto principalmente por tres piezas, una diadema y/o soporte fabricado con impresión 3D, una lámina transparente, que funciona como escudo, la cual se ensambla en el soporte y una banda elástica que sirve para fijar el protector en la cabeza. Las personas que deseen fabricarlo, deben conseguir la lámina transparente, el elástico y descargar el archivo de internet que sirve para replicar el soporte diseñado por Prusa, usando una impresora 3D. Dado que los únicos archivos disponibles del modelo se encuentran en formato .STL, no se  permiten modificaciones. 

Al requerirse adaptar el diseño, como primer paso fue necesario reconstruir el modelo tridimensional en un programa de diseño asistido por computadora (CAD). En esta etapa, debido a las restricciones de movilización en el país, se puso en acción un equipo de diseño en modalidad de trabajo remoto,  resaltando la intervención de uno de los estudiantes de la Universidad ESAN, que viene desarrollando prácticas en el Fab Lab ESAN. 

Con el modelo tridimensional ya reconstruido e impreso en 3D, el equipo de fabricación hizo la primera prueba en laboratorio, realizando las primeras adaptaciones al diseño del soporte. Variaron tanto las dimensiones del arco como  la forma de ajuste, de esta manera el elástico que sujeta el protector, pasó de un solo punto de anclaje, al uso de tres ranuras para permitir la graduación del ajuste, sobretodo pensando en los prolongados periodos de uso que se presenta en el sector de seguridad pública. Asimismo, se varió el material de la lámina de protección transparente, utilizando PET, un material fabricado localmente.

Con estas primeras modificaciones se procedió a fabricar, con impresión 3D y corte láser, la primera versión adaptada del protector facial para ser evaluada en campo por personal del Ejército del Perú. Así se dió inició a la fase de prueba de usuario, la cual resultó clave para la adaptación del diseño original a la fisonomía local. Recibimos diversos comentarios reportando puntos críticos donde el protector facial producía molestias y/o incomodidad. Esta retroalimentación permitió identificar las características que necesitaban ser cambiadas y evaluadas en una segunda iteración. 

Los equipos de fabricación y diseño del Fab Lab ESAN, evaluaron los primeros comentarios, entre ellos los que reportaban que “el protector facial no cubría toda la cara” y “era un poco pesado”. Con esta información, se tomó la decisión prolongar la longitud del alero que sirve de sujeción a la mica protectora y al mismo tiempo disminuir la masa total del soporte. El equipo de diseño, extendió los aleros y reubicó los puntos de sujección de la mica  (lamina transparente). Se fabricaron  varias versiones del soporte modificando la altur y ancho, logrando distintas piezas estructurales. Estas nuevas versiones del soporte facial fueron puestos a prueba nuevamente por el Ejército del Perú. 

En la segunda prueba de campo se validaron modificaciones que ayudaron a mejorar la usabilidad del protector facial. Algunos usuarios reportaron que durante periodos prolongados de uso bajo exigencia física “la mica transparente se empañaba”, afectando la visibilidad. Esta observación introdujo un nuevo requerimiento al diseño que no había sido considerado al inicio: el equipo se planteó la pregunta ¿Cómo evitar la pérdida de visibilidad?. 

Para afrontar este nuevo desafío, se propuso incorporar al soporte cavidades que funcionen como ventilación, pero ello generaba otras preguntas de carácter más técnico: ¿Dónde las incorporamos? y¿De qué forma las hacemos? En este caso y en lugar de discutir sobre la mejor solución posible y aprovechando las ventajas que brinda la tecnología de fabricación digital, el equipo decidió desarrollar 4 opciones de soportes, ubicando distintos puntos de ventilación (ventilación lineal central, ventilación lineal lateral, ventilación circular central y ventilación circular lateral), buscando evaluar en campo la alternativa que resolviera o redujera el inconveniente reportado. 

El personal del  Ejército del Perú volvió a involucrarse en una tercera iteración, validando el protector facial con ventilación lineal lateral, al demostrar durante su uso que era el diseño con mejor desempeño.

El resultado

Finalmente, luego de haber fabricado más de 10 prototipos (modelos diferentes de protector facial) y haber realizado 3 iteraciones con una variedad de usuarios para las pruebas de campo, el diseño final se encuentra validado y puede ser replicado con la seguridad que será aceptado por los usuarios y sobretodo, cumplirá la función de brindar una protección adecuada. El diseño realizado ha sido adoptado por la Red Peruana de Fab Labs, y el Fab Lab de la Universidad del Pacifico a fabricado y entregado al personal del Ejército del Perú un total de 200 unidades entregadas a finales del mes de junio. Cabe resaltar que el proceso de desarrollo de producto puede continuar, ya que a pesar de haberse considerado en las modificaciones del diseño los lineamientos del documento Especificación Disponible Peruana (EDP) 101-2020 publicado por INACAL⁴, puede optarse por buscar algún tipo de certificación por alguna entidad nacional o extranjera⁵.

El presente resumen y  difusión de los resultados del trabajo desarrollado por el Fab Lab ESAN, pretende además poner a disposición de la comunidad peruana la adaptación del diseño  bajo la licencia de Creative Commons CC BY-NC 4.0⁶, que permite su uso y modificación con fines No comerciales manteniendo el reconocimiento del diseñador.

Agradecemos de manera especial, la gentil participación del personal del ejército, cuya retroalimentación fue crítica para el proceso de adaptación del protector facial.

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¹ https://support.apple.com/en-us/HT211142
² parte de la empresa 3D Prusa Printers, fabricante de impresoras
³ https://www.prusa3d.com/covid19/
⁴ https://www.inacal.gob.pe/repositorioaps/data/1/1/2/jer/resoluciondepresidencia/files/RPE%20035-2020-INACAL-PE_Firmado_Digital.pdf
⁵ Como puede apreciarse en este documento sobre la fase de cerficación del modelo Prusa Pro Face Shield para producción en volumen: https://blog.prusaprinters.org/how-to-get-a-certification-for-face-shields_36481/#_ga=2.174545636.793065868.1592872102-1577221952.1592872102
⁶ https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

Ficha técnica del prototipo

Autor diseño original

• Prusa Research

Web page

• https://www.prusaprinters.org/prints/27318/author

Current License

• CC BY-NC 4.0

Autor modificaciones al diseño original

• Fab Lab ESAN, email: Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo. 
  • Jorge Valerio
  • César López
  • Naldi Carrión 

Modification

• Elastic grip adjustment method has been modified to improve its manual adjustment, by including 3 slots at each sides
• Dimensions variations has been applied due to local ergonomics needs:
  • Forehead structure width has been extended to increase face coverage up to sideburns
  • Forehead structure front wall height was reduced up to 6mm.
  • Faceshield width and height was extended up to 240 and 354 mm.
  • Faceshield bottom corners have been rounded.
  • Curves slots have been added into forehead structure top sides.
  • Forehead structure lateral pins have been relocated to improve faceshield assembly

Modificaciones

• El método de ajuste elástico varió para mejorar su ajuste manual colocándose 3 pasadores a cada lado.
• Variaciones en las dimensiones de la visera y de la pantalla PET se realizaron debido a las necesidades ergonómicas y requerimientos de uso detectados en las pruebas de campo:
  • Se incrementó la curvatura de la visera para incrementar la cobertura  de la pantalla PET  hacia los lados del rostro alcanzando las patillas.
  • La altura de la pared frontal de la visera disminuyó a 6 mm
  • El ancho y largo de la pantalla PET  del escudo facial se incrementaron a 240 y 354 mm respectivamente.
  • Las esquinas inferiores de la pantalla PET se han redondeado.
  • Se agregaron orificios curvos de ventilación en la parte superior lateral de la visera.
  • Los pines de ajuste lateral para la pantalla PET se corrieron para mejorar el ensamblaje.

Disclaimer

• Design modifications follow EDP 101 - FACIAL PROTECTION SHIELD FOR BIOLOGICAL RISK REDUCTION (INACAL, 2020) guidelines.
• Currently the design is not certified by any national or foreign entity.

Descargo de responsabilidad

• Las modificaciones del diseño se realizaron siguiendo los lineamientos de EDP 101 - ESCUDO DE PROTECCIÓN FACIAL PARA REDUCCIÓN DE RIESGO BIOLÓGICO (INACAL, 2020).
• Actualmente el diseño no se encuentra certificado por alguna entidad nacional o extranjera.