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Ensemble de production de masque respiratoire réutilisable - Par : Mykhailo Samoilenko, Salah Eddine Brika, Vladimir Brailovski,

Ensemble de production de masque respiratoire réutilisable


Mykhailo Samoilenko
Mykhailo Samoilenko Profil de l'auteur(e)
Mykhailo Samoilenko est assistant de recherche en génie mécanique à l’ÉTS et ses projets portent sur l’application de la fabrication additive dans les différents domaines de l’ingénierie.
Programme : Génie mécanique 

Salah Eddine Brika
Salah Eddine Brika Profil de l'auteur(e)
Salah Eddine Brika est étudiant au doctorat en génie mécanique à l’ÉTS et ses travaux portent sur la rhéologie des poudres métalliques pour la fabrication additive.
Programme : Génie mécanique 

Vladimir Brailovski
Vladimir Brailovski Profil de l'auteur(e)
Vladimir Brailovski est professeur titulaire et directeur de laboratoire au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Il est spécialiste en conception et en fabrication de dispositifs en alliages à mémoire de forme et en fabrication additive.
Programme : Génie mécanique 

Coronavirus responsable de la Covid-19.

Unsplash.com. Sans restrictions d’usage.

RÉSUMÉ:

La crise de la COVID-19, qui a commencé fin 2019-début 2020 et perdure jusqu’à maintenant, a démontré l’inefficacité et l'absence de préparation des infrastructures de plusieurs domaines (médical, du transport, industriel) à faire face à une pandémie mondiale. La Chine, représentant environ 29 % de la production mondiale de biens, a été la première touchée par le virus, ce qui a entraîné des blocages et des retards dans la chaîne d'approvisionnement du pays. La propagation rapide du virus dans le monde, combinée avec le fait que la production d'équipements de protection individuelle (EPI) est principalement concentrée en Chine, a causé une grave pénurie d’EPI de par le monde. Pour renforcer le niveau de préparation à de futures pandémies éventuelles, un ensemble de production de masques respiratoires basé sur les technologies d'impression 3D et de thermoformage est proposé. Cet ensemble pourrait être facilement déployé dans n’importe quelle partie du monde en cas de problèmes de chaîne d'approvisionnement.

Introduction

La COVID-19 est une maladie infectieuse causée par le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2). Le virus se propage principalement par contact de personne à personne, par des gouttelettes respiratoires produites lorsqu’une personne infectée tousse ou éternue, et par contact avec des surfaces ou des objets contaminés.

La facilité de transmission du SRAS-CoV-2 a entraîné une forte augmentation des hospitalisations dans de nombreuses villes. L’une des lignes directrices de l’Organisation mondiale de la santé (OMS) concernant la prévention et la maîtrise de l’épidémie recommande l’utilisation d’équipements de protection individuelle (EPI) appropriés dans les lieux publics. L’augmentation urgente et écrasante de la demande d’EPI, en particulier de masques de protection respiratoire de classe N95, a provoqué une pénurie d’approvisionnement mondiale, démontrant l’inefficacité et le manque de préparation des chaînes d’approvisionnement en cas de force majeure ou de circonstances exceptionnelles.

Pour éviter de rencontrer ces difficultés à l’avenir, il est important de proposer des solutions de rechange peu coûteuses et technologiquement simples, qui pourraient remplacer temporairement une production plus sophistiquée et être facilement déployées n’importe où dans le monde.

Masque respiratoire : ensemble de production

L’ensemble de production de masques respiratoires présenté dans cet article est vu comme une option simple, peu coûteuse et facile à mettre en œuvre pour la fabrication d’EPI réutilisables. Cet ensemble pourrait pallier temporairement les ruptures d’approvisionnement tout en répondant aux besoins de santé et de sécurité publique, sans nécessiter d’infrastructures ou de compétences particulières. Le principal avantage de cette solution technique est qu’elle utilise un procédé de fabrication (thermoformage) économique et facile à déployer dans n’importe quelle partie du monde. 

L’ensemble proposé contient les éléments suivants : (a) un moule de thermoformage, (b) les composants d’assemblage, (c) les matériaux de production : les feuilles de polyéthylène à basse densité pour la fabrication de la coque, les feuilles du matériau filtrant et du matériau de soupape, les bandes élastiques, les rivets à enfoncer et (d) une machine compacte de thermoformage (Figure 1).

Ensemble de production d’équipement de protection respiratoire de type N95.

Figure 1. (a) Moule ; (b) Composants d’assemblage ; (c) Matériaux de production ; (d) Machine de thermoformage

L’ensemble complet du masque EPI est représenté à la Figure 2a et la vue éclatée sur la Figure 2b. L’utilisation de polyéthylène à basse densité hautement flexible et les bords arrondis de la coque, d’une grande adaptabilité, offrent ajustement et confort aux différentes formes de visage. De plus, le polyéthylène a une bonne résistance chimique aux produits de nettoyage couramment utilisés (eau de Javel, méthanol, alcool isopropylique). Un simple système de valve d’expiration peut être inclus dans la conception du masque, une caractéristique qui est généralement négligée afin de simplifier le produit. Le système de valve d’expiration permet de réduire la résistance respiratoire et l’accumulation d’air chaud, offrant ainsi plus de confort au porteur. En cas d’interdiction d’utilisation de masques faciaux avec soupapes d’expiration (Figure 2a-1), si l’expiration non filtrée constitue une menace pour les personnes environnantes, la conception est facilement convertible en un masque avec trois filtres (Figure 2a-2). Le masque est conçu pour faciliter le remplacement des filtres à l’aide d’un système de bouchon fileté. Les respirateurs peuvent être facilement démontés afin de nettoyer leurs composants.

Détails du masque fabriqué par thermoformage

Figure 2. Différentes conceptions du masque : (a.1) Deux filtres et soupape d’expiration ; (a.2) Trois filtres et aucune soupape d’expiration ; (b) Vue éclatée de l’EPI : (1) coque du masque EPI ; (2) joints d’étanchéité du filtre ; (3) adaptateur de filtre ; (4) écrou de filtre ; (5) porte-filtre ; (6) bouchon de filtre ; (7) filtre HEPA ; (8) soupape en silicone ; (9) goupille enfichable

La séquence de fabrication de la coque du masque EPI (1) est présentée sur la Figure 3 et est composée de trois étapes : (1) la taille de moule requise (P/M/L) est sélectionnée (Figure 3a); (2) le thermoformage sous vide est effectué (Figure 3b) et (3) la coque formée est découpée et percée aux dimensions requises (Figure 3c).

Coque de masque fabriqué par thermoformage

Figure 3. Principales étapes de la fabrication de la coque du masque facial : (a) Impression 3D du moule mâle ; (b) Formage sous vide ; (c) Découpe et finition de la coque

Après la fabrication de la coque, l’assemblage du masque est finalisé avec l’attachement des filtres, soupape (optionnelle) et bande élastique. Un exemple de masque assemblé est présenté à la Figure 4.

Masque fabriqué par thermoformage

Figure 4. Masque assemblé

En fonction de la quantité d’EPI requise, les coûts totaux par ensemble complet (en tenant compte de la dépréciation de la machine de thermoformage Formech Compac Mini de 50 % après 1 an de fonctionnement) et par masque (en considérant des coûts de fabrication de 35 $/h et un délai de production de 10 min/masque) ont été estimés. L’ensemble complet pour fabriquer 100 EPI coûte au total 2225 $, ce qui revient à 28,2 $/masque ou 0,28 $/utilisation (le matériel comprend 20 ensembles de filtres remplaçables par masque et 5 réutilisations pour chacun). Le prix à l’usage s’avéré comparable à celui des masques N95 (0,30$/usage, en considérant 5 réutilisations par masque). De plus, une réduction totale du coût/masque d’environ 50 % est obtenue lorsque la capacité de production atteint 1000 articles, ce qui se traduit par un rapport coût-efficacité de 0,13 $/utilisation. 

Il est à noter qu’avant d’être utilisé, le masque proposé doit démontrer une efficacité de filtration au moins équivalente à celle du masque N95 et être testé conformément à la norme de l’industrie (fuite, inspiration/expiration, etc.). 

Conclusion

L’ensemble EPI proposé pourrait offrir des moyens indépendants et efficaces pour la production à la demande des masques respiratoires, sans dépendre des voies d’approvisionnement usuelles. La coque du respirateur est entièrement fabriquée à l’aide du procédé de thermoformage sous vide, sélectionné comme la technologie la mieux adaptée pour ce produit compte tenu de ses capacités de production élevées, de sa simplicité et de sa relative rentabilité (par rapport à d’autres technologies de production de masse). Le coût estimé par utilisation est le même que pour les masques EPI N95, ce qui confirme la validité de la méthode de fabrication proposée en cas de pénurie d’approvisionnement.

Mykhailo Samoilenko

Profil de l'auteur(e)

Mykhailo Samoilenko est assistant de recherche en génie mécanique à l’ÉTS et ses projets portent sur l’application de la fabrication additive dans les différents domaines de l’ingénierie.

Programme : Génie mécanique 

Laboratoires de recherche : LAMSI – Laboratoire sur les alliages à mémoire et les systèmes intelligents 

Profil de l'auteur(e)

Salah Eddine Brika

Profil de l'auteur(e)

Salah Eddine Brika est étudiant au doctorat en génie mécanique à l’ÉTS et ses travaux portent sur la rhéologie des poudres métalliques pour la fabrication additive.

Programme : Génie mécanique 

Laboratoires de recherche : LAMSI – Laboratoire sur les alliages à mémoire et les systèmes intelligents 

Profil de l'auteur(e)

Vladimir Brailovski

Profil de l'auteur(e)

Vladimir Brailovski est professeur titulaire et directeur de laboratoire au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Il est spécialiste en conception et en fabrication de dispositifs en alliages à mémoire de forme et en fabrication additive.

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Laboratoires de recherche : LAMSI – Laboratoire sur les alliages à mémoire et les systèmes intelligents 

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