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APPLICATION
Arthur Rodriguez Gonzalez Cortes, Kurt Galea, Juliana No-Cortes, Edward J. Sammut,
Emad Eddin Alzoubi, Nikolai J. Attard
Use of free CAD design software for 3D printing individualized
face masks based on face scans
Einsatz von CAD-Design-Freeware zur Individualisierung
3-D-gedruckter Atemschutzmasken anhand von Gesichtsscans
Zusammenfassung Abstract
Ziel: Vorstellen eines Verfahrens zur digitalen Individuali- Aim: To describe a method of digitally customizing 3D-print-
sierung 3-D-gedruckter Atemschutzmasken anhand von ed face mask designs using 3D face scans and free software.
Gesichtsscans unter Verwendung von Freeware. Materials and methods: The procedure of creating custom-
Material und Methoden: Zur Anfertigung individualisierter ized face masks initially involved importing and aligning STL
Atemschutzmasken wurden zunächst STL-Dateien von files of face scans and mask components in free CAD soft-
Gesichtsscans in CAD-Freeware importiert und ausgerichtet. ware. The imported mask described in this article is com-
Die in diesem Artikel beschriebene, importierte Maske besteht posed of three different STL files (body, filter structure, and
aus drei verschiedenen STL-Vorlagen (für Körper, Filterstruktur grid). The body of the mask was then edited to fit precisely
und Gitternetz). Anschließend wurde der Maskenkörper mit- into the face scan STL by using the software’s offset tool, fol-
hilfe des Offset Tools des Programms so verändert, dass er lowed by adjustments and smoothening of the surfaces of
präzise in den STL-Gesichtsscan passt. Danach erfolgten ein the edges. The resulting customized body of the mask plus
paar Feinabstimmungen und wurden die Oberflächen der the filter and grid STL files were exported and 3D printed with
Ränder geglättet. Der so entstandene Maskenkörper wurde polylactic acid (PLA) filament using a fused deposition mode-
gemeinsam mit den STL-Vorlagen für den Filter und das Git- ling (FDM) 3D printer. For the purposes of comparison, a con-
ternetz exportiert und mit einem FDM-Drucker (Fused Depo- ventional 3D-printed mask (from the original STL files, with-
sition Modeling) dreidimensional aus Polymilchsäure (PLA)- out being customized for the face scan) was also 3D printed
Filament gedruckt. Zum Vergleich wurde eine konventionelle from the original STL files. Both face masks were tested on the
3-D-gedruckte Maske angefertigt (anhand der ursprünglichen same two volunteers.
STL-Vorlage, aber ohne Anpassung an den Gesichtsscan). Die Results: The customized 3D-printed face mask presented a
beiden Masken wurden an demselben Freiwilligen getestet. higher adaptation compared with the conventional face
Ergebnisse: Die individualisierte 3-D-gedruckte Atem- mask. The area of facial contact matched the one digitally
schutzmaske lag enger an als die konventionelle Atem- designed in the software. The 3D-printed grid could clip
schutzmaske. Der Kontaktbereich mit der Haut entsprach exactly into the filter, which in turn could be precisely screwed
demjenigen, der mit dem Programm geplant worden war. into the body of the face mask.
Das 3-D-gedruckte Gitternetz ließ sich präzise im Filter Conclusion: Within the limitations of this technical report,
befestigen, der wiederum präzise in den Körper der Atem- the present findings suggest that customized 3D-printed
schutzmaske geschraubt werden konnte. face masks with enhanced adaptation can be digitally
Schlussfolgerung: Bezogen auf diesen technischen designed using face scans and free CAD software.
Bericht legen die vorgestellten Ergebnisse nahe, dass indi-
vidualisierte 3-D-gedruckte Gesichtsmasken mit besserer Keywords: facial scanning, face mask, 3D printing, CAD/CAM,
Passung digital mithilfe von Gesichtsscans und CAD-Free- COVID-19
ware entworfen werden können.
Schlüsselwörter: Gesichtsscannen, Gesichtsmaske, 3-D-Dru-
cken, CAD/CAM, COVID-19
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Introduction Einleitung
Personal protective equipment (PPE), including face masks, is Persönliche Schutzausrüstung (PSA), zu der auch Atem-
considered essential for protecting healthcare professionals. schutzmasken gehören, gilt als essenziell für den Schutz
Face masks minimize the risks of inhaling aerosols while per- von medizinischem Fachpersonal. Sie reduzieren die
forming clinical activities and have recently been described Gefahr, bei der Ausübung klinischer Tätigkeiten Aerosole
as useful to reduce the transmission of coronavirus disease einzuatmen, und vor Kurzem wurde für sie belegt, dass sie
(COVID-19), which has a special clinical relevance during the die Übertragung der Coronavirus-Erkrankung (COVID-19)
current pandemic.1 However, the global demand for filtering reduzieren können, was bei der aktuellen Pandemie von
facepiece respirators (FFRs) has made them scarce, and there- hoher klinischer Relevanz ist.1 Da aber FFP-Masken (Filte-
fore alternative ways are being sought to manufacture face ring Face Piece) aufgrund der hohen weltweiten Nachfra-
masks. ge kaum noch erhältlich sind, wird nach Alternativen zur
In order for FFRs to be effective as protection, the face Fertigung von Atemschutzmasken gesucht.
mask body should fit onto the individual’s face tightly and Damit FFP-Masken ihre volle Schutzwirkung entfalten
adequately. The mask should also contain a filter material können, müssen sie sich der Gesichtsform anpassen und der
adapted to the face mask body structure, ensuring satisfacto- Haut bündig anliegen. Außerdem sollten sie ein Filtermate-
ry protection in addition to comfort – the mask must allow rial enthalten, das an die Form des Maskenkörpers angepasst
the wearer to breathe and its edges must remain in contact ist und bei möglichst hohem Tragekomfort einen ausrei-
with the face. Similarly, fit reflects the adaptability of the rims chenden Schutz sicherstellt – der Träger der Maske muss
of the FFRs around the face. Failing to obtain a satisfactory fit atmen können, und die Maskenränder müssen dabei weiter-
around the face undermines the purpose of the face mask hin Kontakt mit dem Gesicht haben. Die Passung spiegelt die
and puts the wearer at risk.2 Anpassungsfähigkeit der Maskenränder an das Gesicht
One of the options to overcome the global shortage of wider. Bei unzureichender Passung kann die Maske nicht ihre
FFRs is the use of 3D-printed face masks. However, such volle Schutzwirkung entfalten und gefährdet den Träger.2
masks can be affected by different facial dimensions.3 Several Eine der Optionen zur Überwindung des weltweiten
STL files of 3D-printed facemasks have become available on Mangels an FFP-Masken ist die Verwendung 3-D-gedruck-
the internet. Some of these files have also received approval ter Atemschutzmasken, deren Schutzwirkung jedoch
from regulatory organizations such as the US Food and Drug durch unterschiedliche faziale Dimensionen beeinträchtigt
Administration (FDA).4 werden kann. 3 Im Internet stehen mehrere STL-Vorlagen
Thus, this proof-of-concept technical report is aimed at für 3-D-gedruckte Masken zur Verfügung, von denen eini-
describing a procedure of digitally customizing 3D-printed ge von Regierungsbehörden, wie der US Food and Drug
facemask designs using a 3D face scan of the patient and free Administration (FDA), zugelassen wurden.4
software. Daher wird in diesem technischen Machbarkeitsbericht
ein Verfahren zur digitalen Individualisierung 3-D-gedruck-
ter Masken anhand eines 3-D-Gesichtsscans des Patienten
Materials and methods unter Verwendung von Freeware vorgestellt.
This technical report was conducted according to the Decla-
ration of Helsinki guidelines. The volunteers who received the Material und Methoden
customized face masks used to illustrate this technical report
were authors of this study. Both of them signed an informed Dieser technische Bericht befolgt die Leitlinien der Dekla-
consent to confirm their willingness to participate as volun- ration von Helsinki. Bei den Freiwilligen, die die individua-
teers. lisierten Atemschutzmasken auf den Bildern in diesem
The procedure was initially performed by importing and Bericht tragen, handelt es sich um Autoren dieser Studie.
aligning STL files of the face scan (Fig 1a) obtained with a Bel- Beide stimmten der Studienteilnahme schriftlich nach Auf-
lus3D face scanning camera system (version 1.6.2; Bellus3D klärung zu.
Inc, Campbell, CA, USA) running on an Apple iPhone X (Apple Zunächst wurden die STL-Dateien des Gesichtsscans
Store, Cupertino, CA, USA) and conventional mask compo- importiert und abgeglichen (Abb. 1a). Dieser war mit
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Cortes et al
Fig 1 Screenshot of the software
showing a face scan STL image aligned to
be perpendicular to the software grid (a).
Screenshot of the software showing the
procedure of alignment of the mask with
the face scan (b).
Abb. 1 Screenshot der Software mit
einem STL-Bild des Gesichtsscans, der
rechtwinklig im Programmgitter ausge-
richtet ist (a). Screenshot der Software
während der Ausrichtung der Maske
a b
anhand des Gesichtsscans (b).
Fig 2 Selection of the area correspond-
ing to the borders of the mask (a).
Deselection of the facial area protected
by the mask (b).
Abb. 2 Auswahl des Bereichs, der den
Maskenrändern entspricht (a). Umreißen
des von der Maske geschützten Gesichts-
a b
bereichs (b).
einem Bellus3D-Gesichtsscan-Kamerasystem (Version nents (Fig 1b) in free CAD software (Autodesk Meshmixer 3.5;
1.6.2, Bellus3D Inc., Campbell, CA, USA) auf einem Apple Autodesk Inc, San Rafael, CA, USA). The face 3D reconstruc-
iPhone X (Apple Store, Cupertino, CA, USA) und konventi- tion should be aligned to have its long axis perpendicular to
onellen Maskenkomponenten (Abb. 1b) in CAD-Freeware the software grid. The imported conventional mask is usually
(Autodesk Meshmixer 3.5; Autodesk Inc., San Rafael, CA, composed of three different STL files (body, filter structure,
USA) aufgenommen worden. Die 3-D-Gesichtsrekonstruk- and grid). This methodology, however, can be performed
tion sollte so ausgerichtet sein, dass ihre Längsachse from any STL of conventional masks available on the internet.
senkrecht zum Programmraster steht. Die importierte Next, the body of the mask is edited to fit precisely in the
konventionelle Maske besteht aus drei verschiedenen face scan STL image. For this purpose, the borders of the
STL-Dateien (Körper, Filterstruktur und Gitternetz). Dieses mask are first outlined in the software by selecting the area of
Verfahren ist jedoch mit jeder im Internet verfügbaren the face that needs to be in contact with the mask (Fig 2a),
STL-Vorlage von konventionellen Masken möglich. then deselecting the area of the mouth and all skin surfaces
Im nächsten Schritt wird der Maskenkörper so bear- that will be protected by the mask (Fig 2b). Then, an offset
beitet, dass er genau in das STL-Bild des Gesichtsscans thickness is applied in millimeters in order to achieve satisfac-
passt. Dazu werden die Ränder der Maske zunächst in der tory gap closure between the original mask STL and the face
Software umrissen, indem der Bereich des Gesichts aus- scan (Fig 3). The border area is then extended according to
gewählt wird, der mit der Maske in Kontakt haben soll the shape of the face before being merged with the body of
(Abb. 2a). Dann werden der Bereich des Mundes und alle the mask (Fig 4). The resulting body then undergoes 3D
Hautflächen, die durch die Maske geschützt werden sol- smoothening of the surfaces of the edges.
len, umrissen (Abb. 2b). Nun wird die Dicke des verbliebe- The resulting customized body of the mask plus the filter
nen Randes mithilfe des Offset-Tools der Software auf and grid STL files are exported, then 3D printed with polylac-
2 mm eingestellt (Abb. 3) und der Randbereich anhand tic acid (PLA) filament using a fused deposition modeling
der Gesichtsform erweitert und schließlich mit dem Mas- (FDM) 3D printer (Creator Pro FlashForge; FlashForge Corp,
kenkörper verschmolzen (Abb. 4). Dann wird die Oberflä- Jinhua, China) before being refined with tungsten and rubber
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Fig 3 Application of 2-mm thickness for the area of the borders Fig 4 Extension of the mask area performed according to the
(green) performed using the software’s offset tool. face shape.
Abb. 3 Einstellen der Randdicke (grün) auf 2 mm mithilfe des Abb. 4 Ausweitung des Maskenbereichs gemäß der Gesichts-
Offset Tools. form.
che der Ränder des so entstandenen Maskenkörpers drei-
Fig 5 dimensional geglättet (s. Abb. 4).
Resulting Dieser individualisierte Maskenkörper sowie die STL-
3D-printed mask
Vorlagen für Filter und Gitternetz werden exportiert, mit
in position, which
provides satisfac- Polymilchsäure (PLA)-Filament mit einem FDM-3-D-
tory adaptation Drucker (Creator Pro FlashForge, FlashForge Corp, Jinhua,
and comfort. China) 3-D-gedruckt und anschließend mit Wolfram- und
Abb. 5 Gummifräsern veredelt (Abb. 5). Die Gesamtzeit für den
Die positionierte digitalen Entwurf der Maske beträgt etwa eine Stunde,
3-D-gedruckte während die Zeit für den 3-D-Druck aller Maskenkompo-
Maske zeigt eine nenten abhängig von den fazialen Dimensionen des Trä-
zufriedenstellende gers acht bis zwölf Stunden dauert.
Passung und
guten Tragekom-
Zum Vergleich wurde eine konventionelle 3-D-ge
fort. druckte Maske angefertigt (anhand der ursprünglichen STL-
Daten, aber ohne Anpassung an den Gesichtsscan). Die bei-
den Masken wurden an demselben Freiwilligen getestet.
burs (Fig 5). The total time required for digitally designing the Ergebnisse
mask is approximately 1 h, while the time required for 3D
printing all mask components varies from 8 to 12 h, depend- Die mittels 3-D-Druck individualisierte Atemschutzmaske
ing on the facial dimensions of the wearer. wies eine bessere Passung und einen höheren Tragekom-
For the purpose of comparison, a conventional 3D-print- fort auf als die herkömmliche Atemschutzmaske auf
ed mask (ie, from the original STL files, without being custom- (Abb. 6). Der Bereich des Gesichtskontakts entsprach dem
ized for the face scan) was also 3D printed. Both masks were in der Software digital entworfenen Bereich. Das
tested on the same two volunteers. 3-D-gedruckte Gitter konnte präzise in den Filter einge-
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Fig 6 Adaptation comparison of
3D-printed face masks: Conventional face
mask fabricated from the original STL files
without digital customization (a).
Customized face mask with custom shape
based on face scan (b). Lateral view of the
conventional face mask shows an
undesired space between the mask
border and the face skin (black arrow)
during the fitting test (c). Lateral view of
the customized face mask shows a tight
and satisfactory adaptation of the mask
on the face (d). a b
Abb. 6 Vergleich der Passung der
3-D-gedruckten Atemschutzmasken:
Konventionelle Atemschutzmaske, die
anhand der ursprünglichen STL-Vorlage
ohne digitale Individualisierung angefer-
tigt wurde (a). Individualisierte Atem-
schutzmaske, deren Form sich an dem
Gesichtsscan orientiert (b). Die laterale
Ansicht der konventionellen Atemschutz-
maske zeigt eine unerwünschte Spalte
zwischen dem Maskenrand und der
Gesichtshaut (schwarzer Pfeil; c). Die
laterale Ansicht der individualisierten
Gesichtsmaske belegt einen festen und
c d
zufriedenstellenden Sitz (d).
setzt werden, der wiederum ebenfalls präzise in den Mas- Results
kenkörper geschraubt werden konnte. Auch die Masken-
aufsätze für elastische Fäden konnten 3-D-gedruckt und The customized 3D-printed face mask presented higher
mit zufriedenstellender Präzision verwendet werden, adaptation and comfort than the conventional face mask
obwohl darin keine flexiblen Fäden verwendet wurden. (Fig 6). The area of facial contact matched the one digitally
designed in the software. The 3D-printed grid could clip into
the filter precisely, which in turn could also be precisely
Diskussion screwed into the body of the mask. Similarly, the mask attach-
ments for elastic strings could also be 3D printed and used
In diesem technischen Bericht sollte eine praktikable Tech- with satisfactory precision, despite no flexible filaments
nik zur digitalen Individualisierung von 3-D-gedruckten being used therein.
Atemschutzmasken beschrieben werden, indem konven-
tionelle STL-Dateien für Atemschutzmasken anhand von
Gesichtsscans angepasst wurden. Ein Stück Filterpapier Discussion
(z. B. N95, P2 usw.) kann präzise zwischen dem
3-D-gedruckten Filter und dem Gitternetz angebracht This technical report aimed to describe a feasible technique
werden. Das Filterpapier erhöht den Schutzfaktor der for digitally customizing 3D-printed face masks by adapting
Maske. Diese Methodik ist für Angehörige der Gesund- conventional face mask STL files to individual face scans. A
heitsberufe klinisch relevant und könnte auch im öffentli- piece of filter paper (eg, N95, P2, etc) can be precisely applied
chen Gesundheitswesen angewandt werden, da Freeware between the 3D-printed filter and the grid. The filter paper
und relativ kostengünstige FDM-3-D-Drucker verwendet enhances the protection factor of the mask. This methodolo-
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gy is clinically relevant for health professionals, and could also werden. Deswegen sollte sich nach positiven qualitativen
be applied in public health services, since free software and und quantitativen Testergebnissen sowie den Empfehlun-
relatively low-cost FDM 3D printers are used. For this pur- gen der zuständigen Behörden gerichtet werden.
pose, satisfactory qualitative and quantitative fit test results as Der vorliegende technische Bericht unterstützt eine
well as any other recommendations from the applicable author- frühere Studie, in der eine Methode zur Herstellung von
ities should be followed. Atemschutzmasken in drei Größen durch das Scannen von
The present technical report supports a previous study Gesichtern mit einem 3-D-Scanner beschrieben wird. 3
describing a method to fabricate three sized face models by Allerdings werden in dieser Studie nur drei verschiedene
scanning faces using a 3D scanner.3 However, the aforemen- Größen von Atemschutzmasken aus Silikon unter Verwen-
tioned study presents only three different sizes of respirator dung von Rapid Prototyping angefertigt. Eine andere Stu-
models made of silicone using rapid prototyping. On the die hingegen stellte eine Methode vor, bei der minimale
other hand, another study proposed a method that utilizes Kontaktpunkte und ein minimaler Satz von Orientierungs-
minimal contact points and a minimal set of landmarks to punkten verwendet werden, um eine optimale Passform
ensure an optimal fit. 5 Similarly, another methodology was zu gewährleisten.5 Eine weitere Methode verwendet einen
presented to design a specific computerized algorithm to speziellen, computergestützten Algorithmus zur Bestim-
determine the contact points between the face and FFRs mung der Kontaktpunkte zwischen dem Gesicht und den
based on pressure points.6 According to this algorithm, the FFP-Masken auf der Grundlage von Druckpunkten.6 Nach
contact point could be used to redesign the shape of the diesem Algorithmus kann der Kontaktpunkt dazu verwen-
respirator. Contact points that are considered to be relevant det werden, die Form der Atemschutzmaske umzugestal-
pressure points have been identified as nose bridge, upper ten. Kontaktpunkte, die als relevante Druckpunkte
cheek, middle cheek, lower cheek, and chin.7 betrachtet werden, fanden sich auf Nasenrücken, oberer,
Considering the technical report focus of this article on mittlerer und unterer Wange sowie am Kinn.7
the potential of free CAD software for digital customization Angesichts des technischen Schwerpunkts dieses
of facemasks, future prospective laboratory and clinical Berichts zum Potenzial von kostenloser CAD-Software zur
studies with long follow-up periods are recommended to digitalen Anpassung der Masken, werden weitere pros-
address the long-term stability and particle protection lev- pektive Laborstudien und klinische Studien mit langen
els of these face masks. Another limitation of the present Beobachtungszeiträumen empfohlen, um die Langzeitsta-
methodology is that at least basic software and CAD knowl- bilität und das Partikelschutzniveau dieser Atemschutz-
edge is required in order to use the free CAD software masken zu untersuchen. Eine weitere Einschränkung der
described in this article. On the other hand, more straight- vorgestellten Methodik besteht darin, dass zumindest
forward tools and plug-ins are constantly being developed grundlegende Software- und CAD-Kenntnisse erforderlich
to simplify the procedure of digitally designing face masks, sind, um die in diesem Artikel verwendete kostenlose
especially considering the current focus on finding solutions CAD-Software nutzen zu können. Allerdings werden stän-
for preventing COVID-19 infection. dig einfachere Werkzeuge und Plug-ins entwickelt, um die
In conclusion, within the limitations of this technical digitalen Gestaltung von Atemschutzmasken zu vereinfa-
report, the present findings suggest that customized chen, vor allem weil nach Ansätzen gesucht wird, um
3D-printed face masks with enhanced adaptation can be dig- COVID-19-Infektionen zu verhindern.
itally designed using scans and free CAD software. Bezogen auf diesen technischen Bericht legen die vor-
gestellten Ergebnisse nahe, dass individualisierte
3-D-gedruckte Gesichtsmasken mit besserer Passung digi-
Acknowledgments
tal mithilfe von Gesichtsscans und CAD-Freeware entwor-
The authors thank Dr. Mayra Vasques, for encouraging this fen werden können.
report and for inspiring them with her efforts coordinating
the Higia Project (Brazil), which is helping to offer face shields
Danksagungen
to health professionals all over Brazil. We also thank the com-
panies ClearSmile Malta and Done3D (Brazil) as well as Drs. Wir danken Dr. Mayra Vasques, dass sie uns darin bestärkte,
Ivan Onone Gialain, Rafael Carneiro, and Gustavo Mendonça diesen Bericht zu verfassen und für ihre Koordination des
for encouraging this report. Higia-Projekts (Brasilien), welches Angehörigen der Gesund-
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heitsberufe in ganz Brasilien Gesichtsschutzschilde anbietet. Disclaimer
Wir danken auch den Unternehmen ClearSmile Malta und
Done3D (Brasilien) sowie den Dres. Ivan Onone Gialain, Rafa- The authors report no conflicts of interest related to this
el Carneiro und Gustavo Mendonça für ihre Unterstützung. study. No funding was available for this study.
Haftungsausschluss
Die Autoren geben bezogen auf diese Studie keine Interes-
senskonflikte an. Diese Studie musste nicht durch Drittmit-
tel finanziert werden.
References
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Accessed 8 April 2020.
Arthur Rodriguez Gonzalez Cortes, DDS, PhD Edward J. Sammut, DDS, MS
Associate Professor, Department of Dental Assistant Lecturer, Department of Oral Rehabilita-
Surgery, Faculty of Dental Surgery, University of tion and Community Care, Faculty of Dental
Malta, Msida, Malta Surgery, University of Malta
Kurt Galea, CDT Emad Eddin Alzoubi, DDS, MS
Dental Technician, Department of Prosthodontics PhD candidate, Department of Oral Rehabilitation
and CAD-CAM, ClearSmile Malta, Balzan, Malta and Community Care, Faculty of Dental Surgery,
University of Malta, Msida, Malta
Juliana No-Cortes, DDS, MS
PhD candidate, Department of Dental Surgery, Nikolai J. Attard, DDS, PhD
Faculty of Dental Surgery, University of Malta, Dean and Full Professor, Department of Oral
Msida, Malta Rehabilitation and Community Care, Faculty of
Arthur Rodriguez Dental Surgery, University of Malta, Msida, Malta
Gonzalez Cortes
Address Dr Arthur Rodriguez Gonzalez Cortes, Department of Dental Surgery, Faculty of Dental Surgery, University of Malta, Block A,
Level 0, Mater Dei Hospital, Msida MSD 2080, Malta; Tel/fax: +35 6 99729634; E-mail: arthur.nogueira@um.edu.mt
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