TRIZ 理論在FDM 3D 打印機平臺的創新設計中的應用

吉利, 楊孜麒, 胡雙飛, 江帆

（1.中山大學附屬第一醫院，廣州510080；2.深圳市中科維盛文化與科學傳播有限公司，廣東 深圳518000；3.廣州歐歐醫療科技有限責任公司，廣州510080；4.廣州大學 機械與電氣工程學院，廣州510006）

0 引 言

3D打印又稱增材制造，是一種以三維數字軟件模型為基礎，運用金屬、粉末、塑料或紙張等可粘合材料，通過逐層打印的方式制造出實體模型的快速成型技術。該技術具有高效、節能和環保等優點，近年來發展迅速，已被廣泛應用于航空航天、生物醫學、機器人設計等領域。3D 打印技術主要包括立體光固化成型技術（SLA）、三維粉末粘接技術（SLS）、熔融擠壓堆積成型技術（FDM）等，其中FDM 技術基于其設備簡單易于控制、材料成本低且利用率高等特點，是目前最經濟最常用的3D 打印技術[1]。FDM 3D 打印機由框架、平臺、導軌、擠出機及熱嘴、加熱器、電路控制部分等組成。平臺作為3D 打印機的重要組件，用以承接和固定打印中的模型，3D 打印完成后模型需對模型與平臺進行分離獲得完整的模型。然而，目前打印完成后的模型普遍難以從3D 打印機成型平臺分離開，徒手或借助工具強行將模型與平臺進行分離易損壞模型底部，且耗時較多，極大地影響3D 打印機的工作效率。

近年來，創新方法在各個領域的科學研究與工程實踐中不斷應用，基于TRIZ[2]理論的創新方法不斷被采用。機械設計制造領域為TRIZ 理論最主要的應用領域之一，A.M.Noor[3]等使用TRIZ 原理研究新型發動機橡膠安裝復合材料并得到最佳的設計方案；Justel 等[4]利用TRIZ提出一種可拆卸設計創新方法；此外，TRIZ 理論還在化工[5]、建筑[6]、醫藥[7]等方面得到廣泛應用。現TRIZ 已形成完整的理論體系：問題識別、問題解決和概念驗證。TRIZ的應用流程如圖1所示。

隨著創新方法的進一步推廣，TRIZ 理論逐漸應用在3D 打印中，祝明溪等[8]利用TRIZ 預測了3D 打印機服務系統開發的趨勢，王世磊等[9]將TRIZ 理論應用于3D 浮雕打印，降低了3D 打印的成本，得到了可產業化的生產工藝；韓善靈等[10]根據TRIZ 原理對3D 打印機混色裝置進行創新設計，實現了混色打印。綜上所述，TRIZ 理論在3D 打印領域具有很好的適用性。因此，本研究創新性地利用TRIZ 理論解決FDM 3D 打印機中模型難以完好取出的問題。通過剖析模型難取的原因，借助創新工具，設計出可克服模型難以取出的3D 打印平臺，為3D 打印機的創新設計提供新方向，對3D 打印的進一步推廣與結構優化具有重要意義。

圖1 TRIZ 應用流程

1 3D 打印及其平臺組件工作原理介紹

3D打印是一種增材制造技術，它能夠實現產品的一次性成型。3D 打印機在控制軟件的指令下，根據3D 數字信息，層層堆積材料而形成新的產品[11]。FDM 3D 打印機是目前最經濟最廣泛應用的快速原型制造工具[12]，其基本工作原理是：擠壓頭將PLA 材料（一種工程塑料）加熱擠出噴涂在成型平臺上，通過逐層疊加的方式打印出三維實體模型，如圖2 所示。

圖2 FDM 3D打印平臺示意圖

PLA線材在擠壓頭1的作用下被加熱擠出；被擠出的材料2被噴涂在成型平臺3上；通過擠壓頭1和成型平臺3在三維空間中的移動實現材料在成型平臺上的疊加成型；模型打印完成后將模型與平臺進行分離，獲得所需模型。

2 TRIZ理論對工程問題的分析

2.1 問題概述

固態PLA線材在熔融狀態下與平臺組件接觸，因其在熔融狀態下具有黏著性，模型打印完成后難以從成型平臺上取下，尤其是打印較大尺寸的模型時。具體表現在模型打印完成后，由于模型與平臺黏附太緊難以實現平臺與模型的分離。在打印底面較小的小尺寸模型時可徒手將模型與平臺分離，打印大尺寸的模型時，模型很難通過徒手進行分離，徒手操作可能會損壞模型，尤其是薄壁型的模型。基于此，該問題可描述為：模型與平臺難以分離；定義系統名稱為FDM 3D打印機的成型平臺；技術系統功能為承載和固定模型。FDM 3D打印機與模型示意圖如圖3所示。

2.2 系統功能模型構建

功能分析是TRIZ 理論中分析、定位問題的重要工具，功能分析可以從功能的角度找到工程系統中的功能缺點，或者存在問題的組件。

當前分析系統的超系統為空氣和取件工具；系統組件有平臺、噴嘴、PLA材料、加熱器、機架、導軌；作用對象為模型底層。FDM 3D打印機功能組件分析如圖4所示。

圖3 FDM 3D打印機與模型示意圖

圖4 FDM 3D打印機的成型平臺功能模型

由圖4可知，平臺對模型底層黏附過度、取件工具功能不足，均可能導致模型與平臺難以分離造成模型底部受損。

2.3 因果分析

因果分析是全面識別工程系統缺點的分析工具。通過因果分析可以挖掘隱藏于初始問題背后的各種問題，經過逐步深入分析，幫助梳理邏輯關系，便于找到關鍵問題點，根據得出的關鍵問題嘗試尋找有效的解決方案。根據TRIZ理論，分析模型從FDM 3D打印機成型平臺難以取下的原因，應用TRIZ語言進行規范化描述，并據此繪制因果分析鏈，如圖5所示。

根據圖5可知，模型難取即模型難以與平臺分離的根本原因可歸納為以下4點：1）平臺黏性過度；2）接觸面面積過度；3）噴嘴第一層橫向位移間隔不足；4）噴嘴第一層離平臺距離過度。噴嘴橫向和垂直向與平臺的距離可以通過調節打印切片文件的參數進行解決。因此，本研究應用TRIZ工具對平臺黏著性過度、接觸面面積過度的問題進行解決，尋找具有可操作性的解決方案。

3 RIZ工具對工程問題的求解

3.1 技術矛盾解決問題

技術矛盾指系統在一個方面得到改進時，將削弱另一方面的期望。由圖5可知，平臺黏性過度與接觸面面積過度都是模型與平臺難以分離的直接原因，用解決技術矛盾的結構化語言對其進行表述：如果（if）減小平臺的黏著強度，將（then）減小平臺對模型的黏著力，導致(but)模型在打印過程中難以固定在平臺上，脫落導致成型難；如果（if）減小平臺的接觸面積，將（then）減小平臺對模型的黏著力，導致(but)模型在打印過程中難以固定在平臺上，脫落導致成型難，可靠性差。應用TRIZ工具解決面臨的技術矛盾，具體流程如下：

圖5 因果分析圖

1）利用TRIZ技術矛盾解決“減小平臺黏著性，降低模型可靠性”的問題。

將模型與平臺難以分離的問題轉化為平臺對模型的黏著力與模型黏附強度的技術矛盾，將黏著力對應的工程參數設定為“力”，將模型打印質量的保障對應工程參數“可靠性”。該問題的技術矛盾為：增大強度改善這一工程參數的同時，惡化可靠性這一參數。查找TRIZ矛盾矩陣，提出相應的解決原理，分別為3和11。

依據NO.3 發明原理-局部質量的啟發：將平臺上表面設計為非均質結構，如波浪形，如圖6（a）所示。

依據NO.11 發明原理-預先防范的啟發：預先在平臺上打孔，在下方增加一套負壓吸附裝置，如圖6（b）所示。

2）利用TRIZ技術矛盾解決“減小平臺黏著性，降低模型強度”的問題。

將模型與平臺難以分離的問題轉化為平臺與模型的接觸面積與模型黏附強度的技術矛盾，將接觸面積對應的工程參數設定為“運動物體的面積”，將模型質量強度對應工程參數“強度”。該問題的技術矛盾為：減少接觸面積改善這一工程參數的同時，惡化強度這一參數。查找TRIZ矛盾矩陣，提出相應的解決原理，分別為3、14、15、40，其中發明原理NO.3局部質量已在“減小平臺黏著性，降低模型可靠性”中應用；NO.15 動態化，該發明原理在應用時強調自適應環境，與物理矛盾求解中的NO.11預先防范（3.2）有一定的相似性；NO.40用復合材料代替，需要尋找新型復合材料，目前在工業制造中未發現可解決該問題的新型材料。以上發明原理均可對平臺優化改進提供一定的思路。

圖6 創新平臺結構圖

依據NO.14 發明原理-曲面化得到啟發：將平臺更換為可以分離的兩部分，上半部分用有彈性的材料，取模型時將模型連同平臺上半部分一起取下，然后使平臺上半部分彎曲，如圖7所示。

圖7 創新平臺結構圖

綜上，應用TRIZ理論查找到5個對本研究具有幫助性的發明原理，結合實際情況分析并獲得1個具體的解決方案，為FDM 3D打印機的創新設計提供新的思路。

3.2 物理矛盾求解

技術矛盾由多個物理矛盾組成，故技術矛盾也可找到深層次的物理矛盾。通過解決物理矛盾來解決實際問題，物理矛盾是當一個技術系統的工程參數具有相反的需求，就出現了物理矛盾。比如說，要求系統的某個參數既要出現又不存在，或既要高又要低，或既要大又要小等等。相對于技術矛盾，物理矛盾是一種更尖銳的矛盾，創新中需要加以解決。

根據因果分析，模型與平臺難以分離的直接原因是：平臺對模型的黏著力過度。3D打印機在打印過程中平臺對模型的黏著力要大，在打印時才能固定模型，保證打印模型的品質；打印完成后平臺對模型的黏著力要小，才能確保打印完成后平臺與模型的分離，此時對模型的黏著力既要大又要小，構成一對物理矛盾。因打印過程和打印完成不在同一時間操作，故嘗試進行時間分離：打印時黏著力大，完成時黏著力小。

40個創新原理中有12個屬于時間分離原理，包括：9-預先反作用、10-預先作用、11-預先防范、15-動態化、16部分超越、18-機械振動、19-周期性作用、20-有效作用的連續性、21-快速原理、29-氣壓與液壓結構、34-拋棄與再生、37-熱膨脹。

依據創新原理11 - 預先防范得到啟示：在平臺中預先增設幾個頂針，打印時頂針移至平臺以下，打印完成后頂針上升，頂出模型，如圖8所示。

圖8 創新平臺結構圖

綜上，結合實際通過物理矛盾，可獲得一個比較好的創新方案，其他發明原理可為創新方案提供思路。

4 結 論

研究借助TRIZ理論分析研究了模型與平臺難以分離的問題，通過問題描述確定解決問題的關鍵，采用功能分析和規范化因果分析針對模型與平臺難以分離進行根因探索和挖掘，進而采用技術矛盾與物理矛盾對其進行求解。

1)應用TRIZ理論能夠以模式化的方式獲得多個針對模型與平臺難以分離問題的解決方案，通過TRIZ工具的應用獲得與解決方案相關的發明原理對實際問題有一定的啟發。

2) 最終對FDM工藝型的3D打印平臺進行了創新設計，創造性地提出了4個創新的解決方案：a. 將平臺上表面設計為非均質結構，如波浪形；b. 預先在平臺上打孔，在下方增加一套負壓吸附裝置；c. 將平臺更換可以分離的兩部分，上半部分用有彈性的材料，取模型時將模型連同平臺上半部分一起取下，然后使平臺上半部分彎曲；d.在平臺中預先增設幾個頂針，打印時頂針移至平臺以下，打印完成后頂針上升，頂出模型。綜上，4種方案在工程中評估具有較高的可行性，可進行進一步的試驗驗證。

3)研究僅采用了TRIZ理論的技術矛盾、物理矛盾理論方法，如果進一步應用TRIZ理論的裁剪、知識庫、最佳理想解、進化曲線等工具還可提出更多新的創新方案，說明TRIZ理論在工業制造創新問題求解中能夠發揮重要作用，幫助研發人員快速地拓展研究思路，提出創新方案，同時為其他行業產品的開發和產品的優化提供了新思路。