基于TRIZ理論的便捷補水耐用兒童繪畫筆創新設計與制作

張春青 田瑤 劉萬輝

基金項目：本文是河北省大中學生科技創新能力培育專項任務研究成果之一（項目編號：2021H020805）。

作者簡介：張春青（1983—），女，碩士，講師，研究方向為創新創業教育。

摘 ?要：針對現有繪畫筆不能便捷補水的問題，該文運用TRIZ理論中的因果鏈分析建立問題因果鏈，找出關鍵問題中存在的矛盾，利用時間分離原理及阿奇舒勒矛盾矩陣分析得出關鍵問題的解決方案，通過對所有技術方案進行梳理，確定最終設計方案并進行畫筆加工制作。該研發的繪畫筆補水便捷，內置引水芯可實現自動補液，繪畫使用時長較普通繪畫筆可提高5～10倍。

關鍵詞：繪畫筆 ??TRIZ理論 ??引水芯 ??便捷補水

中圖分類號： TH133 ???????????文獻標識碼：A ??????????????文章編號：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： In view of the problem that the existing painting brush can not replenish water conveniently， this paper uses the causal chain analysis in TRIZ theory to establish the problem causal chain， find out the contradictions existing in the key problems， use the Time separation principle and archischuler contradiction matrix to analyze the solutions to the key problems， sort out all technical schemes， determine the final design scheme and process the brush.The developed painting pen is convenient to replenish water. The built-in water diversion core can realize automatic replenishment. The use time of painting can be increased by 5-10 times compared with ordinary painting pens.

Key Words： Painting pen; TRIZ theory; Water diversion core; Convenient water replenishment

現今市場上使用的水彩筆、馬克筆、記號筆等大多數繪畫筆不能便捷補水，使用者只能用完即棄，但其筆本身相關的配件幾乎完好，大量丟棄的繪畫筆不僅引起資源浪費，增加使用成本，同時產生的塑料垃圾也嚴重污染了生活環境[1]。該文通過TRIZ理論系統的對問題進行分析，得到問題解決方案，所研發的兒童繪畫筆可實現便捷補水，便于繪畫者反復使用，減少資源浪費，有利于環境保護[2]。TRIZ理論是一套發明問題解決理論，是根里奇·阿奇舒勒領導的團隊在研究世界各地250萬份高水平專利的基礎上，綜合多學科領域的創新原理和方法而得出的理論體系[3]。

1 ?問題描述

水彩筆、馬克筆、記號筆等繪畫筆結構基本由筆殼、封堵、筆舌、筆頭、引水芯、筆蓋6個組件組成，項目團隊對298人（包括普通家庭及繪畫培訓機構人員）進行畫筆使用問題問卷調研，85.58%的受訪者認為不能補水為現有繪畫筆的主要問題。對該問題進行描述，繪畫筆尾部封堵和筆殼連接牢固，使用者很難打開，如果強行拆開畫筆，會造成筆的外觀和本身損壞，而且即使打開封堵進行補水操作，補充液加注過程很容易泄漏，造成一片狼藉。

2 ?發明問題初始形勢分析

2.1 系統的工作原理

繪畫筆系統組件連接形式為筆殼上下分別與封堵及筆頭連接，筆舌固定于筆頭上，繪畫筆內部有引水芯，筆舌尾部部分插入引水芯內。繪畫使用時，筆舌接觸紙張進行繪畫，隨繪畫或書寫長度的增加，引水芯內部補充液會逐漸減少，直至消化殆盡。如進行繪畫筆補水，需將畫筆尾部封堵打開，將瓶裝補充液加注至引水芯內，裝上封堵后繪畫筆重復使用。

2.2 存在主要問題

2.2.1 繪畫筆尾部封堵不易打開

通常繪畫筆補水操作是應先拆除畫筆尾部封堵，后進行補充液添加。團隊成員在拆卸封堵試驗過程，發現封堵拆卸非常困難，需借助小刀等工具方可強制打開，且拆卸后筆殼及封堵組件受到損傷。繪畫筆加完補充液回裝封堵過程，由于筆殼和封堵配合面在拆卸時受到損傷，往往安裝需要加膠水黏合，整個拆卸與安裝操作繁瑣，同時回裝后的畫筆外觀受損。

2.2.2 繪畫筆補液發生泄漏

繪畫筆拆卸掉封堵后進行補水操作，操作過程需一手垂直握住繪畫筆，一手持補液瓶并對準筆殼內的引水芯，將補充液滴至繪畫筆的引水芯上，滴注過程由于不知道是否已加滿，通常等到畫筆筆舌處漏液時停止補液操作。操作后補液人員往往手上沾滿補充液，操作臺上狼藉一片。

2.3 限制條件

2.3.1 封堵不易打開限制條件

項目團隊成員對不同類型繪畫筆進行拆卸實驗，發現不易拆卸主要原因為封堵與筆殼連接太緊。經查閱相關資料，存在兒童吞咽封堵零件導致窒息危險情況，同時繪畫筆引水芯內的存儲液含有一定量的可溶性重金屬元素，若兒童拆卸誤食引水芯易對人體產生中毒危害。

2.3.2 補液發生泄漏限制條件

經項目團隊成員多次進行繪畫筆補液操作，發現如果加注速度過快，繪畫筆會發生漏液;也發現由于不能觀察到是否已加滿，每次需要等待筆舌漏液方可停止補液，此時漏液即代表已補液完成。

2.4 目前解決方案分析

查閱大量相關專利資源，對于繪畫筆不能便捷補液，總結現有技術主要有以下兩種：

（1）筆內設計有墨囊，當引水芯無液時按壓墨囊補液，而墨囊無液時需進行墨囊更換;

具有代表性專利名稱：新型水彩筆（專利號：ZL201120379524.8）仍存在的問題和不足：墨囊體積小，存放補充液有限，專利提出墨囊無液時需更換墨囊，由于墨囊補充液存放量小導致更換頻繁，成本增加。同時該專利未考慮兒童能夠拆卸因素，易發生兒童安全問題。

（2）帶有可拆卸式注墨裝置，繪畫筆無液時通過特殊注墨裝置進行補液。具有代表性專利名稱：一種水彩筆（專利號：ZL201420404704.0）仍存在的問題和不足：該專利水彩筆涉及16個組件，結構較復雜，特別是繪畫筆尾部需安裝單向閥，對閥門開關性能及壽命要求較高，繪畫筆整體成本較高。補液過程由于不能掌握補液量，也易發生補充液從筆舌處泄漏。

3 ?系統分析

經過對繪畫筆主要存在問題進行初始形勢分析，研究人員找到了普通繪畫筆存在補水不便捷這個主要問題，同時分析出了這個問題主要體現在封堵連接牢固不易打開和補液時發生泄露這兩個方面。

該團隊運用TRIZ理論中的因果鏈分析建立如下因果鏈。因果鏈是TRIZ理論中用于分析問題原因的一個重要工具[4]。

4 ?TRIZ工具

4.1 使用基于時間分離的物理矛盾分析解決關鍵問題1

關鍵問題1：如何輕松打開封堵，同時保障兒童使用安全。分析該問題存在的矛盾，繪畫筆封堵連接需要容易打開，因為容易打開便于進行補水;但是，繪畫筆封堵連接需要不易打開，因為兒童使用時要求安全性。運用TRIZ工具解決封堵問題可以將其描述為以上典型的物理矛盾[5]。

我們也可將關鍵問題1描述為如下物理矛盾：當家長為繪畫筆補水時，需要封堵容易打開，因為補水需要便捷操作;但是當兒童使用繪畫筆時，需要封堵不易打開，因為要避免兒童拆卸畫筆保障兒童安全。

基于時間分離來解決這個物理矛盾，可以嘗試的發明原理有：發明原理9：預先反作用;發明原理10：預先作用;發明原理11：事先預防;發明原理15：動態特性;發明原理34：拋棄或再生。

結合繪畫筆封堵實際，采用發明原理15：動態特性，將封堵和筆殼連接變為可動連接，可得到以下解決方案。

方案1：將封堵和筆殼連接改為螺紋連接，變為可動，從而解決打開不方便的問題。同時，增加拆卸專用扳手，提高安全系數，避免兒童誤操作。

方案2：封堵和筆殼連接改為鎖扣連接，變為可動，家長通過專用鑰匙輕松打開封堵實現便捷補液。

4.2 基于阿奇舒勒矛盾矩陣分析解決關鍵問題2

關鍵問題2：如何實現補液時不發生泄漏，同時提高補液速度。分析該問題存在的矛盾，如果提高繪畫筆補液時補液速度，那么補液效率會提升，但是補液時會發生泄漏。該問題也為典型的技術矛盾。

根據TRIZ理論，通過運用技術矛盾來解決明顯問題[6]。

技術矛盾中有技術矛盾-1和技術矛盾-2，我們用阿奇舒勒矛盾矩陣中所定義的39個工程參數來進行描述，確定“改善參數”——No.23物質損失與“惡化參數”——No.39生產率，查詢出對應的發明原理有：發明原理28：機械系統替代;發明原理35：物理或化學參數改變;發明原理10：預先作用;發明原理23：反饋。

結合繪畫筆補液操作與引水芯結構實際，采用發明原理10——預先作用，預先安置補充液，補液操作時補水速度不受引水芯吸附力制約，可得到以下解決方案。

在繪畫筆殼內，安裝類似漏斗部件，漏斗出口端（口徑特殊設計保障流速低于引水芯吸附速度）插入引水芯上方。補水時打開封堵，將補液瓶內的補充液快速擠入漏斗內，補充液依靠重力慢速流入引水芯內。

5 全部技術方案及評價

（1）方案1：將封堵和筆殼連接改為螺紋連接，拆裝封堵時需應用專用扳手。

方案評價：該方案結構設計簡單，繪畫筆需要補液時家長拿專用工具可輕松打開封堵，兒童繪畫時由于沒有專用工具無法打開，保障了使用安全性。

（2）方案2：將封堵和筆殼連接改為鎖扣連接，拆裝封堵時需專用鑰匙。

方案評價：能夠實現家長輕松打開封堵，兒童使用安全，但封堵和筆殼鎖扣結構相對較復雜。

（3）方案3：筆殼內安裝漏斗部件，快速補液后補充液依靠重力流入引水芯內。

方案評價：可實現補液瓶中補充液快速加入繪畫筆，同時不發生補充液泄漏，但需等待漏斗內的補充液慢速流入引水芯后完成補液操作。

（4）方案4：在引水芯外設置補液腔，使用引水纖維線連接引水芯和補液腔。

方案評價：補液腔由于不受引水芯吸附力限制，可快速補液，由于采用了引水纖維線特殊結構設計，實現繪畫筆放置或使用過程中引水芯可自動補水，設計巧妙，且補液腔儲液量大，繪畫筆耐用性提高。

（5）方案5：針對因果鏈分析關鍵問題3，將引水芯容量注明于筆殼上，加注時定量加注，避免加注過多導致漏液。

方案評價：對制筆廠家提出了新要求，可實現定量加注，避免漏液。

（6）方案6：針對因果鏈分析關鍵問題4，筆殼采用透明材質。

方案評價：筆殼透明，方便補液操作過程觀察內部狀態。

（7）專利預案。

經綜合考慮，項目團隊決定采用方案1、方案4和方案6組合。繪畫筆封堵與筆殼螺紋連接，通過專用扳手拆裝，保障便捷拆裝性與安全性，繪畫筆設計有補液腔，引水芯與補液腔分離，通過海綿塊、引水纖維線建立連接，實現引水芯補水。

6 ?最終確定方案

采用方案1、方案4和方案6組合方式，確定方案如下：繪畫筆透明筆殼的一端設有封堵，另一端設有筆頭，內部設有引水芯和引水芯腔筒，引水芯安裝在引水芯腔筒內，引水芯腔筒的一端與透明筆殼的底部一體成型固定密封連接，引水芯腔筒的外壁與所述透明筆殼的內壁形成補液腔，引水芯腔的另一端連接有海綿塊，海綿塊與補液腔連通，海綿塊上設有若干引水纖維線，引水纖維線與引水芯連接;在實際使用情景中，引水芯與海綿塊通過吸水纖維線連接，引水芯中水分不足時通過纖維線吸附海綿塊中的補充液，實現自動補水;繪畫筆使用過程中通過晃動或顛倒運動可實現海綿塊蓄水，進而實現引水芯吸附補水;繪畫筆使用過程應用吸附吸水原理自動向引水芯補水，補液腔和引水芯都無水時，可打開尾部封堵，將補充液直接手動加注至補液腔，方便快捷;補液腔和引水芯雙存液結構，繪畫筆使用時間大大提高;筆殼透明結構便于觀察補充液剩余情況，同時使用者在繪畫過程觀察補充液，增加了使用趣味性。

7 結論

該項目具有以下優勢。

（1）該項目研究的新型便捷補水耐用繪畫筆具有補液腔和引水芯雙存液結構，繪畫筆使用時間大大提高。

（2）該繪畫筆改變常規加注補水方式，繪畫使用過程應用吸附吸水原理由補液腔經海綿塊及吸水纖維線自動向引水芯補水。

（3）筆殼補液腔和引水芯無水時，可通過專用扳手打開筆殼尾部封堵，將補充液直接加注至補液腔，補液方便快捷兼具使用安全性。

（4）畫筆筆殼透明，使用者可以隨時觀察顏料剩余情況，增加畫筆使用的趣味性。

（5）繪畫筆可循環使用，節約資源，保護環境，有效降低繪畫筆使用成本。

參考文獻

[1] 國家發展改革委，生態環境部.《關于進一步加強塑料污染治理的意見》明確禁塑、限塑期限[J].中國造紙，2020，39（2）：52.

[2] 馮玉紅，姚文清，尚超男，等.一次性塑料制品污染防治的法律法規及檢測標準研究進展[J].中國塑料， 2021，35（8）：55-63.

[3] 祝志芳，袁斯賓，張志杰，等.基于TRIZ理論的自行車停車裝置創新設計與試制[J].機械設計與制造，2021（6）：258-261.

[4] 左斌，陳艷軍.基于TRIZ理論的采摘執行器創新設計[J].中國農機化學報，2021，42（4）：22-27.

[5] 黃春萍，郭剛.基于TRIZ理論夾具創新設計思想[J].科技創新導報，2017，14（11）：188-189，191.

[6] 黃南概，黃景明，徐國華，等.TRIZ理論技術矛盾的實踐應用——便攜式X射線機組合機頭的分析與改進[J].科技創新導報，2018，15（8）：90-91.

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