基于ARIZ的3D打印機平臺創(chuàng)新設(shè)計

梁雪梅，胡雙飛，羅梓欣，張思恩，楊孜麒

（1.廣東省生產(chǎn)力促進中心，廣州 510070；2.廣州歐歐醫(yī)療科技有限責(zé)任公司，廣州 510080；3.深圳市中科維盛文化與科學(xué)傳播有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

3D打印是一種基于CAD數(shù)據(jù)設(shè)計，利用“自下而上”材料逐層累加的方式制造零件的技術(shù)[1]。目前主流的3D打印方式有多種，其中采用FDM工藝（熔融沉積成型）的3D打印機是最經(jīng)濟、最常用的快速原型制造工具，具有操作簡單、成型速度快等優(yōu)點[2]，在工業(yè)設(shè)計、制造、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用[3-4]。FDM 3D熔融擠出系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)主要由擠出機、機床、噴頭及三維成型平臺組成[5]。然而，在使用過程中，F(xiàn)DM 3D打印機完成打印后，模型尤其是大尺寸的模型出現(xiàn)難以從成型平臺取下的問題，強行取下模型不僅影響打印的工作效率，甚至可能會出現(xiàn)模型破壞的結(jié)果，違背使用FDM工藝打印快速、操作簡便的目標。

發(fā)明問題解決算法（Algorithm for Inventive-Problem Solving，下稱ARIZ）是TRIZ創(chuàng)新方法理論中用于解決復(fù)雜創(chuàng)新問題的重要思維工具之一[6]，它提供了一整套從問題分析解決到方案評價的系統(tǒng)化流程。創(chuàng)新方法用于問題解決近年來被應(yīng)用于工程技術(shù)、社科等多個領(lǐng)域，為人們創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供系統(tǒng)的理論和方法工具，成功解決了不少復(fù)雜難題[7-10]。其中ARIZ-85版本應(yīng)用最為廣泛。針對模型打印完成后難以從FDM 3D打印機平臺上取下的問題，本文應(yīng)用ARIZ理論分析其問題模型，提出FDM 3D打印機的創(chuàng)新設(shè)計。

圖1 ARIZ-85解題流程

1 工作原理及問題描述

FDM打印基本工作原理一般是：熱塑性原材料（PLA工程塑料）在擠壓頭1的作用下被加熱熔化擠出；擠出的材料2被噴涂在成型平臺3上，快速冷卻、凝固成型；擠壓頭1和成型平臺3在三維空間中移動，進行材料在成型平臺上的疊加成型，完成實體造型后實體與平臺分離獲得模型。但由于PLA材料黏度較大，冷卻凝固后與平臺黏附太緊，出現(xiàn)無法分離的問題。

2 問題分析與求解

2.1 問題分析與表述

當(dāng)前的技術(shù)系統(tǒng)是FDM 3D打印機的成型平臺，其主要功能是承載和固定模型。根據(jù)當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)建立系統(tǒng)組件功能模型（如圖2），當(dāng)前系統(tǒng)的組件與超系統(tǒng)組件由模型（底層）、噴嘴、PLA材料、加熱器、平臺導(dǎo)軌、機架、空氣和取模型的工具等組成。

圖2 FDM 3D打印機功能模型圖

功能模型顯示，打印平臺對模型（底層）存在過度作用。通過分析可知，造成模型難取的主要原因是模型（底層）與平臺的接觸面積過大，導(dǎo)致模型打印完成后，平臺對模型的黏著力過大。

定義最小問題：很有必要對系統(tǒng)做最小的改變，降低平臺對模型底層的黏著力同時增大打印模型的體積。根據(jù)最小問題，尋找解決方案。

2.2 問題模型分析

2.2.1 技術(shù)矛盾

減小平臺面積會降低平臺對模型底層的黏著力，但是也會降低打印模型的體積。因而此處存在2個技術(shù)矛盾：1）技術(shù)矛盾1（TC1）。如果減小平臺面積，那么會降低平臺對模型底層的黏著力，但是會減小打印模型的體積（如圖3（a））。2）技術(shù)矛盾2（TC2）。如果增大平臺面積，那么會增加打印模型的體積，但是會加大平臺對模型底層的黏著力（如圖3（b）），增加脫離難度。綜合考慮，選取TC1作為主要技術(shù)矛盾進行分析。

圖3 技術(shù)矛盾示意圖

2.2.2 嘗試用標準解解決問題

結(jié)合物場模型問題類型，該問題為不足物場模型，可嘗試利用第2、3級標準解求解。根據(jù)標準解No.16的指示，增加場的可控性，得到方案1：在系統(tǒng)中引入慣性力場——使用無黏性的平臺，同時將固定的平臺改為旋轉(zhuǎn)的平臺以增加慣性力場，旋轉(zhuǎn)平臺利用慣性使模型自行脫落。

2.3 最終理想解和物理矛盾定義

2.3.1 操作區(qū)域及操作時間

打印模型的區(qū)域OZ1和打印完成的區(qū)域OZ2，兩個區(qū)域存在重疊，沖突不能進行空間分離。操作時間包括打印過程中的時間OT1及打印完成后的時間OT2，兩個區(qū)域不存在重疊，可進行時間分離。

2.3.2 最終理想解IFR1

識別已有的物場資源。應(yīng)用已有的物場資源，引入一個X元素，可以消除不足作用（承載模型的體積不足），并可在操作時間內(nèi)（OT1或OT2），在操作空間內(nèi)完成系統(tǒng)的主要功能（固定和承載模型），而不增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，也不產(chǎn)生任何有害作用。

若X元素為平臺材料的剛性，得到方案2：將一體的剛性平臺換成可分離式的雙層平臺，上層使用彈性好、可彎曲的材料，模型分離時平臺上半部分隨同一起分離，彎曲平臺上半部分脫落模型。

若X元素為平臺材料的形態(tài)，得到方案3：更換平臺固態(tài)材料，設(shè)置為室溫固態(tài)、加熱即融化的材料，分離模型時加熱平臺下部腔體，上部材料融化，模型自行脫落。

2.3.3 物理矛盾的宏觀描述

在OT1內(nèi)，平臺與模型底層的接觸面積需要增大以增加黏度、固定模型；在OT2內(nèi)，平臺與模型底層的接觸面積需要減小以減小黏度、分離模型。要求接觸面積既大又小。

方案4：基于時間分離法則——平臺分2層，上層將一體式平臺分割成多個細條狀、可卷繞的結(jié)構(gòu)（類似卷涼席），打印完成后將平臺上層卷曲，使模型逐步脫落。

方案5：基于時間分離法則——平臺分2層，上層使用可卷繞的結(jié)構(gòu)（類似卷皮帶），打印完成后轉(zhuǎn)動平臺上層，使模型逐步脫離平臺。

2.3.4 物理矛盾的微觀描述

在OT1內(nèi)，平臺表面與模型底層表面分子需要相互緊密吸附以固定模型；OT2內(nèi)，平臺表面黏性小顆粒數(shù)量需要減少以分離模型。

2.3.5 描述最終理想解2

微觀層面下，存在X元素，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度的前提下，平臺與模型表面分子吸附力能變化，完成固定、分離模型的功能。

方案6：黏性小顆粒——打印前在平臺表面添加黏性小顆粒，模型打印在黏性小顆粒上，打印完成后加熱平臺，使這層黏性顆粒的黏性消失，模型自然分離。

方案7：帶負電的黏性小顆粒——打印前在平臺上加載正電荷，在平臺表面添加一層帶負電的小顆粒，模型打印在這層小顆粒上，打印完成后關(guān)閉平臺上的正電荷，模型自然分離。

2.4 物場資源應(yīng)用

構(gòu)建現(xiàn)有問題的小人模型（如圖4），圓頭小人代表模型，方頭小人代表平臺。打印完成后平臺小人不愿與模型小人分開。

圖4 小人法模型示意圖

考慮到平臺和模型間由于黏著力無法分開，可以通過兩者間接觸面改變?nèi)胧帧＜偃缙脚_既可以固定模型又不產(chǎn)生黏著力，得到方案8：局部質(zhì)量——平臺上表面挖很多微型小坑，模型底層部分材料陷入這些小坑中，同時平臺與模型之間沒有黏著力，如圖5所示，既可以保證模型在水平方向上不能位移，而在豎直方向上又不對模型產(chǎn)生黏著力。

圖5 方案8示意圖

此外，考慮減少平臺與模型間的黏著力，且保持模型不發(fā)生位移，可得方案9：預(yù)先防范——開始打印模型前在平臺上加載靜電，驅(qū)使模型和平臺接觸面灰塵沉積，以降低平臺對模型的黏著力（如圖6）。

圖6 方案9示意圖

2.5 知識庫運用

2.5.1 行業(yè)知識庫

在機械加工生產(chǎn)領(lǐng)域通常會用到輔助加工的模具，受此啟發(fā)得到方案10：在打印模型主體前，設(shè)置打印機預(yù)先打印一層稀疏的網(wǎng)狀薄層，薄層剛好能夠?qū)⒛Ｐ宛じ皆谄脚_上促進模型分離。

2.5.2 科學(xué)效應(yīng)庫

針對模型打印完成后與平臺難以分離問題，提取出功能并對應(yīng)到效應(yīng)對應(yīng)的HOW TO模型：HOW TO 控制物體的位移。應(yīng)用TRIZ推薦的物理效應(yīng)，從熱雙金屬片物理效應(yīng)得到方案11：將平臺分成上下2層，上層采用雙金屬片材料排布，模型打印完成后，對平臺上層進行加熱，使平臺上層發(fā)生形變，模型自行分離。

3 創(chuàng)新方案的評估與優(yōu)化

結(jié)合工藝實際加工情況，從成本、經(jīng)濟效益和技術(shù)難度對上述11個概念方案進行評估。

方案1會大幅度地改變當(dāng)前的技術(shù)系統(tǒng)，且實施難度較大，暫不考慮；方案2成本低，易實施；方案3需遴選合適材料，工程量較大；方案4可提高自動化水平，但加工難度較大，成本增加，暫不考慮；方案5同方案4缺點類似；方案6實用性較強；方案7技術(shù)難度大，暫不作考慮；方案8對技術(shù)系統(tǒng)改動較少，實用性強；方案9不容易精確控制，實施難度大；方案10簡單易行，實用性強；方案11實施難度大、成本高，暫不考慮。

考慮將方案5和方案8進行整合，對FDM 3D打印機成型平臺進行創(chuàng)新設(shè)計，新的平臺能夠在打印過程中將模型牢牢地固定在平臺上，打印完成后模型可以在不需要人工干預(yù)的情況下自動從平臺上分離，打印機隨后投入打印新的模型。整合后的方案讓模型分離變得極為便利，并且可以大幅度提升FDM 3D打印機連續(xù)打印的生產(chǎn)力。

4 結(jié)語

研究應(yīng)用ARIZ對模型與FDM 3D打印平臺難分離問題進行了系統(tǒng)性的分析求解，最終得到1個整合最優(yōu)方案，為問題解決提供了方案支持。同時，也充分驗證了ARIZ在解決復(fù)雜問題上的有效性。