基于TRIZ理論的破壁機玻璃杯輕量化設計

魏云杰 劉海亮 劉朝登

杭州九陽小家電有限公司 浙江杭州 310018

0 引言

破壁機具備加工食材種類廣泛、冷熱兩用和高速破壁等優點，可以快速打破食物細胞壁，釋放營養成分，深受消費者喜愛，截止到2021年10月，“奧維市場羅盤”顯示國內破壁機銷量超過700萬臺，海外市場規模也很大。破壁機杯體一般為不銹鋼材料、Triton塑料、玻璃材質。加熱功能杯體采用不銹鋼或高硼硅玻璃材質，冷破壁杯體一般采用Triton或鈉鈣玻璃。玻璃杯體食品衛生性好并且制作食材過程可視，深受歡迎。由于食材加工過程中會對杯體產生很大撞擊，這就要求杯體較厚，消費者（尤其是女性用戶或老年人）使用不方便。市面上破壁機主流產品的整體容積為2300 mL～2350 mL，其標稱熱飲上限為1400 mL，冷飲容積上限為1750 mL，重量范圍在1500 g～1600 g。本論文運用TRIZ理論，優化了破壁機玻璃杯體的結構設計，使其在保證容積和強度的前提下變得輕便好用。

破壁機玻璃杯體原材料為高硼硅玻璃，主要組分為SiO2、B2O3和Na2O[1]，其中B2O3的含量為12.5%～13.5%，SiO2的含量為78%～80%。其線膨脹系數為3.3×10-6/K左右，耐溫性能良好并且具備優異的力學性能和化學穩定性[2-3]。成型方面，硼硅玻璃中氧化硼含量越高，線膨脹系數越小，但玻璃的高溫黏度越大，不利于壓制成型。硼硅玻璃軟化溫度為820℃。壓制成型時粘稠玻璃液溫度越高，越容易成型，但是初始形狀不易控制。

現有工藝成型薄杯體存在困難，主要有以下影響因素：

（1）材料方面。破壁杯加熱時需要耐受100℃以上的冷熱沖擊溫度，因此傳統的鈉鈣玻璃材料不滿足要求；硼硅玻璃滿足使用條件，但壓制成型過程中，其高溫流動性較鈉鈣玻璃差，口部成型存在難度，當前杯體厚度一般大于6 mm。

（2）結構方面。破壁機杯體不是簡單的筒體結構，它是由擾流筋、定位槽、導流槽、把手、螺紋安裝等功能結構組成，這些特定結構會影響杯體的成型難度。

基于以上分析，對現有玻璃杯體在不改變使用功能前提下，運用TRIZ理論工具進行杯體結構設計及壓制工藝優化，達到輕量化、批量化生產目的，提升用戶體驗。

1 TRIZ因果鏈分析

1.1 TRIZ理論概述

TRIZ是重要的創新方法理論。該理論包含因果鏈分析、功能分析、進化趨勢分析等強大的問題分析工具[4]。TRIZ能有效的解決很多技術問題，推廣應用較好的公司有三星、通用電氣、西門子、浦項制鐵等。

1.2 因果鏈分析

因果鏈分析可以全面的識別工程系統缺點，可以挖掘隱藏于初始缺點背后的其他缺點。通過因果鏈分析我們可以找到關鍵缺點，解決關鍵缺點對應的關鍵問題。如圖1所示，“玻璃杯減重困難”為本研究的初始問題，針對這個初始問題展開逐層分析，下一層是上一層的原因，直到分析到末端問題并從中識別解決初始問題的關鍵問題（如圖1中紅色標識），加以研究、改進。在本案例中，筆者分析得到杯體壁厚不合理、把手設計不合理、擾流筋設計不合理3個關鍵缺點。輕量化杯體設計優化就是圍繞這3個關鍵缺點展開。

2 輕量化杯體設計

2.1 壁厚設計方案與效果驗證

玻璃杯體為不等壁厚的杯體，如圖2所示，該玻璃杯體自下而上依次為安裝段（A-B2）、粉碎段（B1-B2）以及杯體段（B1-C）[5]。

安裝段（A-B2），外部有多層塑料安裝結構，此處存在緊固力，為保證強度，設計厚度為5.0 mm，較原來減少2 mm，最大限度減輕杯體重量。該位置處于最底端，壓制工藝對厚度的限制小。

粉碎段（B1-B2），B1位置為刀片所在平面保持同一水平位置。破壁機工作時，刀片轉動將底部物料向上帶動，物料存在向上動能，物料向上穿過刀片仍具備動能和運動空間直至與杯壁接觸，與杯體接觸時，大概率落在B1至B2段，并與杯壁產生碰撞，杯體需要較高的強度[6]，B1至B2段，杯壁最厚，為6.5 mm。B1至B2段均勻等厚。B1至B2距離應大于5 mm，且小于25 mm。該位置設計為大部分物料的碰撞區域，因此破壁機杯體需要很高的強度。

杯體段（B1-C），厚度由6.5 mm逐漸減薄為5.0 mm，該區域也會有小部分物料與杯壁碰撞，且越向上杯體越薄碰撞物料越少。這樣的結構設計最大限度的減輕了杯體重量，同時滿足杯體使用時的強度要求。成型時，杯體內外側接觸模具，首先冷卻固化，中間形成通道，在壓力作用下玻璃熔體向上流動，下部厚，有較寬的通道，提供充足的料用于口部成型，避免缺料。另外，B1-C段均勻過渡，減重的同時提升外觀。

杯體由熔融玻璃在模具內一次性壓制成型，新杯體厚度尺寸安裝段為5.0 mm，粉碎段為6.5 mm，杯體段為5.0 mm，重量大大減少，新杯體厚度較原來減少2～3 mm，重量減少420 g。具體結構參數對比如表1所示。

按GB 4706.1要求經測試[6]，在杯體最薄弱點（口部位置），以0.5 J沖擊能量擊打三次，未出現任何形式的損壞。冷熱沖擊方面，進行110 K溫差，測試合格。

輕量化杯體容積V為2320 mL，該玻璃杯體的重量M為1140 g，V/M=2.035。

原杯體容積V0為2320 mL，杯體的重量M0為1560 g，V0/M0=1.4872。

2.2 把手設計

TRIZ理論中工程系統進化趨勢包含協調性進化趨勢，其子趨勢形狀的協調涉及在產品形狀的人體工學設計，即產品結構設計應與超系統中的人相協調。因此，在杯體把手設計中需考慮消費者的使用，如圖3所示，端起杯體時要克服其重力，改進前后分別感受到的力矩為m1gL和m2gL’，而L’＜L，在消費者感知層面上可實現輕量化。

2.3 擾流筋設計

破壁機玻璃杯設有擾流筋，可有效提升對食材的粉碎效果[7]。擾流筋設計一般為三角形內凸筋，實心結構，破壁機外側無變化。本案擾流筋設計為內凸外凹，如圖4，筋的厚度與等高玻璃杯厚度相同，可以在不改變使用性能的前提下有效減輕杯體重量。

根據測試，筋條內凸外凹對于強度的影響甚微，經試驗測試滿足粉碎時物料撞擊強度要求。擾流筋上小下大，外觀為類錐形，擾流筋內凸外凹一方面減少了杯體的質量，另一方面杯體外觀看起來更加通透美觀。

3 加工工藝優化

3.1 生產工藝流程

破壁機玻璃杯工藝流程包括熔化、壓制成型、拋光、退火和切底幾個階段：熔化溫度在1500℃及以上，玻璃的溫度越高，流動性越好。壓制成型溫度在1100℃至1400℃之間，壓制時模具加溫至500℃～900℃。退火溫度選擇在600℃～700℃，時間約30分鐘。

3.2 壓制溫度、壓力的控制

壓制成型時，模具和玻璃料接觸時，玻璃溫度由原來的不低于1100℃提升到1250℃，在獲得橢圓形初始形狀的同時，也易于成型薄壁深桶狀杯體[8]。

合理的模具溫度控制，可以使玻璃杯成型時材料流動性與成型效率取得平衡。如表2所示，模具溫度由原來500℃提升到650℃或更高，改善玻璃熔體在模具中的流動性，得到設計的不等壁厚結構。

表2 輕量化杯體與原杯體成型工藝參數對比

設計杯體上部厚度最薄，最薄處為5 mm。玻璃料在沖頭壓力下在模具間隙上行，隨時間延長，料溫快速下降，因此要想得到所述不等壁杯體，需要縮短成型時間[8]。圖6顯示沖壓壓力由4.5噸提升到5.8噸及以上，壓制成型時間由原來2.5 s加快至1.9 s。成型時間縮短，成型過程熱損失減小，保證了玻璃液的流動性。

圖6 輕量化杯體與原杯體成型參數差異

4 結論

本論文運用TRIZ理論因果鏈分析方法，找出影響破壁機杯體重量的3個關鍵缺點，設計出滿足粉碎強度需求的不等壁厚玻璃杯體方案，符合人體工學的把手方案以及內凸外凹擾流筋方案。在滿足使用功能的前提下，整體減重420 g，減輕重量約占原杯體重量的1/3，大幅提升了消費者體驗感受。優化了壓制工藝參數，包括提升原料溫度、模具溫度、沖壓壓力，縮短了杯體成型時間，從而保障了輕量化杯體批量生產的工藝可行性。