基于TRIZ理论的自锁托槽盖板防脱落的优化设计

吉利 胡双飞 廉博雯 余健文 罗梓欣 江帆

摘 要：为解决临床中自锁托槽盖板易脱落影响牙齿矫正效果与周期的问题，运用TRIZ原理对现有的托槽盖板与弹性部件构成的系统进行优化改进设计。首先对临床中自锁托槽盖板脱落现象进行问题描述、建立组件模型;采用因果分析剖析盖板脱落的原因;借助TRIZ理论中的技术矛盾、物理矛盾、物-场模型的技术创新原理和方法。共建立了14个有效改善临床中托槽盖板脱落问题的概念方案，其中理论可实行方案4个，为后续自锁托槽的研发提供新思路。

关键词：TRIZ;创新;自锁;托槽;盖板脱落

中图分类号：460文献标识码：A

Abstract：The study used TRIZ theory to improve and optimize the design of existing bracket clip and elastic component，based on clip failure of self-ligating bracket which may affect the treatment effect and time.Problem description and component model analysis were firstly conducted for the existing problem，and then causes of the problem were investigated with causal analysis system.The study put forward 14 concept solutions for avoiding the failure，of which 4 can be feasible in theory，utilizing the technology innovation principles and methods in technical contradiction，physical contradiction，and Substance-Field model of TRIZ theory.Therefore，TRIZ theory could provide a new clew for development of orthodontic bracket.

Key words：TRIZ;Innovation;Self-ligating;Bracket;Clip failure

托槽（bracket）作为治疗牙颌畸形固定矫治器的重要部件，粘接于牙冠表面，弓丝通过托槽对牙施以矫治力对错颌畸形的牙齿进行矫治以达到排齐牙列的目的[1]。自锁托槽[2]因其操作简单，椅旁时间短，摩擦力低，排齐速度快等优点，被越来越多的口腔正畸科医生所选择。自锁托槽为矫正牙齿的重要精密器械，由4部分组成：盖板、主体、底板、弹性部件。因工业制造的限制，口腔正畸医生反馈市面上自锁托槽在临床应用中盖板易脱落，导致矫治脱轨，延长矫治时间，影响矫治效果，但该方面的研究鲜有报道。

近年来，创新方法广泛应用于各个领域的科学研究与工程实践中，基于TRIZ[3]理论的创新方法不断被采用。机械制造设计领域为TRIZ理论最主要的应用领域之一，A.M.Noor[4]等使用TRIZ原理研究新型发动机橡胶安装复合材料并得到最佳的设计方案;Justel等[5]利用TRIZ提出一种可拆卸设计创新方法。此外，TRIZ理论还在化工[6]、环保[7]、建筑[8]、医药[9]等方面得到广泛应用。现TRIZ已形成完整的理论体系：问题识别、问题解决和概念验证，TRIZ理论应用流程如图1。

然而，在口腔医疗器械领域利用TRIZ理论解决自锁托槽盖板脱落问题未见报道。保证牙齿矫治的效果，首要问题是如何保证自锁托槽的机械性能的稳定性。基于此，如何解决盖板脱落是自锁托槽在临床应用中亟待解决的问题。TRIZ[10]的核心思想：不同的技术领域中所遇到的问题和矛盾，可以采用相同的发明原理加以解决。因此，利用TRIZ工具解决口腔医疗器械制造问题，对口腔医疗器械的开发与产品优化具有重大意义。

1 自锁托槽及其盖板工作原理介绍

近年来，民营牙科诊所的蓬勃发展激发了对牙健康和美容的大量需求，越来越多的青少年甚至成年人选择矫正牙齿[11]。托槽作为治疗牙颌畸形固定矫治技术的重要部件，粘接于牙冠表面，弓丝通过托槽对牙施以矫治力。自锁托槽因其不需要结扎、椅旁时间短、低摩擦等优点越来越受到医生青睐。自锁托槽由底板、主体、盖板以及弹性部件组成，如图2所示。

自锁托槽结构见图2，自锁托槽盖板由盖板中部和盖板双翼组成，盖板双翼嵌入主体的凹槽内。托槽盖板工作系统原理为：（1）弹性部件提供向外的挤压弹力，主体上部提供向内的压力，固定盖板;（2）盖板关闭状态时，盖板压紧弓丝，盖板打开状态时，可放入或取出弓丝;（3）弹性部件在第一次装入盖板时会受到压缩的力，盖板安装完成后，弹性部件恢复形状，达到一个锁固的作用。

2 TRIZ理论对工程问题的分析

2.1 问题描述

一般情况下，盖板在闭合状态时不易脱落，打开状态时易脱落;盖板频繁反复地开合，其结构容易松動，易导致其脱落，增加复诊率，矫治方案可能脱轨，难以在预定的时间内达到矫治效果。因此，盖板容易脱落是临床应用中面临的主要问题。在生产过程中，盖板与弹性部件精度存在一定偏差，在患者使用时可能反复开合盖板导致弹性疲劳材料受损。基于此，该问题可描述为：盖板与弹性部件在装配中存在匹配度不足;定义技术系统名称：自锁托槽盖板;技术系统功能：将弓丝固定在槽沟里。

2.2 系统功能模型构建

从功能的角度出发可以找到工程系统中存在问题的组件或问题点。当前分析系统的超系统为口腔;系统组件有盖子中部、弹性部件、盖子双翼、主体上部、主体中部;作用对象为弓丝。建立组件功能分析模型如图3所示。

由图3可知，弹性部件对盖子施加的作用力过度或不足，主体上部对盖子作用力不足或过度，弓丝对盖子的推动力过度，都可能导致盖子即盖板脱落。

2.3 因果分析

因果分析是全面识别技术系统缺点的分析工具。通过因果分析，对工程问题进行梳理，整理逻辑关系，便于寻找解决问题的关键点和入手点，得出有效的问题解决方案。根据TRIZ方法理论，分析自锁托槽盖板脱落的原因，并据此绘制因果分析框图，如图4。

根据图4，盖板脱落的根本原因可归结为以下几点：（1）盖板模具长度不足;（2）盖板加工温度过高;（3）弹性部件长度不足;（4）主体的材料硬度不足。

盖板模具与弹性部件在生产过程中存在制造误差且难以避免，因此，本研究基于TRIZ理论对盖板加工温度过高、主体材料硬度不足等问题，寻求材料硬度不足方面可能的解决方案。

3 托槽系统的矛盾问题求解

3.1 技术矛盾求解

技术矛盾指系统在一个方面得到改进时，将削弱另一方面的期望[12]。由图4可知，盖板容易脱落的直接因素是盖板硬度不足，但增大盖板材料硬度，需增大盖板强度，导致加工温度及加工时间增加。

根据TRIZ理论，对于面临的矛盾问题：增大改变硬度导致增加加工温度，可通过查找技术矛盾矩阵可得到应用于解决技术矛盾的创新原理[13]，具体流程如下。

3.1.1 利用TRIZ技术矛盾解决“增大盖板强度，增加加工温度”的问题

针对“盖板材料硬度增加，加工温度增加”问题，将加工温度对应工程参数设定为“温度”，材料硬度对应工程参数“强度”。该问题的技术矛盾为：增大强度改善这一工程参数的同时，恶化作用温度这一参数。查找TRIZ矛盾矩阵[13]，提出的解决原理包括创新原理10，30和40。

创新原理10为预先作用原理。参考创新方案为：首先对盖板材料进行预加热，再迅速进行高温处理，减少高温处理总时间，防止过烧引起盖子变形。参考创新方案为：盖子中部的材料刚性材料替换为柔性材料，盖板受到冲击时柔性材料吸收冲击力，但是不影响其功能。

创新原理40为复合材料原理。参考创新方案：采用一款加工温度低，但强度高的材料代替现有材料。

图5为创新原理30和40的可视化设计。

3.1.2 利用TRIZ技术矛盾解决“增大盖板强度，增加加工时间”的问题

材料硬度不足的另一问题为：增加盖板材料硬度，需增大盖板强度，导致加工时间增加。对此可将材料硬度对应工程参数中的“强度”，加工时间对应工程参数可设定为“生产率”，该问题的技术矛盾为：增大强度改善这一工程参数的同时，恶化了生产率这一参数。查找TRIZ矛盾矩阵，提出的解决原理包括创新原理29，35，10和14。

创新原理29为气压或液压结构原理，相关性较低，故不考虑。

创新原理35为物理或化学参数变化原理。在低压的情况下，晶体熔点会降低（或者升高），据此，提出创新方案为：加工烧结时，改变模具内部压强，降低材料的熔点。

创新原理14为曲面化原理。创新方案为：将盖板从平直状态改为曲面弯曲状态，增大受热面积，缩短烧结时间。

综上，利用TRIZ技术矛盾可得到5个解决方案，其中创新原理10预先作用原理得到的创新方案具有较高的可行性，其他概念方案为产品的优化提供方向。

3.2 物理矛盾求解

由于技术矛盾的深层次是物理矛盾，故该技术矛盾也可找到深层次的物理矛盾。根据因果分析可知盖板脱落是由盖板松动引起，而盖板松动的直接原因是弹性部件弹力不足。

针对弹力，一方面需增大弹力以使其能稳定支撑盖子，另一方面需降低弹力避免盖板受力过度，从而导致弹性部件弹力既要大又要小这一物理矛盾。

针对物理矛盾，通常的解决方案为包括空间分离、时间分离、系统分离、条件分离等方法。

结合本文研究问题，采用空间分离方法提出创新原理，包括4、13、37、14、29，创新方案及可行性评估如表1所示，可视化设计如图6所示。

此外，盖板脱落的另一重要原因与盖板中部厚度相关。为防止变形，盖板双翼要求厚度较厚;但基于口腔空间环境有限，盖板双翼厚度又要求较薄，不宜设计太大尺寸。从而导致盖板双翼的厚度既要厚又要薄的物理矛盾。本文采用空间分离原则，结合实际情况提出相应的创新方案见表2，可视化设计见图7。

综上，利用物理矛盾得到7个创新解决方案，其中2个方案在机械制造中可行性较高。

3.3 物-场模型的构建及其求解

物-场分析认为，所有功能均可分解为两种物质（Substance）及一种场（Field），即一种功能由两种物质及一种场的三元件组成，如图8所示。交互作用的对象被称为“物质”，用S1和S2表示，交互作用的能量被称为“场”，用F表示[14]。根据物-场原理，构建托槽盖板物-场模型。F1为部件组配的机械场，S1为盖板中部，S2为弹性部件;机械场F1作用于弹性部件S2，弹性部件S2将机械场的作用传递给S1，但由于F1产生的机械能不足、作用不足，导致S2对S1作用不足，压紧不够，难以达到理想效果。从上述的元素分析中发现，元素齊全，只是元素间的相互作用不足，建立如下物-场模型。

针对弹性部件与盖板中部压紧不足，从76个标准解[15]中查得，可采用解法14求解本题。基于NO.14标准解（串联物场）启发，可以在弹性部件和盖板中部之间引入物质S3，使得弹性部件和盖板中部压紧。例如，在现有弹性部件S2和S1盖板中部之间引入硅胶涂层，弹性圈等，硅胶涂层使得弹性部件和盖板中部贴紧，系统作用充足，从而可以构成完整的系统。如图9所示。

此外，基于标准解NO.15（并联物场）启发，在弹性部件和盖板中部之间另增加一个场。例如在弹性部件和盖子中部之间增加磁力场，增加弹性部件S2对盖板中部S1的作用。如下图10所示。

综上，通过物-场模型得到2个实验方案，其中串联物-场模型得到的解决方案可行性较高，并联物-场模型为问题的解决提供新的思路。

4 结论

本文采用TRIZ理论研究自锁托槽盖板脱落的问题，利用问题描述确定需解决的关键问题，通过功能分析和因果分析深入挖掘盖板脱落的根本原因，进而运用TRIZ技术矛盾、物理矛盾及物场模型等理论求解。

（1）应用TRIZ理论能够以程序化的思路找到多个自锁托槽盖板脱落问题的解决方案，提出了至少14个创新优化方案。

（2）分析创新优化方案，构建了可行性较高的4个方案，分别为：A.对盖板材料进行预加热，再迅速进行高温处理，减少高温处理总时间，防止过烧引起盖子变形;B.使弹性部件的不同方向弹性有大有小，在纵向方向，需要支撑盖板稳定性，弹性大，在横向方向，需要弹力小;C.将弹性部件圆柱形替换为曲面弯曲形，使弹力的方向从一个方向变成可以朝两个方向分解;D.在现有弹性部件与盖板中部之间引入硅胶涂层，弹性圈等。因其均为概念方案，有待进一步的试验验证。

（3）本文仅采用了TRIZ理论的技术矛盾、物理矛盾和物-场模型理论方法，如果进一步应用TRIZ理论的裁剪、知识库、最佳理想解、进化曲线等工具还可提出更多新的创新方案。可以看出，TRIZ理论在托槽类医疗器械创新问题求解中能够发挥重要作用，帮助研发人员快速的拓展研究思路，提出创新方案，同时对其他医疗器械的開发和产品的优化提供了新思路。

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基金项目：广东省科技计划项目：TRIZ王国游历记（2015A070710029）

作者简介：吉利（1978—），男，湖北荆州人，医学硕士，主治医师，研究方向：口腔临床医学与机械制造;江帆（1974—），男，湖南慈利人，博士，教授，研究方向：机械CAE/CFD、TRIZ机械创新设计。

*通讯作者：江帆。