TRIZ 理论在FDM 3D 打印机平台的创新设计中的应用

吉利, 杨孜麒, 胡双飞, 江帆

（1.中山大学附属第一医院，广州510080；2.深圳市中科维盛文化与科学传播有限公司，广东 深圳518000；3.广州欧欧医疗科技有限责任公司，广州510080；4.广州大学 机械与电气工程学院，广州510006）

0 引 言

3D打印又称增材制造，是一种以三维数字软件模型为基础，运用金属、粉末、塑料或纸张等可粘合材料，通过逐层打印的方式制造出实体模型的快速成型技术。该技术具有高效、节能和环保等优点，近年来发展迅速，已被广泛应用于航空航天、生物医学、机器人设计等领域。3D 打印技术主要包括立体光固化成型技术（SLA）、三维粉末粘接技术（SLS）、熔融挤压堆积成型技术（FDM）等，其中FDM 技术基于其设备简单易于控制、材料成本低且利用率高等特点，是目前最经济最常用的3D 打印技术[1]。FDM 3D 打印机由框架、平台、导轨、挤出机及热嘴、加热器、电路控制部分等组成。平台作为3D 打印机的重要组件，用以承接和固定打印中的模型，3D 打印完成后模型需对模型与平台进行分离获得完整的模型。然而，目前打印完成后的模型普遍难以从3D 打印机成型平台分离开，徒手或借助工具强行将模型与平台进行分离易损坏模型底部，且耗时较多，极大地影响3D 打印机的工作效率。

近年来，创新方法在各个领域的科学研究与工程实践中不断应用，基于TRIZ[2]理论的创新方法不断被采用。机械设计制造领域为TRIZ 理论最主要的应用领域之一，A.M.Noor[3]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[4]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[5]、建筑[6]、医药[7]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的应用流程如图1所示。

随着创新方法的进一步推广，TRIZ 理论逐渐应用在3D 打印中，祝明溪等[8]利用TRIZ 预测了3D 打印机服务系统开发的趋势，王世磊等[9]将TRIZ 理论应用于3D 浮雕打印，降低了3D 打印的成本，得到了可产业化的生产工艺；韩善灵等[10]根据TRIZ 原理对3D 打印机混色装置进行创新设计，实现了混色打印。综上所述，TRIZ 理论在3D 打印领域具有很好的适用性。因此，本研究创新性地利用TRIZ 理论解决FDM 3D 打印机中模型难以完好取出的问题。通过剖析模型难取的原因，借助创新工具，设计出可克服模型难以取出的3D 打印平台，为3D 打印机的创新设计提供新方向，对3D 打印的进一步推广与结构优化具有重要意义。

图1 TRIZ 应用流程

1 3D 打印及其平台组件工作原理介绍

3D打印是一种增材制造技术，它能够实现产品的一次性成型。3D 打印机在控制软件的指令下，根据3D 数字信息，层层堆积材料而形成新的产品[11]。FDM 3D 打印机是目前最经济最广泛应用的快速原型制造工具[12]，其基本工作原理是：挤压头将PLA 材料（一种工程塑料）加热挤出喷涂在成型平台上，通过逐层叠加的方式打印出三维实体模型，如图2 所示。

图2 FDM 3D打印平台示意图

PLA线材在挤压头1的作用下被加热挤出；被挤出的材料2被喷涂在成型平台3上；通过挤压头1和成型平台3在三维空间中的移动实现材料在成型平台上的叠加成型；模型打印完成后将模型与平台进行分离，获得所需模型。

2 TRIZ理论对工程问题的分析

2.1 问题概述

固态PLA线材在熔融状态下与平台组件接触，因其在熔融状态下具有黏着性，模型打印完成后难以从成型平台上取下，尤其是打印较大尺寸的模型时。具体表现在模型打印完成后，由于模型与平台黏附太紧难以实现平台与模型的分离。在打印底面较小的小尺寸模型时可徒手将模型与平台分离，打印大尺寸的模型时，模型很难通过徒手进行分离，徒手操作可能会损坏模型，尤其是薄壁型的模型。基于此，该问题可描述为：模型与平台难以分离；定义系统名称为FDM 3D打印机的成型平台；技术系统功能为承载和固定模型。FDM 3D打印机与模型示意图如图3所示。

2.2 系统功能模型构建

功能分析是TRIZ 理论中分析、定位问题的重要工具，功能分析可以从功能的角度找到工程系统中的功能缺点，或者存在问题的组件。

当前分析系统的超系统为空气和取件工具；系统组件有平台、喷嘴、PLA材料、加热器、机架、导轨；作用对象为模型底层。FDM 3D打印机功能组件分析如图4所示。

图3 FDM 3D打印机与模型示意图

图4 FDM 3D打印机的成型平台功能模型

由图4可知，平台对模型底层黏附过度、取件工具功能不足，均可能导致模型与平台难以分离造成模型底部受损。

2.3 因果分析

因果分析是全面识别工程系统缺点的分析工具。通过因果分析可以挖掘隐藏于初始问题背后的各种问题，经过逐步深入分析，帮助梳理逻辑关系，便于找到关键问题点，根据得出的关键问题尝试寻找有效的解决方案。根据TRIZ理论，分析模型从FDM 3D打印机成型平台难以取下的原因，应用TRIZ语言进行规范化描述，并据此绘制因果分析链，如图5所示。

根据图5可知，模型难取即模型难以与平台分离的根本原因可归纳为以下4点：1）平台黏性过度；2）接触面面积过度；3）喷嘴第一层横向位移间隔不足；4）喷嘴第一层离平台距离过度。喷嘴横向和垂直向与平台的距离可以通过调节打印切片文件的参数进行解决。因此，本研究应用TRIZ工具对平台黏着性过度、接触面面积过度的问题进行解决，寻找具有可操作性的解决方案。

3 RIZ工具对工程问题的求解

3.1 技术矛盾解决问题

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。由图5可知，平台黏性过度与接触面面积过度都是模型与平台难以分离的直接原因，用解决技术矛盾的结构化语言对其进行表述：如果（if）减小平台的黏着强度，将（then）减小平台对模型的黏着力，导致(but)模型在打印过程中难以固定在平台上，脱落导致成型难；如果（if）减小平台的接触面积，将（then）减小平台对模型的黏着力，导致(but)模型在打印过程中难以固定在平台上，脱落导致成型难，可靠性差。应用TRIZ工具解决面临的技术矛盾，具体流程如下：

图5 因果分析图

1）利用TRIZ技术矛盾解决“减小平台黏着性，降低模型可靠性”的问题。

将模型与平台难以分离的问题转化为平台对模型的黏着力与模型黏附强度的技术矛盾，将黏着力对应的工程参数设定为“力”，将模型打印质量的保障对应工程参数“可靠性”。该问题的技术矛盾为：增大强度改善这一工程参数的同时，恶化可靠性这一参数。查找TRIZ矛盾矩阵，提出相应的解决原理，分别为3和11。

依据NO.3 发明原理-局部质量的启发：将平台上表面设计为非均质结构，如波浪形，如图6（a）所示。

依据NO.11 发明原理-预先防范的启发：预先在平台上打孔，在下方增加一套负压吸附装置，如图6（b）所示。

2）利用TRIZ技术矛盾解决“减小平台黏着性，降低模型强度”的问题。

将模型与平台难以分离的问题转化为平台与模型的接触面积与模型黏附强度的技术矛盾，将接触面积对应的工程参数设定为“运动物体的面积”，将模型质量强度对应工程参数“强度”。该问题的技术矛盾为：减少接触面积改善这一工程参数的同时，恶化强度这一参数。查找TRIZ矛盾矩阵，提出相应的解决原理，分别为3、14、15、40，其中发明原理NO.3局部质量已在“减小平台黏着性，降低模型可靠性”中应用；NO.15 动态化，该发明原理在应用时强调自适应环境，与物理矛盾求解中的NO.11预先防范（3.2）有一定的相似性；NO.40用复合材料代替，需要寻找新型复合材料，目前在工业制造中未发现可解决该问题的新型材料。以上发明原理均可对平台优化改进提供一定的思路。

图6 创新平台结构图

依据NO.14 发明原理-曲面化得到启发：将平台更换为可以分离的两部分，上半部分用有弹性的材料，取模型时将模型连同平台上半部分一起取下，然后使平台上半部分弯曲，如图7所示。

图7 创新平台结构图

综上，应用TRIZ理论查找到5个对本研究具有帮助性的发明原理，结合实际情况分析并获得1个具体的解决方案，为FDM 3D打印机的创新设计提供新的思路。

3.2 物理矛盾求解

技术矛盾由多个物理矛盾组成，故技术矛盾也可找到深层次的物理矛盾。通过解决物理矛盾来解决实际问题，物理矛盾是当一个技术系统的工程参数具有相反的需求，就出现了物理矛盾。比如说，要求系统的某个参数既要出现又不存在，或既要高又要低，或既要大又要小等等。相对于技术矛盾，物理矛盾是一种更尖锐的矛盾，创新中需要加以解决。

根据因果分析，模型与平台难以分离的直接原因是：平台对模型的黏着力过度。3D打印机在打印过程中平台对模型的黏着力要大，在打印时才能固定模型，保证打印模型的品质；打印完成后平台对模型的黏着力要小，才能确保打印完成后平台与模型的分离，此时对模型的黏着力既要大又要小，构成一对物理矛盾。因打印过程和打印完成不在同一时间操作，故尝试进行时间分离：打印时黏着力大，完成时黏着力小。

40个创新原理中有12个属于时间分离原理，包括：9-预先反作用、10-预先作用、11-预先防范、15-动态化、16部分超越、18-机械振动、19-周期性作用、20-有效作用的连续性、21-快速原理、29-气压与液压结构、34-抛弃与再生、37-热膨胀。

依据创新原理11 - 预先防范得到启示：在平台中预先增设几个顶针，打印时顶针移至平台以下，打印完成后顶针上升，顶出模型，如图8所示。

图8 创新平台结构图

综上，结合实际通过物理矛盾，可获得一个比较好的创新方案，其他发明原理可为创新方案提供思路。

4 结 论

研究借助TRIZ理论分析研究了模型与平台难以分离的问题，通过问题描述确定解决问题的关键，采用功能分析和规范化因果分析针对模型与平台难以分离进行根因探索和挖掘，进而采用技术矛盾与物理矛盾对其进行求解。

1)应用TRIZ理论能够以模式化的方式获得多个针对模型与平台难以分离问题的解决方案，通过TRIZ工具的应用获得与解决方案相关的发明原理对实际问题有一定的启发。

2) 最终对FDM工艺型的3D打印平台进行了创新设计，创造性地提出了4个创新的解决方案：a. 将平台上表面设计为非均质结构，如波浪形；b. 预先在平台上打孔，在下方增加一套负压吸附装置；c. 将平台更换可以分离的两部分，上半部分用有弹性的材料，取模型时将模型连同平台上半部分一起取下，然后使平台上半部分弯曲；d.在平台中预先增设几个顶针，打印时顶针移至平台以下，打印完成后顶针上升，顶出模型。综上，4种方案在工程中评估具有较高的可行性，可进行进一步的试验验证。

3)研究仅采用了TRIZ理论的技术矛盾、物理矛盾理论方法，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，说明TRIZ理论在工业制造创新问题求解中能够发挥重要作用，帮助研发人员快速地拓展研究思路，提出创新方案，同时为其他行业产品的开发和产品的优化提供了新思路。