基于TRIZ理论的破壁机玻璃杯轻量化设计

魏云杰 刘海亮 刘朝登

杭州九阳小家电有限公司 浙江杭州 310018

0 引言

破壁机具备加工食材种类广泛、冷热两用和高速破壁等优点，可以快速打破食物细胞壁，释放营养成分，深受消费者喜爱，截止到2021年10月，“奥维市场罗盘”显示国内破壁机销量超过700万台，海外市场规模也很大。破壁机杯体一般为不锈钢材料、Triton塑料、玻璃材质。加热功能杯体采用不锈钢或高硼硅玻璃材质，冷破壁杯体一般采用Triton或钠钙玻璃。玻璃杯体食品卫生性好并且制作食材过程可视，深受欢迎。由于食材加工过程中会对杯体产生很大撞击，这就要求杯体较厚，消费者（尤其是女性用户或老年人）使用不方便。市面上破壁机主流产品的整体容积为2300 mL～2350 mL，其标称热饮上限为1400 mL，冷饮容积上限为1750 mL，重量范围在1500 g～1600 g。本论文运用TRIZ理论，优化了破壁机玻璃杯体的结构设计，使其在保证容积和强度的前提下变得轻便好用。

破壁机玻璃杯体原材料为高硼硅玻璃，主要组分为SiO2、B2O3和Na2O[1]，其中B2O3的含量为12.5%～13.5%，SiO2的含量为78%～80%。其线膨胀系数为3.3×10-6/K左右，耐温性能良好并且具备优异的力学性能和化学稳定性[2-3]。成型方面，硼硅玻璃中氧化硼含量越高，线膨胀系数越小，但玻璃的高温黏度越大，不利于压制成型。硼硅玻璃软化温度为820℃。压制成型时粘稠玻璃液温度越高，越容易成型，但是初始形状不易控制。

现有工艺成型薄杯体存在困难，主要有以下影响因素：

（1）材料方面。破壁杯加热时需要耐受100℃以上的冷热冲击温度，因此传统的钠钙玻璃材料不满足要求；硼硅玻璃满足使用条件，但压制成型过程中，其高温流动性较钠钙玻璃差，口部成型存在难度，当前杯体厚度一般大于6 mm。

（2）结构方面。破壁机杯体不是简单的筒体结构，它是由扰流筋、定位槽、导流槽、把手、螺纹安装等功能结构组成，这些特定结构会影响杯体的成型难度。

基于以上分析，对现有玻璃杯体在不改变使用功能前提下，运用TRIZ理论工具进行杯体结构设计及压制工艺优化，达到轻量化、批量化生产目的，提升用户体验。

1 TRIZ因果链分析

1.1 TRIZ理论概述

TRIZ是重要的创新方法理论。该理论包含因果链分析、功能分析、进化趋势分析等强大的问题分析工具[4]。TRIZ能有效的解决很多技术问题，推广应用较好的公司有三星、通用电气、西门子、浦项制铁等。

1.2 因果链分析

因果链分析可以全面的识别工程系统缺点，可以挖掘隐藏于初始缺点背后的其他缺点。通过因果链分析我们可以找到关键缺点，解决关键缺点对应的关键问题。如图1所示，“玻璃杯减重困难”为本研究的初始问题，针对这个初始问题展开逐层分析，下一层是上一层的原因，直到分析到末端问题并从中识别解决初始问题的关键问题（如图1中红色标识），加以研究、改进。在本案例中，笔者分析得到杯体壁厚不合理、把手设计不合理、扰流筋设计不合理3个关键缺点。轻量化杯体设计优化就是围绕这3个关键缺点展开。

2 轻量化杯体设计

2.1 壁厚设计方案与效果验证

玻璃杯体为不等壁厚的杯体，如图2所示，该玻璃杯体自下而上依次为安装段（A-B2）、粉碎段（B1-B2）以及杯体段（B1-C）[5]。

安装段（A-B2），外部有多层塑料安装结构，此处存在紧固力，为保证强度，设计厚度为5.0 mm，较原来减少2 mm，最大限度减轻杯体重量。该位置处于最底端，压制工艺对厚度的限制小。

粉碎段（B1-B2），B1位置为刀片所在平面保持同一水平位置。破壁机工作时，刀片转动将底部物料向上带动，物料存在向上动能，物料向上穿过刀片仍具备动能和运动空间直至与杯壁接触，与杯体接触时，大概率落在B1至B2段，并与杯壁产生碰撞，杯体需要较高的强度[6]，B1至B2段，杯壁最厚，为6.5 mm。B1至B2段均匀等厚。B1至B2距离应大于5 mm，且小于25 mm。该位置设计为大部分物料的碰撞区域，因此破壁机杯体需要很高的强度。

杯体段（B1-C），厚度由6.5 mm逐渐减薄为5.0 mm，该区域也会有小部分物料与杯壁碰撞，且越向上杯体越薄碰撞物料越少。这样的结构设计最大限度的减轻了杯体重量，同时满足杯体使用时的强度要求。成型时，杯体内外侧接触模具，首先冷却固化，中间形成通道，在压力作用下玻璃熔体向上流动，下部厚，有较宽的通道，提供充足的料用于口部成型，避免缺料。另外，B1-C段均匀过渡，减重的同时提升外观。

杯体由熔融玻璃在模具内一次性压制成型，新杯体厚度尺寸安装段为5.0 mm，粉碎段为6.5 mm，杯体段为5.0 mm，重量大大减少，新杯体厚度较原来减少2～3 mm，重量减少420 g。具体结构参数对比如表1所示。

按GB 4706.1要求经测试[6]，在杯体最薄弱点（口部位置），以0.5 J冲击能量击打三次，未出现任何形式的损坏。冷热冲击方面，进行110 K温差，测试合格。

轻量化杯体容积V为2320 mL，该玻璃杯体的重量M为1140 g，V/M=2.035。

原杯体容积V0为2320 mL，杯体的重量M0为1560 g，V0/M0=1.4872。

2.2 把手设计

TRIZ理论中工程系统进化趋势包含协调性进化趋势，其子趋势形状的协调涉及在产品形状的人体工学设计，即产品结构设计应与超系统中的人相协调。因此，在杯体把手设计中需考虑消费者的使用，如图3所示，端起杯体时要克服其重力，改进前后分别感受到的力矩为m1gL和m2gL’，而L’＜L，在消费者感知层面上可实现轻量化。

2.3 扰流筋设计

破壁机玻璃杯设有扰流筋，可有效提升对食材的粉碎效果[7]。扰流筋设计一般为三角形内凸筋，实心结构，破壁机外侧无变化。本案扰流筋设计为内凸外凹，如图4，筋的厚度与等高玻璃杯厚度相同，可以在不改变使用性能的前提下有效减轻杯体重量。

根据测试，筋条内凸外凹对于强度的影响甚微，经试验测试满足粉碎时物料撞击强度要求。扰流筋上小下大，外观为类锥形，扰流筋内凸外凹一方面减少了杯体的质量，另一方面杯体外观看起来更加通透美观。

3 加工工艺优化

3.1 生产工艺流程

破壁机玻璃杯工艺流程包括熔化、压制成型、抛光、退火和切底几个阶段：熔化温度在1500℃及以上，玻璃的温度越高，流动性越好。压制成型温度在1100℃至1400℃之间，压制时模具加温至500℃～900℃。退火温度选择在600℃～700℃，时间约30分钟。

3.2 压制温度、压力的控制

压制成型时，模具和玻璃料接触时，玻璃温度由原来的不低于1100℃提升到1250℃，在获得椭圆形初始形状的同时，也易于成型薄壁深桶状杯体[8]。

合理的模具温度控制，可以使玻璃杯成型时材料流动性与成型效率取得平衡。如表2所示，模具温度由原来500℃提升到650℃或更高，改善玻璃熔体在模具中的流动性，得到设计的不等壁厚结构。

表2 轻量化杯体与原杯体成型工艺参数对比

设计杯体上部厚度最薄，最薄处为5 mm。玻璃料在冲头压力下在模具间隙上行，随时间延长，料温快速下降，因此要想得到所述不等壁杯体，需要缩短成型时间[8]。图6显示冲压压力由4.5吨提升到5.8吨及以上，压制成型时间由原来2.5 s加快至1.9 s。成型时间缩短，成型过程热损失减小，保证了玻璃液的流动性。

图6 轻量化杯体与原杯体成型参数差异

4 结论

本论文运用TRIZ理论因果链分析方法，找出影响破壁机杯体重量的3个关键缺点，设计出满足粉碎强度需求的不等壁厚玻璃杯体方案，符合人体工学的把手方案以及内凸外凹扰流筋方案。在满足使用功能的前提下，整体减重420 g，减轻重量约占原杯体重量的1/3，大幅提升了消费者体验感受。优化了压制工艺参数，包括提升原料温度、模具温度、冲压压力，缩短了杯体成型时间，从而保障了轻量化杯体批量生产的工艺可行性。