基于TRIZ的定量送粉器创新设计

陈乐尧，黄麓升，程 功，张 波

（1.湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411104；2.湖南省风电装备与电能变换协同中心，湘潭 411104；3.湖南省技术创新方法研究会，长沙 410205；4.湖南萌境智能三维技术有限公司，湘潭 411104）

0 引言

利用TRIZ 理论解决创新问题的经典流程是先将具体创新问题抽象化，转化为标准问题，利用TRIZ 理论工具得到标准方案，通过类比应用得到创新方案.在界定清楚问题后，再用矛盾分析、功能分析、资源分析、因果分析等方法来剖析问题，采用发明原理、分离原理、标准解和科学效应等工具解决问题，最后利用最终理想解和专利查新对解决方案进行评估［1-5］.本文将利用TRIZ 理论工具分析解决定量送粉器计量不准确的问题.

1 送粉器计量不准确问题描述

采用尼龙粉末的选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering-SLS），需要在每烧结一层后，定量送粉、铺粉、再烧结下一层.尼龙粉末需要定量输送到烧结区域，粉末过多容易形成浪费；粉末过少会导致烧结失败.送粉器的功能是定量输送粉末，是一种采用带槽的送粉辊旋转定量送粉的结构，如图1 所示，主要由固定框和送粉辊组成.固定框由两块长侧梁和两个端板构成，两块长侧梁组合形成长圆孔，孔内套设有带槽的送粉辊，送粉辊在固定框内顺时针旋转.粉末保存在安装于固定框上方的粉斗里，粉末从固定框上部的进粉口进入，与送粉辊的上部接触，落入送粉辊的槽内，送粉辊与固定框形成粉末存留区.当送粉辊顺时针旋转一定角度时，粉末存留区的槽会带着粉末在固定框内转动，一直到达固定框下部的出粉口，控制送粉辊的旋转角度可计量出粉量.粉末在下落到粉末留存区前，采用吹气扰动保证粉末的流动性.送粉辊与固定框之间有一定的间隙，采用上下两块橡胶板密封.橡胶板采用压板及螺钉连接在固定框上下两侧.送粉器在送粉时存在漏粉的现象，导致计量的精度不能准确控制.将橡胶板设计为可更换的易损件，通过用螺钉、压板固定和涂胶密封等方法，使橡胶板的密封功能恢复正常，但是效果不理想.为此，需要彻底解决送粉器定量输出粉末不准确的问题，确保正常运行.

图1 送粉器结构图

2 送粉器系统问题分析

2.1 送粉器系统功能分析

送粉器的系统组件包括送粉辊、固定框、橡胶板、压板、螺钉.超系统组件包括粉斗、高低压空气.系统作用对象是粉末.经过分析，构造其相互作用关系矩阵如表1 所示，有相互作用关系的用“＋”表示，否则用“－”表示.

表1 送粉器系统作用分析矩阵

根据表1 对送粉器系统的功能及其属性进行详细分析，汇总如表2 所示.

表2 送粉器的功能分析表

images/BZ_42_1292_2286_2233_2470.png粉末粉末压板橡胶板橡胶板橡胶板橡胶板螺钉螺钉粉斗粉斗高低压空气高低压空气接触送粉辊接触固定框压紧橡胶板挤压压板密封高压空气密封送粉辊密封粉末紧固固定框紧固压板连通固定框存储粉末挤压橡胶板吹松粉末√√√√ √√√√ √√√√√

系统组件、超系统组件和被作用对象等之间的功能结构关系，如图2 所示.

图2 送粉器的功能结构模型

通过以上功能分析，定量输送粉末时，导致粉末泄漏因素主要有三个：

（1）粉末输送过程中摩擦橡胶板，导致粉末泄漏；

（2）高低压空气挤压橡胶板，导致粉末泄漏；

（3）送粉辊在旋转过程中摩擦橡胶板，导致粉末泄漏.

2.2 送粉器系统因果轴分析

对橡胶板密封不足进行因果轴分析，如图3 所示，导致橡胶板密封不足的原因是橡胶板磨损过度和橡胶板变形过度.而导致橡胶板磨损过度的原因主要是送粉辊反复过度摩擦橡胶板、粉末过度摩擦橡胶板和橡胶板本身存在老化现象.导致橡胶板变形过度的原因一是高低压空气在吹松粉末时，会将压力传递到橡胶板，导致变形；二是压板固定橡胶板时，螺钉预紧力过大，使橡胶板压缩过多，导致结合面变形.

图3 橡胶板密封不足的因果轴分析

橡胶板密封不足将直接导致烧结时粉末数量不足，烧结过程将因缺少粉末而失败，同时使客户打印成本过度增加，造成浪费.

2.3 送粉器的系统资源

系统资源的类型有物质资源、能量资源、信息资源等六类，为简便，下面仅仅从系统轴的角度对送粉器进行资源分析，结果如表3 所示，这些资源可为后续的资源分析提供参考.

表3 基于送粉器系统轴的资源分析列表

3 送粉器系统采用TRIZ工具解题及方案

3.1 采用系统裁剪工具

根据图2 的功能模型，橡胶板伴有三个负作用：橡胶板和送粉辊之间的摩擦、高低压空气对橡胶板的挤压、粉末对橡胶板的摩擦.这三个负作用都可能导致密封失效，从而产生粉末泄漏.可以考虑将橡胶板作为裁剪的首要选项.裁剪后，橡胶板的密封功能可以通过缩小送粉辊与固定框的间隙来实现.同时，固定橡胶板的压板和螺钉可以一并裁剪，使系统结构简化.送粉器系统裁剪后新的功能模型如图4 所示.

图4 裁剪分析后的系统功能模型

这样得到创新方案一：裁剪橡胶板，其密封功能用缩小固定框与送粉辊的间隙替代.

3.2 采用矛盾矩阵工具

定义第一对技术矛盾.根据图3 可见，引起橡胶板变形过度的原因之一是高低压空气压力过度.需要解决的问题是如何减少橡胶板的变形.现有解决办法是减小高低压空气的压力，可以减少橡胶板的变形.存在的缺点是将使粉末的流动性下降，导致送粉器无法送粉.因此，用39 个通用技术参数中的两个就可以表示成：需要改善的特性参数“形状”与系统恶化的特性参数“速度”之间的矛盾.

定义第二对技术矛盾.根据图3 可见，引起橡胶板磨损过度的原因之一是送粉辊摩擦过度.需要解决的问题是如何减少送粉辊对橡胶板的摩擦.现有解决办法是减小送粉辊与橡胶板的接触面的摩擦系数，可减少对橡胶板的磨损.存在的缺点是将导致送粉辊的可制造性变差.因此，用39 个通用技术参数中的两个就可以表示成：需要改善的特性参数“物质损失”与系统恶化的特性参数“可制造性”之间的矛盾.

定义第三对技术矛盾.根据图4 可见，裁剪橡胶板后，存在固定框与送粉辊之间对粉末密封不可靠的问题.现有解决办法是减少固定框与送粉辊之间的间隙.存在的缺点是将导致送粉辊的磨损增加，耐磨能力不足.因此，用39 个通用技术参数中的两个就可以表示成：需要改善的特性参数“可靠性”与系统恶化的特性参数“物质损失”之间的矛盾.

查矛盾矩阵［1］，查出的发明原理如表4 所示.

表4 送粉器计量不准问题矛盾矩阵求解发明原理

根据查到的发明原理，就可以针对其技术矛盾逐个寻求解决方案.

针对第一对技术矛盾，经分析可得到如下四个方案：

根据“15-动态特性原理”，得到创新方案二：考虑采用螺旋叶片等进行机械搅动粉末，使粉末流动性增加.

根据“18-机械振动原理”，得到创新方案三：增加机械振动装置，使粉末振松，增加流动性.

根据“35-物理或化学参数改变原理”，得到方案四：改变橡胶板原料的配方，或重新选择其他橡胶材料，提高其抗变形能力.

根据“34-抛弃或再生原理”，得到方案五：更换橡胶件，恢复其抗变形能力.

针对第二对技术矛盾，经分析可得到如下三个方案：

根据“15-动态特性原理”，得到方案六：改变橡胶板的结构形式，当橡胶板磨损后，可以自动移动，补偿磨损量.

根据“33-均质性原理”，得到方案七：将送粉辊的材料改变为橡胶材质或尼龙材质，使两者材质性能相近，提高耐磨性.

根据“34-抛弃或再生原理”，得到方案八：改变橡胶板的装配结构，使磨损后的橡胶板可以进行快速更换或补偿磨损的部分.

针对第三对技术矛盾，经分析可得到如下两个方案：

根据“10-预先作用原理”，得到方案九：通过预先对送粉辊的表面进行硬度强化，提高其表面的耐磨性.

根据“35-物理或化学参数改变原理”，得到方案十：通过对送粉辊表面涂覆耐磨材料，改变其化学成分，提高其耐磨性.

3.3 采用资源分析工具

原有系统是采用吹气方式使粉末增加流动性，但是带来的问题是吹气的气压挤压橡胶板，使橡胶板变形，导致粉末泄漏.参考表3，通过对系统的能量资源、时间资源等进行深入分析，可以得到以下六个方案：

方案十一：采用机械螺旋叶片搅拌实现粉末流动，避免吹气导致的粉末泄漏.

方案十二：采用超声波振动可以实现粉末振松，避免吹气.

方案十三：改变吹气的时机，送粉辊转动时吹气，静止时不吹气.

方案十四：通过增加粉末流动性，让粉末自流动，避免吹气.

方案十五：减少送粉辊与固定框之间的间隙，达到自密封效果，降低吹气压力，减少泄漏.

方案十六：增加一套弹簧丝插入送粉辊的槽中，由送粉辊转动时带动弹簧丝机械摆动，实现粉末流动，避免吹气.

3.4 采用物场模型与标准解工具

根据图4 的分析，如果裁剪掉橡胶板，橡胶板密封粉末的功能将需要固定框与送粉辊来实现.建立的物场模型如图5 所示，其中S1表示送粉辊，S2表示固定框，F 表示气动场的密封性.由图5 可知，物场模型中的元素齐全，但S2对S1产生的作用不足以达到气动场密封性的要求，因此，需要对模型所起的作用进行加强.可以应用标准解第2 类和第3 类的增强物场作用的方法［6］，经过分析，有以下标准解可供参考.

图5 问题的物场模型

（1）根据标准解S226，使用异构物质对S1与S2进行修改.根据技术系统的现有状态，最简单的方法是对固定框和送粉辊的配合性质进行修改，减小两者的配合间隙，提高其密封性，还可以提高送粉辊的加工精度，提高固定框的刚性等，提高其精度的保持性，这是方案十七.

（2）根据标准解S221，用更加容易控制的场来代替原来不容易控制的场，建立如图6 所示解决方案的物场模型.采用超声振动的声学场代替原来的气动场.去掉了空气压力，使固定框与送粉辊之间的间隙能足够实现对粉末的密封，同时，超声振动又具有提高粉末流动性的作用，这是方案十八.

图6 解决方案的物场模型

4 方案评价与最终解决方案

根据前面的分析，已经得到十八个方案，分别进行评价如表5 所示.

表5 拟采用方案的评价

根据上表的分析，结合实际情况，选取了方案1、9、10、13、14、15、17 等七个方案，重新进行组合，得到了一个即降低成本又可以解决泄漏问题的方案.即裁剪掉橡胶板，减小送粉辊与固定框架之间的配合间隙，对送粉辊表面进行强化处理，提高其耐磨性，将固定框设计成一个组件，提高其刚性，保持固定框的精度，优化吹气的时间点，有需要时在粉末中添加助流剂等，彻底解决了送粉器计量不准确的问题，并申请了国家专利［7］.该项技术已成功地应用到了相关研发产品上.

创新设计的送粉器新设计结构如图7 所示.

图7 送粉器创新设计新结构

5 结束语

本文通过对定量送粉器的创新设计，运用TRIZ 理论中的功能分析、因果轴分析、矛盾分析、资源分析、物场分析等工具，对定量送粉器因漏粉导致计量不准确的问题进行了深入研究，运用TRIZ 理论的解题工具提出了18 种解决问题方案，开拓了解决问题的思路，其创新求解的过程对利用TRIZ 理论求解具有广泛的借鉴意义.