基于TRIZ理論的便捷補(bǔ)水耐用兒童繪畫(huà)筆創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作

張春青 田瑤 劉萬(wàn)輝

基金項(xiàng)目：本文是河北省大中學(xué)生科技創(chuàng)新能力培育專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)研究成果之一（項(xiàng)目編號(hào)：2021H020805）。

作者簡(jiǎn)介：張春青（1983—），女，碩士，講師，研究方向?yàn)閯?chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。

摘 ?要：針對(duì)現(xiàn)有繪畫(huà)筆不能便捷補(bǔ)水的問(wèn)題，該文運(yùn)用TRIZ理論中的因果鏈分析建立問(wèn)題因果鏈，找出關(guān)鍵問(wèn)題中存在的矛盾，利用時(shí)間分離原理及阿奇舒勒矛盾矩陣分析得出關(guān)鍵問(wèn)題的解決方案，通過(guò)對(duì)所有技術(shù)方案進(jìn)行梳理，確定最終設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行畫(huà)筆加工制作。該研發(fā)的繪畫(huà)筆補(bǔ)水便捷，內(nèi)置引水芯可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)液，繪畫(huà)使用時(shí)長(zhǎng)較普通繪畫(huà)筆可提高5～10倍。

關(guān)鍵詞：繪畫(huà)筆 ??TRIZ理論 ??引水芯 ??便捷補(bǔ)水

中圖分類(lèi)號(hào)： TH133 ???????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ??????????????文章編號(hào)：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： In view of the problem that the existing painting brush can not replenish water conveniently， this paper uses the causal chain analysis in TRIZ theory to establish the problem causal chain， find out the contradictions existing in the key problems， use the Time separation principle and archischuler contradiction matrix to analyze the solutions to the key problems， sort out all technical schemes， determine the final design scheme and process the brush.The developed painting pen is convenient to replenish water. The built-in water diversion core can realize automatic replenishment. The use time of painting can be increased by 5-10 times compared with ordinary painting pens.

Key Words： Painting pen; TRIZ theory; Water diversion core; Convenient water replenishment

現(xiàn)今市場(chǎng)上使用的水彩筆、馬克筆、記號(hào)筆等大多數(shù)繪畫(huà)筆不能便捷補(bǔ)水，使用者只能用完即棄，但其筆本身相關(guān)的配件幾乎完好，大量丟棄的繪畫(huà)筆不僅引起資源浪費(fèi)，增加使用成本，同時(shí)產(chǎn)生的塑料垃圾也嚴(yán)重污染了生活環(huán)境[1]。該文通過(guò)TRIZ理論系統(tǒng)的對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，得到問(wèn)題解決方案，所研發(fā)的兒童繪畫(huà)筆可實(shí)現(xiàn)便捷補(bǔ)水，便于繪畫(huà)者反復(fù)使用，減少資源浪費(fèi)，有利于環(huán)境保護(hù)[2]。TRIZ理論是一套發(fā)明問(wèn)題解決理論，是根里奇·阿奇舒勒領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在研究世界各地250萬(wàn)份高水平專(zhuān)利的基礎(chǔ)上，綜合多學(xué)科領(lǐng)域的創(chuàng)新原理和方法而得出的理論體系[3]。

1 ?問(wèn)題描述

水彩筆、馬克筆、記號(hào)筆等繪畫(huà)筆結(jié)構(gòu)基本由筆殼、封堵、筆舌、筆頭、引水芯、筆蓋6個(gè)組件組成，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)298人（包括普通家庭及繪畫(huà)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)人員）進(jìn)行畫(huà)筆使用問(wèn)題問(wèn)卷調(diào)研，85.58%的受訪者認(rèn)為不能補(bǔ)水為現(xiàn)有繪畫(huà)筆的主要問(wèn)題。對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行描述，繪畫(huà)筆尾部封堵和筆殼連接牢固，使用者很難打開(kāi)，如果強(qiáng)行拆開(kāi)畫(huà)筆，會(huì)造成筆的外觀和本身?yè)p壞，而且即使打開(kāi)封堵進(jìn)行補(bǔ)水操作，補(bǔ)充液加注過(guò)程很容易泄漏，造成一片狼藉。

2 ?發(fā)明問(wèn)題初始形勢(shì)分析

2.1 系統(tǒng)的工作原理

繪畫(huà)筆系統(tǒng)組件連接形式為筆殼上下分別與封堵及筆頭連接，筆舌固定于筆頭上，繪畫(huà)筆內(nèi)部有引水芯，筆舌尾部部分插入引水芯內(nèi)。繪畫(huà)使用時(shí)，筆舌接觸紙張進(jìn)行繪畫(huà)，隨繪畫(huà)或書(shū)寫(xiě)長(zhǎng)度的增加，引水芯內(nèi)部補(bǔ)充液會(huì)逐漸減少，直至消化殆盡。如進(jìn)行繪畫(huà)筆補(bǔ)水，需將畫(huà)筆尾部封堵打開(kāi)，將瓶裝補(bǔ)充液加注至引水芯內(nèi)，裝上封堵后繪畫(huà)筆重復(fù)使用。

2.2 存在主要問(wèn)題

2.2.1 繪畫(huà)筆尾部封堵不易打開(kāi)

通常繪畫(huà)筆補(bǔ)水操作是應(yīng)先拆除畫(huà)筆尾部封堵，后進(jìn)行補(bǔ)充液添加。團(tuán)隊(duì)成員在拆卸封堵試驗(yàn)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)封堵拆卸非常困難，需借助小刀等工具方可強(qiáng)制打開(kāi)，且拆卸后筆殼及封堵組件受到損傷。繪畫(huà)筆加完補(bǔ)充液回裝封堵過(guò)程，由于筆殼和封堵配合面在拆卸時(shí)受到損傷，往往安裝需要加膠水黏合，整個(gè)拆卸與安裝操作繁瑣，同時(shí)回裝后的畫(huà)筆外觀受損。

2.2.2 繪畫(huà)筆補(bǔ)液發(fā)生泄漏

繪畫(huà)筆拆卸掉封堵后進(jìn)行補(bǔ)水操作，操作過(guò)程需一手垂直握住繪畫(huà)筆，一手持補(bǔ)液瓶并對(duì)準(zhǔn)筆殼內(nèi)的引水芯，將補(bǔ)充液滴至繪畫(huà)筆的引水芯上，滴注過(guò)程由于不知道是否已加滿，通常等到畫(huà)筆筆舌處漏液時(shí)停止補(bǔ)液操作。操作后補(bǔ)液人員往往手上沾滿補(bǔ)充液，操作臺(tái)上狼藉一片。

2.3 限制條件

2.3.1 封堵不易打開(kāi)限制條件

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員對(duì)不同類(lèi)型繪畫(huà)筆進(jìn)行拆卸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不易拆卸主要原因?yàn)榉舛屡c筆殼連接太緊。經(jīng)查閱相關(guān)資料，存在兒童吞咽封堵零件導(dǎo)致窒息危險(xiǎn)情況，同時(shí)繪畫(huà)筆引水芯內(nèi)的存儲(chǔ)液含有一定量的可溶性重金屬元素，若兒童拆卸誤食引水芯易對(duì)人體產(chǎn)生中毒危害。

2.3.2 補(bǔ)液發(fā)生泄漏限制條件

經(jīng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員多次進(jìn)行繪畫(huà)筆補(bǔ)液操作，發(fā)現(xiàn)如果加注速度過(guò)快，繪畫(huà)筆會(huì)發(fā)生漏液;也發(fā)現(xiàn)由于不能觀察到是否已加滿，每次需要等待筆舌漏液方可停止補(bǔ)液，此時(shí)漏液即代表已補(bǔ)液完成。

2.4 目前解決方案分析

查閱大量相關(guān)專(zhuān)利資源，對(duì)于繪畫(huà)筆不能便捷補(bǔ)液，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)主要有以下兩種：

（1）筆內(nèi)設(shè)計(jì)有墨囊，當(dāng)引水芯無(wú)液時(shí)按壓墨囊補(bǔ)液，而墨囊無(wú)液時(shí)需進(jìn)行墨囊更換;

具有代表性專(zhuān)利名稱(chēng)：新型水彩筆（專(zhuān)利號(hào)：ZL201120379524.8）仍存在的問(wèn)題和不足：墨囊體積小，存放補(bǔ)充液有限，專(zhuān)利提出墨囊無(wú)液時(shí)需更換墨囊，由于墨囊補(bǔ)充液存放量小導(dǎo)致更換頻繁，成本增加。同時(shí)該專(zhuān)利未考慮兒童能夠拆卸因素，易發(fā)生兒童安全問(wèn)題。

（2）帶有可拆卸式注墨裝置，繪畫(huà)筆無(wú)液時(shí)通過(guò)特殊注墨裝置進(jìn)行補(bǔ)液。具有代表性專(zhuān)利名稱(chēng)：一種水彩筆（專(zhuān)利號(hào)：ZL201420404704.0）仍存在的問(wèn)題和不足：該專(zhuān)利水彩筆涉及16個(gè)組件，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，特別是繪畫(huà)筆尾部需安裝單向閥，對(duì)閥門(mén)開(kāi)關(guān)性能及壽命要求較高，繪畫(huà)筆整體成本較高。補(bǔ)液過(guò)程由于不能掌握補(bǔ)液量，也易發(fā)生補(bǔ)充液從筆舌處泄漏。

3 ?系統(tǒng)分析

經(jīng)過(guò)對(duì)繪畫(huà)筆主要存在問(wèn)題進(jìn)行初始形勢(shì)分析，研究人員找到了普通繪畫(huà)筆存在補(bǔ)水不便捷這個(gè)主要問(wèn)題，同時(shí)分析出了這個(gè)問(wèn)題主要體現(xiàn)在封堵連接牢固不易打開(kāi)和補(bǔ)液時(shí)發(fā)生泄露這兩個(gè)方面。

該團(tuán)隊(duì)運(yùn)用TRIZ理論中的因果鏈分析建立如下因果鏈。因果鏈?zhǔn)荰RIZ理論中用于分析問(wèn)題原因的一個(gè)重要工具[4]。

4 ?TRIZ工具

4.1 使用基于時(shí)間分離的物理矛盾分析解決關(guān)鍵問(wèn)題1

關(guān)鍵問(wèn)題1：如何輕松打開(kāi)封堵，同時(shí)保障兒童使用安全。分析該問(wèn)題存在的矛盾，繪畫(huà)筆封堵連接需要容易打開(kāi)，因?yàn)槿菀状蜷_(kāi)便于進(jìn)行補(bǔ)水;但是，繪畫(huà)筆封堵連接需要不易打開(kāi)，因?yàn)閮和褂脮r(shí)要求安全性。運(yùn)用TRIZ工具解決封堵問(wèn)題可以將其描述為以上典型的物理矛盾[5]。

我們也可將關(guān)鍵問(wèn)題1描述為如下物理矛盾：當(dāng)家長(zhǎng)為繪畫(huà)筆補(bǔ)水時(shí)，需要封堵容易打開(kāi)，因?yàn)檠a(bǔ)水需要便捷操作;但是當(dāng)兒童使用繪畫(huà)筆時(shí)，需要封堵不易打開(kāi)，因?yàn)橐苊鈨和鹦懂?huà)筆保障兒童安全。

基于時(shí)間分離來(lái)解決這個(gè)物理矛盾，可以嘗試的發(fā)明原理有：發(fā)明原理9：預(yù)先反作用;發(fā)明原理10：預(yù)先作用;發(fā)明原理11：事先預(yù)防;發(fā)明原理15：動(dòng)態(tài)特性;發(fā)明原理34：拋棄或再生。

結(jié)合繪畫(huà)筆封堵實(shí)際，采用發(fā)明原理15：動(dòng)態(tài)特性，將封堵和筆殼連接變?yōu)榭蓜?dòng)連接，可得到以下解決方案。

方案1：將封堵和筆殼連接改為螺紋連接，變?yōu)榭蓜?dòng)，從而解決打開(kāi)不方便的問(wèn)題。同時(shí)，增加拆卸專(zhuān)用扳手，提高安全系數(shù)，避免兒童誤操作。

方案2：封堵和筆殼連接改為鎖扣連接，變?yōu)榭蓜?dòng)，家長(zhǎng)通過(guò)專(zhuān)用鑰匙輕松打開(kāi)封堵實(shí)現(xiàn)便捷補(bǔ)液。

4.2 基于阿奇舒勒矛盾矩陣分析解決關(guān)鍵問(wèn)題2

關(guān)鍵問(wèn)題2：如何實(shí)現(xiàn)補(bǔ)液時(shí)不發(fā)生泄漏，同時(shí)提高補(bǔ)液速度。分析該問(wèn)題存在的矛盾，如果提高繪畫(huà)筆補(bǔ)液時(shí)補(bǔ)液速度，那么補(bǔ)液效率會(huì)提升，但是補(bǔ)液時(shí)會(huì)發(fā)生泄漏。該問(wèn)題也為典型的技術(shù)矛盾。

根據(jù)TRIZ理論，通過(guò)運(yùn)用技術(shù)矛盾來(lái)解決明顯問(wèn)題[6]。

技術(shù)矛盾中有技術(shù)矛盾-1和技術(shù)矛盾-2，我們用阿奇舒勒矛盾矩陣中所定義的39個(gè)工程參數(shù)來(lái)進(jìn)行描述，確定“改善參數(shù)”——No.23物質(zhì)損失與“惡化參數(shù)”——No.39生產(chǎn)率，查詢(xún)出對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理有：發(fā)明原理28：機(jī)械系統(tǒng)替代;發(fā)明原理35：物理或化學(xué)參數(shù)改變;發(fā)明原理10：預(yù)先作用;發(fā)明原理23：反饋。

結(jié)合繪畫(huà)筆補(bǔ)液操作與引水芯結(jié)構(gòu)實(shí)際，采用發(fā)明原理10——預(yù)先作用，預(yù)先安置補(bǔ)充液，補(bǔ)液操作時(shí)補(bǔ)水速度不受引水芯吸附力制約，可得到以下解決方案。

在繪畫(huà)筆殼內(nèi)，安裝類(lèi)似漏斗部件，漏斗出口端（口徑特殊設(shè)計(jì)保障流速低于引水芯吸附速度）插入引水芯上方。補(bǔ)水時(shí)打開(kāi)封堵，將補(bǔ)液瓶?jī)?nèi)的補(bǔ)充液快速擠入漏斗內(nèi)，補(bǔ)充液依靠重力慢速流入引水芯內(nèi)。

5 全部技術(shù)方案及評(píng)價(jià)

（1）方案1：將封堵和筆殼連接改為螺紋連接，拆裝封堵時(shí)需應(yīng)用專(zhuān)用扳手。

方案評(píng)價(jià)：該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，繪畫(huà)筆需要補(bǔ)液時(shí)家長(zhǎng)拿專(zhuān)用工具可輕松打開(kāi)封堵，兒童繪畫(huà)時(shí)由于沒(méi)有專(zhuān)用工具無(wú)法打開(kāi)，保障了使用安全性。

（2）方案2：將封堵和筆殼連接改為鎖扣連接，拆裝封堵時(shí)需專(zhuān)用鑰匙。

方案評(píng)價(jià)：能夠?qū)崿F(xiàn)家長(zhǎng)輕松打開(kāi)封堵，兒童使用安全，但封堵和筆殼鎖扣結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜。

（3）方案3：筆殼內(nèi)安裝漏斗部件，快速補(bǔ)液后補(bǔ)充液依靠重力流入引水芯內(nèi)。

方案評(píng)價(jià)：可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)液瓶中補(bǔ)充液快速加入繪畫(huà)筆，同時(shí)不發(fā)生補(bǔ)充液泄漏，但需等待漏斗內(nèi)的補(bǔ)充液慢速流入引水芯后完成補(bǔ)液操作。

（4）方案4：在引水芯外設(shè)置補(bǔ)液腔，使用引水纖維線連接引水芯和補(bǔ)液腔。

方案評(píng)價(jià)：補(bǔ)液腔由于不受引水芯吸附力限制，可快速補(bǔ)液，由于采用了引水纖維線特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)繪畫(huà)筆放置或使用過(guò)程中引水芯可自動(dòng)補(bǔ)水，設(shè)計(jì)巧妙，且補(bǔ)液腔儲(chǔ)液量大，繪畫(huà)筆耐用性提高。

（5）方案5：針對(duì)因果鏈分析關(guān)鍵問(wèn)題3，將引水芯容量注明于筆殼上，加注時(shí)定量加注，避免加注過(guò)多導(dǎo)致漏液。

方案評(píng)價(jià)：對(duì)制筆廠家提出了新要求，可實(shí)現(xiàn)定量加注，避免漏液。

（6）方案6：針對(duì)因果鏈分析關(guān)鍵問(wèn)題4，筆殼采用透明材質(zhì)。

方案評(píng)價(jià)：筆殼透明，方便補(bǔ)液操作過(guò)程觀察內(nèi)部狀態(tài)。

（7）專(zhuān)利預(yù)案。

經(jīng)綜合考慮，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定采用方案1、方案4和方案6組合。繪畫(huà)筆封堵與筆殼螺紋連接，通過(guò)專(zhuān)用扳手拆裝，保障便捷拆裝性與安全性，繪畫(huà)筆設(shè)計(jì)有補(bǔ)液腔，引水芯與補(bǔ)液腔分離，通過(guò)海綿塊、引水纖維線建立連接，實(shí)現(xiàn)引水芯補(bǔ)水。

6 ?最終確定方案

采用方案1、方案4和方案6組合方式，確定方案如下：繪畫(huà)筆透明筆殼的一端設(shè)有封堵，另一端設(shè)有筆頭，內(nèi)部設(shè)有引水芯和引水芯腔筒，引水芯安裝在引水芯腔筒內(nèi)，引水芯腔筒的一端與透明筆殼的底部一體成型固定密封連接，引水芯腔筒的外壁與所述透明筆殼的內(nèi)壁形成補(bǔ)液腔，引水芯腔的另一端連接有海綿塊，海綿塊與補(bǔ)液腔連通，海綿塊上設(shè)有若干引水纖維線，引水纖維線與引水芯連接;在實(shí)際使用情景中，引水芯與海綿塊通過(guò)吸水纖維線連接，引水芯中水分不足時(shí)通過(guò)纖維線吸附海綿塊中的補(bǔ)充液，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水;繪畫(huà)筆使用過(guò)程中通過(guò)晃動(dòng)或顛倒運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)海綿塊蓄水，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)引水芯吸附補(bǔ)水;繪畫(huà)筆使用過(guò)程應(yīng)用吸附吸水原理自動(dòng)向引水芯補(bǔ)水，補(bǔ)液腔和引水芯都無(wú)水時(shí)，可打開(kāi)尾部封堵，將補(bǔ)充液直接手動(dòng)加注至補(bǔ)液腔，方便快捷;補(bǔ)液腔和引水芯雙存液結(jié)構(gòu)，繪畫(huà)筆使用時(shí)間大大提高;筆殼透明結(jié)構(gòu)便于觀察補(bǔ)充液剩余情況，同時(shí)使用者在繪畫(huà)過(guò)程觀察補(bǔ)充液，增加了使用趣味性。

7 結(jié)論

該項(xiàng)目具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）該項(xiàng)目研究的新型便捷補(bǔ)水耐用繪畫(huà)筆具有補(bǔ)液腔和引水芯雙存液結(jié)構(gòu)，繪畫(huà)筆使用時(shí)間大大提高。

（2）該繪畫(huà)筆改變常規(guī)加注補(bǔ)水方式，繪畫(huà)使用過(guò)程應(yīng)用吸附吸水原理由補(bǔ)液腔經(jīng)海綿塊及吸水纖維線自動(dòng)向引水芯補(bǔ)水。

（3）筆殼補(bǔ)液腔和引水芯無(wú)水時(shí)，可通過(guò)專(zhuān)用扳手打開(kāi)筆殼尾部封堵，將補(bǔ)充液直接加注至補(bǔ)液腔，補(bǔ)液方便快捷兼具使用安全性。

（4）畫(huà)筆筆殼透明，使用者可以隨時(shí)觀察顏料剩余情況，增加畫(huà)筆使用的趣味性。

（5）繪畫(huà)筆可循環(huán)使用，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，有效降低繪畫(huà)筆使用成本。

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