基于ARIZ的3D打印機(jī)平臺(tái)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

梁雪梅，胡雙飛，羅梓欣，張思恩，楊孜麒

（1.廣東省生產(chǎn)力促進(jìn)中心，廣州 510070；2.廣州歐歐醫(yī)療科技有限責(zé)任公司，廣州 510080；3.深圳市中科維盛文化與科學(xué)傳播有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

3D打印是一種基于CAD數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，利用“自下而上”材料逐層累加的方式制造零件的技術(shù)[1]。目前主流的3D打印方式有多種，其中采用FDM工藝（熔融沉積成型）的3D打印機(jī)是最經(jīng)濟(jì)、最常用的快速原型制造工具，具有操作簡(jiǎn)單、成型速度快等優(yōu)點(diǎn)[2]，在工業(yè)設(shè)計(jì)、制造、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用[3-4]。FDM 3D熔融擠出系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)主要由擠出機(jī)、機(jī)床、噴頭及三維成型平臺(tái)組成[5]。然而，在使用過(guò)程中，F(xiàn)DM 3D打印機(jī)完成打印后，模型尤其是大尺寸的模型出現(xiàn)難以從成型平臺(tái)取下的問(wèn)題，強(qiáng)行取下模型不僅影響打印的工作效率，甚至可能會(huì)出現(xiàn)模型破壞的結(jié)果，違背使用FDM工藝打印快速、操作簡(jiǎn)便的目標(biāo)。

發(fā)明問(wèn)題解決算法（Algorithm for Inventive-Problem Solving，下稱(chēng)ARIZ）是TRIZ創(chuàng)新方法理論中用于解決復(fù)雜創(chuàng)新問(wèn)題的重要思維工具之一[6]，它提供了一整套從問(wèn)題分析解決到方案評(píng)價(jià)的系統(tǒng)化流程。創(chuàng)新方法用于問(wèn)題解決近年來(lái)被應(yīng)用于工程技術(shù)、社科等多個(gè)領(lǐng)域，為人們創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題提供系統(tǒng)的理論和方法工具，成功解決了不少?gòu)?fù)雜難題[7-10]。其中ARIZ-85版本應(yīng)用最為廣泛。針對(duì)模型打印完成后難以從FDM 3D打印機(jī)平臺(tái)上取下的問(wèn)題，本文應(yīng)用ARIZ理論分析其問(wèn)題模型，提出FDM 3D打印機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

圖1 ARIZ-85解題流程

1 工作原理及問(wèn)題描述

FDM打印基本工作原理一般是：熱塑性原材料（PLA工程塑料）在擠壓頭1的作用下被加熱熔化擠出；擠出的材料2被噴涂在成型平臺(tái)3上，快速冷卻、凝固成型；擠壓頭1和成型平臺(tái)3在三維空間中移動(dòng)，進(jìn)行材料在成型平臺(tái)上的疊加成型，完成實(shí)體造型后實(shí)體與平臺(tái)分離獲得模型。但由于PLA材料黏度較大，冷卻凝固后與平臺(tái)黏附太緊，出現(xiàn)無(wú)法分離的問(wèn)題。

2 問(wèn)題分析與求解

2.1 問(wèn)題分析與表述

當(dāng)前的技術(shù)系統(tǒng)是FDM 3D打印機(jī)的成型平臺(tái)，其主要功能是承載和固定模型。根據(jù)當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)建立系統(tǒng)組件功能模型（如圖2），當(dāng)前系統(tǒng)的組件與超系統(tǒng)組件由模型（底層）、噴嘴、PLA材料、加熱器、平臺(tái)導(dǎo)軌、機(jī)架、空氣和取模型的工具等組成。

圖2 FDM 3D打印機(jī)功能模型圖

功能模型顯示，打印平臺(tái)對(duì)模型（底層）存在過(guò)度作用。通過(guò)分析可知，造成模型難取的主要原因是模型（底層）與平臺(tái)的接觸面積過(guò)大，導(dǎo)致模型打印完成后，平臺(tái)對(duì)模型的黏著力過(guò)大。

定義最小問(wèn)題：很有必要對(duì)系統(tǒng)做最小的改變，降低平臺(tái)對(duì)模型底層的黏著力同時(shí)增大打印模型的體積。根據(jù)最小問(wèn)題，尋找解決方案。

2.2 問(wèn)題模型分析

2.2.1 技術(shù)矛盾

減小平臺(tái)面積會(huì)降低平臺(tái)對(duì)模型底層的黏著力，但是也會(huì)降低打印模型的體積。因而此處存在2個(gè)技術(shù)矛盾：1）技術(shù)矛盾1（TC1）。如果減小平臺(tái)面積，那么會(huì)降低平臺(tái)對(duì)模型底層的黏著力，但是會(huì)減小打印模型的體積（如圖3（a））。2）技術(shù)矛盾2（TC2）。如果增大平臺(tái)面積，那么會(huì)增加打印模型的體積，但是會(huì)加大平臺(tái)對(duì)模型底層的黏著力（如圖3（b）），增加脫離難度。綜合考慮，選取TC1作為主要技術(shù)矛盾進(jìn)行分析。

圖3 技術(shù)矛盾示意圖

2.2.2 嘗試用標(biāo)準(zhǔn)解解決問(wèn)題

結(jié)合物場(chǎng)模型問(wèn)題類(lèi)型，該問(wèn)題為不足物場(chǎng)模型，可嘗試?yán)玫?、3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解求解。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解No.16的指示，增加場(chǎng)的可控性，得到方案1：在系統(tǒng)中引入慣性力場(chǎng)——使用無(wú)黏性的平臺(tái)，同時(shí)將固定的平臺(tái)改為旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)以增加慣性力場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)利用慣性使模型自行脫落。

2.3 最終理想解和物理矛盾定義

2.3.1 操作區(qū)域及操作時(shí)間

打印模型的區(qū)域OZ1和打印完成的區(qū)域OZ2，兩個(gè)區(qū)域存在重疊，沖突不能進(jìn)行空間分離。操作時(shí)間包括打印過(guò)程中的時(shí)間OT1及打印完成后的時(shí)間OT2，兩個(gè)區(qū)域不存在重疊，可進(jìn)行時(shí)間分離。

2.3.2 最終理想解IFR1

識(shí)別已有的物場(chǎng)資源。應(yīng)用已有的物場(chǎng)資源，引入一個(gè)X元素，可以消除不足作用（承載模型的體積不足），并可在操作時(shí)間內(nèi)（OT1或OT2），在操作空間內(nèi)完成系統(tǒng)的主要功能（固定和承載模型），而不增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，也不產(chǎn)生任何有害作用。

若X元素為平臺(tái)材料的剛性，得到方案2：將一體的剛性平臺(tái)換成可分離式的雙層平臺(tái)，上層使用彈性好、可彎曲的材料，模型分離時(shí)平臺(tái)上半部分隨同一起分離，彎曲平臺(tái)上半部分脫落模型。

若X元素為平臺(tái)材料的形態(tài)，得到方案3：更換平臺(tái)固態(tài)材料，設(shè)置為室溫固態(tài)、加熱即融化的材料，分離模型時(shí)加熱平臺(tái)下部腔體，上部材料融化，模型自行脫落。

2.3.3 物理矛盾的宏觀(guān)描述

在OT1內(nèi)，平臺(tái)與模型底層的接觸面積需要增大以增加黏度、固定模型；在OT2內(nèi)，平臺(tái)與模型底層的接觸面積需要減小以減小黏度、分離模型。要求接觸面積既大又小。

方案4：基于時(shí)間分離法則——平臺(tái)分2層，上層將一體式平臺(tái)分割成多個(gè)細(xì)條狀、可卷繞的結(jié)構(gòu)（類(lèi)似卷涼席），打印完成后將平臺(tái)上層卷曲，使模型逐步脫落。

方案5：基于時(shí)間分離法則——平臺(tái)分2層，上層使用可卷繞的結(jié)構(gòu)（類(lèi)似卷皮帶），打印完成后轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上層，使模型逐步脫離平臺(tái)。

2.3.4 物理矛盾的微觀(guān)描述

在OT1內(nèi)，平臺(tái)表面與模型底層表面分子需要相互緊密吸附以固定模型；OT2內(nèi)，平臺(tái)表面黏性小顆粒數(shù)量需要減少以分離模型。

2.3.5 描述最終理想解2

微觀(guān)層面下，存在X元素，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度的前提下，平臺(tái)與模型表面分子吸附力能變化，完成固定、分離模型的功能。

方案6：黏性小顆?！蛴∏霸谄脚_(tái)表面添加黏性小顆粒，模型打印在黏性小顆粒上，打印完成后加熱平臺(tái)，使這層黏性顆粒的黏性消失，模型自然分離。

方案7：帶負(fù)電的黏性小顆?！蛴∏霸谄脚_(tái)上加載正電荷，在平臺(tái)表面添加一層帶負(fù)電的小顆粒，模型打印在這層小顆粒上，打印完成后關(guān)閉平臺(tái)上的正電荷，模型自然分離。

2.4 物場(chǎng)資源應(yīng)用

構(gòu)建現(xiàn)有問(wèn)題的小人模型（如圖4），圓頭小人代表模型，方頭小人代表平臺(tái)。打印完成后平臺(tái)小人不愿與模型小人分開(kāi)。

圖4 小人法模型示意圖

考慮到平臺(tái)和模型間由于黏著力無(wú)法分開(kāi)，可以通過(guò)兩者間接觸面改變?nèi)胧?。假如平臺(tái)既可以固定模型又不產(chǎn)生黏著力，得到方案8：局部質(zhì)量——平臺(tái)上表面挖很多微型小坑，模型底層部分材料陷入這些小坑中，同時(shí)平臺(tái)與模型之間沒(méi)有黏著力，如圖5所示，既可以保證模型在水平方向上不能位移，而在豎直方向上又不對(duì)模型產(chǎn)生黏著力。

圖5 方案8示意圖

此外，考慮減少平臺(tái)與模型間的黏著力，且保持模型不發(fā)生位移，可得方案9：預(yù)先防范——開(kāi)始打印模型前在平臺(tái)上加載靜電，驅(qū)使模型和平臺(tái)接觸面灰塵沉積，以降低平臺(tái)對(duì)模型的黏著力（如圖6）。

圖6 方案9示意圖

2.5 知識(shí)庫(kù)運(yùn)用

2.5.1 行業(yè)知識(shí)庫(kù)

在機(jī)械加工生產(chǎn)領(lǐng)域通常會(huì)用到輔助加工的模具，受此啟發(fā)得到方案10：在打印模型主體前，設(shè)置打印機(jī)預(yù)先打印一層稀疏的網(wǎng)狀薄層，薄層剛好能夠?qū)⒛Ｐ宛じ皆谄脚_(tái)上促進(jìn)模型分離。

2.5.2 科學(xué)效應(yīng)庫(kù)

針對(duì)模型打印完成后與平臺(tái)難以分離問(wèn)題，提取出功能并對(duì)應(yīng)到效應(yīng)對(duì)應(yīng)的HOW TO模型：HOW TO 控制物體的位移。應(yīng)用TRIZ推薦的物理效應(yīng)，從熱雙金屬片物理效應(yīng)得到方案11：將平臺(tái)分成上下2層，上層采用雙金屬片材料排布，模型打印完成后，對(duì)平臺(tái)上層進(jìn)行加熱，使平臺(tái)上層發(fā)生形變，模型自行分離。

3 創(chuàng)新方案的評(píng)估與優(yōu)化

結(jié)合工藝實(shí)際加工情況，從成本、經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)難度對(duì)上述11個(gè)概念方案進(jìn)行評(píng)估。

方案1會(huì)大幅度地改變當(dāng)前的技術(shù)系統(tǒng)，且實(shí)施難度較大，暫不考慮；方案2成本低，易實(shí)施；方案3需遴選合適材料，工程量較大；方案4可提高自動(dòng)化水平，但加工難度較大，成本增加，暫不考慮；方案5同方案4缺點(diǎn)類(lèi)似；方案6實(shí)用性較強(qiáng)；方案7技術(shù)難度大，暫不作考慮；方案8對(duì)技術(shù)系統(tǒng)改動(dòng)較少，實(shí)用性強(qiáng)；方案9不容易精確控制，實(shí)施難度大；方案10簡(jiǎn)單易行，實(shí)用性強(qiáng)；方案11實(shí)施難度大、成本高，暫不考慮。

考慮將方案5和方案8進(jìn)行整合，對(duì)FDM 3D打印機(jī)成型平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，新的平臺(tái)能夠在打印過(guò)程中將模型牢牢地固定在平臺(tái)上，打印完成后模型可以在不需要人工干預(yù)的情況下自動(dòng)從平臺(tái)上分離，打印機(jī)隨后投入打印新的模型。整合后的方案讓模型分離變得極為便利，并且可以大幅度提升FDM 3D打印機(jī)連續(xù)打印的生產(chǎn)力。

4 結(jié)語(yǔ)

研究應(yīng)用ARIZ對(duì)模型與FDM 3D打印平臺(tái)難分離問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析求解，最終得到1個(gè)整合最優(yōu)方案，為問(wèn)題解決提供了方案支持。同時(shí)，也充分驗(yàn)證了ARIZ在解決復(fù)雜問(wèn)題上的有效性。