TRIZ理論在木塑復(fù)合材料中的應(yīng)用

陳澤龍，王玫瑰，鄭則炯，陳曉騰，陳偉文，林俊鑫

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輕化工技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 518100）

據(jù)《2020年中國(guó)國(guó)土綠化狀況公報(bào)》相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至目前，我國(guó)森林覆蓋率接近23%，而我國(guó)《森林法》中規(guī)定全國(guó)森林覆蓋率要達(dá)到30%，相較之下我國(guó)環(huán)保力度還略顯不足，生態(tài)問(wèn)題還較突出。為解決能源消耗和環(huán)境破壞等生態(tài)問(wèn)題，我國(guó)從禁止過(guò)度開(kāi)采林木和尋找木材替代品著手，大力推動(dòng)環(huán)保型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用進(jìn)程。

新型木塑復(fù)合材料，是一種極具發(fā)展前途的“低碳、環(huán)保、可循環(huán)”材料，具有力學(xué)強(qiáng)度高、耐腐蝕、加工性能好等優(yōu)良性質(zhì)，木塑產(chǎn)品在園藝家具等多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。由于企業(yè)受生產(chǎn)效益和成本、相關(guān)加工技術(shù)和設(shè)備等方面的限制，木塑產(chǎn)品的整體色彩單調(diào)，造型單一，且大部分產(chǎn)品連接組合方式以板式部件為主，體驗(yàn)感較差，導(dǎo)致木塑復(fù)合材料難以更廣泛地被生產(chǎn)企業(yè)和消費(fèi)者認(rèn)可。

TRIZ 理論是蘇聯(lián)時(shí)期多位科學(xué)家在分析了200 多萬(wàn)件世界各種專(zhuān)利的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)的這些發(fā)明的規(guī)律[1]。TRIZ 理論能夠幫助研發(fā)人員進(jìn)行系統(tǒng)改良分析，能夠進(jìn)行技術(shù)矛盾分析，也能有效增強(qiáng)研發(fā)人員創(chuàng)造力和解決問(wèn)題能力，是研發(fā)人員常用的一種創(chuàng)新方法。

塑木復(fù)合型材擁有可再生循環(huán)利用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用非常廣泛。利用現(xiàn)有技術(shù)，探討TRIZ 理論在木塑產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用，能夠豐富其在木塑產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用形式，挖掘出木塑產(chǎn)品深入發(fā)展的可能性，為促進(jìn)木塑產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供實(shí)用的方法。

1 TRIZ 解決技術(shù)系統(tǒng)矛盾的方法概述

TRIZ 理論認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)和消除矛盾是產(chǎn)品進(jìn)化和發(fā)展的主導(dǎo)力量，解決問(wèn)題的關(guān)鍵是解決矛盾[2]。阿奇舒勒等科學(xué)家提出TRIZ 理論，將工程中出現(xiàn)的種種矛盾歸結(jié)為兩大主要矛盾：物理矛盾、技術(shù)矛盾。（1）當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)某個(gè)特性或參數(shù)得到改善時(shí)，常常會(huì)引起另一個(gè)特性或參數(shù)的劣化，該矛盾就稱(chēng)為技術(shù)矛盾。（2）物理矛盾是指系統(tǒng)中的問(wèn)題是由一個(gè)參數(shù)導(dǎo)致的，系統(tǒng)的一方要求該參數(shù)正向發(fā)展，另一方要求該參數(shù)負(fù)向發(fā)展，當(dāng)一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的通用工程參數(shù)具有相反的需求時(shí)，就出現(xiàn)了物理矛盾[3]。

在對(duì)大量專(zhuān)利進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，TRIZ 理論提出了40 條發(fā)明原理和39 個(gè)通用工程參數(shù)，并創(chuàng)造性地將工程參數(shù)的矛盾與創(chuàng)新原理整理成矛盾矩陣表，對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)人員發(fā)明創(chuàng)造、創(chuàng)新具有非常重要的作用。

利用TRIZ 理論解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的技術(shù)矛盾問(wèn)題，一般TRIZ 解決矛盾的流程如圖1所示。

圖1 TRIZ 解決矛盾理論流程

按照TRIZ 理論的基本框架，一般研發(fā)人員在進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以分為三個(gè)步驟進(jìn)行，分別是：?jiǎn)栴}提出、問(wèn)題解決、概念驗(yàn)證。

首先，確定目標(biāo)主題以及技術(shù)問(wèn)題，并將其轉(zhuǎn)換成TRIZ 理論中的39 個(gè)工程參數(shù)（如表1所示）。

表1 39 個(gè)工程參數(shù)

第二，通過(guò)四大分離原理，從四個(gè)不同的原理中尋找待解決問(wèn)題的思路和可能方案（如表2所示）[4]。

表2 四種分離方法對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理

最終，需要對(duì)解決方案進(jìn)行概念驗(yàn)證，通過(guò)進(jìn)行測(cè)試、仿真、研究工作等，對(duì)其做出可行性評(píng)價(jià)，以確定最適合的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式等。

2 木塑產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題及TRIZ 應(yīng)用

通過(guò)線上文獻(xiàn)檢索和線下調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有市場(chǎng)上園藝產(chǎn)品外形以實(shí)木類(lèi)、人造板、金屬型材為主要材料，目前將木塑復(fù)合型材應(yīng)用在園藝產(chǎn)品的較少。傳統(tǒng)的花箱通常由木質(zhì)板拼接而成，木質(zhì)板在使用過(guò)程中易腐爛，需要經(jīng)常對(duì)外表面進(jìn)行油漆，增加了使用成本；而且木質(zhì)板拼接而成的花箱存在縫隙，容易造成漏水，不利于樹(shù)木花卉的生長(zhǎng)。專(zhuān)利號(hào)CN201220643384提供了一種新型木塑復(fù)合材料花箱，外殼木質(zhì)板改為木塑板，解決了上述問(wèn)題，但未能解決著色和美感度、嵌件連接問(wèn)題。新型木塑產(chǎn)品外殼在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，常見(jiàn)這三個(gè)問(wèn)題，制約著木塑產(chǎn)品在園藝家具領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍[5]。

2.1 利用TRIZ 技術(shù)矛盾解決“木塑產(chǎn)品著色難、美感低”問(wèn)題

產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)的品質(zhì)直接影響產(chǎn)品的市場(chǎng)表現(xiàn)，一個(gè)好的設(shè)計(jì)可以提升產(chǎn)品的銷(xiāo)售優(yōu)勢(shì)。差異化的好外觀往往能吸引更多消費(fèi)者，贏得更多的銷(xiāo)售空間。一個(gè)產(chǎn)品如果外觀設(shè)計(jì)沒(méi)有做好，很容易影響其在市場(chǎng)上的銷(xiāo)量。

產(chǎn)品形態(tài)造型包括色彩、功能、形態(tài)及裝飾等多個(gè)要素[6]。消費(fèi)者對(duì)木塑產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求不僅包括實(shí)用經(jīng)濟(jì)，還包括美觀、易用及使用效率等。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要從系統(tǒng)的角度來(lái)確定新型木塑產(chǎn)品的造型，研發(fā)人員需致力于突破目前產(chǎn)品造型的局限。

（1）問(wèn)題的提出。

由于企業(yè)成本和技術(shù)的限制，現(xiàn)有市場(chǎng)上傳統(tǒng)園藝產(chǎn)品設(shè)計(jì)外型板材線條較平直、色彩較平淡。木塑復(fù)合型材在加工制備過(guò)程中，大多數(shù)企業(yè)現(xiàn)有技術(shù)僅能在原材料配方中添加著色劑等助劑材料來(lái)進(jìn)行著色，木塑產(chǎn)品的色彩范圍有限[6]。

經(jīng)多次市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，仿木材的色彩在市場(chǎng)上較受歡迎，特別是近年來(lái)木塑復(fù)合板材需求的擴(kuò)大使得該類(lèi)型板材的染色技術(shù)得到飛速發(fā)展。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也對(duì)木塑復(fù)合板材的色彩處理進(jìn)行了相關(guān)研究，如專(zhuān)利號(hào)CN201410107887 中的技術(shù)說(shuō)明書(shū)中提供了一種新型木塑粉或染色木塑粉在制備本色或彩色木塑板材上的應(yīng)用，制得的彩色木塑板材色彩豐富、明艷、均勻。即在等高溫高壓條件下，使用分散染料對(duì)乙基化木粉/聚苯乙烯復(fù)合材料進(jìn)行染色，其材料配方在分散染料下的木塑產(chǎn)品具有更明亮的色彩。又如專(zhuān)利號(hào)CN02111432 說(shuō)明書(shū)中提供了一種新型薄木裝飾貼面板及其制作方法，即可以使用黑胡桃等3 種不同樹(shù)種的薄木進(jìn)行貼面處理，發(fā)現(xiàn)使用特種木塑專(zhuān)用膠可獲得較高的表面膠合強(qiáng)度，且貼片處理效果最優(yōu)，其材質(zhì)視覺(jué)效果和質(zhì)感能仿真珍貴樹(shù)種木紋和色澤，給人以高雅的享受，同時(shí)也可滿足任意顏色的個(gè)性需求。

（2）定義矛盾及確定矛盾參數(shù)。

為解決木塑復(fù)合材料著色過(guò)程中存在的問(wèn)題，利用TRIZ 理論，分析技術(shù)沖突，結(jié)合39 個(gè)工程參數(shù)得出問(wèn)題為解決13 穩(wěn)定性和29 制造精度的參數(shù)問(wèn)題。

為解決木塑產(chǎn)品外觀樣式存在平直、呆板、美觀度低的問(wèn)題，利用TRIZ 理論，分析技術(shù)沖突，結(jié)合39 個(gè)工程參數(shù)，得出問(wèn)題屬于參數(shù)12 形狀（外觀）和32 可制造性的物理矛盾沖突。

（3）確定創(chuàng)新原理和應(yīng)用思路。

結(jié)合工程參數(shù)13 穩(wěn)定性和29 制造精度（見(jiàn)表3），使用整體分離原理，通過(guò)進(jìn)行原材料染色處理以及對(duì)板材薄木貼片處理來(lái)增強(qiáng)其表面色彩豐富度和實(shí)木美感，提高木塑產(chǎn)品的美觀度。

表3 木塑產(chǎn)品著色設(shè)計(jì)結(jié)合TRIZ 理論分析

結(jié)合工程參數(shù)12 形狀和32 可制造性（見(jiàn)表4），采用條件分離原理，采用40 條發(fā)明原理中的14 曲面化原理，引入新型的彎曲生產(chǎn)工藝，在產(chǎn)品邊緣處添加彎曲構(gòu)件加以點(diǎn)綴，可大大豐富產(chǎn)品的造型和提升美觀度。如有學(xué)者研究表明，可以木粉/聚乙烯復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)多次彎曲試驗(yàn)，結(jié)果證明木塑復(fù)合材料可以從溫度、材料助劑等方面進(jìn)行產(chǎn)品曲面化處理，因此，木塑產(chǎn)品造型的多樣化可以通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)造型自由度以及轉(zhuǎn)角的方式去解決。

表4 木塑產(chǎn)品彎曲造型設(shè)計(jì)結(jié)合TRIZ 理論分析

2.2 利用TRIZ 技術(shù)矛盾解決“木塑產(chǎn)品表面裝飾設(shè)計(jì)”問(wèn)題

通過(guò)線上文獻(xiàn)檢索和線下調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有市場(chǎng)上園藝產(chǎn)品外形以實(shí)木類(lèi)、人造板、金屬型材為主要材料，該類(lèi)型材料能夠較好地體現(xiàn)出高檔、端莊的產(chǎn)品視覺(jué)感受，因此木塑產(chǎn)品在表面裝飾設(shè)計(jì)上也應(yīng)當(dāng)注意產(chǎn)品表面平整度、層次感等，以期滿足消費(fèi)者對(duì)美的要求。

（1）問(wèn)題的提出。

木塑復(fù)合型材是由木粉、稻殼、秸稈等廢棄的天然植物材料與聚丙烯、聚乙烯等廢舊塑料加工成型而成，受生產(chǎn)原材料的限制，木塑復(fù)合型材的表面硬度較低，使其類(lèi)型產(chǎn)品表面裝飾設(shè)計(jì)很難有大的創(chuàng)新，大多是比較單一的形態(tài)。

（2）定義矛盾及確定矛盾參數(shù)。

利用TRIZ 理論，分析技術(shù)沖突問(wèn)題，結(jié)合39 個(gè)工程參數(shù)，得出為解決32 可制造性和36 系統(tǒng)復(fù)雜性的工程參數(shù)問(wèn)題。

（3）確定創(chuàng)新原理和應(yīng)用思路。

結(jié)合工程參數(shù)32 可制造性和36 系統(tǒng)復(fù)雜性（見(jiàn)表5），①可使用整體與部分分離原理，結(jié)合40 條發(fā)明原理中的3 局部改善法和40 復(fù)合材料法原理，將木塑復(fù)合材料與其他材料、助劑等結(jié)合，在木塑產(chǎn)品外型配方生產(chǎn)時(shí)就加入金屬、玻璃、布料及皮革等助劑材料，以此來(lái)打破產(chǎn)品整體形態(tài)單一、枯燥的視覺(jué)感受。②可使用空間分離原理，利用17 多維法發(fā)明原理，引入新型3D 打印技術(shù)或壓花技術(shù)，在專(zhuān)利CN201410198921 說(shuō)明書(shū)中即提供了一種新型的3D 打印木塑復(fù)合材料技術(shù)，即可以在木塑產(chǎn)品生產(chǎn)制造過(guò)程中，對(duì)部分零部件進(jìn)行3D 打印或壓花生產(chǎn)，以期在產(chǎn)品整體保留原有形態(tài)的同時(shí)，以多層次的花紋表面代替原有的平滑表面，改善消費(fèi)者對(duì)木塑產(chǎn)品外型的視覺(jué)感受，突破產(chǎn)品造型的局限。

表5 木塑產(chǎn)品表面裝飾問(wèn)題結(jié)合TRIZ 理論分析

2.3 利用TRIZ 技術(shù)矛盾解決“木塑產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)連接和裝配”問(wèn)題

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)連接與裝配是研發(fā)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。產(chǎn)品的裝配和連接不佳容易導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)應(yīng)力不集中、材料力學(xué)性能降低問(wèn)題，從而影響消費(fèi)者的體驗(yàn)感。木塑產(chǎn)品的裝配需要考慮到的因素較多，如產(chǎn)品的組裝牢固性、可拆裝性等。結(jié)構(gòu)連接有產(chǎn)品部件間的固定式連接、活動(dòng)式連接，以及其他小部件之間的連接等。市場(chǎng)上木塑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外型的連接方式主要分為機(jī)械連接[7]、膠接[8]和焊接[9-10]三種。

（1）問(wèn)題的提出。

由于木塑原材料和加工成型方式導(dǎo)致木塑產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)連接和組裝方式都存在一定的缺陷，如機(jī)械連接對(duì)板材進(jìn)行預(yù)鉆孔時(shí)操作不當(dāng)，則板材容易出現(xiàn)應(yīng)力分布不集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致木塑產(chǎn)品的力學(xué)性能降低，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量大幅度下降。所以，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，更需要重點(diǎn)解決木塑產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)連接問(wèn)題。

（2）定義矛盾及確定矛盾參數(shù)。

通過(guò)分析現(xiàn)有技術(shù)沖突問(wèn)題，結(jié)合39 個(gè)工程參數(shù)，分別為解決11 應(yīng)力/壓強(qiáng)、13 穩(wěn)定性、30 作用于對(duì)象的外部有害因素等工程參數(shù)。

（3）確定創(chuàng)新原理和應(yīng)用思路。

結(jié)合工程參數(shù)11 應(yīng)力/壓強(qiáng)、13 穩(wěn)定性、30 作用于對(duì)象的外部有害因素（見(jiàn)表6），可采用條件分離原理，使用發(fā)明原理5 組合法和40 復(fù)合材料法原理，以復(fù)合兩種或兩種以上的連接方式來(lái)彌補(bǔ)各種連接方法中存在的缺陷。如在專(zhuān)利書(shū)CN02156231 說(shuō)明書(shū)中提供了一種配接式型材及其制品，既改進(jìn)了型材之間的連接結(jié)構(gòu)，采用了復(fù)合材料膠接與釘連接復(fù)合使用連接的方法，可以克服結(jié)構(gòu)件膠接可靠性差的缺陷，并且該連接方式強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，且接縫緊密、平整，可延長(zhǎng)使用壽命。

表6 木塑產(chǎn)品連接組裝技術(shù)結(jié)合TRIZ 理論分析

3 結(jié)語(yǔ)

木塑復(fù)合材料作為一種新穎并具有獨(dú)特優(yōu)良性能的材料，具有環(huán)保可循環(huán)使用的特質(zhì)，但生產(chǎn)過(guò)程存在一些技術(shù)問(wèn)題，消費(fèi)者整體對(duì)該類(lèi)型產(chǎn)品的接受度還不高，國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)還沒(méi)被廣泛拓展。本文探討適合木塑復(fù)合型材特點(diǎn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思路和方法，以木塑產(chǎn)品在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的三大常見(jiàn)問(wèn)題為例，結(jié)合TRIZ 理論解決問(wèn)題的步驟，提出最優(yōu)解決技術(shù)沖突問(wèn)題的方法，以期能夠推動(dòng)木塑這種環(huán)保材料更好、更廣泛地應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中，同時(shí)也為其他新材料的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了借鑒和參考。