基于TRIZ理论的水凝胶3D打印试验台改进设计.pdf

收稿日期:2023-11-26基金项目:本文系 2022 年大学生创新创业训练计划 小型生物 3D 打印机设计(202210015011)、2023 年大学生创新创业训练计划 小型生物打印机上位机开发及电子皮肤打印研究(202310015008)成果。第 32 卷 第 3 期Vol.32 No.3北 京 印 刷 学 院 学 报Journal of Beijing Institute of Graphic Communication2024 年 3 月Mar.2024基于 TRIZ 理论的水凝胶 3D 打印试验台改进设计程广锴,李 艳,任 铮,查运卓,孙浩伟(1.北京印刷学院 机电工程学院,北京 102600;2.数字化印刷装备北京市重点实验室,北京 102600;3.印刷装备北京市高等学校工程研究中心,北京 102600)摘 要:为了改善生物打印机的挤出模块无法对温度实现准确调控、沉积平台的悬臂结构精度低等问题,利用TRIZ 理论对现有生物打印机进行功能分析、因果链分析,剖析问题的内在原因,并利用 40 个发明原理、矛盾矩阵、剪裁模型、STC 算子和聪明小人法求解。本文提出 4 个创新的解决方案:将管道接触面设计为水冷板结构;将喷嘴的驱动装置改为 42 步进电机并且将传动机构改为滚珠丝杠;利用 19906 半导体制冷片代替压缩机,可连续制冷;采用塔式散热为制冷片热端散热,提高了制冷效率。将 4 种方案结合使用后,打印线条的线宽更加稳定。关键词:生物打印机;TRIZ 理论;温度控制;散热;精度中图分类号:G304文献标识码:A文章编号:1004-8626(2024)03-0001-07 随着 3D 打印技术的发展,利用生物材料进行3D 打印在生物科技领域应用越来越广泛。1例如在人造器官方面,功能完善且打印精度可控的水凝胶 3D 打印试验台挤出模块的可控挤出性技术是生物打印机的核心技术。2-3目前市场上绝大多数生物打印机的挤出模块无法对温度实现准确调控,并且其沉积平台当中的悬臂结构使精度降低,可打印的生物材料有限,限制了生物材料的打印应用。4因此,设计一套可以实现温度调控,适用于各种生物材料的打印头与沉积平台将是一项十分有意义工作。打印试验台包括三轴运动系统、沉积平台和打印喷头,如图 1 所示。生物材料成型于打印平台,并在冻干交联后形成具有微孔结构的支架。在支架上接种该组织所需的成纤维细胞和角质形成细胞,培养其生长,最终形成致密组织。5对 3D 打印机的系统进行功能分析,发现其许多功能存在不足,例如悬臂结构的精度非常低、打印头和沉积平台对材料温度的控制不够准确等,基于 TRIZ 理论对现有技术进行分析和求解,6精准控制挤出头和沉积平台的温度,同时结合机械原理,提高结构精度。图 1 水凝胶 3D 打印试验台1 问题分析1.1 功能分析1.1.1 组件分析普通水凝胶 3D 打印试验台的主要组件一般能改动,可以把整个试验台作为系统来研究,由于试验台组件较多,可以选择比较重要的组件分析,关键组件作为超系统。相应的组件分析如表 1所示。表 1 水凝胶 3D 打印试验台的组件列表工程系统组件超系统组件水凝胶 3D 打印试验台机械臂喷嘴支架注射泵排水泵压缩机管道水凝胶电水1.1.2 相互作用分析将表 1 中的普通水凝胶 3D 打印试验台组件列出来,产生一个相互作用矩阵表,如两者有相互作用,则以“+”标记,否则以“-”标记,如表2 所示。表 2 水凝胶 3D 打印试验台的相互作用矩阵机械臂 喷嘴 支架注射泵排水泵压缩机管道水凝胶电水机械臂+-+-喷嘴+-+-支架-+-+注射泵-+-+排水泵-+-+压缩机-+-+管道-+-+水凝胶+-电+-+-水-+-1.1.3 功能分析根据主要组件功能作用对象不同,可将其分为基本功能、辅助功能和附加功能。基本功能记为 3分,附加功能记为 2 分,辅助功能记为 1 分。对每个组件所对应的每个标注有“+”的单元,一一分析两者的功能。结果如表 3 所示。从表 3 可以看出,注水泵、排水泵、压缩机等组件得分较少,可以对这些组件进行剪裁,进而改进创新。7-8表 3 水凝胶 3D 打印试验台的功能分析表功能等级性能得分机械臂固定喷嘴基本功能正常3挤压水凝胶基本功能不足3电驱动机械臂基本功能正常3驱动注水泵基本功能过度3驱动排水泵基本功能过度3驱动压缩机基本功能不足3续表 3功能等级性能得分喷嘴引导水凝胶基本功能不足3水冷却管道基本功能不足3支架支撑水凝胶辅助功能正常1冷却水凝胶基本功能不足3管道冷却支架基本功能不足3引导水基本功能正常3注射泵固定管道辅助功能正常1引导水基本功能正常3排水泵固定管道辅助功能正常1引导水基本功能正常3压缩机固定管道辅助功能正常1冷却水基本功能不足31.1.4 功能建模依据上述功能分析表,做出功能模型如图 2 所示(细实线代表功能正常,虚线代表功能不足,粗实线代表功能过度)。图 2 水凝胶 3D 打印试验台的功能模型图通过组件分析和功能建模分析,得出水凝胶3D 打印试验台的功能缺点,如表 4 所示。表 4 水凝胶 3D 打印试验台的功能缺点序号功能缺点1对水凝胶的温度控制不足2不能及时固化水凝胶3驱动压缩机成本过高2北 京 印 刷 学 院 学 报2024 年1.1.5 功能分析小结功能分析是一个关键的步骤,它主要用于识别和理解系统内部的各种功能及其相互作用。通过分析上述功能,可以得到以下结果。1.功能映射和关系识别:功能分析揭示了水凝胶 3D 打印试验台内部的各种功能的性能以及功能之间的相互关系。2.矛盾识别:TRIZ 的核心是识别并解决矛盾。功能分析有助于发现水凝胶 3D 打印试验台内部的技术矛盾和物理矛盾,为后文关键缺点和矛盾矩阵求解打下基础。3.问题定义和精确化:通过功能分析,可以更准确地定义问题,找到问题的根源,有助于将注意力集中在最关键的问题上,而不是仅仅关注表面现象。1.2 因果链分析通过功能分析已经得到了系统的功能缺点,但是问题数量不够多,且未能刨根问底,解决问题需要治标治本。因果链分析可以打破思维惯性,找到问题根源所在,有利于从根本上解决问题。1.2.1 初始缺点分析该项目的目标是如何提高打印精度。因此初始缺点是:打印精度过低。如图 3 所示。1.2.2 中间缺点分析经过分析,发现以下两个原因导致水凝胶 3D打印精度低,分别是:喷嘴与支架存在空间误差;水凝胶塑形效果不好。而且这两个中间缺点任意一个没得到解决,“打印精度过低”这一问题都不会被解决,因此是“or”关系,如图 4 所示。图 3 初始缺点图 4 中间缺点1.2.3 末端缺点分析通过如图 5 所示因果链分析链图,发现了一系列的末端缺点。末端缺点是“打印精度过低”这一问题的本质。理论上讲,解决这些末端缺点,可彻底解决“打印精度过低”这一问题。然而事实上,很多末端缺点不好解决或者受到成本问题等现实条件的制约无法得到解决。因此,对于这些末端缺点的处理方法是找到它的中间缺点,寻找易于解决的缺点,如果有,那么这就是要解决的关键缺点。如果末端缺点本身易于解决,则它自身就是关键缺点。图 5 因果链分析链图1.2.4 因果链分析小结因果链分析通过识别问题的根本原因以及这些原因相互作用导致最终结果的过程,可以得到以下结果。1.问题根源的识别:因果链分析帮助识别问题的根本原因,而不仅仅是表面现象。这种深入分析确保了问题解决方案的有效性和持久性。2.矛盾和冲突的揭示:分析可以揭示隐藏在问题背后的矛盾和冲突,这些矛盾和冲突可能是导致问题的关键因素。3第 3 期程广锴,李 艳,任 铮,等:基于 TRIZ 理论的水凝胶 3D 打印试验台改进设计3.系统性问题理解:通过对产生问题的整个因果链进行分析,可以更全面地理解问题是怎样在系统内部形成的,以及不同元素间如何相互作用。2 问题求解2.1 关键缺点和矛盾矩阵求解矛盾矩阵是 TRIZ 理论中用于解决技术矛盾的一个核心工具。技术矛盾指的是在改进一个系统的某个方面性能时,引起另一个方面性能恶化。例如,增加产品的强度可能会导致其重量增加,这就形成了一个矛盾。矛盾矩阵通过以下步骤帮助解决这类问题。识别矛盾:首先明确要改进的特性(强度)和因此受到负面影响的特性(重量)。使用矩阵:矛盾矩阵是一个包含 39 个通用技术参数的表格。行表示需要改善的参数,列表示受到恶化的参数。查找解决原则:在矩阵的交叉点,会推荐若干个(通常是 4 个)TRIZ 的发明原理,这些原理用于解决特定的矛盾。应用原则:根据推荐的原则,探索解决问题的新方法。矛盾矩阵的核心价值在于它提供了一种结构化的方法,帮助使用者超越传统思维,找到创新的解决方案。从图 5 得知求解该问题大致分为两个方向:“减小喷嘴与支架的空间误差”“提高水凝胶塑形效果”。从这两方面,分析关键问题,寻找解决方案,考虑是否存在矛盾。表 5“喷嘴与支架存在空间误差”问题分析序号关键缺点关键问题可能的解决方案矛盾描述1喷嘴移动不平稳如何让喷嘴平稳移动1.调整挤压过程和回抽过程的运动参数,降低速度来保证平稳2.选取合适的推动方式,如:(1)气压推动;(2)液压推动;(3)滚珠丝杠螺母8-9喷嘴要移动得快,保证打印效率;喷嘴要移动得慢,保证打印精度2平台升降结构不合理如何合理设置结构采用单丝杠升降平台无3电机选择不合理如何合理选择电机采用 42 步进电机,易控制、精度高、传动平稳无表 6“水凝胶塑形效果不好”问题分析序号关键缺点关键问题可能的解决方案矛盾描述1缺少温控系统如何选择合适的温控系统1.采用水浴加热2.采用电阻丝加热10无2管道与平台接触面积小如何增大接触面积1.采用扁平的管道2.增加管道在平台内的长度无3冷却液比热容小如何提高冷却液的比热容采用比热容更大的物质冷却液比热容要大,给平台降温时温度回升幅度要小,冷却液比热容要小;给冷却循环系统预处理时间要短 通过表 5、表 6 的分析得到了 9 个解决方案。但是在这些解决方案之中存在 2 个矛盾的方案,对这 2 个矛盾分别用技术矛盾和物理矛盾进行描述,并结合 40 个发明原理进行求解,如表 7、表 8所示。表 7 矛盾一技术矛盾描述如果喷嘴移动得相对较快那么打印效率更高但是精准度下降具体参数通用参数续表7技术矛盾描述改善参数速度9 速度恶化参数精度29 制造精度发明原理:10,28,32,2528 机械系统替代原理,使用步进电机和滚珠丝杠物理矛盾描述喷嘴移动速度要快,因为需要高的打印效率喷嘴移动速度要慢,因为需要高的打印精准度11导向关键词速度快慢采用发明原理 28 机械系统替代原理,使用步进电机易于控制,滚珠丝杠运动精度高,且运动精准。4北 京 印 刷 学 院 学 报2024 年表 8 矛盾二技术矛盾描述如果冷却液比热容大那么平台冷却后,自身温度回升幅度小但是预处理时间长具体参数通用参数改善参数温度回升31 物体产生的有害因素恶化参数预处理时间长16 静止物体的作用时间发明原理:21,39,16,2221 减少有害作用的时间原理,令制冷液快速流经沉积平台物理矛盾描述冷却液比热容要大,保证冷却效果冷却液比热容要小,保证自身温度回升幅度小导向关键词:比热容大小采用发明原理 21 减少有害作用的时间原理,利用半导体制冷片代替压缩机。2.2 裁剪模型求解剪裁模型剪裁的主要依据是功能分析中的功能缺点,将前面出现的缺点最多但功能相对较少的组件裁剪掉,而它们的功能让别的组件完成。基于此,本文确定管道、注水泵、排水泵、压缩机四者为剪切对象。第一点,如图 6 所示,进行裁剪前是由冷水通过注水泵进入管道冷却水凝胶,不难发现这种结构确实能够增大与水凝胶的接触面积进而增强冷却效果,但是管道其他方向会损失更多的能量。基于此,将管道接触冷却的方式改为采用水冷板接触冷却的方式,将管道四面接触改为尽可能在一个平面接触,同时在下方放置散热片,将热量通过四面导出。图 6 平台剪裁图 7 温控剪裁第二点,如图 7 所示,进行裁剪前沉积平台的温度控制模式是注水泵、排水泵与压缩机的结构循环冷却,虽然冷却效果很好,但是因为只有制冷的效果,难以控制温度,于是将这种结构裁剪为带有热水箱、冷水箱并分别配备水泵的结构进行温度调控,解决了只能冷却的问题。图 8 压缩机剪裁第三点,如图 8 所示,取用压缩机的循环结构制冷,可持续制冷,使得水凝胶冷却效果更好。经过上述一系列裁剪与分析,得到下面更为简单的系统,如图 9 所示。图 9 裁剪前后功能模型对比 经过裁剪后的系统简单,且更优于原系统。将上述剪裁过程进行整理,如表 9 所示。2.3 STC 算子求解STC 算子是 TRIZ 理论中一个分析问题的重要工具,分别代表尺寸(Size)、时间(Time)、成本(Cost)。STC 算子用于改善产品或过程,其原理是通过调整尺寸、时间和成本来寻找解决问题的设想。应用 STC 算子的步骤包括以下几步。5第 3 期程广锴,李 艳,任 铮,等:基于 TRIZ 理论的水凝胶 3D 打印试验台改进设计表 9 裁剪后的局部系统模型列表组件功能功能等级裁剪规则新裁剪剪裁问题管道冷却水凝胶基本A采用水冷板冷却效率低,能量损失多注水泵、排水泵、压缩机改变温度基本A热水箱、冷水箱并分别配备水泵不易控制温度压缩机降低制冷液温度基本B散热片以及半导体制冷芯片制冷循环周期长 分析现有系统:评估当前产品或过程在尺寸、时间和成本方面的特性。识别改进机会:查找通过改变尺寸、时间或成本来提高性能或降低成本的机会。生成创新方案:探索不同的方式来调整这三个参数,以达到更好的设计或过程。评估和实现:评估这些改变的可行性和效果,选择最佳方案加以实施。STC 算子鼓励设计者考虑在产品设计或过程改进中经常被忽视的方面,有助于打破固定思维模式,激发创新想法。求解过程如表 10 所示。表 10 STC 算法求解思路方法想象研究对象的尺寸无穷大的解决思路在热端贴附一个面积无穷大的散热片,使空气快速冷却热端想象研究对象的尺寸无穷小的解决思路热端无限小,产生的热量少想象对象运动的速度无穷大的解决思路热端与散热片的热量传递无限快想象对象运动的速度无穷小的解决思路热端产生热量的速度无限慢想象支出的成本无穷大的解决思路利用金刚石做散热材料想象支出的成本无穷小的解决思路热端的热量自动传递到空气中2.4 聪明小人法求解针对“半导体制冷片散热”问题,利用聪明小人法,用拟人的手法从微观角度描述技术系统的问题并理解系统变化过程。如图 10 所示,红色小人表示半导体制冷片产生的热量,蓝色小人表示散热片。通过金字塔获得灵感:散热片多层、面积递增分布,这样可以快速传递热量。图 10 聪明小人法求解由 STC 算子和聪明小人法受到启发:采用相对面积更大的散热片 塔式散热。3 结论研究借助 TRIZ 理论分析来解决生物 3D 打印机打印精度低的问题。研究团队通过对问题进行描述,确定解决问题的关键,采用功能分析和规范化因果分析等方法,对模型和生物 3D 打印机打印精度低的根本原因进行探索和挖掘,最终通过技术矛盾和物理矛盾的求解来解决问题。(1)应用 TRIZ 理论可以系统化地提出多种解决生物 3D 打印机打印精度低问题的创新解决方案。通过应用 TRIZ 工具,可以获得与这些解决方案相关的发明原理,并且这些原理可以对实际问题提供一定的启示。(2)最终对挤出式生物 3D 打印机进行了创新设计,如图 11 所示,综合采用 4 种方法解决了系统原有问题。a.将管道接触面设计为水冷板结构;b.将喷嘴的驱动装置改为 42 步进电机并且将传动机构改为滚珠丝杠;c.将压缩机用 19906 半导体制冷片代替,可连续制冷;d.采用塔式散热为制冷片热端散热,提高了制冷效率。综上,4 种综合方案在工程中评估具有较高的可行性,改进前后在相同条件下打印线条,其次选取线条上三个不同的位置,使用显微镜和影像测量6北 京 印 刷 学 院 学 报2024 年软件测量线宽,如图 12 所示。通过比较三次测量线宽的方差,可知水凝胶 3D 打印试验台打印线条宽度的稳定性,数据如表 11 所示,通过对比改进前后的线宽方差,可知打印精度提高了 75.89%。图 11 改进前后对比图 12 改进前后打印线宽对比图表 11 改进前后打印线宽数据表改进前改进后线宽 1/m2146.312063.96线宽 2/m2119.621966.33线宽 3/m1961.092005.09方差6683.3961561611.070156(3)该研究仅使用了 TRIZ 理论中的裁剪、技术矛盾、物理矛盾、STC 算子和聪明小人法等方法,若进一步利用 TRIZ 理论的知识库、最终理想解、技术进化曲线等工具,将会产生更多的创新方案。TRIZ 理论在工业制造领域的创新问题求解中扮演着至关重要的角色,它可以协助研发人员更为迅速地拓展研究思路,进而提出新的创新方案,同时还为其他行业产品的开发和产品优化提供崭新而有意义的思路。参考文献:1 黄鹏飞,李丹丹,毛开云.全球 3D 生物打印技术研究态势分析J.世界科技研究与发展,2021(6):750-763.2金贺荣,崔敬斌,邵苍.椎间融合器材料:临床应用的优势与关注热点J.中国组织工程研究,2022(22):3592-3597.3 王阮彬,程丽乾,陈凯.高分子材料在 3D 打印生物骨骼及支架中的应用与价值 J.中国组织工程研究,2022(4):610-616.4 陈鑫,李方正.生物 3D 打印技术的应用现状和发展趋势J.新材料产业,2017(11):2-4.5 赵天宇.挤出式生物 3D 打印机机械系统设计及试验研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2019.6成思源,周金平,郭钟宁.技术创新方法 TRIZ 理论及应用M.北京:清华大学出版社,2014.7 李艳.基于 TRIZ 的印刷机械创新设计理论和方法M.北京:机械工业出版社,2014.8 刘富,李艳,张彦辉.Trimming 在自行车锁创新设计中的应用研究J.北京印刷学院学报,2016(4):59-62.9王金娥,罗生梅.机电一体化课程设计指导书M.北京:北京大学出版社,2012.10 成大先.机械设计手册M.北京:化学工业出版社,2008.11 王松源.基于模糊 PID 的挤出式 3D 生物打印机温度控制系统研究D.武汉:武汉理工大学,2020.12 张肖,李艳.基于 TRIZ 的喷墨头产品技术预测J.北京印刷学院学报,2012(6):57-60.13 吉利,杨孜麒,胡双飞,等.TRIZ 理论在 FDM 3D 打印机平台的创新设计中的应用J.机械工程师,2020(11):148-151.(下转第 14 页)7第 3 期程广锴,李 艳,任 铮,等:基于 TRIZ 理论的水凝胶 3D 打印试验台改进设计Intelligent Screen Design Based on ESP32 MicrocontrollerSUN Rui,KONG Jiayi,XU Mingjin,LIU Xiaojing(Beijing Institute of Graphic Communication,Beijing 102600,China)Abstract:In recent years,lightweight intelligent devices have been widely favored by the consumers.In order to develop a multi-functional and easy-to-use desktop decoration and intelligent portable device,this paper provides ideas for designing the intelligent screen based on the ESP32 microcontroller.The designed intelligent screen achieves human-computer interaction by touching mode.Moreover,the intelligent screen with the graphical interface can display the date,the time and the weather.Besides,it can provide other functions like word memory and personal website message.The intelligent screen has broad prospects in the fields of intelligent office and personal entertainment.Key words:intelligent screen;intelligent portable device;ESP32 microcontroller(责任编辑:周宇)(上接第 7 页)Improved Design of Hydrogel 3D Printing Test-bed Based on TRIZ TheoryCHENG Guangkai,LI Yan,REN Zheng,CHA Yunzhuo,SUN Haowei(1.Institute of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing Institute of Graphic Communication,Beijing 102600,China;2.Beijing Key Laboratory of Digital Printing Equipment,Beijing 102600,China;3.Engineering Research Center of Printing Equipment of Beijing Universities,Beijing 102600,China)Abstract:In order to improve the extrusion module of the bio-printer can not achieve accurate temperature control,and the cantilever structure of the deposition platform is low precision.Based on TRIZ theory,function analysis and causal chain analysis of existing bio-printers are carried out to analyze the internal reasons of the problems.It is solved by 40 invention principles,contradiction matrix,clipping model,STC operator and smart man method.Four innovative solutions are proposed in this paper:the pipe contact surface is designed as water-cooled plate structure;The driving device of the nozzle is changed to 42 step motor and the driving mechanism is changed to ball screw;Using 19906 semiconductor refrigeration sheet instead of compressor,continuous refrigeration;The tower heat dissipation is used to heat the hot end of the cooling plate,which improves the cooling efficiency.After the four schemes are combined,the line width of the printed line is more stable.Key words:bio-printer;TRIZ theory;temperature control;heat dissipation;precision(责任编辑:周宇)41北 京 印 刷 学 院 学 报2024 年