基于TRIZ理論的自鎖托槽蓋板防脫落的優(yōu)化設(shè)計(jì)

吉利 胡雙飛 廉博雯 余健文 羅梓欣 江帆

摘 要：為解決臨床中自鎖托槽蓋板易脫落影響牙齒矯正效果與周期的問題，運(yùn)用TRIZ原理對現(xiàn)有的托槽蓋板與彈性部件構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。首先對臨床中自鎖托槽蓋板脫落現(xiàn)象進(jìn)行問題描述、建立組件模型;采用因果分析剖析蓋板脫落的原因;借助TRIZ理論中的技術(shù)矛盾、物理矛盾、物-場模型的技術(shù)創(chuàng)新原理和方法。共建立了14個(gè)有效改善臨床中托槽蓋板脫落問題的概念方案，其中理論可實(shí)行方案4個(gè)，為后續(xù)自鎖托槽的研發(fā)提供新思路。

關(guān)鍵詞：TRIZ;創(chuàng)新;自鎖;托槽;蓋板脫落

中圖分類號：460文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：The study used TRIZ theory to improve and optimize the design of existing bracket clip and elastic component，based on clip failure of self-ligating bracket which may affect the treatment effect and time.Problem description and component model analysis were firstly conducted for the existing problem，and then causes of the problem were investigated with causal analysis system.The study put forward 14 concept solutions for avoiding the failure，of which 4 can be feasible in theory，utilizing the technology innovation principles and methods in technical contradiction，physical contradiction，and Substance-Field model of TRIZ theory.Therefore，TRIZ theory could provide a new clew for development of orthodontic bracket.

Key words：TRIZ;Innovation;Self-ligating;Bracket;Clip failure

托槽（bracket）作為治療牙頜畸形固定矯治器的重要部件，粘接于牙冠表面，弓絲通過托槽對牙施以矯治力對錯(cuò)頜畸形的牙齒進(jìn)行矯治以達(dá)到排齊牙列的目的[1]。自鎖托槽[2]因其操作簡單，椅旁時(shí)間短，摩擦力低，排齊速度快等優(yōu)點(diǎn)，被越來越多的口腔正畸科醫(yī)生所選擇。自鎖托槽為矯正牙齒的重要精密器械，由4部分組成：蓋板、主體、底板、彈性部件。因工業(yè)制造的限制，口腔正畸醫(yī)生反饋市面上自鎖托槽在臨床應(yīng)用中蓋板易脫落，導(dǎo)致矯治脫軌，延長矯治時(shí)間，影響矯治效果，但該方面的研究鮮有報(bào)道。

近年來，創(chuàng)新方法廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究與工程實(shí)踐中，基于TRIZ[3]理論的創(chuàng)新方法不斷被采用。機(jī)械制造設(shè)計(jì)領(lǐng)域?yàn)門RIZ理論最主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，A.M.Noor[4]等使用TRIZ原理研究新型發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠安裝復(fù)合材料并得到最佳的設(shè)計(jì)方案;Justel等[5]利用TRIZ提出一種可拆卸設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法。此外，TRIZ理論還在化工[6]、環(huán)保[7]、建筑[8]、醫(yī)藥[9]等方面得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)TRIZ已形成完整的理論體系：問題識別、問題解決和概念驗(yàn)證，TRIZ理論應(yīng)用流程如圖1。

然而，在口腔醫(yī)療器械領(lǐng)域利用TRIZ理論解決自鎖托槽蓋板脫落問題未見報(bào)道。保證牙齒矯治的效果，首要問題是如何保證自鎖托槽的機(jī)械性能的穩(wěn)定性。基于此，如何解決蓋板脫落是自鎖托槽在臨床應(yīng)用中亟待解決的問題。TRIZ[10]的核心思想：不同的技術(shù)領(lǐng)域中所遇到的問題和矛盾，可以采用相同的發(fā)明原理加以解決。因此，利用TRIZ工具解決口腔醫(yī)療器械制造問題，對口腔醫(yī)療器械的開發(fā)與產(chǎn)品優(yōu)化具有重大意義。

1 自鎖托槽及其蓋板工作原理介紹

近年來，民營牙科診所的蓬勃發(fā)展激發(fā)了對牙健康和美容的大量需求，越來越多的青少年甚至成年人選擇矯正牙齒[11]。托槽作為治療牙頜畸形固定矯治技術(shù)的重要部件，粘接于牙冠表面，弓絲通過托槽對牙施以矯治力。自鎖托槽因其不需要結(jié)扎、椅旁時(shí)間短、低摩擦等優(yōu)點(diǎn)越來越受到醫(yī)生青睞。自鎖托槽由底板、主體、蓋板以及彈性部件組成，如圖2所示。

自鎖托槽結(jié)構(gòu)見圖2，自鎖托槽蓋板由蓋板中部和蓋板雙翼組成，蓋板雙翼嵌入主體的凹槽內(nèi)。托槽蓋板工作系統(tǒng)原理為：（1）彈性部件提供向外的擠壓彈力，主體上部提供向內(nèi)的壓力，固定蓋板;（2）蓋板關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，蓋板壓緊弓絲，蓋板打開狀態(tài)時(shí)，可放入或取出弓絲;（3）彈性部件在第一次裝入蓋板時(shí)會(huì)受到壓縮的力，蓋板安裝完成后，彈性部件恢復(fù)形狀，達(dá)到一個(gè)鎖固的作用。

2 TRIZ理論對工程問題的分析

2.1 問題描述

一般情況下，蓋板在閉合狀態(tài)時(shí)不易脫落，打開狀態(tài)時(shí)易脫落;蓋板頻繁反復(fù)地開合，其結(jié)構(gòu)容易松動(dòng)，易導(dǎo)致其脫落，增加復(fù)診率，矯治方案可能脫軌，難以在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到矯治效果。因此，蓋板容易脫落是臨床應(yīng)用中面臨的主要問題。在生產(chǎn)過程中，蓋板與彈性部件精度存在一定偏差，在患者使用時(shí)可能反復(fù)開合蓋板導(dǎo)致彈性疲勞材料受損?；诖耍搯栴}可描述為：蓋板與彈性部件在裝配中存在匹配度不足;定義技術(shù)系統(tǒng)名稱：自鎖托槽蓋板;技術(shù)系統(tǒng)功能：將弓絲固定在槽溝里。

2.2 系統(tǒng)功能模型構(gòu)建

從功能的角度出發(fā)可以找到工程系統(tǒng)中存在問題的組件或問題點(diǎn)。當(dāng)前分析系統(tǒng)的超系統(tǒng)為口腔;系統(tǒng)組件有蓋子中部、彈性部件、蓋子雙翼、主體上部、主體中部;作用對象為弓絲。建立組件功能分析模型如圖3所示。

由圖3可知，彈性部件對蓋子施加的作用力過度或不足，主體上部對蓋子作用力不足或過度，弓絲對蓋子的推動(dòng)力過度，都可能導(dǎo)致蓋子即蓋板脫落。

2.3 因果分析

因果分析是全面識別技術(shù)系統(tǒng)缺點(diǎn)的分析工具。通過因果分析，對工程問題進(jìn)行梳理，整理邏輯關(guān)系，便于尋找解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)和入手點(diǎn)，得出有效的問題解決方案。根據(jù)TRIZ方法理論，分析自鎖托槽蓋板脫落的原因，并據(jù)此繪制因果分析框圖，如圖4。

根據(jù)圖4，蓋板脫落的根本原因可歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：（1）蓋板模具長度不足;（2）蓋板加工溫度過高;（3）彈性部件長度不足;（4）主體的材料硬度不足。

蓋板模具與彈性部件在生產(chǎn)過程中存在制造誤差且難以避免，因此，本研究基于TRIZ理論對蓋板加工溫度過高、主體材料硬度不足等問題，尋求材料硬度不足方面可能的解決方案。

3 托槽系統(tǒng)的矛盾問題求解

3.1 技術(shù)矛盾求解

技術(shù)矛盾指系統(tǒng)在一個(gè)方面得到改進(jìn)時(shí)，將削弱另一方面的期望[12]。由圖4可知，蓋板容易脫落的直接因素是蓋板硬度不足，但增大蓋板材料硬度，需增大蓋板強(qiáng)度，導(dǎo)致加工溫度及加工時(shí)間增加。

根據(jù)TRIZ理論，對于面臨的矛盾問題：增大改變硬度導(dǎo)致增加加工溫度，可通過查找技術(shù)矛盾矩陣可得到應(yīng)用于解決技術(shù)矛盾的創(chuàng)新原理[13]，具體流程如下。

3.1.1 利用TRIZ技術(shù)矛盾解決“增大蓋板強(qiáng)度，增加加工溫度”的問題

針對“蓋板材料硬度增加，加工溫度增加”問題，將加工溫度對應(yīng)工程參數(shù)設(shè)定為“溫度”，材料硬度對應(yīng)工程參數(shù)“強(qiáng)度”。該問題的技術(shù)矛盾為：增大強(qiáng)度改善這一工程參數(shù)的同時(shí)，惡化作用溫度這一參數(shù)。查找TRIZ矛盾矩陣[13]，提出的解決原理包括創(chuàng)新原理10，30和40。

創(chuàng)新原理10為預(yù)先作用原理。參考創(chuàng)新方案為：首先對蓋板材料進(jìn)行預(yù)加熱，再迅速進(jìn)行高溫處理，減少高溫處理總時(shí)間，防止過燒引起蓋子變形。參考創(chuàng)新方案為：蓋子中部的材料剛性材料替換為柔性材料，蓋板受到?jīng)_擊時(shí)柔性材料吸收沖擊力，但是不影響其功能。

創(chuàng)新原理40為復(fù)合材料原理。參考創(chuàng)新方案：采用一款加工溫度低，但強(qiáng)度高的材料代替現(xiàn)有材料。

圖5為創(chuàng)新原理30和40的可視化設(shè)計(jì)。

3.1.2 利用TRIZ技術(shù)矛盾解決“增大蓋板強(qiáng)度，增加加工時(shí)間”的問題

材料硬度不足的另一問題為：增加蓋板材料硬度，需增大蓋板強(qiáng)度，導(dǎo)致加工時(shí)間增加。對此可將材料硬度對應(yīng)工程參數(shù)中的“強(qiáng)度”，加工時(shí)間對應(yīng)工程參數(shù)可設(shè)定為“生產(chǎn)率”，該問題的技術(shù)矛盾為：增大強(qiáng)度改善這一工程參數(shù)的同時(shí)，惡化了生產(chǎn)率這一參數(shù)。查找TRIZ矛盾矩陣，提出的解決原理包括創(chuàng)新原理29，35，10和14。

創(chuàng)新原理29為氣壓或液壓結(jié)構(gòu)原理，相關(guān)性較低，故不考慮。

創(chuàng)新原理35為物理或化學(xué)參數(shù)變化原理。在低壓的情況下，晶體熔點(diǎn)會(huì)降低（或者升高），據(jù)此，提出創(chuàng)新方案為：加工燒結(jié)時(shí)，改變模具內(nèi)部壓強(qiáng)，降低材料的熔點(diǎn)。

創(chuàng)新原理14為曲面化原理。創(chuàng)新方案為：將蓋板從平直狀態(tài)改為曲面彎曲狀態(tài)，增大受熱面積，縮短燒結(jié)時(shí)間。

綜上，利用TRIZ技術(shù)矛盾可得到5個(gè)解決方案，其中創(chuàng)新原理10預(yù)先作用原理得到的創(chuàng)新方案具有較高的可行性，其他概念方案為產(chǎn)品的優(yōu)化提供方向。

3.2 物理矛盾求解

由于技術(shù)矛盾的深層次是物理矛盾，故該技術(shù)矛盾也可找到深層次的物理矛盾。根據(jù)因果分析可知蓋板脫落是由蓋板松動(dòng)引起，而蓋板松動(dòng)的直接原因是彈性部件彈力不足。

針對彈力，一方面需增大彈力以使其能穩(wěn)定支撐蓋子，另一方面需降低彈力避免蓋板受力過度，從而導(dǎo)致彈性部件彈力既要大又要小這一物理矛盾。

針對物理矛盾，通常的解決方案為包括空間分離、時(shí)間分離、系統(tǒng)分離、條件分離等方法。

結(jié)合本文研究問題，采用空間分離方法提出創(chuàng)新原理，包括4、13、37、14、29，創(chuàng)新方案及可行性評估如表1所示，可視化設(shè)計(jì)如圖6所示。

此外，蓋板脫落的另一重要原因與蓋板中部厚度相關(guān)。為防止變形，蓋板雙翼要求厚度較厚;但基于口腔空間環(huán)境有限，蓋板雙翼厚度又要求較薄，不宜設(shè)計(jì)太大尺寸。從而導(dǎo)致蓋板雙翼的厚度既要厚又要薄的物理矛盾。本文采用空間分離原則，結(jié)合實(shí)際情況提出相應(yīng)的創(chuàng)新方案見表2，可視化設(shè)計(jì)見圖7。

綜上，利用物理矛盾得到7個(gè)創(chuàng)新解決方案，其中2個(gè)方案在機(jī)械制造中可行性較高。

3.3 物-場模型的構(gòu)建及其求解

物-場分析認(rèn)為，所有功能均可分解為兩種物質(zhì)（Substance）及一種場（Field），即一種功能由兩種物質(zhì)及一種場的三元件組成，如圖8所示。交互作用的對象被稱為“物質(zhì)”，用S1和S2表示，交互作用的能量被稱為“場”，用F表示[14]。根據(jù)物-場原理，構(gòu)建托槽蓋板物-場模型。F1為部件組配的機(jī)械場，S1為蓋板中部，S2為彈性部件;機(jī)械場F1作用于彈性部件S2，彈性部件S2將機(jī)械場的作用傳遞給S1，但由于F1產(chǎn)生的機(jī)械能不足、作用不足，導(dǎo)致S2對S1作用不足，壓緊不夠，難以達(dá)到理想效果。從上述的元素分析中發(fā)現(xiàn)，元素齊全，只是元素間的相互作用不足，建立如下物-場模型。

針對彈性部件與蓋板中部壓緊不足，從76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解[15]中查得，可采用解法14求解本題?；贜O.14標(biāo)準(zhǔn)解（串聯(lián)物場）啟發(fā)，可以在彈性部件和蓋板中部之間引入物質(zhì)S3，使得彈性部件和蓋板中部壓緊。例如，在現(xiàn)有彈性部件S2和S1蓋板中部之間引入硅膠涂層，彈性圈等，硅膠涂層使得彈性部件和蓋板中部貼緊，系統(tǒng)作用充足，從而可以構(gòu)成完整的系統(tǒng)。如圖9所示。

此外，基于標(biāo)準(zhǔn)解NO.15（并聯(lián)物場）啟發(fā)，在彈性部件和蓋板中部之間另增加一個(gè)場。例如在彈性部件和蓋子中部之間增加磁力場，增加彈性部件S2對蓋板中部S1的作用。如下圖10所示。

綜上，通過物-場模型得到2個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，其中串聯(lián)物-場模型得到的解決方案可行性較高，并聯(lián)物-場模型為問題的解決提供新的思路。

4 結(jié)論

本文采用TRIZ理論研究自鎖托槽蓋板脫落的問題，利用問題描述確定需解決的關(guān)鍵問題，通過功能分析和因果分析深入挖掘蓋板脫落的根本原因，進(jìn)而運(yùn)用TRIZ技術(shù)矛盾、物理矛盾及物場模型等理論求解。

（1）應(yīng)用TRIZ理論能夠以程序化的思路找到多個(gè)自鎖托槽蓋板脫落問題的解決方案，提出了至少14個(gè)創(chuàng)新優(yōu)化方案。

（2）分析創(chuàng)新優(yōu)化方案，構(gòu)建了可行性較高的4個(gè)方案，分別為：A.對蓋板材料進(jìn)行預(yù)加熱，再迅速進(jìn)行高溫處理，減少高溫處理總時(shí)間，防止過燒引起蓋子變形;B.使彈性部件的不同方向彈性有大有小，在縱向方向，需要支撐蓋板穩(wěn)定性，彈性大，在橫向方向，需要彈力小;C.將彈性部件圓柱形替換為曲面彎曲形，使彈力的方向從一個(gè)方向變成可以朝兩個(gè)方向分解;D.在現(xiàn)有彈性部件與蓋板中部之間引入硅膠涂層，彈性圈等。因其均為概念方案，有待進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

（3）本文僅采用了TRIZ理論的技術(shù)矛盾、物理矛盾和物-場模型理論方法，如果進(jìn)一步應(yīng)用TRIZ理論的裁剪、知識庫、最佳理想解、進(jìn)化曲線等工具還可提出更多新的創(chuàng)新方案。可以看出，TRIZ理論在托槽類醫(yī)療器械創(chuàng)新問題求解中能夠發(fā)揮重要作用，幫助研發(fā)人員快速的拓展研究思路，提出創(chuàng)新方案，同時(shí)對其他醫(yī)療器械的開發(fā)和產(chǎn)品的優(yōu)化提供了新思路。

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作者簡介：吉利（1978—），男，湖北荊州人，醫(yī)學(xué)碩士，主治醫(yī)師，研究方向：口腔臨床醫(yī)學(xué)與機(jī)械制造;江帆（1974—），男，湖南慈利人，博士，教授，研究方向：機(jī)械CAE/CFD、TRIZ機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

*通訊作者：江帆。