基于TRIZ理論的破壁機(jī)玻璃杯輕量化設(shè)計(jì)

魏云杰 劉海亮 劉朝登

杭州九陽(yáng)小家電有限公司 浙江杭州 310018

0 引言

破壁機(jī)具備加工食材種類廣泛、冷熱兩用和高速破壁等優(yōu)點(diǎn)，可以快速打破食物細(xì)胞壁，釋放營(yíng)養(yǎng)成分，深受消費(fèi)者喜愛(ài)，截止到2021年10月，“奧維市場(chǎng)羅盤(pán)”顯示國(guó)內(nèi)破壁機(jī)銷量超過(guò)700萬(wàn)臺(tái)，海外市場(chǎng)規(guī)模也很大。破壁機(jī)杯體一般為不銹鋼材料、Triton塑料、玻璃材質(zhì)。加熱功能杯體采用不銹鋼或高硼硅玻璃材質(zhì)，冷破壁杯體一般采用Triton或鈉鈣玻璃。玻璃杯體食品衛(wèi)生性好并且制作食材過(guò)程可視，深受歡迎。由于食材加工過(guò)程中會(huì)對(duì)杯體產(chǎn)生很大撞擊，這就要求杯體較厚，消費(fèi)者（尤其是女性用戶或老年人）使用不方便。市面上破壁機(jī)主流產(chǎn)品的整體容積為2300 mL～2350 mL，其標(biāo)稱熱飲上限為1400 mL，冷飲容積上限為1750 mL，重量范圍在1500 g～1600 g。本論文運(yùn)用TRIZ理論，優(yōu)化了破壁機(jī)玻璃杯體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其在保證容積和強(qiáng)度的前提下變得輕便好用。

破壁機(jī)玻璃杯體原材料為高硼硅玻璃，主要組分為SiO2、B2O3和Na2O[1]，其中B2O3的含量為12.5%～13.5%，SiO2的含量為78%～80%。其線膨脹系數(shù)為3.3×10-6/K左右，耐溫性能良好并且具備優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性[2-3]。成型方面，硼硅玻璃中氧化硼含量越高，線膨脹系數(shù)越小，但玻璃的高溫黏度越大，不利于壓制成型。硼硅玻璃軟化溫度為820℃。壓制成型時(shí)粘稠玻璃液溫度越高，越容易成型，但是初始形狀不易控制。

現(xiàn)有工藝成型薄杯體存在困難，主要有以下影響因素：

（1）材料方面。破壁杯加熱時(shí)需要耐受100℃以上的冷熱沖擊溫度，因此傳統(tǒng)的鈉鈣玻璃材料不滿足要求；硼硅玻璃滿足使用條件，但壓制成型過(guò)程中，其高溫流動(dòng)性較鈉鈣玻璃差，口部成型存在難度，當(dāng)前杯體厚度一般大于6 mm。

（2）結(jié)構(gòu)方面。破壁機(jī)杯體不是簡(jiǎn)單的筒體結(jié)構(gòu)，它是由擾流筋、定位槽、導(dǎo)流槽、把手、螺紋安裝等功能結(jié)構(gòu)組成，這些特定結(jié)構(gòu)會(huì)影響杯體的成型難度。

基于以上分析，對(duì)現(xiàn)有玻璃杯體在不改變使用功能前提下，運(yùn)用TRIZ理論工具進(jìn)行杯體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及壓制工藝優(yōu)化，達(dá)到輕量化、批量化生產(chǎn)目的，提升用戶體驗(yàn)。

1 TRIZ因果鏈分析

1.1 TRIZ理論概述

TRIZ是重要的創(chuàng)新方法理論。該理論包含因果鏈分析、功能分析、進(jìn)化趨勢(shì)分析等強(qiáng)大的問(wèn)題分析工具[4]。TRIZ能有效的解決很多技術(shù)問(wèn)題，推廣應(yīng)用較好的公司有三星、通用電氣、西門子、浦項(xiàng)制鐵等。

1.2 因果鏈分析

因果鏈分析可以全面的識(shí)別工程系統(tǒng)缺點(diǎn)，可以挖掘隱藏于初始缺點(diǎn)背后的其他缺點(diǎn)。通過(guò)因果鏈分析我們可以找到關(guān)鍵缺點(diǎn)，解決關(guān)鍵缺點(diǎn)對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵問(wèn)題。如圖1所示，“玻璃杯減重困難”為本研究的初始問(wèn)題，針對(duì)這個(gè)初始問(wèn)題展開(kāi)逐層分析，下一層是上一層的原因，直到分析到末端問(wèn)題并從中識(shí)別解決初始問(wèn)題的關(guān)鍵問(wèn)題（如圖1中紅色標(biāo)識(shí)），加以研究、改進(jìn)。在本案例中，筆者分析得到杯體壁厚不合理、把手設(shè)計(jì)不合理、擾流筋設(shè)計(jì)不合理3個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)。輕量化杯體設(shè)計(jì)優(yōu)化就是圍繞這3個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)展開(kāi)。

2 輕量化杯體設(shè)計(jì)

2.1 壁厚設(shè)計(jì)方案與效果驗(yàn)證

玻璃杯體為不等壁厚的杯體，如圖2所示，該玻璃杯體自下而上依次為安裝段（A-B2）、粉碎段（B1-B2）以及杯體段（B1-C）[5]。

安裝段（A-B2），外部有多層塑料安裝結(jié)構(gòu)，此處存在緊固力，為保證強(qiáng)度，設(shè)計(jì)厚度為5.0 mm，較原來(lái)減少2 mm，最大限度減輕杯體重量。該位置處于最底端，壓制工藝對(duì)厚度的限制小。

粉碎段（B1-B2），B1位置為刀片所在平面保持同一水平位置。破壁機(jī)工作時(shí)，刀片轉(zhuǎn)動(dòng)將底部物料向上帶動(dòng)，物料存在向上動(dòng)能，物料向上穿過(guò)刀片仍具備動(dòng)能和運(yùn)動(dòng)空間直至與杯壁接觸，與杯體接觸時(shí)，大概率落在B1至B2段，并與杯壁產(chǎn)生碰撞，杯體需要較高的強(qiáng)度[6]，B1至B2段，杯壁最厚，為6.5 mm。B1至B2段均勻等厚。B1至B2距離應(yīng)大于5 mm，且小于25 mm。該位置設(shè)計(jì)為大部分物料的碰撞區(qū)域，因此破壁機(jī)杯體需要很高的強(qiáng)度。

杯體段（B1-C），厚度由6.5 mm逐漸減薄為5.0 mm，該區(qū)域也會(huì)有小部分物料與杯壁碰撞，且越向上杯體越薄碰撞物料越少。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大限度的減輕了杯體重量，同時(shí)滿足杯體使用時(shí)的強(qiáng)度要求。成型時(shí)，杯體內(nèi)外側(cè)接觸模具，首先冷卻固化，中間形成通道，在壓力作用下玻璃熔體向上流動(dòng)，下部厚，有較寬的通道，提供充足的料用于口部成型，避免缺料。另外，B1-C段均勻過(guò)渡，減重的同時(shí)提升外觀。

杯體由熔融玻璃在模具內(nèi)一次性壓制成型，新杯體厚度尺寸安裝段為5.0 mm，粉碎段為6.5 mm，杯體段為5.0 mm，重量大大減少，新杯體厚度較原來(lái)減少2～3 mm，重量減少420 g。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

按GB 4706.1要求經(jīng)測(cè)試[6]，在杯體最薄弱點(diǎn)（口部位置），以0.5 J沖擊能量擊打三次，未出現(xiàn)任何形式的損壞。冷熱沖擊方面，進(jìn)行110 K溫差，測(cè)試合格。

輕量化杯體容積V為2320 mL，該玻璃杯體的重量M為1140 g，V/M=2.035。

原杯體容積V0為2320 mL，杯體的重量M0為1560 g，V0/M0=1.4872。

2.2 把手設(shè)計(jì)

TRIZ理論中工程系統(tǒng)進(jìn)化趨勢(shì)包含協(xié)調(diào)性進(jìn)化趨勢(shì)，其子趨勢(shì)形狀的協(xié)調(diào)涉及在產(chǎn)品形狀的人體工學(xué)設(shè)計(jì)，即產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)與超系統(tǒng)中的人相協(xié)調(diào)。因此，在杯體把手設(shè)計(jì)中需考慮消費(fèi)者的使用，如圖3所示，端起杯體時(shí)要克服其重力，改進(jìn)前后分別感受到的力矩為m1gL和m2gL’，而L’＜L，在消費(fèi)者感知層面上可實(shí)現(xiàn)輕量化。

2.3 擾流筋設(shè)計(jì)

破壁機(jī)玻璃杯設(shè)有擾流筋，可有效提升對(duì)食材的粉碎效果[7]。擾流筋設(shè)計(jì)一般為三角形內(nèi)凸筋，實(shí)心結(jié)構(gòu)，破壁機(jī)外側(cè)無(wú)變化。本案擾流筋設(shè)計(jì)為內(nèi)凸外凹，如圖4，筋的厚度與等高玻璃杯厚度相同，可以在不改變使用性能的前提下有效減輕杯體重量。

根據(jù)測(cè)試，筋條內(nèi)凸外凹對(duì)于強(qiáng)度的影響甚微，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試滿足粉碎時(shí)物料撞擊強(qiáng)度要求。擾流筋上小下大，外觀為類錐形，擾流筋內(nèi)凸外凹一方面減少了杯體的質(zhì)量，另一方面杯體外觀看起來(lái)更加通透美觀。

3 加工工藝優(yōu)化

3.1 生產(chǎn)工藝流程

破壁機(jī)玻璃杯工藝流程包括熔化、壓制成型、拋光、退火和切底幾個(gè)階段：熔化溫度在1500℃及以上，玻璃的溫度越高，流動(dòng)性越好。壓制成型溫度在1100℃至1400℃之間，壓制時(shí)模具加溫至500℃～900℃。退火溫度選擇在600℃～700℃，時(shí)間約30分鐘。

3.2 壓制溫度、壓力的控制

壓制成型時(shí)，模具和玻璃料接觸時(shí)，玻璃溫度由原來(lái)的不低于1100℃提升到1250℃，在獲得橢圓形初始形狀的同時(shí)，也易于成型薄壁深桶狀杯體[8]。

合理的模具溫度控制，可以使玻璃杯成型時(shí)材料流動(dòng)性與成型效率取得平衡。如表2所示，模具溫度由原來(lái)500℃提升到650℃或更高，改善玻璃熔體在模具中的流動(dòng)性，得到設(shè)計(jì)的不等壁厚結(jié)構(gòu)。

表2 輕量化杯體與原杯體成型工藝參數(shù)對(duì)比

設(shè)計(jì)杯體上部厚度最薄，最薄處為5 mm。玻璃料在沖頭壓力下在模具間隙上行，隨時(shí)間延長(zhǎng)，料溫快速下降，因此要想得到所述不等壁杯體，需要縮短成型時(shí)間[8]。圖6顯示沖壓壓力由4.5噸提升到5.8噸及以上，壓制成型時(shí)間由原來(lái)2.5 s加快至1.9 s。成型時(shí)間縮短，成型過(guò)程熱損失減小，保證了玻璃液的流動(dòng)性。

圖6 輕量化杯體與原杯體成型參數(shù)差異

4 結(jié)論

本論文運(yùn)用TRIZ理論因果鏈分析方法，找出影響破壁機(jī)杯體重量的3個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出滿足粉碎強(qiáng)度需求的不等壁厚玻璃杯體方案，符合人體工學(xué)的把手方案以及內(nèi)凸外凹擾流筋方案。在滿足使用功能的前提下，整體減重420 g，減輕重量約占原杯體重量的1/3，大幅提升了消費(fèi)者體驗(yàn)感受。優(yōu)化了壓制工藝參數(shù)，包括提升原料溫度、模具溫度、沖壓壓力，縮短了杯體成型時(shí)間，從而保障了輕量化杯體批量生產(chǎn)的工藝可行性。