基于TRIZ理論的環(huán)保咖啡機(jī)設(shè)計(jì)

周恩雯 金信琴

摘要：隨著在可持續(xù)發(fā)展觀和綠色環(huán)保理念的推動(dòng)下的21世紀(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)不僅僅以滿足用戶的需求為中心，同時(shí)要兼顧產(chǎn)品使用過(guò)程中的環(huán)保性。本設(shè)計(jì)在于對(duì)咖啡機(jī)進(jìn)行環(huán)保創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究，減少消費(fèi)者在使用咖啡機(jī)這一過(guò)程中對(duì)環(huán)境進(jìn)行較大的污染，并且可以對(duì)咖啡廢料進(jìn)行重復(fù)利用，節(jié)約成本。運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新方法理論中的功能分析以及40個(gè)發(fā)明原理等方法對(duì)環(huán)保咖啡機(jī)對(duì)咖啡機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其智能化、環(huán)?；?。本文最終設(shè)計(jì)了一款將咖啡廢料在制作咖啡的過(guò)程中轉(zhuǎn)化成咖啡杯套的環(huán)?？Х缺?/p>

關(guān)鍵詞：環(huán)保 咖啡機(jī) 40個(gè)發(fā)明原理 功能分析 技術(shù)矛盾

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069 （2019） 02-0109-03

引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平的提高，咖啡也成為時(shí)尚的一個(gè)代名詞，并且伴隨著人民生活水平的提高，咖啡也受到越來(lái)越多人的青睞，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)家庭的年咖啡消費(fèi)量增長(zhǎng)超過(guò)40%，同時(shí)其零售咖啡以每年25%的速度增長(zhǎng)，并繼續(xù)保持著強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭Ⅲ。但是據(jù)統(tǒng)計(jì)只有0.2%的咖啡豆被用作制作一杯咖啡，剩余99.98%的咖啡豆則變成咖啡渣被我們?nèi)拥?。?guó)內(nèi)外的咖啡機(jī)主要以全自動(dòng)和半自動(dòng)咖啡機(jī)為主，附帶著打奶泡、拉花等附加功能，幾乎沒(méi)有一款咖啡機(jī)能夠考慮到咖啡廢料重復(fù)利用這一問(wèn)題，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界每年浪費(fèi)的咖啡豆可達(dá)到700萬(wàn)噸[2]。本文利用TRIZ創(chuàng)新方法對(duì)咖啡機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將咖啡廢料進(jìn)行再利用，設(shè)計(jì)一款在制作咖啡過(guò)程中同時(shí)將咖啡廢料加工成咖啡杯套的環(huán)保咖啡機(jī)。

一、TRIZ創(chuàng)新方法

TRIZ起源于俄文發(fā)明問(wèn)題解決理論的縮寫，前蘇聯(lián)發(fā)明家IAtshuller等在分析世界250萬(wàn)份高水平專利后，在1946年創(chuàng)立的具有普遍適用性的發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題的一種發(fā)明理論，該理論在軍事、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。

IAtshuller后期將TRIZ理論分為如下主要體系：8大技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、IFR最終理想解、40個(gè)發(fā)明原理、技術(shù)矛盾、物理矛盾和分離原理、物一場(chǎng)模型分析、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解法、ARIZ發(fā)明問(wèn)題解決算法、科學(xué)原理知識(shí)庫(kù)、功能分析、資源分析等。[3][4]

功能分析：“功能”角度分析系統(tǒng)，分析系統(tǒng)執(zhí)行或完成其功能及關(guān)注屬性的情況。功能屬性分析是對(duì)問(wèn)題定義過(guò)程中會(huì)使用到的必要工具之一，是尋找創(chuàng)新切入點(diǎn)與簡(jiǎn)化現(xiàn)有系統(tǒng)最實(shí)用的工具，一個(gè)完整的功能屬性分析是進(jìn)行系統(tǒng)創(chuàng)新最重要的一步。

技術(shù)矛盾任何產(chǎn)品或技術(shù)作為一個(gè)系統(tǒng)者B包含一個(gè)或多個(gè)功能，產(chǎn)品由具有相互關(guān)系的多個(gè)組件組成。為了提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，需要不斷對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，以提升產(chǎn)品的MPV。當(dāng)改變某個(gè)零件、部件的設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品某些方面的性能，可能會(huì)影響到與這些被改進(jìn)設(shè)計(jì)零部件相關(guān)聯(lián)的部件，結(jié)果可能造成產(chǎn)品或系統(tǒng)另一些方面的性能受到影響。如果影響是負(fù)面的，那么設(shè)計(jì)或改進(jìn)就出現(xiàn)了矛盾。通過(guò)對(duì)矛盾的分析，在矛盾表中查找可能的解法，解法是由40個(gè)發(fā)明原理組成的。

40個(gè)發(fā)明原理：當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生技術(shù)矛盾后，接著就需要一種能夠解決這種技術(shù)矛盾的方法，阿奇舒勒通過(guò)對(duì)世界各地大量的發(fā)明專利進(jìn)行研究，最終發(fā)現(xiàn)，雖然專利中解決了不同領(lǐng)域的問(wèn)題，但是所用的方法或者所用的技巧具有一定的相似性，通過(guò)對(duì)這些相似的方法進(jìn)行歸納和總結(jié)，最終，阿奇舒勒找到了40種最常用的解決問(wèn)題的方式方法，即現(xiàn)在TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法中的40條發(fā)明原理[4]。

本文首先利用TRIZ創(chuàng)新方法理論對(duì)環(huán)?？Х葯C(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，利用功能分析對(duì)咖啡機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能分析，對(duì)環(huán)?？Х葯C(jī)中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新定義;由于在功能分析中增加了新的功能，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成了一定的影響，所以采用了技術(shù)矛盾這一方法對(duì)過(guò)濾系統(tǒng)以及廢料擠壓系統(tǒng)進(jìn)行了矛盾分析，并且利用40個(gè)發(fā)明原理進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。最后利用40個(gè)發(fā)明原理對(duì)環(huán)保咖啡機(jī)的外觀進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。利用TRIZ創(chuàng)新方法理論使設(shè)計(jì)更為合理，邏輯更清晰，更具有說(shuō)服力。

二、基于TRIZ創(chuàng)新方法的環(huán)?？Х葯C(jī)設(shè)計(jì)

（一）產(chǎn)品設(shè)計(jì)定位

1.產(chǎn)品使用環(huán)境定位

滿足咖啡館、家庭等咖啡制作的場(chǎng)所，每年可避免700萬(wàn)噸咖啡豆的浪費(fèi);減少50萬(wàn)棵樹(shù)木的砍伐;給人們節(jié)約了12925000萬(wàn)美元。

2.功能定位

（1）實(shí)現(xiàn)了美式咖啡的制作，全自動(dòng)不需要人力資源，節(jié)約人力成本;

（2）在制作咖啡的同時(shí)杜絕了咖啡豆的浪費(fèi)，咖啡廢料制作的杯套減少紙質(zhì)杯套的使用，節(jié)約了大量經(jīng)濟(jì)成本;

（3）在家庭使用過(guò)程中，上蓋直接可以翻過(guò)來(lái)接咖啡，方便便捷。

3.造型定位

產(chǎn)品造型簡(jiǎn)約時(shí)尚，適合于各種使用場(chǎng)合，整體由幾何形體堆砌而成，簡(jiǎn)潔大方，給人一種簡(jiǎn)約美，不添加任何多余的線條裝飾，功能突出。

4.材料定位

環(huán)保咖啡杯整體采用烤瓷塑料材料，質(zhì)量輕色彩選擇較多;內(nèi)部采用不銹鋼材料，便于清洗和除垢;上蓋采用食品級(jí)PC材料，避免熱咖啡接觸產(chǎn)生有毒物質(zhì)，安全環(huán)保。

5.色彩選擇

色彩會(huì)直接影響用戶的眼睛，強(qiáng)烈具有沖突感的色彩搭配，通常會(huì)造成用戶視覺(jué)疲勞吲。而環(huán)?？Х葯C(jī)的色彩主要以黑色為主，體現(xiàn)了產(chǎn)品的科技感，同時(shí)在使用場(chǎng)景中也不會(huì)顯得突兀，易于搭配。

6.技術(shù)

全自動(dòng)咖啡機(jī)可完成自動(dòng)加熱、沖咖啡、咖啡機(jī)添水、洗咖啡機(jī)一系列工作。其工作原理是給咖啡機(jī)加20 Pa的壓力，迫使90℃左右的熱水穿過(guò)幼細(xì)的經(jīng)過(guò)擠壓的咖啡粉，汲取咖啡粉中的咖啡脂等芳香物質(zhì)，并與熱水達(dá)到充分溶合后流入杯中，整個(gè)過(guò)程要在18～28 s內(nèi)完成，以便有效地避免過(guò)分提取所造成的不良味道[6]。

（二）基于TRIZ理論的咖啡機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.功能分析在咖啡機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

功能分析是指對(duì)已有的產(chǎn)品進(jìn)行功能分解，明確各部件的有用功能以及功能等級(jí)、性能水平和有害功能，幫助技術(shù)人員更好地理解部件間的相互作用，建立出產(chǎn)品的功能模型，咖啡機(jī)的功能模型（如圖1）所示。

通過(guò)建立咖啡機(jī)的功能模型，發(fā)現(xiàn)在過(guò)濾的過(guò)程中，對(duì)于咖啡機(jī)制作咖啡是正常功能，但是對(duì)于將咖啡廢料重新加工利用則表現(xiàn)為不足功能，所以利用功能模型，決定將咖啡廢料利用裝置附加在咖啡過(guò)濾之—功能中，形成新的功能模型，（如圖2）所示。

2.技術(shù)矛盾與40個(gè)發(fā)明原理在咖啡機(jī)結(jié)構(gòu)

技術(shù)矛盾是指當(dāng)改善系統(tǒng)中的某一種特性或者參數(shù)的同時(shí)，引發(fā)了整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)中其他特性或者參數(shù)的惡化，而這一種矛盾通常就被我們稱之為技術(shù)矛盾。并且利用矛盾技術(shù)矩陣找到可以采用的發(fā)明原理，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

（1）環(huán)?？Х葯C(jī)過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（如圖3）所示，傳統(tǒng)的全自動(dòng)咖啡機(jī)在制作咖啡的過(guò)程中，咖啡直接通過(guò)濾器將咖啡廢料留在過(guò)濾器儲(chǔ)存區(qū)，需要人力定時(shí)清理。而環(huán)?？Х缺枰獙⒖Х葟U料濾出，并且將咖啡廢料利用轉(zhuǎn)化成咖啡杯套，這就系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性，而這種復(fù)雜性卻與咖啡制作流程的方便性產(chǎn)生了一定的沖突，（如表1）所示通過(guò)查找矛盾矩陣，得出可以采用12等勢(shì)原理解決這一問(wèn)題。

等勢(shì)原理具體描述為環(huán)?？Х葯C(jī)過(guò)濾時(shí)將咖啡廢料濾出進(jìn)入廢料收集區(qū)的同時(shí)，廢料收集區(qū)對(duì)咖啡廢料進(jìn)行加熱加壓直接制成杯套取出，使這兩個(gè)區(qū)域同時(shí)工作并且建立一個(gè)連續(xù)、完全互相聯(lián)系的組合關(guān)系，節(jié)約了時(shí)間成本，使制作咖啡的流程變得方便的同時(shí)也降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。

（2）環(huán)?？Х葯C(jī)廢料擠壓裝置設(shè)計(jì)

環(huán)?？Х缺瓕⒖Х葟U料轉(zhuǎn)化成咖啡杯套的過(guò)程中，需要給咖啡廢料進(jìn)行加壓處理，使咖啡廢料緊實(shí)，但是加壓會(huì)造成咖啡杯套變形，并且當(dāng)咖啡杯套取出的過(guò)程中，手握力作用于杯套，杯套也容易產(chǎn)生形變。（如表2）所示通過(guò)查找矛盾矩陣，得出可以采用10預(yù)先作用原理、15動(dòng)態(tài)特性原理、35物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)斫鉀Q這一問(wèn)題。

10預(yù)先作用原理、15動(dòng)態(tài)特性原理、35物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)砭唧w描述（如圖4）所示，將咖啡機(jī)廢料擠壓裝置直接作用于咖啡廢料儲(chǔ)存區(qū)。首先在咖啡廢料擠壓裝置加入_定量的水，并且咖啡機(jī)廢料擠壓區(qū)設(shè)計(jì)成杯套形狀的形狀，內(nèi)壁上有過(guò)濾咖啡廢料的孔洞，通過(guò)孔洞的開(kāi)合控制廢料過(guò)濾，進(jìn)而將咖啡廢料和預(yù)先加入的水加熱加壓，使水分蒸發(fā)，使咖啡廢料的物理性能發(fā)生改變，纖維化的程度更加緊密，從而控制形狀、增加杯套受力大小。

3.環(huán)?？Х缺罱K結(jié)構(gòu)說(shuō)明 （如圖4）所示，環(huán)?？Х缺商盍仙w、隔板開(kāi)關(guān)裝置、整體杯蓋、外膽、加熱層、帶有可開(kāi)閉口的內(nèi)膽、中間帶有口的底座、推板、推板、按鈕、咖啡承載裝置、過(guò)濾網(wǎng)、觸碰式加熱觸發(fā)裝置、觸碰式加熱開(kāi)關(guān)裝置、連接裝置、所述填料蓋是安裝在整體杯蓋上，整體杯蓋上安裝隔板開(kāi)關(guān)裝置，加熱層安裝在外膽上，加熱層與帶有可開(kāi)閉口的內(nèi)膽之間帶有間隙，按鈕與推板B滑動(dòng)連接，按鈕可沿推板B下端的斜坡移動(dòng)，連接裝置底端裝有過(guò)濾網(wǎng)。

填料蓋可以打開(kāi)，添加完咖啡粉以及熱水進(jìn)行混合之后，混合后的成品咖啡通過(guò)連接裝置和過(guò)濾網(wǎng)的過(guò)濾流入咖啡承載裝置中，此時(shí)觸發(fā)隔板開(kāi)關(guān)裝置使帶有可開(kāi)閉口的內(nèi)膽開(kāi)口打開(kāi)，剩余的殘?jiān)旌仙倭克谝欢〞r(shí)間后便會(huì)流入加熱層和帶有可開(kāi)閉口的內(nèi)膽之間的間隙中，此時(shí)向下壓動(dòng)杯身，使觸碰式加熱觸發(fā)裝置接觸觸碰式加熱開(kāi)關(guān)裝置觸發(fā)加熱層加熱，待水分蒸干之后打開(kāi)整體杯蓋打開(kāi)同時(shí)觸發(fā)按鈕帶動(dòng)推板向上移動(dòng)將干固的環(huán)形殘?jiān)瞥?，可以用作咖啡杯套?/p>

（三）基于TRIZ創(chuàng)新方法的咖啡機(jī)外觀設(shè)計(jì)

1.變害為利原理

剩余的咖啡廢料對(duì)于整個(gè)咖啡制作過(guò)程是不利因素，需要人力對(duì)咖啡廢料進(jìn)行清理，利用變害為利原理將咖啡廢料變成對(duì)咖啡制作者有利的產(chǎn)品，既節(jié)約成本又減少了清理咖啡廢料帶來(lái)的麻煩。

2.廉價(jià)代替品原理

咖啡杯套大部分以紙板為材料，而紙制品的來(lái)源則是樹(shù)木的砍伐，利用廉價(jià)代替品原理將咖啡廢料制作的杯套替換紙質(zhì)杯套，每年可減少50萬(wàn)棵樹(shù)木的砍伐，大大節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本（如圖5）。

3.分割原理

環(huán)?？Х葯C(jī)整體采用分割原理，機(jī)蓋與本身采用材料分割，功能區(qū)一目了然，并且打破了整體黑色的沉悶感（如圖6）。

4.多用性原理

機(jī)蓋除了隔絕冷氣、污染物和防止咖啡外濺以及增壓的功能，還具有盛放咖啡的功能，一部件具有多種用途（如圖7）。

（四）環(huán)?？Х缺淖罱K方案

（如圖8）所示，該咖啡機(jī)填料蓋可以打開(kāi)，添加完咖啡粉以及熱水進(jìn)行混合之后，混合后的成品咖啡通過(guò)連接裝置和過(guò)濾網(wǎng)的過(guò)濾流入咖啡承載裝置中，此時(shí)觸發(fā)隔板開(kāi)關(guān)裝置使帶有可開(kāi)閉口的內(nèi)膽開(kāi)口打開(kāi)。

剩余的殘?jiān)旌仙倭克谝欢〞r(shí)間后便會(huì)流入加熱層和帶有可開(kāi)閉口的內(nèi)膽之間的間隙中，此時(shí)便可以將干固的環(huán)形殘?jiān)瞥?，可以用作咖啡杯套。適用于制作咖啡以及將廢料處理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、使用安全，節(jié)省空間。

總結(jié)

在可持續(xù)發(fā)展觀和綠色環(huán)保理念的推動(dòng)下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)也逐漸將環(huán)保作為設(shè)計(jì)的參考要素，現(xiàn)在的咖啡機(jī)設(shè)計(jì)大多數(shù)沒(méi)有考慮咖啡廢料的處理問(wèn)題，本文將咖啡廢料的處理作為咖啡機(jī)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)之一，利用TRIZ創(chuàng)新方法對(duì)咖啡進(jìn)行結(jié)構(gòu)以及外觀設(shè)計(jì)，既節(jié)約成本又避免了咖啡豆的浪費(fèi)，具有極大的環(huán)保價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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