Задачник по АРИЗ-85-В. Алгоритм решения изобретательских задач

Задача 14. Очистка труб

Трубопроводы время от времени засоряются и их нужно чистить. Один из способов очистки – гидродинамический, основанный на очистке посредством струи воды, подающейся под высоким давлением. При этом происходит большой расход воды.

Как быть?

Задача 15. Сушка обуви

Наиболее быстрый способ сушки обуви – это использование фена. Теплый воздух направляют внутрь обуви. Использование высокой температуры и сильного потока горячего воздуха быстро сушит обувь, но портит ее – обувь деформируется.

Как быть?

Задача 16. Конкуренция

В острой конкурентной борьбе выигрывает компания, которая выпускает одинаковый продукт с тем же или большим набором функциональных свойств и таким же или лучше качеством, но меньшей стоимостью.

Как добиться уменьшения себестоимости?

Задача 17. Вакуумный захват

Вакуумные захваты широко используются для удержания и переноса плоских, гладких объектов, таких как листы металла, картона, стекла.

Однако за счет сильного разряжения переносимый объект может деформироваться, особенно если это тонкий, гибкий материал.

Как быть?

Задача 18. Оцифровка базы данных

Для оцифровки бумажной базы данных была разработана автоматизированная система сканирования.

В процессе разработки узла подачи бумаги в сканер решили применить устройство, подобное тем, что используются в ксероксах: резиновый ролик должен перемещать верхний в стопке лист бумаги. Однако возникла проблема: некоторые из листов бумажной базы были помяты и не всегда точно попадали в приемное устройство сканера и застревали.

Приходилось останавливать процесс и исправлять ситуацию вручную.

Решили выпрямить листы бумаги перед подачей в сканер.

Поставили пластину с отверстиями над валиками и создавали разряжение. Верхний лист бумаги из стопки присосется к ней и великолепно выровняется. Такой ровный лист бумаги без всяких проблем попадет в приемное устройство сканера. Устройство было изготовлено и испытано. Листы бумаги хорошо притягивались к пластине и распрямлялись, но резиновый ролик их сдвинуть не мог. Если же уменьшали разрежение до такого уровня, чтобы лист бумаги сдвигался, то лист опять искривлялся и не попадал в щель сканера.

Как быть?

Задача 19. Дозирование тонера

При автоматизированном дозировании сыпучих сред, в частности при расфасовке тонера для копировальной техники в картриджи, используются шнековые дозаторы (рис. 2). Однако существует проблема повышения производительности дозирования, поскольку при высокой скорости вращения шнека эта сыпучая среда имеет тенденции к уплотнению и – вследствие нагрева от трения – к спеканию на ребрах шнека и в горловине бункера, что выводит дозатор из строя.

Для решения проблемы пытались использовать электрические и магнитные поля для управления процессом выгрузки тонера из бункера, но ферромагнитные свойства тонера слишком слабы, чтобы их эффективно использовать, а электростатические свойства тонера использовать запрещено из-за его взрывоопасности.

Рис. 2. Шнековый дозатор для тонера⁷

Как быть? Как повысить производительность дозирования тонера, не допустив его переуплотнения и спекания?

Задача 20. Акустическая система телевизора

Современные телевизоры делаются все более плоскими и с как можно более узкой рамкой. Это оставляет все меньше места для динамиков и ограничивает возможности создать качественный звук.

Проблема в том, что для хорошего звука нужна большая площадь излучателя (динамика), но большие динамики увеличивают размеры телевизора и портят его внешний вид.

Как быть? Как уменьшить размер телевизора, не ухудшив или даже улучшив звук?

Глава 2. Разбор задач

Задача 1. Алмазный инструмент

Часть I. Анализ задачи

ШАГ 1.1. Условие мини-задачи (без специальных терминов).

Техническая система:

ТС для создания алмазных инструментов.

ТС включает: алмазные кристаллы и металлический порошок – основа.

Техническое противоречие 1 (ТП-1):

Если связки много, то алмазные кристаллы держатся хорошо, но общая площадь обрабатывающего инструмента получается маленькая.

Техническое противоречие 2 (ТП-2):

Если связки мало (алмазные кристаллы размещаются вплотную друг к другу), то площадь обрабатывающего инструмента получается большой (максимальной), но алмазы выкрашиваются из инструмента.

Необходимо при минимальных изменениях в системе обеспечить максимальную площадь обработки инструмента, и чтобы алмазные кристаллы не выкрашивались.

ШАГ 1.2. Выделить и записать конфликтующую пару элементов: изделие и инструмент.

Инструмент – связующий материал.

Изделие – алмазные кристаллы и площадь инструмента (площадь обработки инструментом).

Состояния инструмента:

Состояние 1 – связующего материала много.

Состояние 2 – связующего материала мало.

ШАГ 1.3. Составить графические схемы ТП-1 и ТП-2.

ТП-1 (связующего материала много).

ТП-2 (связующего материала мало).

ШАГ 1.4. Выбрать из двух схем конфликта (ТП-1 и ТП-2) ту, которая обеспечивает наилучшее осуществление главного производственного процесса (основной функции системы, указанной в условиях задачи).

Указать, что является главным производственным процессом (ГПП).

ГПП – обрабатывающий инструмент создан для обработки, т. е. его площадь должна быть большой.

Выбираем ТП-2 – связки мало.

ШАГ 1.5. Усилить конфликт, указав предельное состояние (действие) элементов.

Алмазные кристаллы расположены вплотную друг к другу, но алмазы выкрашиваются из инструмента.

ШАГ 1.6. Формулировка модели задачи.

1. Конфликтующая пара

Связующий материал и алмазные кристаллы и площадь инструмента.

2. Усиленная формулировка конфликта

Кристаллы расположены вплотную, создавая максимальную площадь инструмента, но алмазы выкрашиваются из инструмента.

3. Икс-элемент

Икс-элемент создает условия для хорошего удержания алмазных кристаллов в инструменте, не уменьшая площадь инструмента.

ШАГ 1.7. Применение стандартов.

где

В₁ – кристаллы алмаза;

В₂ – связующий материал;

П – адгезия.

Связующий материал (В₂) удерживает алмазы (В₁) – прямая стрелка.

Связующий материал (В₂) уменьшает площадь алмазов (В₁) – волнистая стрелка.

Применение стандарта 1.2.1 (подкласс 1.2. Разрушение веполей), где для разрушения вредного действия между веществами необходимо добавить вещество (В₃), которое увеличит общую площадь алмазов (В₁).

В качестве В₃ нужно использовать материал, который не уменьшает общую площадь инструмента.

где

В₁ – кристаллы алмаза;

В₂ – связующий материал;

П – адгезия;

В₃ – икс-элемент.

Часть 2. Анализ модели задачи

ШАГ 2.1. Определить оперативную зону ОЗ.

ОЗ – это зона, окружающая кристалл; зона соприкосновения кристалла и основы.

ШАГ 2.2. Определить оперативное время ОВ.

Т1 – время работы алмазного инструмента.

Т2 – время изготовления алмазного инструмента.

ШАГ 2.3. Определение и учет ВПР.

1. Внутрисистемные

а) ВПР инструмента.

Металл в виде порошка и расплава, пространство между кристаллами, расположенными вплотную.

б) ВПР изделия.

Кристалл алмаза, его микротрещины и микрополости.

2. Внешнесистемные

а) ВПР среды.

Температура расплавления металла (основы), давление, вибрация.

б) ВПР общие.

Воздух вокруг кристаллов.

3. Надсистемные:

а) отходы системы.

Излишки основы.

б) дешевые.

Воздух.

Часть 3. Определение ИКР и ФП

ШАГ 3.1. Формулировка ИКР-1.

Икс-элемент, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, позволяет удерживать кристаллы алмазов в течение ОВ (во время работы инструмента) в пределах ОЗ (окружение кристалла алмаза, соприкосновение кристалла и основы), не мешая кристаллам находиться вплотную.

ШАГ 3.2. Усиление формулировки ИКР-1.

Ресурсы кристалла алмаза, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, позволяют удерживать кристаллы алмазов в течение ОВ (во время работы инструмента) в пределах ОЗ (окружение кристалла алмаза, соприкосновение кристалла и основы), не мешая кристаллам находиться вплотную.

ШАГ 3.3. Формулировка ФП на макроуровне.

Физическое противоречие (ФП):

Кристаллы алмазов должны находиться вплотную друг к другу, чтобы обеспечить максимальную площадь алмазного инструмента, и не должны находиться вплотную, чтобы хорошо удерживаться в инструменте.

ШАГ 3.4. Формулировка ФП на микроуровне.

Частички основы должны находиться между кристаллами, чтобы удерживать их в основе, и не должны находиться между кристаллами, чтобы обеспечить максимальную площадь алмазного инструмента.

ШАГ 3.5. Формулировка ИКР-2.

Зона между кристаллами во время работы алмазного инструмента должна сама удерживать кристаллы в основе.

Приходим к выводу, что основы между кристаллами быть не должно («отсутствующая» основа).

ШАГ 3.6. Применение стандартов.

Для измененной ситуации представим вепольную модель исходной ситуации.

где

В₁ – алмазные кристаллы;

В₂ – «отсутствующая» основа (связующий материал);

П – адгезия.

«Отсутствующий» связующий материал (В₂) делает максимальной площадь алмазов (В₁) – прямая стрелка.

«Отсутствующий» связующий материал (В₂) не удерживает алмазы (В₁) – волнистая стрелка.

Применение стандарта 1.2.1 (класс 1.2. Разрушение веполей), где для разрушения вредного действия между веществами необходимо добавить вещество (В₃), которое увеличит общую площадь алмазов (В₁).

В качестве В₃ нужно использовать материал, который удерживает алмазы.

где

В₁ – алмазные кристаллы;

В₂ – «отсутствующий» связующий материал;

П – адгезия;

В₃ – икс-элемент.

Часть 4. Мобилизация и применение ВПР

ШАГ 4.1 Применение ММЧ.

Маленькие человечки должны пробраться в кристалл (в полости и трещины кристалла) и удерживаться за основу (рис. 3).

Рис. 3. ММЧ

ШАГ 4.2. Шаг назад от ИКР.

1. ИКР.

Кристаллы расположены вплотную и не выкрашиваются при работе.

2. Шаг назад от ИКР.

Кристаллы на микрон отстают друг от друга.

3. Как теперь достичь ИКР.

В это минимальное расстояние помещается что-то, что прекрасно заполняет микротрещины и микрополости кристалла и входит в основу так, что кристаллы и основа становятся одним целым.

ШАГ 4.3. Применение смеси ресурсных веществ.

Прослойка может быть сделана из смеси высокоплавких металлов.

ШАГ 4.4. Замена имеющихся ресурсных веществ пустотой или смесью ресурсных веществ с пустотой.

Задача не решается.

ШАГ 4.5. Применение веществ, производных от ресурсных (или применением смеси этих производных веществ с «пустотой»).

См. шаг 4.3. Прослойку делать из высокоплавких металлов с температурой плавления выше, чем температура плавления основы.

ШАГ 4.6. Введение электрического поля или взаимодействия двух электрических полей.

Может быть, воспользоваться электрическим полем для проникновения прослойки в микротрещины и микрополости кристалла?

ШАГ 4.7. Введение пары «поле – добавка вещества, отзывающегося на поле».

Задача может быть решена, например, использованием электролиза для покрытия кристаллов необходимым металлом.

Часть 5. Применение информфонда

ШАГ 5.1. Применение стандартов.

Можно применить стандарт 1.1.3. Переход к внешнему комплексному веполю.

где

В₁ – кристаллы алмаза;

В₂ – связующий материал;

П – адгезия;

В₃ – икс-элемент (дополнительный металл).

ШАГ 5.2. Применение задач аналогов.

В качестве задачи-аналога может служить задача о припайке золотых проводников к микросхеме⁸.

Условие задачи

Обычно проводники в интегральных микросхемах (ИМС) делают из золота, имеющего самое малое удельное сопротивление току, но недопустимо плохую адгезию с материалом подложки. Как быть?

Решение

Сначала наносят подслой, имеющий хорошую адгезию с подложкой и с золотом, а затем на него напыляют золото. В качестве подслоя берут никель или титан.

Таким образом, прослойка должна иметь хорошую адгезию с алмазом и с основой.

ШАГ 5.3. Приемы разрешения ФП.

Разделение свойств в пространстве

Внесение дополнительного очень тонкого слоя между кристаллом и основой. Слой должен быть не больше нескольких микрон.

ШАГ 5.4. Применение «Указателя физэффектов».

В качестве физических эффектов могут применяться, например, расплавление, бомбардировка, диффузионная сварка.

Химический эффект – химическое осаждение металлов при разложении карбонилов металлов.

Часть 6. Изменение и (или) замена задачи

ШАГ 6.1. Переход от физического ответа к техническому.

Наиболее эффективным способом для нанесения покрытия на алмаз оказалось химическое осаждение металлов при разложении карбонилов металлов⁹.

По данному способу покрытие алмаза осуществляют химическим осаждением металлов при разложении карбонилов металлов, сорбированных на подложку из газовой фазы, в реакторе с принудительным цикличным перемещением подложки из зоны сорбции реагента в зону его разложения и обратно путем псевдоожижения, механического или вибрационного перемешивания.

Материал покрытия диффузно связывают со связующим материалом за счет последующего диффузионного отжига сформированного покрытия, т. е. металл покрытия связывают со связующим материалом путем диффузионной сварки, тем самым превращая их в единое целое.

На способ изготовления алмазного инструмента получен патент¹⁰. Покрытие наносится на абразивное зерно (алмаз) при высокой температуре таким образом, чтобы металл проникал во все поры и трещины на поверхности абразивных зерен максимально глубоко, что создает «корневую» систему, удерживающую металлическое покрытие на поверхности (рис. 4).

Рис. 4. Соединение алмазных зерен 1 – абразивное зерно; 2 – связующий металл; 3 – поры; 4 – трещины; 5 – металл покрытия.

ШАГ 6.2. Проверка формулировки задачи на сочетание нескольких задач.

Задача решена.

Решены несколько задач:

1. Как соединить алмаз с основой, чтобы основа не занимала много места и алмаз крепко удерживался основой? Создали прослойку толщиной 2—10 мкн.

2. Как нанести прослойку на алмаз? Использовано химическое осаждение металлов при разложении карбонилов металлов.

3. Как соединить прослойку с основой так, чтобы это составляло единое целое? Диффузионная сварка.

ШАГ 6.3. Изменение задачи.

Задача решена.

ШАГ 6.4. Переформулировка мини-задачи.

Задача решена.

Часть 7. Анализ способа устранения ФП

ШАГ 7.1. Контроль ответа.

– Рассмотреть вводимые вещества и поля.

Введено вещество – высокоплавкий металл. Введены поля: химическое поле – химическое осаждение и диффузия.

– Можно ли не вводить новые вещества и поля, использовав ВПР – имеющиеся и производные?

В данном решении вводится новое вещество – прослойка.

– Можно ли использовать саморегулируемые вещества?

В качестве такого вещества использовали материал прослойки.

– Ввести соответствующие поправки в технический ответ.

Поправок вводить не нужно.

ШАГ 7.2. Предварительная оценка полученного решения.

Контрольные вопросы:

а) Обеспечивает ли полученное решение выполнение главного требования ИКР-1 («Элемент сам…»)?

Полученное решение выполняет главное требование ИКР-1, лишние ресурсы не тратятся. Алмазы практически находятся вплотную (занимают 97% от общей массы инструмента) и прочно держатся в основе – высокая стойкость.

б) Какое физическое противоречие устранено (и устранено ли) полученным решением?

Устранено ФП. Частички основы должны находиться между кристаллами, чтобы удерживать их в основе, и не должны находиться между кристаллами, чтобы обеспечить максимальную площадь алмазного инструмента.

в) Содержит ли полученная система хотя бы один хорошо управляемый элемент? Какой именно? Как осуществлять управление?

Полученная система содержит управляемый элемент – материал прослойки.

г) Годится ли решение, найденное для «одноцикловой» модели задачи в реальных условиях со многими циклами?

Данное решение может быть использовано в реальных условиях для решения других задач.

ШАГ 7.3. Проверка формальной новизны.

Получены патенты.

ШАГ 7.4. Какие подзадачи возникнут при технической разработке полученной идеи? Записать возможные подзадачи: изобретательские, конструкторские, расчетные, организационные.

Решение внедрено и выпускается компанией МонАлиТ¹¹.

Часть 8. Применение полученного ответа

ШАГ 8.1. Как должна быть изменена надсистема?

Надсистема не изменяется.

ШАГ 8.2. Новое применение системы (надсистемы).

Подобные решения могут быть использованы для нанесения различных покрытий и закрепления различных объектов в основе (см. задачу-аналог, изложенную на шаге 5.2).

ШАГ 8.3. Использование полученного ответа при решении других задач

См. п. 8.2.

Часть 9. Анализ хода решения

ШАГ 9.1. Сравнение реального хода решения задачи с теоретическим.

Реальный ход решения полностью совпадает с теоретическим.

ШАГ 9.2. Сравнение результата с данными информационного фонда ТРИЗ.

В информационном фонде ТРИЗ имеется задача-аналог, описанная на шаге 5.2.