張春青 田瑤 劉萬輝

基金項目：本文是河北省大中學(xué)生科技創(chuàng)新能力培育專項任務(wù)研究成果之一（項目編號：2021H020805）。

作者簡介：張春青（1983—），女，碩士，講師，研究方向為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。

摘 ?要：針對現(xiàn)有繪畫筆不能便捷補水的問題，該文運用TRIZ理論中的因果鏈分析建立問題因果鏈，找出關(guān)鍵問題中存在的矛盾，利用時間分離原理及阿奇舒勒矛盾矩陣分析得出關(guān)鍵問題的解決方案，通過對所有技術(shù)方案進(jìn)行梳理，確定最終設(shè)計方案并進(jìn)行畫筆加工制作。該研發(fā)的繪畫筆補水便捷，內(nèi)置引水芯可實現(xiàn)自動補液，繪畫使用時長較普通繪畫筆可提高5～10倍。

關(guān)鍵詞：繪畫筆 ??TRIZ理論 ??引水芯 ??便捷補水

中圖分類號： TH133 ???????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ??????????????文章編號：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： In view of the problem that the existing painting brush can not replenish water conveniently， this paper uses the causal chain analysis in TRIZ theory to establish the problem causal chain， find out the contradictions existing in the key problems， use the Time separation principle and archischuler contradiction matrix to analyze the solutions to the key problems， sort out all technical schemes， determine the final design scheme and process the brush.The developed painting pen is convenient to replenish water. The built-in water diversion core can realize automatic replenishment. The use time of painting can be increased by 5-10 times compared with ordinary painting pens.

Key Words： Painting pen; TRIZ theory; Water diversion core; Convenient water replenishment

現(xiàn)今市場上使用的水彩筆、馬克筆、記號筆等大多數(shù)繪畫筆不能便捷補水，使用者只能用完即棄，但其筆本身相關(guān)的配件幾乎完好，大量丟棄的繪畫筆不僅引起資源浪費，增加使用成本，同時產(chǎn)生的塑料垃圾也嚴(yán)重污染了生活環(huán)境[1]。該文通過TRIZ理論系統(tǒng)的對問題進(jìn)行分析，得到問題解決方案，所研發(fā)的兒童繪畫筆可實現(xiàn)便捷補水，便于繪畫者反復(fù)使用，減少資源浪費，有利于環(huán)境保護(hù)[2]。TRIZ理論是一套發(fā)明問題解決理論，是根里奇·阿奇舒勒領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊在研究世界各地250萬份高水平專利的基礎(chǔ)上，綜合多學(xué)科領(lǐng)域的創(chuàng)新原理和方法而得出的理論體系[3]。

1 ?問題描述

水彩筆、馬克筆、記號筆等繪畫筆結(jié)構(gòu)基本由筆殼、封堵、筆舌、筆頭、引水芯、筆蓋6個組件組成，項目團(tuán)隊對298人（包括普通家庭及繪畫培訓(xùn)機構(gòu)人員）進(jìn)行畫筆使用問題問卷調(diào)研，85.58%的受訪者認(rèn)為不能補水為現(xiàn)有繪畫筆的主要問題。對該問題進(jìn)行描述，繪畫筆尾部封堵和筆殼連接牢固，使用者很難打開，如果強行拆開畫筆，會造成筆的外觀和本身損壞，而且即使打開封堵進(jìn)行補水操作，補充液加注過程很容易泄漏，造成一片狼藉。

2 ?發(fā)明問題初始形勢分析

2.1 系統(tǒng)的工作原理

繪畫筆系統(tǒng)組件連接形式為筆殼上下分別與封堵及筆頭連接，筆舌固定于筆頭上，繪畫筆內(nèi)部有引水芯，筆舌尾部部分插入引水芯內(nèi)。繪畫使用時，筆舌接觸紙張進(jìn)行繪畫，隨繪畫或書寫長度的增加，引水芯內(nèi)部補充液會逐漸減少，直至消化殆盡。如進(jìn)行繪畫筆補水，需將畫筆尾部封堵打開，將瓶裝補充液加注至引水芯內(nèi)，裝上封堵后繪畫筆重復(fù)使用。

2.2 存在主要問題

2.2.1 繪畫筆尾部封堵不易打開

通常繪畫筆補水操作是應(yīng)先拆除畫筆尾部封堵，后進(jìn)行補充液添加。團(tuán)隊成員在拆卸封堵試驗過程，發(fā)現(xiàn)封堵拆卸非常困難，需借助小刀等工具方可強制打開，且拆卸后筆殼及封堵組件受到損傷。繪畫筆加完補充液回裝封堵過程，由于筆殼和封堵配合面在拆卸時受到損傷，往往安裝需要加膠水黏合，整個拆卸與安裝操作繁瑣，同時回裝后的畫筆外觀受損。

2.2.2 繪畫筆補液發(fā)生泄漏

繪畫筆拆卸掉封堵后進(jìn)行補水操作，操作過程需一手垂直握住繪畫筆，一手持補液瓶并對準(zhǔn)筆殼內(nèi)的引水芯，將補充液滴至繪畫筆的引水芯上，滴注過程由于不知道是否已加滿，通常等到畫筆筆舌處漏液時停止補液操作。操作后補液人員往往手上沾滿補充液，操作臺上狼藉一片。

2.3 限制條件

2.3.1 封堵不易打開限制條件

項目團(tuán)隊成員對不同類型繪畫筆進(jìn)行拆卸實驗，發(fā)現(xiàn)不易拆卸主要原因為封堵與筆殼連接太緊。經(jīng)查閱相關(guān)資料，存在兒童吞咽封堵零件導(dǎo)致窒息危險情況，同時繪畫筆引水芯內(nèi)的存儲液含有一定量的可溶性重金屬元素，若兒童拆卸誤食引水芯易對人體產(chǎn)生中毒危害。

2.3.2 補液發(fā)生泄漏限制條件

經(jīng)項目團(tuán)隊成員多次進(jìn)行繪畫筆補液操作，發(fā)現(xiàn)如果加注速度過快，繪畫筆會發(fā)生漏液;也發(fā)現(xiàn)由于不能觀察到是否已加滿，每次需要等待筆舌漏液方可停止補液，此時漏液即代表已補液完成。

2.4 目前解決方案分析

查閱大量相關(guān)專利資源，對于繪畫筆不能便捷補液，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)主要有以下兩種：

（1）筆內(nèi)設(shè)計有墨囊，當(dāng)引水芯無液時按壓墨囊補液，而墨囊無液時需進(jìn)行墨囊更換;

具有代表性專利名稱：新型水彩筆（專利號：ZL201120379524.8）仍存在的問題和不足：墨囊體積小，存放補充液有限，專利提出墨囊無液時需更換墨囊，由于墨囊補充液存放量小導(dǎo)致更換頻繁，成本增加。同時該專利未考慮兒童能夠拆卸因素，易發(fā)生兒童安全問題。

（2）帶有可拆卸式注墨裝置，繪畫筆無液時通過特殊注墨裝置進(jìn)行補液。具有代表性專利名稱：一種水彩筆（專利號：ZL201420404704.0）仍存在的問題和不足：該專利水彩筆涉及16個組件，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，特別是繪畫筆尾部需安裝單向閥，對閥門開關(guān)性能及壽命要求較高，繪畫筆整體成本較高。補液過程由于不能掌握補液量，也易發(fā)生補充液從筆舌處泄漏。

3 ?系統(tǒng)分析

經(jīng)過對繪畫筆主要存在問題進(jìn)行初始形勢分析，研究人員找到了普通繪畫筆存在補水不便捷這個主要問題，同時分析出了這個問題主要體現(xiàn)在封堵連接牢固不易打開和補液時發(fā)生泄露這兩個方面。

該團(tuán)隊運用TRIZ理論中的因果鏈分析建立如下因果鏈。因果鏈?zhǔn)荰RIZ理論中用于分析問題原因的一個重要工具[4]。

4 ?TRIZ工具

4.1 使用基于時間分離的物理矛盾分析解決關(guān)鍵問題1

關(guān)鍵問題1：如何輕松打開封堵，同時保障兒童使用安全。分析該問題存在的矛盾，繪畫筆封堵連接需要容易打開，因為容易打開便于進(jìn)行補水;但是，繪畫筆封堵連接需要不易打開，因為兒童使用時要求安全性。運用TRIZ工具解決封堵問題可以將其描述為以上典型的物理矛盾[5]。

我們也可將關(guān)鍵問題1描述為如下物理矛盾：當(dāng)家長為繪畫筆補水時，需要封堵容易打開，因為補水需要便捷操作;但是當(dāng)兒童使用繪畫筆時，需要封堵不易打開，因為要避免兒童拆卸畫筆保障兒童安全。

基于時間分離來解決這個物理矛盾，可以嘗試的發(fā)明原理有：發(fā)明原理9：預(yù)先反作用;發(fā)明原理10：預(yù)先作用;發(fā)明原理11：事先預(yù)防;發(fā)明原理15：動態(tài)特性;發(fā)明原理34：拋棄或再生。

結(jié)合繪畫筆封堵實際，采用發(fā)明原理15：動態(tài)特性，將封堵和筆殼連接變?yōu)榭蓜舆B接，可得到以下解決方案。

方案1：將封堵和筆殼連接改為螺紋連接，變?yōu)榭蓜?，從而解決打開不方便的問題。同時，增加拆卸專用扳手，提高安全系數(shù)，避免兒童誤操作。

方案2：封堵和筆殼連接改為鎖扣連接，變?yōu)榭蓜樱议L通過專用鑰匙輕松打開封堵實現(xiàn)便捷補液。

4.2 基于阿奇舒勒矛盾矩陣分析解決關(guān)鍵問題2

關(guān)鍵問題2：如何實現(xiàn)補液時不發(fā)生泄漏，同時提高補液速度。分析該問題存在的矛盾，如果提高繪畫筆補液時補液速度，那么補液效率會提升，但是補液時會發(fā)生泄漏。該問題也為典型的技術(shù)矛盾。

根據(jù)TRIZ理論，通過運用技術(shù)矛盾來解決明顯問題[6]。

技術(shù)矛盾中有技術(shù)矛盾-1和技術(shù)矛盾-2，我們用阿奇舒勒矛盾矩陣中所定義的39個工程參數(shù)來進(jìn)行描述，確定“改善參數(shù)”——No.23物質(zhì)損失與“惡化參數(shù)”——No.39生產(chǎn)率，查詢出對應(yīng)的發(fā)明原理有：發(fā)明原理28：機械系統(tǒng)替代;發(fā)明原理35：物理或化學(xué)參數(shù)改變;發(fā)明原理10：預(yù)先作用;發(fā)明原理23：反饋。

結(jié)合繪畫筆補液操作與引水芯結(jié)構(gòu)實際，采用發(fā)明原理10——預(yù)先作用，預(yù)先安置補充液，補液操作時補水速度不受引水芯吸附力制約，可得到以下解決方案。

在繪畫筆殼內(nèi)，安裝類似漏斗部件，漏斗出口端（口徑特殊設(shè)計保障流速低于引水芯吸附速度）插入引水芯上方。補水時打開封堵，將補液瓶內(nèi)的補充液快速擠入漏斗內(nèi)，補充液依靠重力慢速流入引水芯內(nèi)。

5 全部技術(shù)方案及評價

（1）方案1：將封堵和筆殼連接改為螺紋連接，拆裝封堵時需應(yīng)用專用扳手。

方案評價：該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，繪畫筆需要補液時家長拿專用工具可輕松打開封堵，兒童繪畫時由于沒有專用工具無法打開，保障了使用安全性。

（2）方案2：將封堵和筆殼連接改為鎖扣連接，拆裝封堵時需專用鑰匙。

方案評價：能夠?qū)崿F(xiàn)家長輕松打開封堵，兒童使用安全，但封堵和筆殼鎖扣結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜。

（3）方案3：筆殼內(nèi)安裝漏斗部件，快速補液后補充液依靠重力流入引水芯內(nèi)。

方案評價：可實現(xiàn)補液瓶中補充液快速加入繪畫筆，同時不發(fā)生補充液泄漏，但需等待漏斗內(nèi)的補充液慢速流入引水芯后完成補液操作。

（4）方案4：在引水芯外設(shè)置補液腔，使用引水纖維線連接引水芯和補液腔。

方案評價：補液腔由于不受引水芯吸附力限制，可快速補液，由于采用了引水纖維線特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)繪畫筆放置或使用過程中引水芯可自動補水，設(shè)計巧妙，且補液腔儲液量大，繪畫筆耐用性提高。

（5）方案5：針對因果鏈分析關(guān)鍵問題3，將引水芯容量注明于筆殼上，加注時定量加注，避免加注過多導(dǎo)致漏液。

方案評價：對制筆廠家提出了新要求，可實現(xiàn)定量加注，避免漏液。

（6）方案6：針對因果鏈分析關(guān)鍵問題4，筆殼采用透明材質(zhì)。

方案評價：筆殼透明，方便補液操作過程觀察內(nèi)部狀態(tài)。

（7）專利預(yù)案。

經(jīng)綜合考慮，項目團(tuán)隊決定采用方案1、方案4和方案6組合。繪畫筆封堵與筆殼螺紋連接，通過專用扳手拆裝，保障便捷拆裝性與安全性，繪畫筆設(shè)計有補液腔，引水芯與補液腔分離，通過海綿塊、引水纖維線建立連接，實現(xiàn)引水芯補水。

6 ?最終確定方案

采用方案1、方案4和方案6組合方式，確定方案如下：繪畫筆透明筆殼的一端設(shè)有封堵，另一端設(shè)有筆頭，內(nèi)部設(shè)有引水芯和引水芯腔筒，引水芯安裝在引水芯腔筒內(nèi)，引水芯腔筒的一端與透明筆殼的底部一體成型固定密封連接，引水芯腔筒的外壁與所述透明筆殼的內(nèi)壁形成補液腔，引水芯腔的另一端連接有海綿塊，海綿塊與補液腔連通，海綿塊上設(shè)有若干引水纖維線，引水纖維線與引水芯連接;在實際使用情景中，引水芯與海綿塊通過吸水纖維線連接，引水芯中水分不足時通過纖維線吸附海綿塊中的補充液，實現(xiàn)自動補水;繪畫筆使用過程中通過晃動或顛倒運動可實現(xiàn)海綿塊蓄水，進(jìn)而實現(xiàn)引水芯吸附補水;繪畫筆使用過程應(yīng)用吸附吸水原理自動向引水芯補水，補液腔和引水芯都無水時，可打開尾部封堵，將補充液直接手動加注至補液腔，方便快捷;補液腔和引水芯雙存液結(jié)構(gòu)，繪畫筆使用時間大大提高;筆殼透明結(jié)構(gòu)便于觀察補充液剩余情況，同時使用者在繪畫過程觀察補充液，增加了使用趣味性。

7 結(jié)論

該項目具有以下優(yōu)勢。

（1）該項目研究的新型便捷補水耐用繪畫筆具有補液腔和引水芯雙存液結(jié)構(gòu)，繪畫筆使用時間大大提高。

（2）該繪畫筆改變常規(guī)加注補水方式，繪畫使用過程應(yīng)用吸附吸水原理由補液腔經(jīng)海綿塊及吸水纖維線自動向引水芯補水。

（3）筆殼補液腔和引水芯無水時，可通過專用扳手打開筆殼尾部封堵，將補充液直接加注至補液腔，補液方便快捷兼具使用安全性。

（4）畫筆筆殼透明，使用者可以隨時觀察顏料剩余情況，增加畫筆使用的趣味性。

（5）繪畫筆可循環(huán)使用，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，有效降低繪畫筆使用成本。

參考文獻(xiàn)

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