基于TRIZ理論的環保咖啡機設計

周恩雯 金信琴

摘要：隨著在可持續發展觀和綠色環保理念的推動下的21世紀，產品設計不僅僅以滿足用戶的需求為中心，同時要兼顧產品使用過程中的環保性。本設計在于對咖啡機進行環保創新設計研究，減少消費者在使用咖啡機這一過程中對環境進行較大的污染，并且可以對咖啡廢料進行重復利用，節約成本。運用TRIZ創新方法理論中的功能分析以及40個發明原理等方法對環保咖啡機對咖啡機進行改進設計，使其智能化、環保化。本文最終設計了一款將咖啡廢料在制作咖啡的過程中轉化成咖啡杯套的環保咖啡杯。

關鍵詞：環保 咖啡機 40個發明原理 功能分析 技術矛盾

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2019） 02-0109-03

引言

隨著國內經濟水平的提高，咖啡也成為時尚的一個代名詞，并且伴隨著人民生活水平的提高，咖啡也受到越來越多人的青睞，據不完全統計，中國家庭的年咖啡消費量增長超過40%，同時其零售咖啡以每年25%的速度增長，并繼續保持著強勁的增長勢頭Ⅲ。但是據統計只有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扔掉。國內外的咖啡機主要以全自動和半自動咖啡機為主，附帶著打奶泡、拉花等附加功能，幾乎沒有一款咖啡機能夠考慮到咖啡廢料重復利用這一問題，據不完全統計，全世界每年浪費的咖啡豆可達到700萬噸[2]。本文利用TRIZ創新方法對咖啡機進行創新設計，將咖啡廢料進行再利用，設計一款在制作咖啡過程中同時將咖啡廢料加工成咖啡杯套的環保咖啡機。

一、TRIZ創新方法

TRIZ起源于俄文發明問題解決理論的縮寫，前蘇聯發明家IAtshuller等在分析世界250萬份高水平專利后，在1946年創立的具有普遍適用性的發現并解決問題的一種發明理論，該理論在軍事、航空航天等領域發揮了巨大的作用。

IAtshuller后期將TRIZ理論分為如下主要體系：8大技術系統進化法則、IFR最終理想解、40個發明原理、技術矛盾、物理矛盾和分離原理、物一場模型分析、76個標準解法、ARIZ發明問題解決算法、科學原理知識庫、功能分析、資源分析等。[3][4]

功能分析：“功能”角度分析系統，分析系統執行或完成其功能及關注屬性的情況。功能屬性分析是對問題定義過程中會使用到的必要工具之一，是尋找創新切入點與簡化現有系統最實用的工具，一個完整的功能屬性分析是進行系統創新最重要的一步。

技術矛盾任何產品或技術作為一個系統者B包含一個或多個功能，產品由具有相互關系的多個組件組成。為了提高產品的市場競爭力，需要不斷對產品進行改進，以提升產品的MPV。當改變某個零件、部件的設計，提高產品某些方面的性能，可能會影響到與這些被改進設計零部件相關聯的部件，結果可能造成產品或系統另一些方面的性能受到影響。如果影響是負面的，那么設計或改進就出現了矛盾。通過對矛盾的分析，在矛盾表中查找可能的解法，解法是由40個發明原理組成的。

40個發明原理：當系統產生技術矛盾后，接著就需要一種能夠解決這種技術矛盾的方法，阿奇舒勒通過對世界各地大量的發明專利進行研究，最終發現，雖然專利中解決了不同領域的問題，但是所用的方法或者所用的技巧具有一定的相似性，通過對這些相似的方法進行歸納和總結，最終，阿奇舒勒找到了40種最常用的解決問題的方式方法，即現在TRIZ創新設計方法中的40條發明原理[4]。

本文首先利用TRIZ創新方法理論對環保咖啡機的結構進行改進創新設計，利用功能分析對咖啡機整體結構進行功能分析，對環保咖啡機中的結構進行重新定義;由于在功能分析中增加了新的功能，對整個系統造成了一定的影響，所以采用了技術矛盾這一方法對過濾系統以及廢料擠壓系統進行了矛盾分析，并且利用40個發明原理進行改進設計。最后利用40個發明原理對環保咖啡機的外觀進行創新設計。利用TRIZ創新方法理論使設計更為合理，邏輯更清晰，更具有說服力。

二、基于TRIZ創新方法的環保咖啡機設計

（一）產品設計定位

1.產品使用環境定位

滿足咖啡館、家庭等咖啡制作的場所，每年可避免700萬噸咖啡豆的浪費;減少50萬棵樹木的砍伐;給人們節約了12925000萬美元。

2.功能定位

（1）實現了美式咖啡的制作，全自動不需要人力資源，節約人力成本;

（2）在制作咖啡的同時杜絕了咖啡豆的浪費，咖啡廢料制作的杯套減少紙質杯套的使用，節約了大量經濟成本;

（3）在家庭使用過程中，上蓋直接可以翻過來接咖啡，方便便捷。

3.造型定位

產品造型簡約時尚，適合于各種使用場合，整體由幾何形體堆砌而成，簡潔大方，給人一種簡約美，不添加任何多余的線條裝飾，功能突出。

4.材料定位

環保咖啡杯整體采用烤瓷塑料材料，質量輕色彩選擇較多;內部采用不銹鋼材料，便于清洗和除垢;上蓋采用食品級PC材料，避免熱咖啡接觸產生有毒物質，安全環保。

5.色彩選擇

色彩會直接影響用戶的眼睛，強烈具有沖突感的色彩搭配，通常會造成用戶視覺疲勞吲。而環保咖啡機的色彩主要以黑色為主，體現了產品的科技感，同時在使用場景中也不會顯得突兀，易于搭配。

6.技術

全自動咖啡機可完成自動加熱、沖咖啡、咖啡機添水、洗咖啡機一系列工作。其工作原理是給咖啡機加20 Pa的壓力，迫使90℃左右的熱水穿過幼細的經過擠壓的咖啡粉，汲取咖啡粉中的咖啡脂等芳香物質，并與熱水達到充分溶合后流入杯中，整個過程要在18～28 s內完成，以便有效地避免過分提取所造成的不良味道[6]。

（二）基于TRIZ理論的咖啡機結構設計

1.功能分析在咖啡機結構設計的應用

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

通過建立咖啡機的功能模型，發現在過濾的過程中，對于咖啡機制作咖啡是正常功能，但是對于將咖啡廢料重新加工利用則表現為不足功能，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濾之—功能中，形成新的功能模型，（如圖2）所示。

2.技術矛盾與40個發明原理在咖啡機結構

技術矛盾是指當改善系統中的某一種特性或者參數的同時，引發了整個產品系統中其他特性或者參數的惡化，而這一種矛盾通常就被我們稱之為技術矛盾。并且利用矛盾技術矩陣找到可以采用的發明原理，對其進行改進設計。

（1）環保咖啡機過濾系統設計

（如圖3）所示，傳統的全自動咖啡機在制作咖啡的過程中，咖啡直接通過濾器將咖啡廢料留在過濾器儲存區，需要人力定時清理。而環保咖啡杯需要將咖啡廢料濾出，并且將咖啡廢料利用轉化成咖啡杯套，這就系統具有一定的復雜性，而這種復雜性卻與咖啡制作流程的方便性產生了一定的沖突，（如表1）所示通過查找矛盾矩陣，得出可以采用12等勢原理解決這一問題。

等勢原理具體描述為環保咖啡機過濾時將咖啡廢料濾出進入廢料收集區的同時，廢料收集區對咖啡廢料進行加熱加壓直接制成杯套取出，使這兩個區域同時工作并且建立一個連續、完全互相聯系的組合關系，節約了時間成本，使制作咖啡的流程變得方便的同時也降低了系統復雜性。

（2）環保咖啡機廢料擠壓裝置設計

環保咖啡杯將咖啡廢料轉化成咖啡杯套的過程中，需要給咖啡廢料進行加壓處理，使咖啡廢料緊實，但是加壓會造成咖啡杯套變形，并且當咖啡杯套取出的過程中，手握力作用于杯套，杯套也容易產生形變。（如表2）所示通過查找矛盾矩陣，得出可以采用10預先作用原理、15動態特性原理、35物理或化學參數改變原理解決這一問題。

10預先作用原理、15動態特性原理、35物理或化學參數改變原理具體描述（如圖4）所示，將咖啡機廢料擠壓裝置直接作用于咖啡廢料儲存區。首先在咖啡廢料擠壓裝置加入_定量的水，并且咖啡機廢料擠壓區設計成杯套形狀的形狀，內壁上有過濾咖啡廢料的孔洞，通過孔洞的開合控制廢料過濾，進而將咖啡廢料和預先加入的水加熱加壓，使水分蒸發，使咖啡廢料的物理性能發生改變，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.環保咖啡杯最終結構說明 （如圖4）所示，環保咖啡杯由填料蓋、隔板開關裝置、整體杯蓋、外膽、加熱層、帶有可開閉口的內膽、中間帶有口的底座、推板、推板、按鈕、咖啡承載裝置、過濾網、觸碰式加熱觸發裝置、觸碰式加熱開關裝置、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關裝置，加熱層安裝在外膽上，加熱層與帶有可開閉口的內膽之間帶有間隙，按鈕與推板B滑動連接，按鈕可沿推板B下端的斜坡移動，連接裝置底端裝有過濾網。

填料蓋可以打開，添加完咖啡粉以及熱水進行混合之后，混合后的成品咖啡通過連接裝置和過濾網的過濾流入咖啡承載裝置中，此時觸發隔板開關裝置使帶有可開閉口的內膽開口打開，剩余的殘渣混合少量水在一定時間后便會流入加熱層和帶有可開閉口的內膽之間的間隙中，此時向下壓動杯身，使觸碰式加熱觸發裝置接觸觸碰式加熱開關裝置觸發加熱層加熱，待水分蒸干之后打開整體杯蓋打開同時觸發按鈕帶動推板向上移動將干固的環形殘渣推出，可以用作咖啡杯套。

（三）基于TRIZ創新方法的咖啡機外觀設計

1.變害為利原理

剩余的咖啡廢料對于整個咖啡制作過程是不利因素，需要人力對咖啡廢料進行清理，利用變害為利原理將咖啡廢料變成對咖啡制作者有利的產品，既節約成本又減少了清理咖啡廢料帶來的麻煩。

2.廉價代替品原理

咖啡杯套大部分以紙板為材料，而紙制品的來源則是樹木的砍伐，利用廉價代替品原理將咖啡廢料制作的杯套替換紙質杯套，每年可減少50萬棵樹木的砍伐，大大節約了經濟成本（如圖5）。

3.分割原理

環保咖啡機整體采用分割原理，機蓋與本身采用材料分割，功能區一目了然，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）環保咖啡杯的最終方案

（如圖8）所示，該咖啡機填料蓋可以打開，添加完咖啡粉以及熱水進行混合之后，混合后的成品咖啡通過連接裝置和過濾網的過濾流入咖啡承載裝置中，此時觸發隔板開關裝置使帶有可開閉口的內膽開口打開。

剩余的殘渣混合少量水在一定時間后便會流入加熱層和帶有可開閉口的內膽之間的間隙中，此時便可以將干固的環形殘渣推出，可以用作咖啡杯套。適用于制作咖啡以及將廢料處理，結構簡單、易操作、使用安全，節省空間。

總結

在可持續發展觀和綠色環保理念的推動下，產品設計也逐漸將環保作為設計的參考要素，現在的咖啡機設計大多數沒有考慮咖啡廢料的處理問題，本文將咖啡廢料的處理作為咖啡機設計的要點之一，利用TRIZ創新方法對咖啡進行結構以及外觀設計，既節約成本又避免了咖啡豆的浪費，具有極大的環保價值。

參考文獻

[1]王星河針對國內市場的家用咖啡機設計探析[D]福州大學，2011

[2]史耀軍，石海麗車載膠囊咖啡機設計研究[J]設計，2018 （05）：124-126

[3]陳沫，張琳絮基于TRIZ維數變化原理的聽診器創新設計[J]設計，2013 （02）：58-59

[4]陳昭，王京，彭華明基于QFD、KANO和TRIZ理論的校園卡自助終端設計研究[J]設計，2017 （13）：114-115

[5]胡雨霞石海林色彩構成和視覺心理在工業設計中的應用[J]設計，2014 12： 114-116

[6]胡新明，萬魯魯全自動家用咖啡機設計研究[J]包裝工程，2015，36 （04）：72-75