基于TRIZ理論的自鎖托槽蓋板防脫落的優化設計

吉利 胡雙飛 廉博雯 余健文 羅梓欣 江帆

摘 要：為解決臨床中自鎖托槽蓋板易脫落影響牙齒矯正效果與周期的問題，運用TRIZ原理對現有的托槽蓋板與彈性部件構成的系統進行優化改進設計。首先對臨床中自鎖托槽蓋板脫落現象進行問題描述、建立組件模型;采用因果分析剖析蓋板脫落的原因;借助TRIZ理論中的技術矛盾、物理矛盾、物-場模型的技術創新原理和方法。共建立了14個有效改善臨床中托槽蓋板脫落問題的概念方案，其中理論可實行方案4個，為后續自鎖托槽的研發提供新思路。

關鍵詞：TRIZ;創新;自鎖;托槽;蓋板脫落

中圖分類號：460文獻標識碼：A

Abstract：The study used TRIZ theory to improve and optimize the design of existing bracket clip and elastic component，based on clip failure of self-ligating bracket which may affect the treatment effect and time.Problem description and component model analysis were firstly conducted for the existing problem，and then causes of the problem were investigated with causal analysis system.The study put forward 14 concept solutions for avoiding the failure，of which 4 can be feasible in theory，utilizing the technology innovation principles and methods in technical contradiction，physical contradiction，and Substance-Field model of TRIZ theory.Therefore，TRIZ theory could provide a new clew for development of orthodontic bracket.

Key words：TRIZ;Innovation;Self-ligating;Bracket;Clip failure

托槽（bracket）作為治療牙頜畸形固定矯治器的重要部件，粘接于牙冠表面，弓絲通過托槽對牙施以矯治力對錯頜畸形的牙齒進行矯治以達到排齊牙列的目的[1]。自鎖托槽[2]因其操作簡單，椅旁時間短，摩擦力低，排齊速度快等優點，被越來越多的口腔正畸科醫生所選擇。自鎖托槽為矯正牙齒的重要精密器械，由4部分組成：蓋板、主體、底板、彈性部件。因工業制造的限制，口腔正畸醫生反饋市面上自鎖托槽在臨床應用中蓋板易脫落，導致矯治脫軌，延長矯治時間，影響矯治效果，但該方面的研究鮮有報道。

近年來，創新方法廣泛應用于各個領域的科學研究與工程實踐中，基于TRIZ[3]理論的創新方法不斷被采用。機械制造設計領域為TRIZ理論最主要的應用領域之一，A.M.Noor[4]等使用TRIZ原理研究新型發動機橡膠安裝復合材料并得到最佳的設計方案;Justel等[5]利用TRIZ提出一種可拆卸設計創新方法。此外，TRIZ理論還在化工[6]、環保[7]、建筑[8]、醫藥[9]等方面得到廣泛應用。現TRIZ已形成完整的理論體系：問題識別、問題解決和概念驗證，TRIZ理論應用流程如圖1。

然而，在口腔醫療器械領域利用TRIZ理論解決自鎖托槽蓋板脫落問題未見報道。保證牙齒矯治的效果，首要問題是如何保證自鎖托槽的機械性能的穩定性。基于此，如何解決蓋板脫落是自鎖托槽在臨床應用中亟待解決的問題。TRIZ[10]的核心思想：不同的技術領域中所遇到的問題和矛盾，可以采用相同的發明原理加以解決。因此，利用TRIZ工具解決口腔醫療器械制造問題，對口腔醫療器械的開發與產品優化具有重大意義。

1 自鎖托槽及其蓋板工作原理介紹

近年來，民營牙科診所的蓬勃發展激發了對牙健康和美容的大量需求，越來越多的青少年甚至成年人選擇矯正牙齒[11]。托槽作為治療牙頜畸形固定矯治技術的重要部件，粘接于牙冠表面，弓絲通過托槽對牙施以矯治力。自鎖托槽因其不需要結扎、椅旁時間短、低摩擦等優點越來越受到醫生青睞。自鎖托槽由底板、主體、蓋板以及彈性部件組成，如圖2所示。

自鎖托槽結構見圖2，自鎖托槽蓋板由蓋板中部和蓋板雙翼組成，蓋板雙翼嵌入主體的凹槽內。托槽蓋板工作系統原理為：（1）彈性部件提供向外的擠壓彈力，主體上部提供向內的壓力，固定蓋板;（2）蓋板關閉狀態時，蓋板壓緊弓絲，蓋板打開狀態時，可放入或取出弓絲;（3）彈性部件在第一次裝入蓋板時會受到壓縮的力，蓋板安裝完成后，彈性部件恢復形狀，達到一個鎖固的作用。

2 TRIZ理論對工程問題的分析

2.1 問題描述

一般情況下，蓋板在閉合狀態時不易脫落，打開狀態時易脫落;蓋板頻繁反復地開合，其結構容易松動，易導致其脫落，增加復診率，矯治方案可能脫軌，難以在預定的時間內達到矯治效果。因此，蓋板容易脫落是臨床應用中面臨的主要問題。在生產過程中，蓋板與彈性部件精度存在一定偏差，在患者使用時可能反復開合蓋板導致彈性疲勞材料受損。基于此，該問題可描述為：蓋板與彈性部件在裝配中存在匹配度不足;定義技術系統名稱：自鎖托槽蓋板;技術系統功能：將弓絲固定在槽溝里。

2.2 系統功能模型構建

從功能的角度出發可以找到工程系統中存在問題的組件或問題點。當前分析系統的超系統為口腔;系統組件有蓋子中部、彈性部件、蓋子雙翼、主體上部、主體中部;作用對象為弓絲。建立組件功能分析模型如圖3所示。

由圖3可知，彈性部件對蓋子施加的作用力過度或不足，主體上部對蓋子作用力不足或過度，弓絲對蓋子的推動力過度，都可能導致蓋子即蓋板脫落。

2.3 因果分析

因果分析是全面識別技術系統缺點的分析工具。通過因果分析，對工程問題進行梳理，整理邏輯關系，便于尋找解決問題的關鍵點和入手點，得出有效的問題解決方案。根據TRIZ方法理論，分析自鎖托槽蓋板脫落的原因，并據此繪制因果分析框圖，如圖4。

根據圖4，蓋板脫落的根本原因可歸結為以下幾點：（1）蓋板模具長度不足;（2）蓋板加工溫度過高;（3）彈性部件長度不足;（4）主體的材料硬度不足。

蓋板模具與彈性部件在生產過程中存在制造誤差且難以避免，因此，本研究基于TRIZ理論對蓋板加工溫度過高、主體材料硬度不足等問題，尋求材料硬度不足方面可能的解決方案。

3 托槽系統的矛盾問題求解

3.1 技術矛盾求解

技術矛盾指系統在一個方面得到改進時，將削弱另一方面的期望[12]。由圖4可知，蓋板容易脫落的直接因素是蓋板硬度不足，但增大蓋板材料硬度，需增大蓋板強度，導致加工溫度及加工時間增加。

根據TRIZ理論，對于面臨的矛盾問題：增大改變硬度導致增加加工溫度，可通過查找技術矛盾矩陣可得到應用于解決技術矛盾的創新原理[13]，具體流程如下。

3.1.1 利用TRIZ技術矛盾解決“增大蓋板強度，增加加工溫度”的問題

針對“蓋板材料硬度增加，加工溫度增加”問題，將加工溫度對應工程參數設定為“溫度”，材料硬度對應工程參數“強度”。該問題的技術矛盾為：增大強度改善這一工程參數的同時，惡化作用溫度這一參數。查找TRIZ矛盾矩陣[13]，提出的解決原理包括創新原理10，30和40。

創新原理10為預先作用原理。參考創新方案為：首先對蓋板材料進行預加熱，再迅速進行高溫處理，減少高溫處理總時間，防止過燒引起蓋子變形。參考創新方案為：蓋子中部的材料剛性材料替換為柔性材料，蓋板受到沖擊時柔性材料吸收沖擊力，但是不影響其功能。

創新原理40為復合材料原理。參考創新方案：采用一款加工溫度低，但強度高的材料代替現有材料。

圖5為創新原理30和40的可視化設計。

3.1.2 利用TRIZ技術矛盾解決“增大蓋板強度，增加加工時間”的問題

材料硬度不足的另一問題為：增加蓋板材料硬度，需增大蓋板強度，導致加工時間增加。對此可將材料硬度對應工程參數中的“強度”，加工時間對應工程參數可設定為“生產率”，該問題的技術矛盾為：增大強度改善這一工程參數的同時，惡化了生產率這一參數。查找TRIZ矛盾矩陣，提出的解決原理包括創新原理29，35，10和14。

創新原理29為氣壓或液壓結構原理，相關性較低，故不考慮。

創新原理35為物理或化學參數變化原理。在低壓的情況下，晶體熔點會降低（或者升高），據此，提出創新方案為：加工燒結時，改變模具內部壓強，降低材料的熔點。

創新原理14為曲面化原理。創新方案為：將蓋板從平直狀態改為曲面彎曲狀態，增大受熱面積，縮短燒結時間。

綜上，利用TRIZ技術矛盾可得到5個解決方案，其中創新原理10預先作用原理得到的創新方案具有較高的可行性，其他概念方案為產品的優化提供方向。

3.2 物理矛盾求解

由于技術矛盾的深層次是物理矛盾，故該技術矛盾也可找到深層次的物理矛盾。根據因果分析可知蓋板脫落是由蓋板松動引起，而蓋板松動的直接原因是彈性部件彈力不足。

針對彈力，一方面需增大彈力以使其能穩定支撐蓋子，另一方面需降低彈力避免蓋板受力過度，從而導致彈性部件彈力既要大又要小這一物理矛盾。

針對物理矛盾，通常的解決方案為包括空間分離、時間分離、系統分離、條件分離等方法。

結合本文研究問題，采用空間分離方法提出創新原理，包括4、13、37、14、29，創新方案及可行性評估如表1所示，可視化設計如圖6所示。

此外，蓋板脫落的另一重要原因與蓋板中部厚度相關。為防止變形，蓋板雙翼要求厚度較厚;但基于口腔空間環境有限，蓋板雙翼厚度又要求較薄，不宜設計太大尺寸。從而導致蓋板雙翼的厚度既要厚又要薄的物理矛盾。本文采用空間分離原則，結合實際情況提出相應的創新方案見表2，可視化設計見圖7。

綜上，利用物理矛盾得到7個創新解決方案，其中2個方案在機械制造中可行性較高。

3.3 物-場模型的構建及其求解

物-場分析認為，所有功能均可分解為兩種物質（Substance）及一種場（Field），即一種功能由兩種物質及一種場的三元件組成，如圖8所示。交互作用的對象被稱為“物質”，用S1和S2表示，交互作用的能量被稱為“場”，用F表示[14]。根據物-場原理，構建托槽蓋板物-場模型。F1為部件組配的機械場，S1為蓋板中部，S2為彈性部件;機械場F1作用于彈性部件S2，彈性部件S2將機械場的作用傳遞給S1，但由于F1產生的機械能不足、作用不足，導致S2對S1作用不足，壓緊不夠，難以達到理想效果。從上述的元素分析中發現，元素齊全，只是元素間的相互作用不足，建立如下物-場模型。

針對彈性部件與蓋板中部壓緊不足，從76個標準解[15]中查得，可采用解法14求解本題。基于NO.14標準解（串聯物場）啟發，可以在彈性部件和蓋板中部之間引入物質S3，使得彈性部件和蓋板中部壓緊。例如，在現有彈性部件S2和S1蓋板中部之間引入硅膠涂層，彈性圈等，硅膠涂層使得彈性部件和蓋板中部貼緊，系統作用充足，從而可以構成完整的系統。如圖9所示。

此外，基于標準解NO.15（并聯物場）啟發，在彈性部件和蓋板中部之間另增加一個場。例如在彈性部件和蓋子中部之間增加磁力場，增加彈性部件S2對蓋板中部S1的作用。如下圖10所示。

綜上，通過物-場模型得到2個實驗方案，其中串聯物-場模型得到的解決方案可行性較高，并聯物-場模型為問題的解決提供新的思路。

4 結論

本文采用TRIZ理論研究自鎖托槽蓋板脫落的問題，利用問題描述確定需解決的關鍵問題，通過功能分析和因果分析深入挖掘蓋板脫落的根本原因，進而運用TRIZ技術矛盾、物理矛盾及物場模型等理論求解。

（1）應用TRIZ理論能夠以程序化的思路找到多個自鎖托槽蓋板脫落問題的解決方案，提出了至少14個創新優化方案。

（2）分析創新優化方案，構建了可行性較高的4個方案，分別為：A.對蓋板材料進行預加熱，再迅速進行高溫處理，減少高溫處理總時間，防止過燒引起蓋子變形;B.使彈性部件的不同方向彈性有大有小，在縱向方向，需要支撐蓋板穩定性，彈性大，在橫向方向，需要彈力小;C.將彈性部件圓柱形替換為曲面彎曲形，使彈力的方向從一個方向變成可以朝兩個方向分解;D.在現有彈性部件與蓋板中部之間引入硅膠涂層，彈性圈等。因其均為概念方案，有待進一步的試驗驗證。

（3）本文僅采用了TRIZ理論的技術矛盾、物理矛盾和物-場模型理論方法，如果進一步應用TRIZ理論的裁剪、知識庫、最佳理想解、進化曲線等工具還可提出更多新的創新方案。可以看出，TRIZ理論在托槽類醫療器械創新問題求解中能夠發揮重要作用，幫助研發人員快速的拓展研究思路，提出創新方案，同時對其他醫療器械的開發和產品的優化提供了新思路。

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基金項目：廣東省科技計劃項目：TRIZ王國游歷記（2015A070710029）

作者簡介：吉利（1978—），男，湖北荊州人，醫學碩士，主治醫師，研究方向：口腔臨床醫學與機械制造;江帆（1974—），男，湖南慈利人，博士，教授，研究方向：機械CAE/CFD、TRIZ機械創新設計。

*通訊作者：江帆。