Ceramics Evaporation Problem 81223 1AZ

http://www.metodolog.ru/01509/01509.html
Введение. История задачи
Для синтеза наночастиц, осаждения тонких пленок...
Постановка задачи
Система для испарения тугоплавких керамик работает следующим образом...
Figure 1 Схема испарения керамического штапика в лазерном пучке
Сложности:
При воздействии лазерного пучка керамический штапик...
Задача:
Как обеспечить работу испарителя в непрерывном режиме: избежать частой замены
штапиков?
Ограничения:
Перемещать, перефокусировать пучок лазера в процессе работы испарителя нельзя. Речь
идет о мощных киловатных лазерах, известно, что их перфокусировка весьма сложна.
Коллеги, я анализировал задачу своим софтом USESoft, который по-русски после
недавней переустановки Windows «не понимает» . Поэтому весь ход анализа приведен
по-английски. Думаю, что Вы разберетесь. Комментарии к шагам старался делал порусски.
Problem (full description)
The system for atomization of infusible ceramic materials works as follows:
Ceramic rod, diam is 2-3 mm, is being placed vertically. Laser beam continuously heats rod's
upper end to atomize the ceramic. A rod is being moved upwards in process of atomization.
Laser beam generates a thermal shock in material of rod. Because of ceramics' low heat
conductivity, the thermal shock causes rod's partial or full destruction. A need to replace
damaged rods appears. Replacement is time-consuming and technically difficult operation. How
to provide continuous atomization of rod's infusible ceramic material?
Problem (short description)
Ceramic rod is being heated by laser beam for atomization. Laser beam generates a thermal
shock in material of rod; it causes rod’s partial or full destruction. Rod replacement is timeconsuming and technically difficult operation. How to provide continuous atomization of rod's
infusible ceramic material?
1
Initial description of situation (экран для начала анализа)1
Выбор системы для анализа  Laser beam
1
Для удобства просмотра экранов USESoft установить масштаб страницы 150%.
2
Выбор Изделия
Initial description of situation (заключительная фаза – выявлены элементы главной
функции, получена модель ситуации)
Выводы по этапу:
The presence of problems means the decrease of Laser beam’s attraction for the user. In other
words, in user’s eyes the Laser beam loses its viability.
The decrease of viability is possible to evaluate by the reduction of Laser beam value (ideality);
the Laser beam value is the magnitude of relation of Laser beam useful functions to harmful
ones.
The general directions and stages of possible Laser beam changes are represented on Universal
Scheme of Evolution.
3
Universal Scheme of Evolution (общая форма без привязки к конкретной системе)
Решение задачи – перевод системы из «плохого = нежелательного, с проблемами и т.п.»
состояния в состояние хорошее, т.е. это организация эволюции системы согласно законам.
Организация эволюции конкретной системы – Laser beam
Эволюция системы Laser beam
1
2
6
3
5
4
8
7
8
4
Этапы эволюции системы Laser beam и пояснения к ним:
1. Identification of problem that decreases Laser beam viability. It expresses our uncertainty that
Laser beam will survive in a future.
2. Revealing of decreased value of Laser beam, i.e. the low ratio of Laser beam's useful functions
harmful ones.
3. Laser beam with necessary functions does not exist or existing Laser beam doesn't have
resources for improvement.
4. Laser beam has resources.
5. One of two Laser beams doesn't have resources. Combined Laser beams may be the same; or
with difference in one and the same characteristic; or different Laser beams; or Laser beam and
anti-Laser beam.
6 and 7. Revealing of Laser beam External/Internal Harmful Effects by means of analyses of
components, links, functions, flows, evolution, etc.
8.



Trends of Effects use in Laser beam components;
Changes of Laser beam properties;
Changes of Laser beam in Substance, Space and, Time.
Т.к. задачи, возникающие в системе Laser beam, зависят от этапа жизненного цикла
системы, то проанализирована S-образная кривая системы.
5
Laser beam is on the 3d Stage of Life Cycle. The task of the 3d Stage is
 to eliminate / decrease Undesired Effects, and
 to reveal the Laser beam limits' of existence.
6
System/Supersystem Structure Development, Function Analysis (построение структурной
схемы Система-Надсистема, функциональный анализ)
Функциональная модель показывает причину растрескивания стержня – стержень
удерживает нагретый участок (верхнюю часть стержня), а этот нагретый участок создает
высокие напряжения в хрупком материале
Функциональная схема совпадает по смыслу с рисунком к ММЧ2
Функциональную схему нарисовал ДО подробного знакомства с рисунком к ММЧ. Хотя, есть замечания к
правильности рисунка:
 человечки лазерного луча не нужны – они сделали свое дело, нагрели человечков стержня
 верхние человечки стержня должны быть красными (они же нагреты!)  между черными человечками
стержня возникает напряжение  растрескивание
2
7
Здесь сбой в логике разбора по АРИЗ! Причина этого сбоя в АРИЗ до сих пор не отмечена,
рекомендаций нет.
В классике рассматривается взаимодействие Инструмента и Изделия и есть рекомендация
менять Инструмент. Ну, а когда выясняется, что Инструмент «не виноват» в возникшей
проблеме, рекомендуется переходить к изменению Изделия. Этим логика анализа по
АРИЗ’у: «виноват Инструмент», нарушается. Это вносит субъективность в анализ; дает
возможность (лазейку) вписать в анализ появившуюся идею задним числом; введением
оговорок подрывает доверие к алгоритму...
Предлагаемое решение – когда речь заходит об использовании ВПР Изделия, необходимо
углубить анализ и увидеть в Изделии причину возникшей проблемы. Т.е. надо менять
задачу: Изделие из первоначальной модели становится Инструментом, что-то плохо
делающим с какой-то своей частью, которая становится новым Изделием. Именно это
отражено в ММЧ и на функциональной схеме – конфликт возник при взаимодействии
ненагретой части стержня (это теперь Инструмент) и нагретой частицы (это теперь
Изделие).
Изменение задачи по мере углубления анализа – самое обычное дело и никого не должно
пугать. В данном случае с самого начала решалась задача, лежавшая на поверхности - луч
лазера плохо обрабатывает стержень,3 но потом чуть более глубокий анализ показал суть
проблемы - стержень крепко держит частицу, не дает ей оторваться, когда она нагрета...
Пример анализа4 задачи, в которой тоже возникает необходимость более глубокого
анализа Изделия, становящегося Инструментом.
В строительстве наряду со сборным железобетоном с успехом применяют и монолитный. Здания из
монолитного железобетона строют методом скользящей опалубки – обычной металлической формы, в
которую заливают бетонную смесь. Когда смесь затвердевает, опалубку поднимают выше, и все
повторяется. Способ удобный, но есть недостаток: бетон прилипает к опалубке. Действуя домкратами, ее
все-таки отрывают от бетона и передвигают, но поверхность стены получается «со шрамами», ее
необходимо штукатурить. Передвинуть опалубку, когда бетон еще не затвердел, нельзя, возможна
деформация стены. Как быть?
...
В формулировке: бетон «схватывает» опалубку, которая его удерживает, скрыто ТП. Для строительства
необходимо удержание бетона с помощью опалубки (+), но из-за этого удержания опалубкой бетона сам
бетон «схватывает» опалубку (-).
Здесь есть тонкость: для функции «удерживать бетон» опалубка является Инструментом, а бетон –
Изделием. Но для функции «схватывать опалубку» Инструментом является бетон! И именно с ним и надо
работать, т.е. не нужна оговорка «не по правилам» изменения изделия, а не инструмента в книге:
Альтшуллер Г.С., Злотин Б.С., Зусман А.В., Филатов В.И. Поиск новых идей: от озарения к технологии.
Кишинев, «Картя Молдовеняскэ», 1989 (см. с. 112, п. 3.2. Усиленный ИКР).
Изменение именно бетона-Инструмента в качестве решения и предлагается – создание из компонентов
бетона (измененный Инструмент) тонкой прослойки из песка или воды.
Если принять, что бывшее Изделие «Стержень» стало Инструментом «Стержень (его
часть, касающаяся нагретой частицы)» = В2 и Изделием «Нагретая частица» = В1, то
возникает задача на разрушение вредной связи в веполе – разорвать плохую связь между
Стержнем и Нагретой частицей.
Стандарт 1.2.4.5
Если между двумя веществами в веполе возникают сопряженные - полезное и вредное действия, причем непосредственное соприкосновение веществ ... должно быть сохранено,
задачу решают переходом к двойному веполю, в котором полезное действие остается за
полем П1, а нейтрализацию вредного действия (или превращение вредного действия во
второе полезное действие) осуществляет П2:
Ситуация:
Именно это у меня и отмечено на экране Initial description of situation
А.Захаров. Схема ЗРТС и единство инструментов ТРИЗ. Журнал «Технологии Творчества», март 1999 г.,
№ 1, Вкладка «Журнал в журнале».
5
Альтшуллер Г.С. В сб. "Нить в лабиринте". - Петрозаводск: Карелия, 1988. - С. 165-230. Маленькие
необъятные миры: стандарты на решение изобретательских задач. Стандартные решения изобретательских
задач (76 стандартов) http://www.altshuller.ru/triz/standards.asp#1
3
4
8
П – поле удержания частиц стержня: оно и полезное (сохраняет стержень целым), и
вредное (удерживает нагретую частицу слишком сильно)  термоудар  растрескивание
стержня.
Решение:
П1 – поле удержания частиц стержня (сохраняет стержень целым).
Необходимо введение П2 – поля, пересиливающего П1, и отрывающего нагретую частицу
Желательно П1 снизить до минимума – стержень должен сохранять свою целость при
манипуляциях с ним – при установке в камеру, закреплении в держателе и при
перемещении.
Идея – перейти от монолитного стержня к стержню, спрессованному из отдельных частиц
(порошка) керамики.
Cause & Effect Chain Development
The root harmful Effect is Rod holds Heated particle = Выявление корневого НЭ = Rod holds
Heated particle
The system's element linked with the root harmful Effect is Rod = Элемент, с которым связан
НЭ - Rod
9
Направления изменения элемента Rod
1. Устранение элемента6 Rod из системы – не подходит по условию
2. Объединение систем - не рассматривал
3. Использование эффектов - не рассматривал
4. Изменение свойств Rod
Монолитный стержень  Стержень из порошка. Идеальность такого стержня выше – не
надо менять камеру и систему крепления и подачи стержня. Придется изменить способ
изготовления стержня – перейти к прессованию стержня из мелких частиц, чтобы держал
форму до его помещения в испарительную камеру.
Такая технология применяется в порошковой металлургии – только не делать спекание,
чтобы частицы не сплавились, а держались чуть-чуть.
Вот где на самом деле место свертывания (тримминга) элемента, связанного с каким-либо НЭ системы.
Свертывание (тримминг) = прием изменения системы, один из видов динамизации. Ну, это так, к слову...
6
10
Монолитный стержень  Капиллярно-пористый стержень. Практически повторяет
предложенный прессованный стержень из порошка.
Есть аналогия и готовая технология – распыление жидкости с помощью УЗ-колебаний.7
Ну, естественно, использовать частоту приложенных к стержню продольных УЗколебаний, равную собственной частоте колебаний нагретых частиц  резонанс 
активный отрыв частиц.
5. Если Rod изменить невозможно
Попытка снизить механические напряжения (улучшаемый параметр № 11 в матрице
Альтшуллера) в материале стержня каким-либо традиционным способом (например,
армировать нитями из той же керамики), чтобы он не растрескивался, вероятнее всего,
приведет к его усложнению (ухудшающийся параметр № 36).
В.А.Лукъянец и др. Физические эффекты в машиностроении. Справочник. М., Машиностроение, 1993, с.
171
7
11
Выбор приемов разрешения противоречия
Приемы, разрешающие противоречие:
19. Periodic action
19.1. Instead of continuous action, use periodic or pulsating actions  вибрация
19.2. If an action is already periodic, change the periodic magnitude or frequency  вибрация с
частотой, равной частоте колебаний испаряемых частиц (резонанс)
19.3. Use pauses between impulses to perform a different action.
1. Segmentation
1.1. Divide the Rod into independent parts  cтержень из порошка
1.2. Make the Rod easy to disassemble.
1.3. Increase the degree of fragmentation (or segmentation) of the Rod  cтержень из порошка
35. Parameter changes
35.1. Change the Rod`s physical state (e.g. to a gas, liquid, or solid)  cтержень из порошка
35.2. Change the concentration or consistency  cтержень из порошка
35.3. Change the degree of flexibility.
35.4. Change the temperature.
На мой взгляд, порошковый стержень + вибрация с резонансом – более идеальное
решение, чем предложено в разборе. В установке практически НИЧЕГО не меняется – ни
сама камера, ни система крепления стержня, ни система его подачи. Организовать
продольную вибрацию стержня – задача куда менее сложная, чем подводить и сыпать
порошок в зону испарения.
13 октября 2008 г.
Брайтон, Массачусеттс, США
12