基于TRIZ理论的环保咖啡机设计

周恩雯 金信琴

摘要：随着在可持续发展观和绿色环保理念的推动下的21世纪，产品设计不仅仅以满足用户的需求为中心，同时要兼顾产品使用过程中的环保性。本设计在于对咖啡机进行环保创新设计研究，减少消费者在使用咖啡机这一过程中对环境进行较大的污染，并且可以对咖啡废料进行重复利用，节约成本。运用TRIZ创新方法理论中的功能分析以及40个发明原理等方法对环保咖啡机对咖啡机进行改进设计，使其智能化、环保化。本文最终设计了一款将咖啡废料在制作咖啡的过程中转化成咖啡杯套的环保咖啡杯。

关键词：环保 咖啡机 40个发明原理 功能分析 技术矛盾

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2019） 02-0109-03

引言

随着国内经济水平的提高，咖啡也成为时尚的一个代名词，并且伴随着人民生活水平的提高，咖啡也受到越来越多人的青睐，据不完全统计，中国家庭的年咖啡消费量增长超过40%，同时其零售咖啡以每年25%的速度增长，并继续保持着强劲的增长势头Ⅲ。但是据统计只有0.2%的咖啡豆被用作制作一杯咖啡，剩余99.98%的咖啡豆则变成咖啡渣被我们扔掉。国内外的咖啡机主要以全自动和半自动咖啡机为主，附带着打奶泡、拉花等附加功能，几乎没有一款咖啡机能够考虑到咖啡废料重复利用这一问题，据不完全统计，全世界每年浪费的咖啡豆可达到700万吨[2]。本文利用TRIZ创新方法对咖啡机进行创新设计，将咖啡废料进行再利用，设计一款在制作咖啡过程中同时将咖啡废料加工成咖啡杯套的环保咖啡机。

一、TRIZ创新方法

TRIZ起源于俄文发明问题解决理论的缩写，前苏联发明家IAtshuller等在分析世界250万份高水平专利后，在1946年创立的具有普遍适用性的发现并解决问题的一种发明理论，该理论在军事、航空航天等领域发挥了巨大的作用。

IAtshuller后期将TRIZ理论分为如下主要体系：8大技术系统进化法则、IFR最終理想解、40个发明原理、技术矛盾、物理矛盾和分离原理、物一场模型分析、76个标准解法、ARIZ发明问题解决算法、科学原理知识库、功能分析、资源分析等。[3][4]

功能分析：“功能”角度分析系统，分析系统执行或完成其功能及关注属性的情况。功能属性分析是对问题定义过程中会使用到的必要工具之一，是寻找创新切入点与简化现有系统最实用的工具，一个完整的功能属性分析是进行系统创新最重要的一步。

技术矛盾任何产品或技术作为一个系统者B包含一个或多个功能，产品由具有相互关系的多个组件组成。为了提高产品的市场竞争力，需要不断对产品进行改进，以提升产品的MPV。当改变某个零件、部件的设计，提高产品某些方面的性能，可能会影响到与这些被改进设计零部件相关联的部件，结果可能造成产品或系统另一些方面的性能受到影响。如果影响是负面的，那么设计或改进就出现了矛盾。通过对矛盾的分析，在矛盾表中查找可能的解法，解法是由40个发明原理组成的。

40个发明原理：当系统产生技术矛盾后，接着就需要一种能够解决这种技术矛盾的方法，阿奇舒勒通过对世界各地大量的发明专利进行研究，最终发现，虽然专利中解决了不同领域的问题，但是所用的方法或者所用的技巧具有一定的相似性，通过对这些相似的方法进行归纳和总结，最终，阿奇舒勒找到了40种最常用的解决问题的方式方法，即现在TRIZ创新设计方法中的40条发明原理[4]。

本文首先利用TRIZ创新方法理论对环保咖啡机的结构进行改进创新设计，利用功能分析对咖啡机整体结构进行功能分析，对环保咖啡机中的结构进行重新定义;由于在功能分析中增加了新的功能，对整个系统造成了一定的影响，所以采用了技术矛盾这一方法对过滤系统以及废料挤压系统进行了矛盾分析，并且利用40个发明原理进行改进设计。最后利用40个发明原理对环保咖啡机的外观进行创新设计。利用TRIZ创新方法理论使设计更为合理，逻辑更清晰，更具有说服力。

二、基于TRIZ创新方法的环保咖啡机设计

（一）产品设计定位

1.产品使用环境定位

满足咖啡馆、家庭等咖啡制作的场所，每年可避免700万吨咖啡豆的浪费;减少50万棵树木的砍伐;给人们节约了12925000万美元。

2.功能定位

（1）实现了美式咖啡的制作，全自动不需要人力资源，节约人力成本;

（2）在制作咖啡的同时杜绝了咖啡豆的浪费，咖啡废料制作的杯套减少纸质杯套的使用，节约了大量经济成本;

（3）在家庭使用过程中，上盖直接可以翻过来接咖啡，方便便捷。

3.造型定位

产品造型简约时尚，适合于各种使用场合，整体由几何形体堆砌而成，简洁大方，给人一种简约美，不添加任何多余的线条装饰，功能突出。

4.材料定位

环保咖啡杯整体采用烤瓷塑料材料，质量轻色彩选择较多;内部采用不锈钢材料，便于清洗和除垢;上盖采用食品级PC材料，避免热咖啡接触产生有毒物质，安全环保。

5.色彩选择

色彩会直接影响用户的眼睛，强烈具有冲突感的色彩搭配，通常会造成用户视觉疲劳吲。而环保咖啡机的色彩主要以黑色为主，体现了产品的科技感，同时在使用场景中也不会显得突兀，易于搭配。

6.技术

全自动咖啡机可完成自动加热、冲咖啡、咖啡机添水、洗咖啡机一系列工作。其工作原理是给咖啡机加20 Pa的压力，迫使90℃左右的热水穿过幼细的经过挤压的咖啡粉，汲取咖啡粉中的咖啡脂等芳香物质，并与热水达到充分溶合后流入杯中，整个过程要在18～28 s内完成，以便有效地避免过分提取所造成的不良味道[6]。

（二）基于TRIZ理论的咖啡机结构设计

1.功能分析在咖啡机结构设计的应用

功能分析是指对已有的产品进行功能分解，明确各部件的有用功能以及功能等级、性能水平和有害功能，帮助技术人员更好地理解部件间的相互作用，建立出产品的功能模型，咖啡机的功能模型（如图1）所示。

通过建立咖啡机的功能模型，发现在过滤的过程中，对于咖啡机制作咖啡是正常功能，但是对于将咖啡废料重新加工利用则表现为不足功能，所以利用功能模型，决定将咖啡废料利用装置附加在咖啡过滤之—功能中，形成新的功能模型，（如图2）所示。

2.技术矛盾与40个发明原理在咖啡机结构

技术矛盾是指当改善系统中的某一种特性或者参数的同时，引发了整个产品系统中其他特性或者参数的恶化，而这一种矛盾通常就被我们称之为技术矛盾。并且利用矛盾技术矩阵找到可以采用的发明原理，对其进行改进设计。

（1）环保咖啡机过滤系统设计

（如图3）所示，传统的全自动咖啡机在制作咖啡的过程中，咖啡直接通过滤器将咖啡废料留在过滤器储存区，需要人力定时清理。而环保咖啡杯需要将咖啡废料滤出，并且将咖啡废料利用转化成咖啡杯套，这就系统具有一定的复杂性，而这种复杂性却与咖啡制作流程的方便性产生了一定的冲突，（如表1）所示通过查找矛盾矩阵，得出可以采用12等势原理解决这一问题。

等势原理具体描述为环保咖啡机过滤时将咖啡废料滤出进入废料收集区的同时，废料收集区对咖啡废料进行加热加压直接制成杯套取出，使这两个区域同时工作并且建立一个连续、完全互相联系的组合关系，节约了时间成本，使制作咖啡的流程变得方便的同时也降低了系统复杂性。

（2）环保咖啡机废料挤压装置设计

环保咖啡杯将咖啡废料转化成咖啡杯套的过程中，需要给咖啡废料进行加压处理，使咖啡废料紧实，但是加压会造成咖啡杯套变形，并且当咖啡杯套取出的过程中，手握力作用于杯套，杯套也容易产生形变。（如表2）所示通过查找矛盾矩阵，得出可以采用10预先作用原理、15动态特性原理、35物理或化学参数改变原理解决这一问题。

10预先作用原理、15动态特性原理、35物理或化学参数改变原理具体描述（如图4）所示，將咖啡机废料挤压装置直接作用于咖啡废料储存区。首先在咖啡废料挤压装置加入_定量的水，并且咖啡机废料挤压区设计成杯套形状的形状，内壁上有过滤咖啡废料的孔洞，通过孔洞的开合控制废料过滤，进而将咖啡废料和预先加入的水加热加压，使水分蒸发，使咖啡废料的物理性能发生改变，纤维化的程度更加紧密，从而控制形状、增加杯套受力大小。

3.环保咖啡杯最终结构说明 （如图4）所示，环保咖啡杯由填料盖、隔板开关装置、整体杯盖、外胆、加热层、带有可开闭口的内胆、中间带有口的底座、推板、推板、按钮、咖啡承载装置、过滤网、触碰式加热触发装置、触碰式加热开关装置、连接装置、所述填料盖是安装在整体杯盖上，整体杯盖上安装隔板开关装置，加热层安装在外胆上，加热层与带有可开闭口的内胆之间带有间隙，按钮与推板B滑动连接，按钮可沿推板B下端的斜坡移动，连接装置底端装有过滤网。

填料盖可以打开，添加完咖啡粉以及热水进行混合之后，混合后的成品咖啡通过连接装置和过滤网的过滤流入咖啡承载装置中，此时触发隔板开关装置使带有可开闭口的内胆开口打开，剩余的残渣混合少量水在一定时间后便会流入加热层和带有可开闭口的内胆之间的间隙中，此时向下压动杯身，使触碰式加热触发装置接触触碰式加热开关装置触发加热层加热，待水分蒸干之后打开整体杯盖打开同时触发按钮带动推板向上移动将干固的环形残渣推出，可以用作咖啡杯套。

（三）基于TRIZ创新方法的咖啡机外观设计

1.变害为利原理

剩余的咖啡废料对于整个咖啡制作过程是不利因素，需要人力对咖啡废料进行清理，利用变害为利原理将咖啡废料变成对咖啡制作者有利的产品，既节约成本又减少了清理咖啡废料带来的麻烦。

2.廉价代替品原理

咖啡杯套大部分以纸板为材料，而纸制品的来源则是树木的砍伐，利用廉价代替品原理将咖啡废料制作的杯套替换纸质杯套，每年可减少50万棵树木的砍伐，大大节约了经济成本（如图5）。

3.分割原理

环保咖啡机整体采用分割原理，机盖与本身采用材料分割，功能区一目了然，并且打破了整体黑色的沉闷感（如图6）。

4.多用性原理

机盖除了隔绝冷气、污染物和防止咖啡外溅以及增压的功能，还具有盛放咖啡的功能，一部件具有多种用途（如图7）。

（四）环保咖啡杯的最终方案

（如图8）所示，该咖啡机填料盖可以打开，添加完咖啡粉以及热水进行混合之后，混合后的成品咖啡通过连接装置和过滤网的过滤流入咖啡承载装置中，此时触发隔板开关装置使带有可开闭口的内胆开口打开。

剩余的残渣混合少量水在一定时间后便会流入加热层和带有可开闭口的内胆之间的间隙中，此时便可以将干固的环形残渣推出，可以用作咖啡杯套。适用于制作咖啡以及将废料处理，结构简单、易操作、使用安全，节省空间。

总结

在可持续发展观和绿色环保理念的推动下，产品设计也逐渐将环保作为设计的参考要素，现在的咖啡机设计大多数没有考虑咖啡废料的处理问题，本文将咖啡废料的处理作为咖啡机设计的要点之一，利用TRIZ创新方法对咖啡进行结构以及外观设计，既节约成本又避免了咖啡豆的浪费，具有极大的环保价值。

参考文献

[1]王星河针对国内市场的家用咖啡机设计探析[D]福州大学，2011

[2]史耀军，石海丽车载胶囊咖啡机设计研究[J]设计，2018 （05）：124-126

[3]陈沫，张琳絮基于TRIZ维数变化原理的听诊器创新设计[J]设计，2013 （02）：58-59

[4]陈昭，王京，彭华明基于QFD、KANO和TRIZ理论的校园卡自助终端设计研究[J]设计，2017 （13）：114-115

[5]胡雨霞石海林色彩构成和视觉心理在工业设计中的应用[J]设计，2014 12： 114-116

[6]胡新明，万鲁鲁全自动家用咖啡机设计研究[J]包装工程，2015，36 （04）：72-75