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作者:洪永杰(2005-07-27);推薦:徐業良(2005-08-03)

電腦輔助工程創新設計軟體Tech Optimizer應用簡介

Tech OptimizerGoldfire Innovator公司所發展出之電腦輔助創新軟體,以發明問題創新理論(TRIZ)為核心,佐以價值工程概念與跨領域科技知識庫,來協助研發人員以有系統的方式作工程上的創新設計。本文以一實際工程設計案例貫穿全文,來說明如何運用Tech Optimizer軟體進行創新概念設計。TRIZ理論相關說明詳見“(2004-12-28) TRIZ理論與應用簡介”一文。

1.     Tech Optimizer模組簡介

Tech Optimizer有產品分析(Product Analysis)、製程分析(Process Analysis)、科技知識庫(Effects)、發明法則(Principles)、特徵轉換(Feature Transfer)、系統演進法則(Prediction)、與專利分析(Patent Analysis)七大模組,以下首先簡介此七大模組功能:

(1)   產品分析(Product Analysis)

產品分析模組提供許多工具協助使用者定義產品的功能模型。針對功能模型,此模組會提出許多增加產品價值的方法。產品分析模組能協助使用者釐清系統的關鍵功能,並正確地陳述問題,只要將產品∕系統建構成功能模型,並設定有用功能及有害功能,軟體便會自動辨識出所有需要克服的問題。

(2)   製程分析(Process Analysis)

製程分析模組分析製造系統中的操作單元。此模組融合了價值分析、成本分析、及功能分析等方法,讓使用者能夠有效地解決製程規劃及重新設計等問題。檢查每一個加工步驟並量化其對操作程序的影響,並以圖形化方式呈現加工步驟及步驟間的相互關係。

(3)   科技知識庫(Effects)

科技知識庫包含7,500個以上物理、化學、和幾何上的定律及現象,與應用這些定律現象的實際例子。上述科技知識均附有動畫解說,讓使用者更容易學習運用。此外,科技知識庫係以功能作分類,讓使用者更方便找到滿足需求功能的所有跨領域知識。

(4)   特徵轉換(Feature Transfer)

在特徵轉換模組中,使用者可以將其他產品的特色,透過系統化的步驟整合到自己產品中,特徵轉換模組亦可作為評估競爭科技的重要工具。

(5)   發明法則(Principles)

此模組提供了40個發明法則,用來解決工程矛盾。這些發明法則,是經由分析二百五十萬篇以上的專利所萃取出來的發明智慧。每一個發明法則,均含有多個來自不同工程領域的實際應用案例說明。

(6)   系統演進法則(Prediction)

系統演進法則模組可處理系統元件交互作用時所產生的工程問題。透過系統演進法則,更可獲知產品∕技術目前的演進位置,並進而預測下一代的產品∕技術。軟體提供許多科技演進所遵循的共同趨勢。這些趨勢是經由分析數百萬件專利及工業產品所歸納產生。

(7)   專利分析(Patent Analysis)

專利分析模組提供允許直接下載美國、日本及歐洲等專利,並依公司別或技術別作統計分析。此外,本模組亦可同時對數個搜尋引擎進行網際網路資料查詢提供專利資料的下載、儲存、分析與圖形化顯示。

在實際執行創新設計時,整個流程可分為「問題分析」與「問題解決」兩個主要階段(如圖1),而以建構功能模型為首要步驟。當使用者完成功能模型後,有以下兩個解決問題的途徑:

(1)   直接到解答總管中尋求適當的創新工具來解決問題。

(2)   先經由策略編輯及元件切除程序簡化功能模型,再進入問題解決階段。

本文將利用途徑(2)以一實際案例貫穿全文,來說明如何運用Tech Optimizer軟體進行創新概念設計。以下將由如何建構功能模型出發,接著加入TRIZ方法使之成為創新的功能模型,並透過科技知識庫與系統演進法則將創新設計概念加以具像化,完整介紹創新設計流程每個階段。

1. Tech Optimizer創新設計流程

2.     功能模型的建立

在利用Tech Optimizer進行創新設計操作的過程中,第一項工作便是利用產品分析模組針對欲創新或是改良的標的物建立系統的「功能模型(Functional Model)」,藉由功能模型將系統建構成樹狀的結構,使一個系統的問題簡化成改進系統基本功能和其交互作用的問題。

2.1 系統定義(IMC Systems Definition)

Tech Optimizer軟體中,系統定義工具列可以建構系統的功能模型,而“系統”通常指整體產品,但亦可為組件或零件,端看分析的範圍而定。一個完整的功能模型包含「目的(target)」、「元件(component)」、「超系統(super system)」等元素(elements),以及元素與元素間的「作用(actions)」。使用者可以藉由系統定義工具,將系統中的問題表現在功能模型中。

如圖2所示,功能模型使用獨特的術語和語法來描述工程系統,其中目的、元件、超系統等組成元素,分別以矩形、橢圓形與六角型來作區分。以下分別描述其定義:

2. 元件、目的、與超系統圖示

(1)   元件(Component)

為設計系統之組成因子,如同一個產品的組成零件,小從齒輪、螺絲,大至一整個由許多零件組成之傳動系統,在功能分析的建模中皆可以視為一個元件。

(2)   目的(Target)

可視為系統中所要達到的目的或主要功能。此一定義很容易讓初學者產生混淆,例如設計一部汽車,習慣會將汽車視為目的,然而於功能分析的建模中,汽車的主要功能是用於載人或是貨物,這是此系統的目的,因此在功能模型中,人或是貨物才是系統目的。

(3)超系統(Super system)

超系統的定義為可影響整個分析系統、但無法對此加以改良的要素。具有不能刪除或重新設計、可能使工程系統產生問題、可以做為工程系統的資源或作為解決問題的工具、以及對系統有影響等四項特性時才列入超系統。

本文以合金容器被酸性溶液腐蝕的問題為例,説明如何運用Tech Optimizer軟體進行創新概念設計。如圖3所示,合金製的容器用以裝承酸性溶液以提供試片進行腐蝕性評估實驗,不過昂貴的合金容器在長年使用下亦會有些微腐蝕的情形發生。

3. 合金容器被酸性溶液腐蝕的問題圖示

此問題功能模型的建立首先定義系統目的,即系統功能所施予的主要對象。由於本實驗主要利用酸性溶液針對試片進行腐蝕,因此系統目的即是試片(sample),在功能模型中以橢圓形框代表。接著定義系統內所含元件,在本問題中,容器(container)、上蓋(cover)、酸性溶液(acid liquid)、與試片為此系統的構成部分,以矩形框代表。由於系統並非獨立存在,而是與外界保持某種連繫,這些與系統產生交互作用的外界系統即稱為超系統,在進行實務問題分析時,通常只將和問題較為相關的超系統納入考量,在解決問題的過程中,超系統是屬於不可改變及控制的部份。對本問題而言,超系統包含研究人員(researcher)、空氣中的微小塵埃(dust)、與實驗桌(table),以六角型框代表。系統定義到此完成,圖4為利用Tech Optimizer軟體建構之系統定義圖示。

4. 系統定義圖示

2.2 建立功能作用

在定義完功能模型中目的、元件、與超系統後,接下來便要定義彼此間的交互關係,此步驟稱為「作用連結」。為了更精確地描述及分析問題,功能作用分為「有益作用(useful action)」與「有害作用(harmful action)」,而解決問題過程中的一個重要目標,即為消除有害作用以及提升有益作用的效能。所謂有益作用是指能夠滿足作用對象所需要的改變(或維持某種狀態),例如使用者希望風扇葉片能夠快速轉動,而馬達所提供之“旋轉”就是一種有益作用;而有害作用會降低其作用對象的效能,或者增加其作用對象的危害程度,例如酸液腐蝕鋼板,因此“腐蝕”便是一種有害作用,會減少鋼板的強度與壽命。在Tech Optimizer軟體中,有益作用以藍線代表,有害作用以紅線代表,如圖5所示。

5. 有益作用(左)與有害作用(右)圖示

以上述問題為例,合金容器可容納試片,因此“容納”即是一有益作用,建構方法為點選圖5左方藍線,接著點選作用提供者(container),此時container會反白,並出現一條useful action的藍色線條,代表新的有益作用。此時useful action作用線的一端仍會隨著滑鼠移動,待點選作用對象sample後,useful action作用線便在containersample間形成連結,如圖6

6. containersample間的作用關係

用滑鼠單擊圖6useful action作用線上的小圓圈會出現link analysis對話框(圖7),該對話框有一欄位提供使用者依需要改變作用線名稱。在link analysis對話框中可進一步調整有益作用的表現水準(performance level),包含

l          正常(normal):有益作用100%滿足作用對象需求,水準指示棒的位置位於正中央,顯示有益作用的表現為正常(此為預設的水準)。

l          不足(insufficient):有益作用未充分滿足作用對象需求,水準指示棒的位置偏左,越接近左側代表有益作用越不足。

l          過度(excessive):有益作用過度滿足作用對象需求,水準指示棒的位置偏右,越接近右側代表有益作用越過度。

7. link analysis對話框

以上述問題為例,合金容器長時間承載酸性溶液因而造成些微腐蝕,因此“腐蝕”即是一有害作用,建構方法為點選圖5右方紅線,接著點選作用提供者(acid liquid),此時acid liquid會反白,並出現一條harmful action的紅色線條,代表新的有害作用。此時harmful action作用線的一端仍會隨著滑鼠移動,待點選作用對象container後,harmful action作用線便在acid liquidcontainer間形成連結,如圖8

8. containersample間的作用關係

用滑鼠單擊圖8中作用線上的小圓圈會出現.link analysis對話框(圖9),該對話框有一欄位提供使用者依需要改變作用線名稱。在link analysis對話框中可進一步調整有害作用的表現水準(performance level),危害程度以數字表示,最小值為(least)0,最大值為(most)20,預設值為7

9. link analysis對話框

重複上述步驟建立其他元件間之有益與有害作用,整體功能模型完成後如圖10之形式。

10. 合金容器被酸性溶液腐蝕問題功能模型

在建構完功能模型後,Tech Optimizer軟體提供了矩陣瀏覽器(matrix browser),以交叉作用矩陣(interaction matrix)、功能表單(function table)、及註記清單(notes)等方式呈現,方便使用者檢視功能模型圖中的資訊與管理功能模型。圖11顯示為本研究問題交叉作用矩陣,矩陣的縱軸與橫軸分別列出功能模型中所有物件的名稱,而在物件縱軸中另有小圖示顯示該物件的類型。功能模型中的作用則顯示在縱軸與橫軸交會的格子中,每一作用以一個小圓點表示,藍色圓點代表有益作用,紅點表示有害作用,點選某個格子即可獲知交互作用的內容。

11. 交叉作用矩陣

功能表單(圖12)列出功能模型中的所有功能,以及與功能相關的資訊,其包含功能(function)、變數(parameter)、及表現(performance)三個主要欄位所組成。

(1)    功能(function)欄位:由三個子欄位所組成,由左方開始,第一子欄位代表「作用提供者」,第二子欄位代表「作用」,第三子欄位代表「作用的對象」。而「提供者-作用-對象」即為完整的功能描述,如「container-hold-sample」即為其中一個功能。

(2)    變數(parameter)欄位:顯示其他會受到作用的對象影響的參數。

(3)    表現(performance)欄位:顯示有益作用的表現水準,optimal顯示功能的表現與預期相符,而non-optimal則顯示功能的表現與預期不符(表現不足或表現過度)。

12. 功能表單

註記清單(圖13)可管理功能模型的所有註記,使用者可檢視、修改目前的註記,也可以加入新的註記。清單中左半部欄中列出所有的功能物件及其作用,右半部Note欄可以編輯與顯示該物件或作用的筆記。

13. 註記清單

3.     策略編輯(Strategy Editor)

問題的解決通常意謂著系統(以及功能模型)必須做某種程度的改變,然而在功能模型中只有元件及作用兩種元素能夠被改變,因此設計者將在這個範疇內提出各種設計概念以解決問題。在Tech Optimizer軟體中運用「切除(Trimming)」工具,將價值較低的元件從功能模型中去除,藉以得到元件數目較少、問題較少、成本較低、且效能相近(或較佳)的系統或產品。而系統元件的價值則是透過「策略(Strategy)」來計算並決定。本節將介紹如何透過功能模型及策略對系統進行評價,評價的結果可作為系統創新與改善的依據。

Tech Optimizer軟體中,策略編輯器提供「最低成本(Minimum Cost)」、「最大價值(Maximum Value)」、與「最少問題(Minimum Problems)」等三個內建的策略可供選擇。不同的策略,其對系統元件的評價方式也不同,表1列出各種策略下的評價公式及其意義,評價公式所使用的參數說明如下:

l          K:代表元件的評價(Evaluation)

l          F:代表元件的功能等級(Function Rank)

l          P:代表元件的問題等級(Problem Rank)

l          C:代表元件的成本(Cost)

1. 評價公式及其意義

策略

評價公式

代表意義

Minimum Cost

在「最低成本」策略下,元件成本越高,其評價值越低

Maximum Value

在「最高價值」策略下,元件的功能重要度越低、問題越多、成本越高,其評價值越低

Minimum Problems

在「最少問題」策略下,元件的問題越多,其評價值越低

在此選擇「最大價值(Maximum Value)」策略來評價本文案例的功能模型。表1中元件的功能等級與問題等級會由Tech Optimizer軟體依照使用者所建立的功能模型自動計算其值(其運算原理詳見附錄),元件的成本則須由使用者自行評估後填入。如圖14所示,Function RankProblem Rank已由軟體算出,Cost部分假設container的製作成本最高,給予10的權重,cover的製作成本次之,給予4.5的權重,另外acid liquid的成本較低,給予2.5的權重。如圖14所示,acid liquid所計算出來的評價(Evaluation)值最低,代表其在此系統中可以優先考慮加以切除(trimming)。但由於本案例需利用acid liquid來進行腐蝕性評估,所以暫不予考慮切除,因此需考慮其他系統元件。container的製作成本最高,同時長年使用有被腐蝕的現象,因此可以考慮是否有其它方式可以加以改良或是取代。

14. 策略分析結果

4.     元件切除(Trimming)

Tech Optimizer軟體中,元件切除的功能主要是協助使用者切除一部分的系統元件(以及相關的作用),以獲得較簡化、較佳的功能模型。策略編輯依使用者選取的策略對系統元件進行評價,元件切除則依據策略編輯的分析結果,建議首先切除價值較低的系統元件。然而,使用者仍能自由選取元件進行切除。在完成元件切除後所得到的功能模型,其代表的往往是一個元件數目較少、問題較少、成本較低且效能相近(或較佳)的系統。

在元件切除的過程中,切除精靈(Trimming Wizard)會導引使用者逐一處理與被切除元件有關的作用關係,然後才切除元件。以本文中實例來做說明,首先考慮切除container,因此元件切除精靈首先處理container承載acid liquid的不足的有益作用,如圖15。同時元件切除精靈會對此類型作用關係,提出以下5種處理方式供選擇:

(1)   將承載acid liquid的功能改由模型中其他元件來提供。

(2)   將承載acid liquid的作用對象切除。

(3)   將承載acid liquid的功能切除。

(4)   將承載acid liquid改由新元件來提供。

(5)   暫不處理承載acid liquid的功能。

在本例中,選擇將承載acid liquid的功能改由模型中的sample來提供。這樣的選擇出現了新的設計概念:「由原先container承載acid liquid,更改設計為由sample來承載acid liquid」。

15. 元件container切除步驟(1)

接著元件切除精靈第二個處理的是container承載cover的有益作用(圖16),同時元件切除精靈會對此類型作用關係,提出以下5種處理方式供選擇:

(1)   將承載cover的功能改由模型中其他元件來提供。

(2)   將承載cover的作用對象切除。

(3)   將承載cover的功能切除。

(4)   將承載cover改由新元件來提供。

(5)   暫不處理承載cover的功能。

在本例中,選擇將承載cover的功能改由模型中的sample來提供。這樣的選擇出現了新的設計概念:「由原先container承載cover,更改設計為由sample來承載cover」。

16. 元件container切除步驟(2)

接著元件切除精靈第三個處理的是container承載sample的有益作用(圖17),同時元件切除精靈會對此類型作用關係,提出以下4種處理方式供選擇:

(1)   將承載sample的功能改由模型中其他元件來提供。

(2)   將承載sample的功能切除。

(3)   將承載sample改由新元件來提供。

(4)   暫不處理承載sample的功能。

在本例中,選擇將承載sample的功能切除。

17.元件container切除步驟(3)

接著元件切除精靈第四個處理的是table承載container的有益作用(圖18),同時元件切除精靈會對此類型作用關係,提出以下2種處理方式供選擇:

(1)    將承載container的功能切除。

(2)    將承載container的功能表現於模型中的其他元件上。

在本例中,選擇將table承載container的功能表現於sample

18. 元件container切除步驟(4)

元件切除精靈最後一步處理的是acid liquid腐蝕container的有害作用(圖19),同時元件切除精靈會對此類型作用關係,提出以下2種處理方式供選擇:

(1)   腐蝕作用將被消除。.

(2)   腐蝕作用轉移至模型中其他元件。

在本例中,由於選擇container被切除,因此腐蝕container的有害作用也隨之消滅。

19. 元件container切除步驟(5)

到此,container已被切除完畢,同時相關作用也已轉換至其他元件上,如圖20,被切除的元件及作用以淺灰色表示。此時會在已完成切除元件的功能模型下方出現如圖21的視窗,該視窗提供功能包含:

(1)   結束並儲存設計方案,點選finish

(2)   繼續進行其他系統元件的切除,點選next

(3)   回上一切除元件步驟,點選back

(4)   離開不儲存設計方案,點選cancel

(5)   儲存設計方案,點選store

在此點選finish,結束切除過程並儲存設計方案,接著點選”solve in solution manager”進入解答總管來尋求設計問題的解決概念。

20. 元件container切除完畢

21. 切除精靈對話框

5.     解答總管(Solution Manager)

解答總管將設計者在建構功能模型時所描述的問題,以及在元件切除時所產生的新問題匯集在一個清單裡,並且按照問題的屬性分類整理,讓設計者容易做問題的管理。此外,解答總管會依照問題的類型,建議優先採用的問題解決工具,設計者透過創新工具所產生的解決問題概念,可以一併顯示在解答總管中形成概念清單。

整體解答總管的視窗包含三個主要欄位,包括:問題與解答清單(Problems and Solutions)、問題描述(Problems Description)、與解答(Solutions),分項介紹如下:

5.1 問題與解答清單(Problems and Solutions)

22所示為問題與解答清單欄位的介面,該介面會將問題分析階段所產生的問題全部列出,使用者亦可加入自訂的問題(user-defined problems)。使用者針對各問題所想出的解決問題概念以及非針對特定問題的一般性概念(general solutions),亦可顯示在問題與解答清單中。問題與解答清單欄位的介面說明如下:

22. 問題與解答清單介面

(1)   Simplify design

在元件切除的過程中,與被切除元件相關的有益作用會轉移到其他元件上,但如何使移轉後的有益功能順利運作,即屬於此時應解決問題。以本文案例來說,當container被切除後,會有4Simplify design的問題出現:

l          How to enable the sample to hold the acid liquid?

l          How to enable the sample to hold the cover?

l          How to enable the table to hold the sample?

l          How to eliminate the action hold without losing functionality in the acid container system?

上述問題的解決方案會在問題解答工具(Solutions)欄位中分別以知識搜尋(Knowledge search)、科技知識庫(IMC scientific effects)、發明原理(Principles)、技術預測(Patterns)、與使用者自行解答(User-defined)的方式加以呈現。

(2)   Improve functionality

在元件切除的過程中,與被切除元件相關的有害作用若是因此而消除,會被歸納至此一類型,代表已經改善或是被解決。

(3)   User-defined problems

在建構功能模型或進行元件切除的過程中,使用者可能發現其中含有矛盾(contradiction)與衝突(conflict),此欄位讓使用者自行描述此類問題並加以編輯。

(4)   General solutions

該欄位允許使用者針對非特定問題(或非專案內問題)的一般性概念加入解答清單中,以作為解決問題的方案之ㄧ。

5.2 問題描述(Problems Description)

在問題描述的欄位中,會顯示和問題有關的元件及作用關係的圖示。例如在上述Simplify design中“如何轉移承載acid liquid的問題”會以如圖23的方式加以呈現。同時於圖示下方會針對此問題的來源加以解釋,其描述內容為“The hold the acid liquid function performed by the container is reassigned to the sample. How to enable the sample to hold the liquid?”

23. 如何轉移承載acid liquid的問題圖示

5.3 問題解答工具(Solutions)

問題解答工具列提供三個由TRIZ理論所發展出來的工具,包括科技知識庫(IMC scientific effects)、發明原理(Principles)、與技術預測(Patterns),其主要的特點是以知識庫為基礎,透過系統化的步驟激發設計者的想像力,進而產生豐富而有創意的設計概念。圖21為問題解答工具列外觀。

24. 問題解答工具列

5.3.1 科技知識庫(IMC scientific effects)

IMC scientific effects科技知識庫包含超過8000筆物理學、化學、與幾何學上的定理、定律、現象(統稱為Effects),及其在工程上的應用實例,全部依照功能來編排整理,讓設計者能在極短時間內蒐集到來自不同領域,但與設計問題非常相關的科技知識,進而激發出創新設計概念。

24為科技知識庫的主要介面,包含樹狀資料夾(Web Tree)與知識內容顯示區(Web Space)兩個欄位,以下分別簡介其主要功能與使用方式。

(1)    樹狀資料夾(Web Tree)

以階層方式組織科技知識,而資料夾所代表的即為功能索引(function index)與功能群組(function group)。在Web Tree中,每一個功能索引自成一個資料夾,而屬性相似的功能索引則被歸類於同一功能群組資料夾中。功能的一般表示法為「作用(action)+對象(object)」,在科技知識庫中,功能索引主要以下面三大類為範疇:

l          (Field)相關的功能索引:例如absorb “impact impulse”

l          參數(Parameter)相關的功能索引:例如change “chemical parameters”

l          物質(Substance)相關的功能索引:例如remove “gas”

25. 科技知識庫的主要介面

例如設計者希望獲知有關產生磁場方法,藉由在樹狀資料夾(Web Tree)的檢索欄位中鍵入“produce magnetic field”,便可以找到一般熟知的渦電流(Eddy current)、電磁感應法拉第定律(Electromagnetic Induction Faraday's Law),以及較不熟知的Kikoin-Noskov effect、磁聲效應(magnetoacoustic effect)等數十種方法。因此當設計者決定出功能需求後,科技知識庫可協助找出滿足特定功能的各種方法,如圖26所示。

26. 樹狀資料夾(Web Tree)

(2)    知識內容顯示區(Web Space)

在每一筆科技知識庫標題前方,均有一個小圖示用以區分知識的屬性。藍色小圓點代表該知識的內容屬於科學定理、定律與現象,其資料來源通常為教科書、專書或論文;文件小圖示則代表該知識的內容為工程上的應用實例,其資料來源通常為專利文獻。

當使用者點選每一筆科技知識庫標題均會出現相對應的知識內容敘述(包含文字與圖示說明),同時左上方會有配合文字說明的動畫幫助設計者了解該知識的內容與原理,如圖27

27. 知識內容顯示區(Work Space)

5.3.2 發明原理(Principles)

在建構功能模型時,設計者可認知到系統是由一群彼此相互作用的系統元件所構成,因此,當設計者改善系統的某個部分時,很可能對其他的部份產生某種程度的影響。當改善系統某個部份,卻造成其他部分的惡化時,TRIZ稱這種情形為「工程矛盾(engineering contradiction)」。另一種矛盾情形稱為「物理矛盾(physical contradiction)」,發生在系統元件必須同時滿足相互矛盾的需求與條件。例如當我們在城市裡找停車位時,希望車子小以方便停車,但是在開車時,為了感覺寬敞舒適希望車子大,這就是物理上的矛盾。

TRIZ研究者從250萬件以上的專利文獻中,歸納出超過1200種工程矛盾,以及發明家最常用來解決工程矛盾的發明技巧,稱為「發明原理(inventive principles)」。TRIZ提供40個發明原理,協助使用者以雙贏方法解決工程矛盾;也就是說,系統的某個部份獲得完全改善,且其他部份不會惡化。此外,TRIZ亦發展出「分離原理(separation principles)」來解決物理矛盾,透過分離原理的運用,可使相互矛盾的需求與條件同時得到滿足。

28所示為發明原理視窗,包含以下幾個部份:

(1)   問題描述(Problem欄位,紅框)

Problem欄位為空白,提供使用者在此輸入問題描述。問題描述有以下格式

l          I want to:描述所希望達到的功能或目標

l          by:描述達到上述功能或目標所採用的方法

l          which leads to the problem:描述所採行方法對系統造成的不良影響

(2)   推薦原理(Recommendations,藍框)

提供解決工程矛盾之40個發明原理。

(3)   發明原理說明(Solution,綠框)

以圖片與文字說明該發明原理之細部內容。

(4)   發明原理範例(Example,黃框)

以一個工程上的實際案例來說明如何使用該發明原理來解決工程矛盾。

如圖29,當設計者欲解決在工程問題上所面臨的矛盾時,首先必須在Problem欄位中輸入相關問題敘述,然後在Improving清單中選擇欲改善的特徵,在Worsening清單中選擇當改善該特徵時有可能惡化的參數。當改善特徵與惡化參數均已定義後,即形成一組工程矛盾,在Recommendations清單中會顯示最常被用來解決此一工程矛盾的發明原理。

28. 發明原理視窗

29. 利用發明原理求解

當設計者面對工程上的物理矛盾時,則需透過分離原理的運用,使相互矛盾的需求與條件同時得到滿足。圖30為分離原理視窗,包含以下幾個部份:

(1)   問題描述(Problem欄位,紅框)

Problem欄位為空白,提供使用者在此輸入問題描述。問題描述的格式如下:

l          I want to:描述所希望達到的功能或目標

l          by:描述達到上述功能或目標所採用的方法

l          which leads to the problem:描述所採行方法對系統造成的不良影響

(2)   推薦原理(Recommendations,藍框)

提供解決物理矛盾之5個分離原理,包含:

l          在時間上分離物理矛盾(separation in time)

l          在空間上分離物理矛盾(separation in space)

l          在條件上分離物理矛盾(separation in phase space)

l          在次系統上分離物理矛盾(separation in subsystem)

l          在超系統上分離物理矛盾(separation in supersystem)

(3)   分離原理說明(Solution,綠框)

以圖片與文字說明該分離原理之細部內容。

(4)   分離原理範例(Example,黃框)

以一個工程上的實際案例來說明如何使用該分離原理來解決工程矛盾。

30. 分離原理視窗

如圖31,當設計者欲解決在工程問題上所面臨的物理矛盾時,首先必須在Problem欄位中輸入相關問題敘述,然後在Recommendations清單中選擇適當的分離原理,Solution欄位中會顯示最常被用來解決此一工程物理矛盾的發明原理。

5.3.3 技術預測(Patterns)

技術預測工具以一系列的技術演進模式為基礎,協助設計者完成以下概念設計任務:

(1)   描繪下一代系統(產品)所具備的特徵

(2)   解決系統中發生在元件間交互作用上的問題

技術演進模式記錄著人類追求理想系統(Ideal System)的歷程,而這是經由許多TRIZ研究者,透過分析各產業專利文獻與工業製品所歸納出技術發展的共同軌跡。設計者可以藉由技術演進模型圖描繪系統(產品)發展的新方向以及關鍵技術特徵。此外,技術演進模式也可以用來解決目前系統的問題,例如改善有益作用的效能、消除或降低有害作用的影響、及尋找新的量測方法。

技術預測工具提供「系統轉化方法(Transformation Line)」與「量測技術演進方法(Measurement Line)」藉以改變交互作用關係的各種途徑,以改善系統的效能並消除有害影響;或是提供量測系統元件性質的各種途徑。以下將針對此兩種技術預測方式做一介紹:

(1)    系統轉化方法(Transformation Line)

在技術演進方法樹(Prediction Tree)中,提供19種系統轉化模式(trends)以及112個系統轉化方法(lines),協助使用者改變目前的系統,以消除或降低系統中有害作用的影響,並改善有益作用的效能。如圖31所示,假設欲改善馬達產生噪音之問題,首先在Problem欄位輸入元件與作用(component/action)的名稱,此時元件與作用關係圖的右方會列出系統轉化的建議,設計者可以點選Improve,然後在出現的Actions that change清單中選擇作用的改變方式,在此我們選擇消除(eliminate),如圖32

31. 系統轉化方法介面

32. 選擇改善方式清單

接著瀏覽並點選Prediction Tree中的資料夾(例如Substances segmentation ),此時在Prediction Tree右方區域會有圖形顯示該種系統轉化模式的簡介,同時在Prediction Tree下方的範例清單中會列出數個具有代表性的工程實例,來說明所選擇的系統轉化模式,如圖30。設計者可藉由此種方式探索各種系統轉化模式、轉化方法及工程實例,進行設計概念的思考以產生多種創新設計方案。

33. Substances segmentation系統轉化模式及其範例

(2)    量測技術演進方法(Measurement Line)

在技術演進方法樹(Prediction Tree)中,提供3種量測技術演進模式(trends)以及10個量測技術演進方法(lines),協助設計者發展新的量測技術。如圖34所示,假設今日欲產生量測金屬塊裂縫的新方法,首先在Problem欄位輸入元件與參數(component/parameter)的名稱,此時元件與參數關係圖的右方會列出量測技術演進的建議,設計者可以點選mark,然後在出現的New Substance清單中選擇量測技術方式,在此我們選擇使用electromagnetic方式,如圖35

34. 量測技術演進介面

35. 選擇量測方式清單

如圖36接著瀏覽並點選Prediction Tree中的資料夾(例如“Introduction: marks è Into an slug”),此時在Prediction Tree右方區域會有圖形顯示該種量測技術的簡介,同時在Prediction Tree下方的範例清單中,則會列出數個具有代表性的工程實例來說明所選擇的量測技術。設計者可藉由此種方式探索各種量測技術模式、演進方法、及工程實例進行設計概念的思考,以產生多種創新設計方案。

36. 選擇量測方式清單

到此,利用Tech Optimizer軟體進行創新設計的流程已完整介紹完畢,接下來將利用上述問題解答工具(Solutions)來針對本文實際案例進行求解的程序。

6.     本文實際案例創新設計與問題解答

如前所述,在問題分析與元件切除過程所形成的設計問題均全部列於問題清單中,如本文案例當container被切除後,會有4個尚待解決的問題:

(1)    How to enable the sample to hold the acid liquid?

(2)    How to enable the sample to hold the cover?

(3)    How to enable the table to hold the sample?

(4)    How to eliminate the action hold without losing functionality in the acid container system?

37是問題1圖示,原來acid liquid是由container來承載,而今container被切除後承載acid liquid的有益作用轉移至sample上,因此如何讓sample附有承載acid liquid的功能?

37. 問題1圖示

在此嘗試利用技術預測(Patterns)工具產生新的創新設計概念,步驟如下:

(1)   在問題清單點選「Reassign function “hold” the “acid liquid”」的問題,然後點選「Patterns」進入技術預測工具。

38. 選擇利用技術預測工具求解

(2)   問題描述與元件作用關係圖的定義如圖39所示。元件與作用關係圖的右方列出建議以加入一新的物質來達成此有益功能。

39. 問題描述與元件作用關係圖

(3)   瀏覽各種系統轉化方法(Transformation Line)以尋找「新物質」的解決方案。例如選擇「Introduction: new substances」中的「Internalèinto sample」,如圖40

40. Introduction: new substances清單

然後在New substance清單中挑選合適的新物質,如圖41,在此選擇「Easily available substances」中的“void”並按下Apply接受之。

41. New substance清單

(4)   此時系統轉化模型與建議將如圖42所示。由此得到如下解答:

“Try to enable the “sample” to “hold"” the “acid liquid” by introducing void into the sample.”

亦即將sample挖成中空狀以直接承載acid liquid,此時container當然不需要了,同時此概念也一並解決了問題2、問題3與問題4。問題2“How to enable the sample to hold the cover?,由於此概念的sample將製作成類似杯子的形狀,因此可以將cover置於其上,同時table當然可以直接承載它而不需藉由其他系統元件,問題3“How to enable the table to hold the sample?也得到解答。問題4“How to eliminate the action hold without losing functionality in the acid container system?,此概念中的sample既是待測試sample亦是承載acid liquidcontainer,因此解決了此問題中的物理矛盾(希望功能消失又希望其存在)。

42. 承酸合金容器新的設計概念