Главная    Работа    От сертифицированных специалистов     Разбор задачи по АРИЗ-85-В. Испарение тугоплавких керамических штапиков в лазерном пучке

Размещено на сайте 10.10.2008.

Разбор задачи по АРИЗ-85-В. Испарение тугоплавких керамических штапиков в лазерном пучке

О.Н. Фейгенсон,

НИЦ "Алгоритм", Санкт-Петербург, ул. Рузовская 16
oleg.feygenson@algo-spb.com


Введение. История задачи

Для синтеза нано частиц, осаждения тонких пленок и ряда других технологических задач требуется испарять тугоплавкие керамики, такие как Al2O3, MgO, SiO2 или их сплавы.

Традиционно для испарения тугоплавких материалов используются дуговые или высокочастотные индукционные плазмотроны. Зачастую, процесс испарения необходимо осуществлять при низком давлении, что ограничивает применение плазмотронов, требующих для своей эффективной работы потоков газа.

В последнее время для испарения таких материалов стали использовать лазеры. Основная сложность, связанная с применением лазера, - обеспечение непрерывной подача испаряемого материала в фокус лазерного пучка.

Постановка задачи

Система для испарения тугоплавких керамик работает следующим образом:

Из керамического материала формируют штапик диаметром 2-3 мм. Штапик располагают вертикально и на его верхнем конце фокусируют лазерный пучок. Лазер работает в непрерывном режиме, штапик перемещается снизу вверх по мере испарения (см.Figure 1).

Figure 1 Схема испарения керамического штапика в лазерном пучке

Сложности:

При воздействии лазерного пучка керамический штапик испытывает термический шок - термо-удар. Из-за низкой теплопроводности керамики, термический шок вызывает частичное или полное разрушение (растрескивание) штапика. Возникает необходимость частой замены поврежденных штапиков.

Поскольку испарение производится при пониженном давлении, замена штапика представляет собой трудоемкий процесс. Для замены необходимо поднять давление до атмосферного, заменить штапик, затем снова снизить давление в испарителе.

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.

Разбор и решение задачи по АРИЗ

Часть 1. Анализ задачи

1.1. Условия мини-задачи (без специальных терминов)

Техническая система для испарения тугоплавких материалов включает лазерный пучок, испаряемый материал в виде твердого стержня, систему крепления стержня, систему перемещения стержня

ТП-1: Если лазерный пучок мощный, он хорошо испаряет стержень, но может вызвать его разрушение и необходимость замены

ТП-2: Если лазерный пучок маломощный, он не разрушает стержень, но плохо его испаряет

Необходимо при минимальных изменениях в системе обеспечить работу испарителя в непрерывном режиме без разрушения испаряемых стержней

1.2. Конфликтующая пара

Изделие - стержень

Инструмент - лазерный пучок

1.3. Графические схемы ТП-1 и ТП-2

Комментарий: Полезное действие мощного лазерного пучка на керамический стержень в то же время оказывается вредным для этого же стержня

Figure 2 Графическая схема ТП-1

Комментарий: Исключение вредного действия лазерного пучка на керамический стержень ослабляет его полезное действие на тот же стержень

Figure 3 Графическая схема ТП-2

1.4. Выбор ТП

В соответствии с рекомендациями АРИЗ-85-В следует "выбрать из двух схем конфликта ту, которая обеспечивает наилучшее осуществление главного производственного процесса (основной функции технологической системы, указанной в условиях задачи). Указать, что является главным производственным процессом." [1]

В рассматриваемой задаче главным производственным процессом является испарение тугоплавкого стержня. Поэтому выбираем ТП-1: в этом случае мощный лазерный пучок хорошо испаряет стержень

1.5. Усиление ТП

В соответствии с рекомендациями АРИЗ-85-В следует "Усилить конфликт, указав предельное состояние (действие) элементов" [1]

Тогда ТП-2 переформулируется в следующем виде: Если лазерный пучок очень мощный, он хорошо испаряет стержень, но полностью его разрушает

1.6. Модель задачи

1.6.1. Конфликтующая пара: "лазерный пучок" и "керамический стержень"

1.6.2. Усиленная формулировка конфликта: Очень мощный лазерный пучок хорошо испаряет стержень, но полностью его разрушает

1.6.3. Необходимо найти такой Х-элемент, который, сохраняя способность лазерного пучка хорошо испарять керамический стержень, обеспечивал бы целостность стержня

1.7. Применение системы стандартов к решению модели задачи

Для решения данной задачи систему стандартов не применяли

ЧАСТЬ 2. АНАЛИЗ МОДЕЛИ ЗАДАЧИ

2.1. Определение оперативной зоны (ОЗ)

ОЗ - это пространство, в пределах которого возникает конфликт, указанный в модели задачи [1]

В модели задачи конфликтующая пара "лазерный пучок" и "керамический стержень", испарение стержня происходит в фокусе лазерного пучка, соответственно ОЗ - фокус лазерного пучка

2.2. Определение оперативного времени (ОВ)

ОВ - это имеющиеся ресурсы времени: конфликтное время Т1 и время до конфликта Т2

В рассматриваемой задаче ОВ является суммой Т1 (время нахождения кончика стержня в фокусе лазерного пучка) и Т2 (время ввода/перемещения стержня в фокус лазерного пучка)

2.3. Определение вещественно-полевых ресурсов (ВПР)

2.3.1. Внутрисистемные ВПР

ВПР инструмента:

· Энергетическое поле лазерного пучка

· Световое поле лазерного пучка

ВПР изделия:

Комментарий: В рассматриваемой задаче нет ограничений на изменение свойств изделия - стержня, поэтому он является ВПР

· Свойства материала стержня - керамики

· Форма и размер стержня

· Положение стержня в пространстве

2.3.2. Внешнесистемные ВПР:

ВПР среды, специфичной именно для данной задачи:

· Пониженное давление воздуха

· Пары керамики в воздухе

ВПР общие для любой внешней среды:

· Гравитационное поле

· Газ

2.3.3. Надсистемные ВПР:

· Отходов посторонней системы нет

· "Копеечные" - очень дешевые посторонние элементы не обнаружены

Часть 3. Определение идеального конечного результата (ИКР) и физического противоречия (ФП)

3.1. Формулировка ИКР-1

Х-элемент, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, устраняет разрушение керамического стержня в течение ОВ в пределах ОЗ, сохраняя способность лазерного пучка испарять стержень

3.2. Усиленная формулировка ИКР-1

В систему нельзя вводить новые вещества и поля, необходимо использовать ВПР.

Варианты усиленного ИКР-1:

· Энергетическое поле лазерного пучка само устраняет разрушение керамического стержня при его испарении

· Форма и размер стержня сами устраняют его разрушение при испарении

Комментарий: В процессе разбора задачи были так же сформулированы ИКР-1 с использованием внешнесистемных ресурсов: паров керамики, гравитационного поля. Однако на решения они не вывели, поэтому здесь не приводятся

3.3. Формулировка ФП на макроуровне

· Плотность подводимой мощности лазера должна быть большой, чтобы испарять стержень, и она должна быть маленькой, чтобы не разрушать стержень

· Стержень должен быть маленьким, чтобы помещаться в фокус лазерного пучка и испаряться целиком без разрушения, и стержень должен быть большим, чтобы испарение большого количества керамики происходило в непрерывном режиме

3.4. Формулировка ФП на микроуровне

В фокусе лазерного пучка должны быть частицы керамического стержня, чтобы стержень испарялся, и не должны быть, чтобы стержень не разрушался

3.5. Формулировка ИКР-2

Частицы керамического стержня должны сами появляться в фокусе лазерного пучка, чтобы происходило испарение, и частицы должны сами исчезать чтобы не передавать температурное поле в часть стержня, находящуюся не в фокусе, и не вызывать разрушение стержня

3.6. Применение системы стандартов к решению физической задачи

Для решения данной задачи систему стандартов не применяли

часть 4. мобилизация и применение ВПР

4.1. Метод моделирования "маленькими человечками" (ММЧ)


а)как было
- "человечки" керамического стержня;

б)как стало
- "человечки" лазерного пучка

Figure 4 Иллюстрация конфликта с помощью ММЧ

Комментарии к Figure 4: все "человечки" керамического стержня крепко держатся друг за друга. (Figure 4 а). Когда "человечки" лазерного пучка пытаются утащить "человечков" стержня, последние удерживаются "сородичами", возникает конфликт, приводящий к разрушению стержня

Если "человечки" стержня способны образовывать небольшие группы, которые без труда утаскиваются "человечками" лазерного пучка, то конфликта, приводящего к разрушению стержня не возникает (Figure 4 б)

4.2. Из условий задачи не известно, какой должна быть готовая система

4.3. В такой постановке задача не решается применением смеси ресурсных веществ

4.4. Задача была решена заменой имеющихся ресурсных веществ пустотой. А именно, часть материала стержня была заменена пустотой. Также был использован ресурс внешней среды - гравитационное поле: испаряемую керамику было предложено подавать сверху вниз.

Решение

Было предложено подавать в фокус лазерного пучка керамический порошок. Размер частиц порошка - сотни микрометров. Порошковые питатели для дозирования таких порошков хорошо известны, недороги, просты в эксплуатации.

Достигнутый сверх-эффект: была обеспечена работа испарителя в непрерывном режиме, поскольку отпала необходимость менять штапики по мере их испарения. Дозагрузку питателя порошком можно осуществлять без отключения лазера и разгерметизации камеры испарителя.

На предложенное решение подана американская патентная заявка, опубликованная 26.07.07 [2]

Figure 5 Схема испарения керамического порошка в лазерном пучке

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.


Главная    Работа    От сертифицированных специалистов     Разбор задачи по АРИЗ-85-В. Испарение тугоплавких керамических штапиков в лазерном пучке