技术系统进化过程中的超系统资源利用

序 言

当今国家之间的科技发展竞争态势愈发显著，如何预判技术发展，提高研发效率成为各个国家和各大企业的持续关注焦点。各种技术预测理论纷繁叠现，在实践中不断得到检验和改进，以满足不同语境和技术范畴的预测需求。

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发明问题解决理论中的技术预测

发明问题解决理论（TRIZ），是前苏联阿塞拜疆发明家根里奇·阿奇舒勒所提出的。其从1946年开始领导数十家研究机构、大学、企业组成了TRIZ的研究团体，通过对世界高水平发明专利（累计250万件）的几十年分析研究，基于辩证唯物主义和系统论思想，提出了有关发明问题的基本理论。其中核心理论之一就是“系统进化法则”。1979年阿奇舒勒在其《创造是一门精密的科学》一书中首次提出了八大进化法则；十年后，其在《寻找创意》一书中又和其他人一起进一步将八大进化法则演化为九大类的22条系统进化路线。

在阿奇舒勒提出“系统进化法则”之后，TRIZ研究学者陆续在其理论基础上衍生出更多的进化趋势/路线理论。例如达娜•克拉克的39条趋势路线（1999）分为结构、系统、物质、场、过程和其他类别；达雷尔•曼恩的37条趋势路线（2003），分别归类为空间、界面和时间相关趋势。甚至有人跨出技术范畴，提出了“客户需求趋势”（弗拉基米尔•彼得罗夫）（2006）。

2018年亚里克斯•柳博米斯基等五位TRIZ大师基于过往的理论研究和实践经验编写了《Trends of Engineering System Evolution(TESE):TRIZ Paths to Innovation》一书。在书中，几位作者系统而完整的阐述了“技术系统进化趋势”（以下简称“TESE”）理论，给出了层次分明的框架结构。

技术系统进化趋势理论也在不断“进化”，例如2017年的TRIZfest 国际年会中，Oliver Mayer提出了“人类感官协调趋势”。

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技术系统进化趋势的向超系统

过渡中的后向选择及其原因

TESE起始于“价值提高趋势”，包含五个基本趋势和由其演化出来的四个主要子趋势。五个基本趋势是系统完备性增加趋势、向超系统过渡趋势、裁剪度增加趋势、系统协调性增加趋势和流优化趋势。四个主要子趋势分别为系统完备性增加趋势演化出的人工介入减少趋势、系统协调性增加趋势演化出的可控性增加趋势和子系统不均衡发展趋势以及可控性增加趋势又演化出的动态化增强趋势。TESE九大趋势又分别演化出众多进化趋势路线。TESE中的部分进化趋势路线是有明显的顺序规律（例如人工介入减少趋势），而有些则没有必然顺序（例如流优化趋势）。

“进化”一词给人的直观感觉是有顺序性的。在有顺序的进化趋势路线中，普遍而言，路线前进方向进化节点的技术方案理论上比路线起始方向的节点更加先进和完善，例如激光切割比圆锯切割先进，喷气式飞机比螺旋桨飞机完善，电传动要比液压传动效率高。然而在某个时期，技术系统也会“向后”进化。

例如第一次世界大战初期，战斗机上的机关枪是安装在射手舱内可转动的基座上的，但是战斗效率底下。后来机关枪刚性的固定在飞机上以后，机关枪瞄准的方向就是飞机前端对准的方向，改进后战果惊人。这表现为“系统协调性增加趋势”子趋势“可控性增加趋势”的分支趋势之一“物质的动态化”的具体技术系统进化路线上的后向进化。即由铰链系统向刚性系统的后向进化，如图1。

图1：物质的动态化

后向选择可以是完全利用后向系统，例如上述飞机中机关枪的布置方式；也可以是集成式的后向选择。例如增材制造相对于传统的减材制造方法，在材料利用上，由原来的“刚性”进化为“粉末”，甚至“液态”，是技术系统的进化，但是由于增材制造工艺和材料的限制，其与超系统中的“竞争系统”进行“集成”，在某些技术领域是特定阶段内的更优技术方案。在TESE中，向超系统过渡趋势演化出多条进化趋势路线，如图2。技术系统的具体进化路线可以在不同的路线中解读。

例如下述提及的例子中，增材制造与“竞争系统”减材制造集成，二者“主要功能不同”，但作用于相同的加工对象；集成过程中，不断进行深度裁剪，共用多种资源，例如能量源，操作平台等；集成的系统数量也根据产品需求，会集成更多的传统制造工艺和设备。此处超系统指的是包含被分析的工程系统（技术系统）的系统。

图2：向超系统过渡趋势

向超系统过渡中的后向选择原因是：

一是特定技术系统所处的超系统环境不同，例如系统工作环境、系统工作所需材料以及配套技术等；

二是特定技术系统发展中遇到的阶段性的物理极限，例如材料领域；

三是后向中的原有系统特定功能上的优势依然不可替代。

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金属材料增材制造在向超系统

进化中与减材制造的集成

增材制造技术（Additive Manufacturing），又称“3D打印”，是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术。目前，增材制造成形材料包含了金属、非金属、复合材料、生物材料甚至是生命材料，成形工艺能量源包括激光、电子束、特殊波长光源、电弧以及以上能量源的组合，成形尺寸从微纳米元器件到10ｍ以上大型航空结构件。

减材制造是传统的机械加工手段，用工具对材料打磨、切割使材料获变成需要的大小，形状，精细度。

相比于减材制造，增材制造有诸多优点：

1. 设计自由度高：可制造形状结构复杂及功能梯度零件；

2. 经济生产：无需生产或装配硬模具，小批量甚至按需单件生产；

3. 高材料效率：有较高的材料利用率，大大减少了材料浪费，降低生产成本；

4. 生产可预测性好：生产周期短，构建时间经常可以根据部件设计方案直接预测出来；

5. 减少装配：复杂形状可以一体成形，取代那些目前还需采用众多部件装配而成的产品；

6. 力学性能提升：能够获得力学性能优异的零件，零件的力学性能优于锻件。

尽管如此，增材制造的零件几何精度和表面质量较差，常常需要后续的机械加工，以消除或降低增材过程中产生的残余热应力，提高表面质量和几何精度。但是如果零件在增材制造设备上夹持和取放到减材制造设备，不仅带来累计误差，影响零件的精度，而且降低了制造效率。因此增材制造设备如果能与减材制造设备有效集成，则可以利用两个系统的各自优点，克服上述问题。

混合（复合）增材制造是一种合理的技术系统进化的路线选择。该技术是将增材和减材集于一体的新型制造方式。它主要采用激光熔融与CNC加工相结合，可以用工业机器人、3轴或5轴联动切削加工机床、商业化的SLM机床等相结合，通过独立的增材与减材机器（机器人交换工件）、将增材制造装置安装在主轴上（无刀库）、在机床上安装永久性的增材制造头、或者是在商用SLM机床上进行设备重构来实现。

金属材料增材制造技术在加工精度上与传统加工相比较低，因而受到极大限制。将增材制造与传统加工工艺有机地集成起来，成形件加工完成后无需后处理即可直接投入使用，大幅缩短了制造时间和生产成本，还可拓宽原材料范围，减少生产过程中切削液的使用，实现绿色加工。

目前国内外主要的金属材料混合增材制造设备企业，如表1。

表1：国内外主要的金属材料混合增材制造设备企业

国外公司

国内公司

LOCKHEED MARTIN GLOBAL

西安增材制造国家研究院有限公司

Relativity Space

大连三垒机器股份有限公司

DMG MORI

汉邦科技股份有限公司

Mazak

青海华鼎装备制造有限公司

Hermle

南京联空智能增材研究院有限公司

Optomec

北京机电院机床有限公司

HybridManufacturing Technologies

山东雷石智能制造股份有限公司

Siemens*

上海酷鹰机器人科技有限公司

Matsuura

广东华领智能制造有限公司

Sodick

广州雷佳増材科技有限公司

Fabrisonic

上海航天壹亘智能科技有限公司

3D-Hybrid

南京英尼格玛工业自动化技术有限公司

AutoDesk*

南京中科煜宸激光技术有限公司

ENOMOTO

武汉天昱智能制造有限公司

ANCA

Adira

*主要为混合增材制造提供软件支持。

近年来中美在先进制造业上竞争激烈，混合增材制造技术都在中美各自的出口管制名单之中。2020年8月28日，商务部、科技部调整发布《中国禁止出口限制出口技术目录》,铸锻铣一体化金属3D打印技术首次被列入目录。2019年5月13日华中科技大学申请的“一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造”（申请号：20191039457）是该领域的典型技术，如图3。 “系统包括微铸锻模块、铣削模块、五轴联动工作台和控制装置，... 采用微铸锻与铣磨工艺复合进行金属零件加工制造,可解决増材制造金属零件时存在的组织不均匀、变形严重、残余应力大、组织性能差和表面质量差的问题,特别适合高性能复杂异形构件的加工。 ”

图3：专利“一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造”

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小结

作为TRIZ理论体系重要内容之一的技术系统进化趋势理论在研发过程中可以起到预测辅助作用。有效利用该理论不仅可以对研发方向提供参考，而且对于企业专利布局也有着重要作用。在应用该理论的过程中，也需要看到其作为预测工具，不同趋势路线之间的相互交织、接替。受技术系统的物理极限限制，特定技术系统会向超系统寻求发展资源，同时也会在特定的进化阶段后向选择其他已有系统进行集成，这种特定阶段可能持续较长时间。灵活应用技术系统进化趋势理论工具，更有利于发展和完善较为实用的技术系统。

鉴于TESE的研究资料有限，笔者分析和论述不足之处，欢迎批评指正。

参考文献

1. 亚里克斯•柳博米斯基等.TRIZ创新指引：技术系统进化趋势[M].北京：电子工业出版社，2021。

2. Oliver Mayer, Increased Addressing of Human Senses As A Trend, The 13th International Conference TRIZfest – 2017[C]. Kraków, Poland,2017。

3. 尼古拉•什帕科夫斯基. 进化树：技术信息分析及新方案的产生[M].北京：中国科学技术出版社，2010。

4. 卢秉恒，增材制造技术———现状与未来[J]，中国机械工程2020第31卷第1期。

5. 增材制造技术较传统工艺的优势与关键技术，http://www.chz3d.com/content/40.html，（2019-03-05）[2022-02-21]

6. 钱应平，黄菊华，张海鸥.金属零件的直接无模近终成形技术[J].机械设计与制造，2007(11)。

7. 盘点：31家增减材混合3D打印厂商，国产开始发力，https://www.163.com/dy/article/GNNCHLJE051186GP.html，（2021-11-01）[2022-02-21]

8. 孙永伟，谢尔盖•伊克万科，打开创新之门的金钥匙[M]，北京：科学出版社，2015。

卢宝锋，北京大学工商管理硕士，励德爱思唯尔信息技术（北京）有限公司，知识产权产品专员。研究方向：专利情报分析、专利检索和可视化分析以及创新方法论研究。文章观点不代表主办机构立场。

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