Задачник по АРИЗ-85-В. Алгоритм решения изобретательских задач

Часть I. Анализ задачи

ШАГ 1.1. Условие мини-задачи (без специальных терминов).

Техническая система:

ТС для создания алмазных инструментов.

ТС включает: алмазные кристаллы и металлический порошок — основа.

Техническое противоречие 1 (ТП-1):

Если связки много, то алмазные кристаллы держатся хорошо, но общая площадь обрабатывающего инструмента получается маленькая.

Техническое противоречие 2 (ТП-2):

Если связки мало (алмазные кристаллы размещаются вплотную друг к другу), то площадь обрабатывающего инструмента получается большой (максимальной), но алмазы выкрашиваются из инструмента.

Необходимо при минимальных изменениях в системе обеспечить максимальную площадь обработки инструмента, и чтобы алмазные кристаллы не выкрашивались.

ШАГ 1.2. Выделить и записать конфликтующую пару элементов: изделие и инструмент.

Инструмент — связующий материал.

Изделие — алмазные кристаллы и площадь инструмента (площадь обработки инструментом).

Состояния инструмента:

Состояние 1 — связующего материала много.

Состояние 2 — связующего материала мало.

ШАГ 1.3. Составить графические схемы ТП-1 и ТП-2.

ТП-1 (связующего материала много).

ТП-2 (связующего материала мало).

ШАГ 1.4. Выбрать из двух схем конфликта (ТП-1 и ТП-2) ту, которая обеспечивает наилучшее осуществление главного производственного процесса (основной функции системы, указанной в условиях задачи).

Указать, что является главным производственным процессом (ГПП).

ГПП — обрабатывающий инструмент создан для обработки, т. е. его площадь должна быть большой.

Выбираем ТП-2 — связки мало.

ШАГ 1.5. Усилить конфликт, указав предельное состояние (действие) элементов.

Алмазные кристаллы расположены вплотную друг к другу, но алмазы выкрашиваются из инструмента.

ШАГ 1.6. Формулировка модели задачи.

1. Конфликтующая пара

Связующий материал и алмазные кристаллы и площадь инструмента.

2. Усиленная формулировка конфликта

Кристаллы расположены вплотную, создавая максимальную площадь инструмента, но алмазы выкрашиваются из инструмента.

3. Икс-элемент

Икс-элемент создает условия для хорошего удержания алмазных кристаллов в инструменте, не уменьшая площадь инструмента.

ШАГ 1.7. Применение стандартов.

где

В₁ — кристаллы алмаза;

В₂ — связующий материал;

П — адгезия.

Связующий материал (В₂) удерживает алмазы (В₁) — прямая стрелка.

Связующий материал (В₂) уменьшает площадь алмазов (В₁) — волнистая стрелка.

Применение стандарта 1.2.1 (подкласс 1.2. Разрушение веполей), где для разрушения вредного действия между веществами необходимо добавить вещество (В₃), которое увеличит общую площадь алмазов (В₁).

В качестве В₃ нужно использовать материал, который не уменьшает общую площадь инструмента.

где

В₁ — кристаллы алмаза;

В₂ — связующий материал;

П — адгезия;

В₃ — икс-элемент.

Часть 2. Анализ модели задачи

ШАГ 2.1. Определить оперативную зону ОЗ.

ОЗ — это зона, окружающая кристалл; зона соприкосновения кристалла и основы.

ШАГ 2.2. Определить оперативное время ОВ.

Т1 — время работы алмазного инструмента.

Т2 — время изготовления алмазного инструмента.

ШАГ 2.3. Определение и учет ВПР.

1. Внутрисистемные

а) ВПР инструмента.

Металл в виде порошка и расплава, пространство между кристаллами, расположенными вплотную.

б) ВПР изделия.

Кристалл алмаза, его микротрещины и микрополости.

2. Внешнесистемные

а) ВПР среды.

Температура расплавления металла (основы), давление, вибрация.

б) ВПР общие.

Воздух вокруг кристаллов.

3. Надсистемные:

а) отходы системы.

Излишки основы.

б) дешевые.

Воздух.

Часть 3. Определение ИКР и ФП

ШАГ 3.1. Формулировка ИКР-1.

Икс-элемент, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, позволяет удерживать кристаллы алмазов в течение ОВ (во время работы инструмента) в пределах ОЗ (окружение кристалла алмаза, соприкосновение кристалла и основы), не мешая кристаллам находиться вплотную.

ШАГ 3.2. Усиление формулировки ИКР-1.

Ресурсы кристалла алмаза, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, позволяют удерживать кристаллы алмазов в течение ОВ (во время работы инструмента) в пределах ОЗ (окружение кристалла алмаза, соприкосновение кристалла и основы), не мешая кристаллам находиться вплотную.

ШАГ 3.3. Формулировка ФП на макроуровне.

Физическое противоречие (ФП):

Кристаллы алмазов должны находиться вплотную друг к другу, чтобы обеспечить максимальную площадь алмазного инструмента, и не должны находиться вплотную, чтобы хорошо удерживаться в инструменте.

ШАГ 3.4. Формулировка ФП на микроуровне.

Частички основы должны находиться между кристаллами, чтобы удерживать их в основе, и не должны находиться между кристаллами, чтобы обеспечить максимальную площадь алмазного инструмента.

ШАГ 3.5. Формулировка ИКР-2.

Зона между кристаллами во время работы алмазного инструмента должна сама удерживать кристаллы в основе.

Приходим к выводу, что основы между кристаллами быть не должно («отсутствующая» основа).

ШАГ 3.6. Применение стандартов.

Для измененной ситуации представим вепольную модель исходной ситуации.

где

В₁ — алмазные кристаллы;

В₂ — «отсутствующая» основа (связующий материал);

П — адгезия.

«Отсутствующий» связующий материал (В₂) делает максимальной площадь алмазов (В₁) — прямая стрелка.

«Отсутствующий» связующий материал (В₂) не удерживает алмазы (В₁) — волнистая стрелка.

Применение стандарта 1.2.1 (класс 1.2. Разрушение веполей), где для разрушения вредного действия между веществами необходимо добавить вещество (В₃), которое увеличит общую площадь алмазов (В₁).

В качестве В₃ нужно использовать материал, который удерживает алмазы.

где

В₁ — алмазные кристаллы;

В₂ — «отсутствующий» связующий материал;

П — адгезия;

В₃ — икс-элемент.

Часть 4. Мобилизация и применение ВПР

ШАГ 4.1 Применение ММЧ.

Маленькие человечки должны пробраться в кристалл (в полости и трещины кристалла) и удерживаться за основу (рис. 3).

Рис. 3. ММЧ

ШАГ 4.2. Шаг назад от ИКР.

1. ИКР.

Кристаллы расположены вплотную и не выкрашиваются при работе.

2. Шаг назад от ИКР.

Кристаллы на микрон отстают друг от друга.

3. Как теперь достичь ИКР.

В это минимальное расстояние помещается что-то, что прекрасно заполняет микротрещины и микрополости кристалла и входит в основу так, что кристаллы и основа становятся одним целым.

ШАГ 4.3. Применение смеси ресурсных веществ.

Прослойка может быть сделана из смеси высокоплавких металлов.

ШАГ 4.4. Замена имеющихся ресурсных веществ пустотой или смесью ресурсных веществ с пустотой.

Задача не решается.

ШАГ 4.5. Применение веществ, производных от ресурсных (или применением смеси этих производных веществ с «пустотой»).

См. шаг 4.3. Прослойку делать из высокоплавких металлов с температурой плавления выше, чем температура плавления основы.

ШАГ 4.6. Введение электрического поля или взаимодействия двух электрических полей.

Может быть, воспользоваться электрическим полем для проникновения прослойки в микротрещины и микрополости кристалла?

ШАГ 4.7. Введение пары «поле — добавка вещества, отзывающегося на поле».

Задача может быть решена, например, использованием электролиза для покрытия кристаллов необходимым металлом.

Часть 5. Применение информфонда

ШАГ 5.1. Применение стандартов.

Можно применить стандарт 1.1.3. Переход к внешнему комплексному веполю.

где

В₁ — кристаллы алмаза;

В₂ — связующий материал;

П — адгезия;

В₃ — икс-элемент (дополнительный металл).

ШАГ 5.2. Применение задач аналогов.

В качестве задачи-аналога может служить задача о припайке золотых проводников к микросхеме⁸.

Условие задачи

Обычно проводники в интегральных микросхемах (ИМС) делают из золота, имеющего самое малое удельное сопротивление току, но недопустимо плохую адгезию с материалом подложки. Как быть?

Решение

Сначала наносят подслой, имеющий хорошую адгезию с подложкой и с золотом, а затем на него напыляют золото. В качестве подслоя берут никель или титан.

Таким образом, прослойка должна иметь хорошую адгезию с алмазом и с основой.

ШАГ 5.3. Приемы разрешения ФП.

Разделение свойств в пространстве

Внесение дополнительного очень тонкого слоя между кристаллом и основой. Слой должен быть не больше нескольких микрон.

ШАГ 5.4. Применение «Указателя физэффектов».

В качестве физических эффектов могут применяться, например, расплавление, бомбардировка, диффузионная сварка.