제품요소설계를 위한 "창의적  공학설계 방법"

(제품요소설계 강의 보조자료)

Engineering Design Process

Yousef, Haik

2007년 4월

전주대학교 생산디자인공학과

이 충 호 교수

Chap 1. 공학설계의 개요

1. 공학설계의 정의

○ Dym :

“그 형태와 기능이 목표에 부합하고 구체적인 조건들을 충족시키는 제품에 대한 체계적이고 지적인 창조 행위이자 평가행위”

○ ABET(Accreditation Board for Engineering & Technology) :

“공학설계는 필요한 것을 만들기 위해 시스템, 요소, 프로세스를 제안하는 것으로 기초과학, 수학, 공학을 적용해 자원을 목표에 부합하도록 가공하는 의사결정 과정이다.”

설계프로세스의 본질적인 요소는 목표와 기준을 세우고 조합, 분석, 구조, 시험, 평가하는 과정이다.

공학설계의 커리큘럼은 “ 학생의 창의력 개발, 무한한 문제의식, 현대디자인 이론과 방법론의 사용, 디자인 문제 설명서, 생산과정, 수반된 공학설계, 세부시스템 설명의 공식화 등을 포함하며 더 나아가 경제적요소, 안정성, 신뢰성, 심미성, 윤리성, 사회적파급효과 같은 실제적요소를 반영한다”.

○ 설계의 의미:

수익을 내고 나중에 사회에 기여할수 있는 신제품을 창조함을 의미한다.  설계 능력은 과학과 기술을 동시에 요구하며 과학은 체계적인과정, 경험, 문제해결 기술을 통해 습득된다.

2. 공학설계 실패의 원인

○ 부정확하거나 과도한 과정

○ 미흡한 문제인식

○ 불완전한 제조공정과 부품

○ 디자인 계산의 오류

○ 불완전한 실험과 부적합한 데이터 수집

○ 제도(Drawing)의 오류

○ 훌륭한 가정에 어긋난 불완전한 추론

3. 설계의 단계

○ 적응설계(Adaptive Design) :  많은 경우에 기존설계를 이용하여 약간의 변형만 가하고 실질적 발전은 수반하지 않는 제조분야의 설계를 말한다.

○ 개발설계(Development Design) : 설계자는 기존설계에서 출발하지만 좀더 과학적인 설계능력을 바탕으로 최종결과물은 기존의 것과 현저히 다르다.

○ 새로운 설계(New Design) : 극소수의 설계만이 해당됨.

4. 설계 프로세스(Design Process)

○ 진화적 변화 : 한 제품이 경쟁이 없을 때에는  수년간 단계적으로 변화하며 설계자의 창의적인 능력은 제한적이 된다.

○ 혁신 : 시장점유를 위한 기업간 경쟁, 과학기술의 발전에 따라 신제품의 관심이 높아지고 설계자의 창의적인 기술과 분석적 능력이 중요해 진다.

설계의 단계(Process)는 다음과 같은 단계로 정의된다.

가. 고객의 요구확인

○고객의 요구 : 고객의 요구는 구체적이지 않다.  “자신이 원하는 유형과 예를 들어 나는 안전한 사다리를 원한다” 와 같이 피상적인 요구조건을 제시하는 특징을 가진다.

○기존 설계의 변경 : 문서용 클립은 1889년부터 1994년까지 특허가 출원되어 100년 동안 클립의 혁신과 발전이 이루어졌다.

나. 목표정의

고객의 요구사항과 목적은 하나의 프로세스로 목적 구성도를 통해 조합되어 설명된다.

다. 시장분석

○ 기술 및 무역관련 서적, 개요, 연구보고서, 공학도서관, 부품공급업자 목록, 특허청, 인터넷 등을 통해 수집된 정보는 목표를 달성하기 위한  유용한 설계솔루션과 하드웨어를 제공한다.

○ 목표는 필요한 제품으로 생산 또는 폐기 될 수가 있다.

라. 기능설정

○ 명확한 요구사항에 설계자의 파악이 필요하고 이에 따른 설계를 위한 세능기능을 설정할수 있다

(예1) 자동차 설계와 완충장치의 설계는 다름.

(예2) 잔디 깍는 기계의 설계와 잔디 깍는 방법의 설계는 다름

마. 업무설명

○ 설계자가 설계를 통제하여 원하는 목표를 달성할수 있도록 적절한 데이터와 변수를 목록화 하는 단계로 가능한 솔루션의 한계를 설정한다.

○ (예)잔디깍는 기계

- 사용의 안전성(남녀노소)

- 사용의 편의성(남녀노소)

- 고려할 동력의 형태(배터리, 전기, 내연기관, 매뉴얼)

- 보관성(창고 등)

- 기능성(낙엽을 모으고 잔디깍기, 낙엽을 조각내 거름으로 사용, 가지를 조각내 뿌리덮개로 사용 등)

- 편리한 하드웨어와 사용되는 재료의 종류 설정

- 부품은 비용, 제조능력, 강도, 외양, 기후에 대한 내구성을 고려

- 고장에 대한 대비

- 판매가가 시장가격보다 저렴해야 함

바. 개념화

○ 개념의 형태로 이미 계획된 목표에 대해서 대안적인 솔루션을 만드는 과정으로 창의력이 필요함.

○ 이 과정에서 설계자는 시장분석표와 업무설명서를 검토함

○ 대안을 만들기 위해 수작업 스케치를 할 필요성이 있음.

○ 대안을 만들기 위해 세부적인 면의 작업은 필요하지 않으나 기능을 제대로 수행하기 위하여 조직적인 방법으로 목록화를 수행해야 한다.

사. 대안 평가

○ 일반적인 개념을 자세하게 작성하게 되면 어느과정을 다음의 설계과정(가장 비용이 많이 드는 과정)으로 진입시킬지를 결정해야 한다.

○ 설계자는 점수표(Scoring Matrix)를 작성하여 세부적인 척도가 주어졌을때 대안에 대한 심도있는 연구를 수행한다.

아. 분석과 최적화

○ 목표에 대한 솔루션이 개념화되면 물리학 법칙에 반대되는 관점에서 테스트되어야 한다.

○ 선택된 제품의 제조능력은 유용성의 측면에서 점검되어야 한다.

(예1)제품이 물리학적인 법칙은 만족하지만 제조될 수 없다면 쓸모 없다.

○ 분석을 통해 개념을 바꾸거나 재정의한 다음 재분석하기 때문에 설계는 분석과 개념사이를 이동한다.

자. 실험

○ 공학설계의 실험단계에서는 설계의 개념과 해석을 증명하기 위해서 하드웨어를 만들어 작업능력, 내구성, 성과의 특성 등을 테스트해야 한다.

○ 설계자에게 필요한 세 가지 기술

① 실물모형(Mock up) : 공차, 조립기법, 제조과정의 고려사항을 점검하는데 사용되며 플라스틱, 나무, 판지등으로 만든다. 가장 적은 비용이 드는 방법으로 가장적은 정보를 제공하며 만들기가 쉽다.

② 모델(Model) : 수학적 비교를 통해 물리적시스템을 표현하는 것을 말한다. 네가지 유형의 모델이 실제시스템의 거동을 해석하는 데 사용된다.

★ 참모델(True model) : 설계변수가 갖는 모든 제한조건을 충족시키는 모델

★ 적합모델(Adequate model): 설계의 구체적인 특징을 테스트하는 모델

★ 기형모델(Distorted model) : 구체적인 조건을 충족시키기 어려울 때 하나 이상의 설계조건과 어긋난 조건의 모델

★ 비유사모델(Dissimilar model) : 실제시스템과 외견상 유사하지만 적절한 가정을 통해 행위 특성에 대한 정확한 정보를 제공한다.

③ 시제품(Prototype) : 가장 고가의 실험기술이고 많은 양의 정보를 제공하는 실험이다.  설계자는 아이디어가 실현되는 것을 보고 실제와 같은 조건에서 적절한 제조기술, 조립과정, 작업능력, 내구성, 성과 등을 학습한다.

차. 마케팅

○ 설비, 시스템, 프로세스를 정의하는 구체적인 정보가 필요한 단계로 설계자는 설계에 대한 생각을 다른 사람과 공유하기 위해 기록해야 한다.

○ 커뮤니케이션은 아이디어를 경영자나 고객에게 파는것, 회사에 설계하는 방법을 알리는 것, 상용화 초기의 서비스관리와 관련된 것들을 포함한다.

○ (예1) 보고서 내용은 제품이 얼마나 요구를 충족하는지와 어떻게 작동하는지를 설명하는 세부적인

- 제품설명서

- 부품제도(Drawing)

- 제조설명서

- 표준목록

- 비용설명서

- 설계자의 의도대로 설계가 이해되고 만들어졌다는 것을 보장하는 기타 정보 들

(예2)

-설계의 특징, 광고, 판매촉진을 위한 문장, 시장조사 등의 목록

5. 직업의식과 윤리

○ 직업의식은 삶의 한 방식으로 프로직업인은 전문적이고 종합적인 교육을 요하는 일에 종사하고 Humanity에 대한 강한 욕구가 있다.

○ 프로직업인의 덕목은 공학교육이 우선되어야 하는데 문제 의존적, 직업 의존적, 상황의존적인 문제해결만으로는 어렵기 때문에 윤리강령을 준수할 필요성이 있다.

(예1) 생명공학 윤리

(예2) ASME 윤리강령

○ 참고사이트

http://web.mit.edu/ethics/www/essays/probcase.html

http://www.onlineehics.org

Chap. 2 설계도구

1. 설계프로세스 준비단계

○ 기존의 도구를 활용한 프로젝트의 계획

○ 제품에 맞는 공학적 재료를 확인하고 정의함

○ 설계와 연관된 다양한 연관 학문에 대해 논의함(근 골격계 질환을 대비한 인간공학 측면에서의 고려 등)

○ 안전성 문제의 이해 등

2. 스케쥴링

가. 간트 챠트(Gantt Chart) :

○ 1900년 초기 간트와 테일러가 프로젝트 관리를 위해 고안한 막대차트의 일종임(연구계획서의 일정 표시 등)

나. CPM/PERT : 참고

3. 재료의 선택

가. 재료분류와 특징

재료의 특성은 기계적 특성, 열특성, 화학적특성, 제조 특성으로 구분된다.

① 금속 : 철금속, 비철금속으로 기계적특성을 가진다.

② 세라믹과 유리: 금속과 비금속의 공통적인 특성을 가지고 부서지기 쉽고 열적으로 안정하고 절연체의 성질을 가지며 금속보다 경도가 높고 열팽창이 적다.

③ 나무와 유기화합물

④ 중합체(Polymer)나 프라스틱

나. 재료의 선택과정

① 재료요청서를 분석한다 : 제품이 작동하는 환경이나 서비스 조건을 결정한다.

② 적절한 재료를 목록화 한다 : 사용가능한 재료인지의 여부와 적당한 예비후보를 결정한다.

③ 가장 적절한 재료를 선택한다 : 비용, 성과, 가능성, 제조능력 같은 요소를 고려해 목록을 분석하고 가장 적절한 것을 선택한다.

④ 필요한 테스트 데이터를 구한다 : 경험적으로 실제 운영조건을 고려해 선택한 재료의 중요한 특성을 결정해야 한다.

⑤ 제품사양의 충족성 : 선택재료는 사양서와 부합되어야 한다.

⑥ 비용 : 최종 제품을 마케팅 하는데 중요하다.

⑦ 재료 이용 가능성 : 선택한 재료는 적절한 가격으로 구매가능해야 한다.

⑧ 재료 결합 방법 : 실제 조건에서는 한 가지 재료만을 이용하여 부품을 만드는 것이 불가능하며 서로 다른 재질을 이용하여 제작하는 것이 일반적이다.

⑨ 제조 : 몇단계의 제조공정을 거치며 시간제한, 재료유형, 제품적용, 비용, 제조량 등이다.

⑩ 기술적 문제 : 기술적 요소는 재료의 기계적 특성과 연관된다.

4. 주요 제조 방법

① 주조(Casting)

(예)지퍼의 이, 선체의 후미 등

② 단조(Forging) : 압력을 가해 재료의 모양을 바꾸는 공정

(예) 크랭크축, 렌치 연결봉 등

③ 기계가공(Machining)

④ 용접(Welfing)

5. 안전규정

① 안전분석 기술 : 설계단계와 책임분석에 사용되는 방법으로는 파괴양식과 영향(FMEA: failure mode and effect analysis)과 오류계통도(fault trees)를 사용한다.

② FMEA

○ 시스템 한계와 요구사항을 정의함

○ 모든 아이템을 목록화 함

○ 각 요소와 그와 관계된 실패양식을 정의함

○ 각 실패양식에 발생가능성이나 실패율을 적용한다.

○ 고려하는 아이템과 삼에 각 실패양식의 효과를 목록화 함

○ 가능한 각각의 실패양식을 인지함.

○ 적절한 조정방법을 검토하고 시작함.

6. 기술적 집필과 발표

○ 표지

- 보고서 제목

- 저자이름

-주소

○ 요약 : 작업내용을 요약하고 짧은 결론 설명

○ 차례

○ 페이지 숫자를 기록한 그림과 표 목록

○ 서론 : 수행하는 작업의 문제(시장분석)와 목적을 설명하는 작업(배경)

○ 설계 프로세스 : 설계 프로세스의 부수적인 절차와 상세내용

○ 토론 : 결과에 대한 종합적인 설명이 포함되며 다음의 내용이 들어가야 함

- 기술적 분석

- 제품을 구성하는 세부적인 사항

- 사용된 설비

- 부품과 설치 절차

- 실험장치와 결과

- 최종결과의 세부사항

○ 결론 : 연구에서 얻어진 결과를 가능한 간결한 언어로 표시함

○ 참고 : 저자가 참고한 모든 문헌을 목록화 한다. 모든 정보는 완전해야 하고 같은 형식을 취해야 한다.

○ 부록 : 보고서의 주요 내용 이외의 것들을 담는다.   여러개의 하위 목록으로 구분하여 작성할 수 있다.

Chap. 3 필요성과 목적

“ 실제의 제품이 나오기 전에 설계팀은 이 제품의 필요성과 목적에 대해 상세한 목록을 먼저 만든다.”

가. 문제 정의 : “필요성”

“엔지니어는 과학적 지식을 활용하여 인류의 욕구를 충족시키는 사람들이다.  설계를 할수 있는 능력이야 말로 엔지니어의 특성이라고 아무리 강조해도 지나치지 않는다.   아무것도 한것이 없고 아무것도 알려진 것이 없는 세상은 당신의 것이라네.  아직도 위대한 시는 씌어지지 않았고 최고의 철도도 가설되지 않았으며, 완전한 나라 또한 생각조차 되지 않았네”  - Lincoln Steffeness

①문제정의 :

○실제로 발생하는 문제점을 공학적 용어와 기호를 사용하여 정의한다.

(예) 축이 부러진다. 제어장치가 요구하는 성능을 발휘하지 못한다.

○핵심적이지 않은 내용은 과감히 버리고 문제의 개별적 성향을 배제한다.

(예)가로등의 소거가 제대로 되지 않는다면, “ 가로등의 전원낭비를 방지할 수 있는 방법은 무었인가?”

○ 현재의 장황한 상황을 함축적인 언어로 추출하는 과정이 필요함.

○엔지니어는 문제를 적절히 정의하기에 앞서서 사전에 발생할수 있는 모든 문제점들을 인식하고 있어야 한다.

나. 목적 계통도

설계목적을 명확히 규정하는 단계

○ 고객이나 설계자 모두가 이해하기 쉬어야 한다.

○ 고객과 설계자가 모두 동의해야 한다.

○ 설계과정을 제어하거나 관리할 수 있어야 한다.

(예) 자동 커피메이커에 대한 목적계통도를 완성

○ 설계목적 리스트를 준비하라

안전도, 효율, 품질, 편의성, 사용의 편의성, 신속성, 좋은 커피를 만들것, 사용자가 화상을 입지 않도록 할것, 양호한 혼합, 적절한 온도, 액체방울이 튀지 않을 것, 가격이 저렴, 커피의 분량, 자동, 타이머

(예) 알루미늄 캔 압착기계를 설계(자동)

○ 가이드 라인

- 캔 공급 메커니즘은 연속적임

- 기계에 공급되는 캔은 상태가 양호해야 함

- 캔은 최초 체적대비 1/5이하로 압착되어야 함.

- 장비의 최대크기는 1.5×1.5×1 피트의 한계를 넘지 말아야 한다.

- 누구나 작동이 가능한 장치

- 단품으로 제작되어야 함

- 장치의 제작비는 주어진 예산(200달러) 이내에서 집행

○ 중요사항 Tree

자동 캔 압착기 - ①성능 ②안전성 ③외관 ④저비용

○ 중요사항 중 외관 Tree

○중요 사항 중 성능 Tree

○ 중요사항 중 안전성과 저비용 Tree