공학 설계

Contents 설계란? 생산품의성공/실패를결정짓는요인들설계과정의역사제품의수명설계문제점에대한많은해결책문제해결의기본적인행동설계과정에서의지식과학습요약12345678Contents 설계란? 생산품의성공/실패를결정짓는요인들설계과정의역사제품의수명설계문제점에대한많은해결책문제해결의기본적인행동설계과정에서의지식과학습요약 공학은 어떤 학문인가 ? 공학은 어떤 학문인가 ? -공학은 문제해결을 위한 학문이다 . -공학문제: 인간의 삶의 질 향상을 위한 환경개선 , 생산, 가공 및 서비스에 관련한 개선 요구 -공학의 학문적 특성 : . 수학, 과학, 공학 지식 . 경제성 . 창의성 . 자연과 환경 , 사회문화와 소비자 요구 이해 . 팀 활동 공학은 어떤 학문인가 ? 왜 이 과목을 공부해야 하는가 ? -창의 공학의 활용분야 . 기본적 사고기술 배양 . 창의적 설계/문제해결 . 목표 품질 달성 과정이행 창의력은 배울 수 있다 공학은 어떤 학문인가 ? 창의성 (Creative) 이란? . 창의성이란 현상을 개선하고 부가가치를 높이는 그 아이디어를 실행에 옮겨 혁신을 이루는 능력이다 . . 창의력은 총뇌 (whole brain) 활동을 필요로 한다 . . 창의력은 문제해결방법의 질로서 표현된다 . . 창의력은 학습으로 증진될 수 있다 . 아이디어를 창출하고 공학은 어떤 학문인가 ? 창의성 증진 요건 . 관심과 호기심 . 적극적, 긍정적 사고 . 유연하고 열린 사고 . 칭찬과 보상 . 팀 활동 공학은 어떤 학문인가 ? 패러다임 변환 (Paradigm Shift) -패러다임 : 시대적으로 가장 보편성을 가진 사고유형 , 규칙, 가치관, 기술 등의 모범 -패러다임 변환 : : 전형적인 S 커브 형태로 주기를 나타냄 . 초기(A부분 )∼ 문제 해결이 느림 , 몇 명의 개척자들만 사용 . 중반(B부분 )∼ 문제 해결이 매우 성공적이고 잘 수용됨 문제가 잠재되어 잘 나타나지 않음 . 말기(C부분 )∼ 잠재되었던 문제 노출 문제 해결에 비용 , 시간이 많이 들고 , 불만족 증대 해결방안도 더 이상 넓은 범위에 적용되지 못함 패러다임 변환이 불가피 공학은 어떤 학문인가 ? 패러다임변환주기곡선 공학은 어떤 학문인가 ? .1980년대까지산업체들은소품종대량생산체제를통한원가절감을기업경영의중심으로삼았으나1990년대이후에는다품종소량생산으로소비자의요구와취향을최대로반영하여상품을개발하는것으로기업경영의전략이바뀌었다. .1970년대가지스위스는태엽시계로세계의시계시장을주도하였으나1980년대에전자시계의출현으로주도권을일본에게내주었다. .일본은1960년대에트랜지스터전자제품을생산하여그때까지미국이주도하던진공관식제품시장을대신하여전자제품왕국이되었다. .1960년대볼펜의출현으로그전까지사랑받던만년필의선호도가급감하였다. .휴대폰의출현으로공중전화의효용성이급격히감소되었다. .디지털카메라의출현으로필름감광식카메라의수요가급감하였다. .PC의대량보급으로타자기의수요가사라졌다. .양성평등사상의성숙으로한국에서호주제도가사라지게되었다. .인터넷통신의발달로전통적인편지쓰기문화가이메일과메신저로대체되고있다. .홈쇼핑TV와인터넷쇼핑대중화로재래시장이급격히위축되고있다. 패러다임변환사례 공학은 어떤 학문인가 ? 문제: 변화를통해서더좋은상태로개선될수있는모든것.문제(危機)의두가지측면.危險과機會 공학적문제와문제해결문제의예상태A 상태B 기계소음문제소음을내는기계소음이적은기계학업성적향상문제나쁜학업성적좋은학업성적출산율저하문제낮은출산율높은출산율 창의성관련심적장애나는창의력이없다지성은훌륭한사고놀이는무가치하다틀에박힌인식무사안일아이디어불모지잘못된가정문화적장애환경적장애유일한정답분리된문제로인식규칙을따라야한다습관장애실패를두려워함애매모호함에불편부정적, 비판적사고감정적장애 공학은어떤학문인가? 창의성관련심적장애나는창의력이없다지성은훌륭한사고놀이는무가치하다틀에박힌인식무사안일아이디어불모지잘못된가정문화적장애환경적장애유일한정답분리된문제로인식규칙을따라야한다습관장애실패를두려워함애매모호함에불편부정적, 비판적사고감정적장애 공학은어떤학문인가? 공학은 어떤 학문인가 ? 창의적문제해결과정과단계별결과물들 1. 설계(Design) 란? 사전적 정의 건축물 · 교량 등의 구조물 또는 각종 기계 · 장치 등을 요구 조건을 만족시키고, 또한 합리적이며 경제적으로 만들기 위해서 그 계획을 종 합해서 설계도를 작성하여 구체적으로 내용을 명시하는 일 . 1. 설계(Design) 란? 왜 설계 과정을 공부하는가 ? -생활의 편리함 추구 → 제품 생산 → 새롭고 효율적 높은 품질의 생산품 에 대한 끊임없는 욕구발생 → 하나의 프로젝트에 많은 생산자 → 소비 자 만족을 위한 경쟁 예) 국내 핸드폰 시장의 경쟁 → 빠른 제품 변화 -설계과정은 새로운 생산품 개발의 효율을 결정짓는 중요한 부분이다 . (불량품, 가격의 문제로 인해 소외 당하는 제품의 85%는 서투른 설계과 정이 원인 ) 1. 설계(Design) 란? 3가지 요인 제품 설계 (Product Design) 비즈니스 (Business) 생산 (Production) 3가지의 주요 요인 들의 하부 요인들은 상호 연결 , 관련 1. 설계(Design) 란? 3가지 요인 재 료 제품 설계 제품의 기능 제품의 형태 표적 시장 분배 보상 편의 시설 제조 공정 비즈니스 생 산 생산 시스템 판매 예상 판매 홍보 가격 비용/위험 생산 계획 / 전개 Figure 1.1 Controllable variables in concurrent engineering 2. 설계 과정 평가 예1) 포드자동차의제조비용, 그림1.2 에서보듯이제조비용에서설계비용은작은부분을차지하지만그효과는그이상이다. 포드자동차의경우그림1.2 설계과정의효과적기준30% 5% 50% 15% Overhead Design Material Labor 2. 설계 과정 평가 예2) 제조 비용에 있어서 설계의 효과 , 그림1.3 에서 보듯이 설계과정 동안 만들어지는 결정들에 대한 비용은 매 우 적게 들지만 , 제품에 대한 비용에 서 가장 큰 효과를 가진다 . 포드자동차의 경우 그림 1.3 설계과정의 효과적 기준 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Manufacturing costInefficient manufacturing Average manufacturing Efficient manufacturing Figure 1.3 The effect of design on manufacturing cost. [Data reduced from “Assessing the Importance of Design though Product Archaeology,” Management Science, Vol.44, No.3, pp. 352-369, March 1998 by K. Ulrich and S. A. person.] Poor design Average design Good design 2. 설계 과정 평가 제품비용은… 초기에는설계과정에맡겨지고, 후반부에는그과정속에서사용된다포드자동차의경우설계과정의효과적기준그림1.4 디자인과정에서제조비용0Percentage of product cost committedTime Productdesign SpecificationdevelopmentConceptualdesign Cost incurred Figure 1.4 Manufacturing cost commitment during design. 2. 설계 과정 평가 무엇이 품질을 결정하는가 ? * 품질은 설계 공학자들의 책임 등 많은 요소들의 합성이다 . ( 표 1.1) * 품질의 측정에 있어서 가장 중요한 것은 ‘제품의 작동’이다 . *‘ 최근 기술의 혼합’ , 제품의 많은 특징’은 제품의 기능 요소 *‘오랜 수명’과 다른 품질의 측정 대부분은 설계된 형태와 선택된 제조공정과 재료에 의존한다 . Essential Not essential Not sure Works as it should 98 1 1 Lasts a long time 95 3 2 Is easy to maintain 93 6 1 Looks attractive 58 39 3 Incorporates latest technology 57 39 4 Has many features 48 47 5 2. 설계 과정 평가 적합한설계는제품의비용을감소하고제품의품질을향상시킨다. 예)그림1.5, 제록스의라인검사의결과설계의중요성0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1989 1995Number of components per thousand30 //// 2. 설계 과정 평가 설계의 중요성 초기의 설계 변화들은 더 많은 공학적인 시간과 노력을 필요로 하지만 설비나 문서에 대한 변화는 필요로 하지 않는다 . 초기 적합한 설계는 이 후 개발 과정 속에 또 다른 설계 비용 및 추가 비용을 감소 시킨다 . 예)그림 1.6, 자동차 개발 동안의 설계 변경 Design changes Begin design Release for production Company B Company A Time 3. 설계 과정의 역사 설계 과정의 변화 * 과거-한 사람이 완전한 제품을 설계 , 제작 * 20 세기 중반 -제품과 제조 공정이 복잡 → 서로 다른 분야 사람들이 각 분야 관리 (그림1.7) (각 단계에 대한 일방적 의사 전달 및 연계 부족으로 인한 설계 과정의 비효과성 문제 발생 ) → 1970후반과 1980년대 동시 공학적 개념 발생 (제품 개발과 함께 동시적으로 제조공정 개발 ) (제조업자가 설계 팀의 멤버로 참여 )-상호 작용 Customers Marketing Production Engineering design 3. 설계 과정의 역사 설계 과정의 변화 동시공학 (Concurrent Engineering) 전통공학 (상호고립) 4. 제품의 수명 제품의 수명 . 모든 제품은 수명을 가짐 제품 개발 → 제품의 생산과 배달 → 제품 사용 → 더 이상 사용 하지 못하 는 제품의 발생 . 설계 과정은 제품을 탄생 시키는 것 뿐만 아니라 제품의 수명에도 책 임을 져야 한다 . -1980 년 증가하는 환경 문제에 대한 관심으로 제품 전체의 수명을 고려하기 시작 -1990 년 유럽국가 제조업자들이 수명 다된 제품을 책임지는 법 제 정 -오늘날 환경 친화적 제품의 적극적 활용 및 법률 강화 4. 제품의 수명 제품의수명Production And delivery Product development Identify need Plan for the Design process Develop engineering Specification Develop concepts Develop product Manufacture Assemble Distribute Install Use Operate in sequence 1 . Operate in sequence N Clean Maintain Diagnose Test Repair Retire Disassemble Reuse or recycle Use End of life Figure 1.8 제품의 수명 5.설계 문제점에 대한 많은 해결책 설계 관련 두가지 다른 문제의 예 예1) 두께 4mm 넓이 6cm 을 갖는 1045 강철 판자 두 개가 서로 겹쳐져 있으며 100N 의 하중을 가지고 있다면 SAE 등급 5 볼트의 사이즈 는 얼마인가 ? 예2) 두께 4mm, 넓이 6cm 을 갖는 1045 강철 판자 두 개가 서로 겹쳐져 있으며 이것을 서로 조여 100N 의 하중을 지지하는 조인트를 설계 하라. Figure 1.9 간단한 조인트 5.설계 문제점에 대한 많은 해결책 두 가지 문제 비교에서의 교훈 예1)은 분석 문제를 설명한다 . 올바른 공식과 올바른 값을 대입하면 된 다. 예2)는 문제의 해결책을 찾기에 불충분한 정보를 주었다는 점에서 잘 정 의 되지 못한 설계 문제이다 . 하지만, 잠재되어 있는 문제 해결 책에서는 … 예1)은 올바른 답이 오직 하나이지만 예2)는 정확한 답이 존재하지 않아서 많은 해결책이 존재한다 . 5.설계 문제점에 대한 많은 해결책 설계의 해결책 설계의 목적은 최소한의 시간과 다른 자원을 가지고 질 좋은 상품을 만 들어내는 좋은 해결책을 찾는 것이다 . 모든 설계의 문제들은 많은 불만족 스러운 해결책을 가지고 있으나 최고의 해결책은 분명하지 않다 . 즉, 설계자는 반드시 완전하게 정의되어 있지 않은 몇몇의 요구들을 충 족 시킬 수 있는 능력을 가진 기계를 개발해야 한다 . 해결책 발전에 정확하게 영향을 주는 요인들 (그림 1.10) 5.설계 문제점에 대한 많은 해결책 해결책 발전에 정확하게 영향을 주는 요인들 Design need Design process Knowledge Resulting products that meet the need Design process paths Physics Materials science Pumps Thermodynamics Engineering science Electric motors Engineering economics Manufacturing processes Kinematics Welding design Domain knowledge 그림 1.10 The many results of the design process. 6. 문제 해결의 기본적인 행동 기본적인 행동 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 해결되는 문제들을 깨닫고 필요들을 확인하라 . 문제를 어떻게 해결할 것인지 계획하라 유사한 문제들에 대해 존재하는 해결책들을 사용하는 것과 요구들 을 발전시키는 것에 의해 문제를 이해하라 . 대안의 해결책을 고안하라 . 대안의 방법들과 설계의 요구와 그것들을 서로 비교함으로서 대안 방법을 강구하라 . 타당한 해결책을 결정하라 . 결과들을 전달하라 . 7. 설계 과정에서의 지식과 학습 그림 1.11 The design Process paradox 배우면 배울수록 자유롭게 설계할 수 있는 범위는 점점 좁아진다 . 0 20 40 60 80 100 Percentage Time into design process Knowledge about The design problem Design freedom 8. 요약 3가지 요인 1. 2. 3. 4. 5. 6. 설계 과정의 성공은 투자한 설계의 비용 , 최종 제품의 비용 , 품질 및 제품을 개발하는데 걸리는 시간으로 측정된다 . 설계과정 초기에 비용이 주어지므로 , 초기단계에서 특별히 집중을 하는 것 이 중요하다 . 동시 협력 설계는 설계과정의 시작부터 모든 투자자들을 포함하며 제품 설 계와 설계과정 , 제조 공정 , 조립 공정 및 분해 과정까지 모든 과정을 강조한 다. 모든 제품은 필요에 의해 만들어지는 순간부터 폐기되는 마지막까지의 수 명 사이클을 가지고 있다 . 비록 이 책에서는 설계과정 , 공학적인 요구 개발 , 구상적인 설계 및 제품 설계 현상에 대한 계획을 우선적으로 다루고 있을 지라도 다른 모든 과정도 중요하다 . 설계 시 문제점들은 하나 이상의 만족하는 해결책을 가지고 있다 . 문제 해결에 있어서 7가지의 행동들이 있다 . 요구하는 것을 확인하라 , 계획 하라, 이해하라, 고안하라, 평가하라, 결정하라 및 전달하라 .