창의적 공학 설계 및 실습 (1)

1. 창의적 공학 설계 및 실습(1) • Chap 1. 왜 설계 과정을 공부하는가? School of Mechanical Engineering, Chung-Ang Univ., Seoul, Korea

2. Contents 설계란? 1 2 생산품의 성공/실패를 결정짓는 요인들 3 설계과정의 역사 제품의 수명 4 5 설계 문제점에 대한 많은 해결책 문제 해결의 기본적인 행동 6 7 설계 과정에서의 지식과 학습 요 약 8

3. 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?

4. 공학은 어떤 학문인가? • - 창의 공학의 활용분야 • 기본적 사고기술 배양 창의적 설계/문제해결 • 목표 품질 달성 과정이행 왜 이 과목을 공부해야 하는가? 창의력은 배울 수 있다

5. 공학은 어떤 학문인가? • 창의성이란 현상을 개선하고 부가가치를 높이는 아이디어를 창출하고 그 아이디어를 실행에 옮겨 혁신을 이루는 능력이다. • 창의력은 총뇌(whole brain)활동을 필요로 한다. • 창의력은 문제해결방법의 질로서 표현된다. • 창의력은 학습으로 증진될 수 있다. 창의성 (Creative) 이란?

6. 공학은 어떤 학문인가? • 관심과 호기심 • 적극적, 긍정적 사고 • 유연하고 열린 사고 • 칭찬과 보상 • 팀 활동 창의성 증진 요건

7. 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

8. 공학은 어떤 학문인가? 패러다임 변환 주기 곡선

9. 공학은 어떤 학문인가? 패러다임 변환 사례 • 1980년대까지 산업체들은 소품종 대량생산 체제를 통한 원가절감을 기업경영의 중심으로 삼았으나 1990년대 이후에는 다품종 소량생산으로 소비자의 요구와 취향을 최대로 반영하여 상품을 개발하는 것으로 기업경영의 전략이 바뀌었다. • 1970년대가지 스위스는 태엽시계로 세계의 시계시장을 주도하였으나 1980년대에 전자시계의 출현으로 주도권을 일본에게 내주었다. • 일본은 1960년대에 트랜지스터 전자제품을 생산하여 그때까지 미국이 주도하던 진공관식 제품 시장을 대신하여 전자제품 왕국이 되었다. • 1960년대 볼펜의 출현으로 그 전까지 사랑받던 만년필의 선호도가 급감하였다. • 휴대폰의 출현으로 공중전화의 효용성이 급격히 감소되었다. • 디지털 카메라의 출현으로 필름감광식 카메라의 수요가 급감하였다. • PC의 대량 보급으로 타자기의 수요가 사라졌다. • 양성평등사상의 성숙으로 한국에서 호주제도가 사라지게 되었다. • 인터넷 통신의 발달로 전통적인 편지쓰기 문화가 이메일과 메신저로 대체되고 있다. • 홈쇼핑TV와 인터넷 쇼핑 대중화로 재래시장이 급격히 위축되고 있다.

10. 공학은 어떤 학문인가? 공학적 문제와 문제해결 • 문제 : 변화를 통해서 더 좋은 상태로 개선될 수 있는 모든 것 • 문제(危機)의 두 가지 측면 • 危險과 機會

11. 공학은 어떤 학문인가? 창의성 관련 심적 장애 나는 창의력이 없다 잘못된 가 정 지성은 훌륭한 사고 놀이는 무가치하다 유일한 정답 실패를 두려워함 습 관 장 애 감정적 장 애 분리된 문제로 인식 애매모호함에 불편 규칙을 따라야 한다 부정적, 비판적 사고 문화적 장 애 환경적 장 애 틀에 박힌 인식 아이디어 불모지 무사안일

12. 공학은 어떤 학문인가? 창의적 문제 해결 과정과 단계별 결과물들

13. 1. 설계(Design)란? 건축물 ·교량 등의 구조물 또는 각종 기계 ·장치 등을 요구 조건을 만족시키고, 또한 합리적이며 경제적으로 만들기 위해서 그 계획을 종합해서 설계도를 작성하여 구체적으로 내용을 명시하는 일. 사전적 정의

14. 1. 설계(Design)란? 왜 설계 과정을 공부하는가? - 생활의 편리함 추구→제품 생산→ 새롭고 효율적 높은 품질의 생산품에 대한 끊임없는 욕구발생 → 하나의 프로젝트에 많은 생산자 → 소비자 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 설계과정이 원인)

15. 1. 설계(Design)란? 3가지 요인 제품 설계 (Product Design) 3가지의 주요 요인들의 하부 요인들은 상호 연결, 관련 비즈니스 (Business) 생산(Production)

16. 비즈니스 표적 시장 판매 홍보 판매 예상 제품의 형태 분배 보상 가격 제품의 기능 비용/위험 제조 공정 재 료 제품 설계 생산 시스템 편의 시설 생산 계획/ 전개 생 산 1. 설계(Design)란? 3가지 요인 Figure 1.1Controllable variables in concurrent engineering

17. 2. 설계과정 평가 설계과정의 효과적 기준 예1) 포드 자동차의 제조비용, 그림1.2에서 보듯이 제조비용에서 설계비용은 작은 부분을 차지하지만 그 효과는 그 이상이다. 포드자동차의 경우 그림 1.2

18. 2. 설계과정 평가 설계과정의 효과적 기준 예2) 제조 비용에 있어서 설계의 효과, 그림1.3에서 보듯이 설계과정 동안 만들어지는 결정들에 대한 비용은 매우 적게 들지만, 제품에 대한 비용에서 가장 큰 효과를 가진다. 포드자동차의 경우 그림 1.3 Poor design Average design Good design 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.]

19. Cost committed Conceptual design Specification development Product design Cost incurred 2. 설계과정 평가 설계과정의 효과적 기준 제품 비용은… 초기에는 설계과정에 맡겨지고, 후반부에는 그 과정 속에서 사용된다 포드자동차의 경우 그림 1.4 디자인과정에서 제조비용 Figure 1.4 Manufacturing cost commitment during design.

20. 2. 설계과정 평가 * 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. 무엇이 품질을 결정하는가?

21. 2. 설계과정 평가 • 적합한 설계는 제품의 비용을 감소하고 제품의 품질을 향상시킨다. 예)그림 1.5, 제록스의 라인 검사의 결과 설계의 중요성 30 10 9 8 7 6 Number of components per thousand 5 4 3 2 1 0 // // 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1989 1995

22. Company A Company B Begin design Time Release for production 2. 설계과정 평가 • 초기의 설계 변화들은 더 많은 공학적인 시간과 노력을 필요로 하지만 설비나 문서에 대한 변화는 필요로 하지 않는다. 초기 적합한 설계는 이후 개발 과정 속에 또 다른 설계 비용 및 추가 비용을 감소 시킨다. 예)그림 1.6, 자동차 개발 동안의 설계 변경 설계의 중요성

23. Customers Marketing Engineering design Production 3. 설계 과정의 역사 * 과거-한 사람이 완전한 제품을 설계, 제작 * 20세기 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 설계 과정의 변화

24. 3. 설계 과정의 역사 설계 과정의 변화 전통공학 (상호고립) 동시공학 (Concurrent Engineering)

25. 4. 제품의 수명 제품의 수명 • 모든 제품은 수명을 가짐 제품 개발→ 제품의 생산과 배달→ 제품 사용→ 더 이상 사용 하지 못하는 제품의 발생 • 설계 과정은 제품을 탄생 시키는 것 뿐만 아니라 제품의 수명에도 책임을 져야 한다. - 1980년 증가하는 환경 문제에 대한 관심으로 제품 전체의 수명을 고려하기 시작 - 1990년 유럽국가 제조업자들이 수명 다된 제품을 책임지는 법 제정 - 오늘날 환경 친화적 제품의 적극적 활용 및 법률 강화

26. 4. 제품의 수명 Product development Production And delivery Identify need Manufacture Plan for the Design process Assemble 제품의 수명 Develop engineering Specification Distribute Develop concepts Install Develop product End of life Use Use Operate in sequence 1 . Operate in sequence N Retire Disassemble Clean Reuse or recycle Maintain Diagnose Test Repair Figure 1.8 제품의 수명

27. 5.설계 문제점에 대한 많은 해결책 예1)두께 4mm 넓이 6cm을 갖는 1045 강철 판자 두 개가 서로 겹쳐져 있으며  100N의 하중을 가지고 있다면 SAE 등급 5 볼트의 사이즈는 얼마인가? 예2)두께 4mm, 넓이 6cm을 갖는 1045 강철 판자 두 개가 서로 겹쳐져 있으며 이것을 서로 조여 100N의 하중을 지지하는 조인트를 설계하라. 설계 관련 두가지 다른 문제의 예 Figure 1.9간단한 조인트

28. 5.설계 문제점에 대한 많은 해결책 두 가지 문제 비교에서의 교훈 예1)은 분석 문제를 설명한다. 올바른 공식과 올바른 값을 대입하면 된다. 예2)는 문제의 해결책을 찾기에 불충분한 정보를 주었다는 점에서 잘 정의 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.

29. 5.설계 문제점에 대한 많은 해결책 설계의 해결책 설계의 목적은 최소한의 시간과 다른 자원을 가지고 질 좋은 상품을 만들어내는 좋은 해결책을 찾는 것이다. 모든 설계의 문제들은 많은 불만족스러운 해결책을 가지고 있으나 최고의 해결책은 분명하지 않다. 즉, 설계자는 반드시 완전하게 정의되어 있지 않은 몇몇의 요구들을 충족 시킬 수 있는 능력을 가진 기계를 개발해야 한다.해결책 발전에 정확하게 영향을 주는 요인들(그림 1.10)

30. 5.설계 문제점에 대한 많은 해결책 Design process Knowledge Resulting products that meet the need Design need Design process paths Physics Electric motors Materials science Thermodynamics Manufacturing processes Engineering science Engineering economics Domain knowledge Welding design Kinematics Pumps 해결책 발전에 정확하게 영향을 주는 요인들 그림1.10The many results of the design process.

31. 6. 문제 해결의 기본적인 행동 기본적인 행동 해결되는 문제들을 깨닫고 필요들을 확인하라. 문제를 어떻게 해결할 것인지 계획하라 유사한 문제들에 대해 존재하는 해결책들을 사용하는 것과 요구들을 발전시키는 것에 의해 문제를 이해하라. 대안의 해결책을 고안하라. 대안의 방법들과 설계의 요구와 그것들을 서로 비교함으로서 대안 방법을 강구하라. 타당한 해결책을 결정하라. 결과들을 전달하라.

32. Knowledge about The design problem Design freedom 7. 설계 과정에서의 지식과 학습 배우면 배울수록 자유롭게 설계할 수 있는 범위는 점점 좁아진다. 그림 1.11 The design Process paradox

33. 8. 요약 3가지 요인 • 설계 과정의 성공은 투자한 설계의 비용, 최종 제품의 비용, 품질 및 제품을 개발하는데 걸리는 시간으로 측정된다. • 설계과정 초기에 비용이 주어지므로, 초기단계에서 특별히 집중을 하는 것이 중요하다. • 동시 협력 설계는 설계과정의 시작부터 모든 투자자들을 포함하며 제품 설계와 설계과정, 제조 공정, 조립 공정 및 분해 과정까지 모든 과정을 강조한다. • 모든 제품은 필요에 의해 만들어지는 순간부터 폐기되는 마지막까지의 수명 사이클을 가지고 있다. 비록 이 책에서는 설계과정, 공학적인 요구 개발, 구상적인 설계 및 제품 설계 현상에 대한 계획을 우선적으로 다루고 있을지라도 다른 모든 과정도 중요하다. • 설계 시 문제점들은 하나 이상의 만족하는 해결책을 가지고 있다. • 문제 해결에 있어서 7가지의 행동들이 있다. 요구하는 것을 확인하라, 계획하라, 이해하라, 고안하라, 평가하라, 결정하라 및 전달하라.