5장 기계공학 문제의 해결도구 및 해결절차 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 Tools and Procedure to Solve Mechanical Engineering Problems 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어    

기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 C-언어 응용 프로그램의 개발에 유용하게 사용되기 시작한 범용 언어 → UNIX 운영체제에서 중심 언어로 사용 다양한 데이터구조, 풍부한 연산자와 간단한 수식표현 → 응용 프로그램을 특정 분야에 한정하지 않고 편리하고 효율적으로 사용됨 그림 5.121 C-언어로 프로그램을 작성한 예

기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 FORTRAN 고급 언어로서 공학과 과학분야의 수치해석에 가장 널리 사용 → 수치해석에 관련된 다양한 내장함수를 통하여 복잡한 계산과 그래픽 처리 → 구조적 프로그래밍이 어렵고 입/출력 능력 빈약 IBM704 컴퓨터에 사용하기 위해 1954년 개발된 이래로 현재까지 꾸준히 사용 그림 5.122 FORTRAN 프로그램의 예

기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 MATLAB MATtrix LABoratory에서 유래 여러 가지 수학 계산과 시각화를 위한 소프트웨어 패키지 → 수치해석, 행렬연산, 신호처리, 간편한 그래픽 기능 등을 통합하여 제공 입력된 명령을 하나씩 수행해가면서 대화식으로 결과를 나타낼 수 있음 → 수학, 공학, 과학 등 여러 학문분야에서 널리 사용 초기에는 포트란 언어로 작성하였으나, 현재는 C-언어로 작성 그림 5.123 MATLAB 프로그램의 예

기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 MATHEMATICA 1988년 미국의 물리학자이며 수학자인 Stephen Wolfram에 의해 개발된 수학 전문 소프트웨어 → “모든 수학적 문제를 다 해결할 수 있는 프로그램을 만든다.” → 수학과 그 응용에 관련된 문제나 분야이면 어디에나 사용 가능 최근에는 신경망, 유전자알고리즘, 퍼지 등과 같은 첨단 분야에도 적용 그림 5.124 Mathematica 프로그램의 예

전산제도를 위한 상용 소프트웨어 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 AutoCAD CAD 프로그램의 대명사로 미국 AutoDesk사에서 개발 → 1980년대 초 AutoCAD가 최초로 PC용으로 개발, CAD 프로그램의 표준으로 발전 범용성 : 특정한 분야에 치우치지 않고 모든 분야에 쉽게 적용 개방형 구조 : 범용성을 살리기 위하여 다양한 개발 툴들을 사용자들에게 개방 그림 5.125 AutoCAD 제도 예

전산제도를 위한 상용 소프트웨어 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 Pro/ENGINEER 미국의 Parametric Technology Corporation(PTC) 에서 개발한 3차원 입체형상(solid) 모델링 도구 Pro/ENGINEER에서 생성하는 모델은 일반적으로 피쳐(feature) 기반 → 기본 단위 형상인 피쳐를 하나 이상 구성하여 부품(part) 모델 완성 → 모델링이 완성된 후에도 파라미터를 수정함으로써 설계 수정 용이 입체형상(solid) 모델링 피쳐 기반(feature based) 모델링 파라미터(parametric) 모델링 부모-자식 관계(parent-child relation) 모델링 연관성(associativity) 대표적인 특징 그림 5.126 피쳐 기반 모델링 그림 5.127 파라미터 모델링

전산제도를 위한 상용 소프트웨어 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 Pro/ENGINEER 부품, 조립체, 도면, 제작 등의 여러 모듈 간에도 서로 연관성 부여 → 한 피쳐의 치수와 형상을 수정하면 그 정보가 조립체와 도면 등의 다른 모듈(module) 에도 자동적으로 반영 : 개별적인 수정 필요 없음 실제 조립되는 상태와 동일하게 조립 가능 → 부품 간의 간섭체크, 분석 작업, 설계변경 등을 미리 할 수 있음 → 설계 작업 시 시간적으로, 경제적으로 매우 큰 효율성 제공 그림 5.128 연관성 그림 5.129 Pro/ENGINEER를 이용한 자동차 엔진의 조립작업의 예

전산제도를 위한 상용 소프트웨어 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 CATIA 기계가공물의 설계, 디자인, 해석 및 CAM 데이터의 생성을 위한 소프트웨어 ▶ 3차원 모델링을 통한 제품 디자인이 매우 용이 ▶ NC 및 로봇 데이터 생성과 도면의 출도를 능률적으로 처리 ▶ 전체적인 제품개발 시간을 현격히 줄일 수 있음 모든 산업분야의 기계부품 및 조립부품의 설계, 해석 및 생산에 이르기까지 적용 기계설계 분야 형상디자인 및 스타일링 분야 해석 및 시뮬레이션 분야 장치 및 시스템 엔지니어링 분야 가공 및 생산 분야 개발 및 응용 프로그램 분야 CATIA 소프트웨어의 적용분야 그림 5.130 CATIA를 이용한 비행체의 조립작업의 예

기계공학 관련 상용 소프트웨어 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 ANSYS 1970년 John Swanson 박사가 개발한 범용 유한요소해석 소프트웨어 → 초기에는 주로 전력산업과 기계산업 위주의 공학 분야에 이용 → 현재에는 거의 모든 학문 분야에서 요구되는 유한요소해석에 사용 워크벤치(Workbench) 환경을 구축하여 구조해석, 열전달, 유체, 전자기장, 압전, 음향, 비선형 해석 등의 문제 해석 현재 유한요소해석 분야에서 선두의 소프트웨어 그림 5.131 ANSYS를 이용한 기계시스템 구성요소 해석 예

기계공학 관련 상용 소프트웨어 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 NASTRAN 자동차, 항공, 조선, 중공업, 일반 기계설계, 건축 등 거의 모든 산업 분야에서 이용 → 자동차 설계의 각 분야에서 MSC NASTRAN이 주도적으로 사용 간단한 단위 부품에서부터 복잡한 완성품에 대한 구조물의 응답 해석 가능 가상 제품개발을 적용하는 단계까지의 해석 능력을 향상시킬 수 있음 그림 5.132 NX NASTRAN을 이용한 포크레인 하중분포 해석

기계공학 관련 상용 소프트웨어 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 ADINA 여러 모듈로 구성된 범용 유한요소해석 프로그램 ▶ 유저 인터페이스 모듈과 구조, 유체, 열, 유체-구조 연성, 열-구조 연성 해석 모듈 ▶ ADINA - 구조 모듈 : 고체와 구조물의 정적, 동적 응력 해석 ▶ ADINA - CFD 모듈 : 압축∙비압축 유동, 정상∙비정상 상태 유동, 층류∙난류 유동을 포함한 전반적인 유체 유동 해석 그림 5.133 ADINA를 이용한 자동차 구조변형 해석 그림 5.134 와류에 의한 진동 해석

기계공학 관련 상용 소프트웨어 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 FLUENT 유동 해석 전용 소프트웨어 → 층류 및 난류, 열전달 문제, 화학반응 문제, 다상유동 문제 등 다양한 물리 및 화학적 현상들을 정확하게 예측 가능 ANSYS와 연계하여 사용하면 유동-구조 해석 가능 → 유동현상과 구조문제를 연결하여 해석 그림 5.135 FLUENT를 이용한 공기유동 해석

기계공학 관련 상용 소프트웨어 동영상 (밀링가공 / 자동차충돌) 5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 기계공학 관련 상용 소프트웨어 동영상 (밀링가공 / 자동차충돌) 동영상1 동영상2

5.8 기계공학 문제의 해결절차 5장 기계공학문제의 해결도구 및 해결절차 5.8 기계공학 문제의 해결절차 15

기계공학 문제의 해결절차 5.8 기계공학 문제의 해결절차 공학적 설계 기계공학 관련 문제들은 일반적으로 매우 복잡하고 다양 ▶ 제품수명에 관한 문제 (구조강도, 소음진동, 열전달, 유체유동, 피로 및 파괴 등) ▶ 생산 공정 및 관리에 관한 문제 (저비용 대량생산) 개별문제들을 해결하는 절차와 방법론 : 일반적으로 문제에 따라 다양 → 기계공학 관련 문제 해결절차 : 기계공학 설계절차를 통해 문제해결 가능 기계공학 설계절차를 통해 문제해결 가능 다양한 기계공학 관련 문제들 문제해결 가능

공학설계 과정 5.8 기계공학 문제의 해결절차 ① 의사소통, 협상, 설득하는 능력소비자의 요구를 파악하기 위한 시장조사 ② 소비자의 요구가 사회적 환경이나 법률적 문제가 없는지 파악 ③ 소비자의 요구를 실제 구현하기 위하여 관련된 모든 공학지식과 인문사회, 디자인 등의 학문분야까지 총괄하여 설계에 반영 ④ 개념설계 완성 ⑤ 제품의 예상 제작방법과 비용 결정 ⑥ 상세설계도 작성 ⑦ 엔지니어링을 통하여 상세 설계안을 검토하고 수정 보완 ⑧ 시제품을 제작하여 성능평가 ⑨ 문제점 개선 및 설계 보완 ⑩ 생산설비에 맞추어서 설계 보완 ⑪ 생산, 판매 및 시장반응 확인

엔지니어의 기본적인 공학능력 5.8 기계공학 문제의 해결절차 ① 의사소통, 협상, 설득하는 능력 ② 효과적인 팀워크 능력 ③ 자체 평가를 하고 재고할 수 있는 능력 ④ 도표와 시각적 도구를 이용하여 생각을 표현할 수 있는 능력 ⑤ 창의력과 직관적인 능력 ⑥ 정보탐색과 다양한 자원의 이용 능력 ⑦ 중요한 기술을 구별하고 실무에 전문기술의 변화를 응용하는 능력 ⑧ 종합적 분석능력 ⑨ 물리시스템을 수학적 모델로 표현하는 능력 ⑩ 경제적, 사회적, 환경적 문제를 함께 생각할 수 있는 능력 ⑪ 문제의 다양한 요구사항들을 통합적으로 볼 수 있는 체계적인 능력 ⑫ 정답이 없거나 불확실한 문제를 해결할 수 있는 능력 ⑬ 대안을 고려하고 비교 평가할 수 있는 능력 ⑭ 문제해결을 위한 체계적이고 단계적인 접근 능력과 새로운 문제해결 방법을 지속적으로 습득할 수 있는 능력 ⑮ 실제로 적용할 수 있는 아이디어 창조 능력 ⑯ 만들어진 제품의 문제점 발견과 평가 능력

전형적인 공학문제 해결절차 5.8 기계공학 문제의 해결절차 창조적인 공학문제 해결 기계공학을 비롯한 모든 공학은 다양한 학문분야와 연계되어 있음 → 문제가 매우 복잡하므로 창조적인 분석능력이 요구됨 → 체계적인 절차를 통하여 접근하는 것이 바람직함 (그림 5.136 참조) 그림 5.136 일반적인 공학문제 해결 및 설계 절차

전형적인 공학문제 해결절차 5.8 기계공학 문제의 해결절차 문제영역 설정 문제정의 시장조사를 통하여 소비자의 요구를 파악하고 만들어야 할 제품의 특성을 분석하며 또한 경쟁사의 제품의 장단점 벤치마킹 제품에 영향을 주는 법규, 산업표준, 환경법규 등을 만족하는지 체크 본질적인 문제영역 분석을 위해 문제영역을 세분화하여 비교적 쉽게 접근 세분화된 문제영역을 통하여 각각의 문제정의를 내리고 전체적으로 재통합 특허분석 등 관련 영역에 대한 기술적 사전조사 실시 문제정의 모든 자료들을 엄밀하게 분석한 뒤 정의되어야 함 → 정확하게 정의가 되지 않으면 불필요한 결과를 얻게 되거나 본질적인 문제해결에서 벗어나게 됨 → 문제정의 단계가 가장 중요함 분명한 설계사양 설정 → 제품의 소비동력, 성능, 소음진동, 수명과 같은 기술적 요구조건들과 디자인, 색상, 외관 크기 등 비기술적 요구조건들까지 모두 포함 문제의 본질을 고려하여 나타내어야 함

전형적인 공학문제 해결절차 5.8 기계공학 문제의 해결절차 문제상황과 문제정의 공학설계는 불분명한 문제나 다소 모호한 요구사항들로부터 시작 → 문제정의 단계에서 개발목표를 구체적이며 분명하게 정량적으로 기술해야 함 표 5.6 문제 상황과 문제정의 사례 문제 상황 잘못 정의된 문제정의 잘 정의된 문제정의 바퀴벌레가 집 안에 많이 있어 위생에 문제를 일으킨다. 바퀴벌레를 잡는 고성능 장치개발 바퀴벌레를 집안에서 퇴출시키는 방법 개발 어린 아이들이 병뚜껑을 열기가 어렵다. 어린아이가 손쉽게 사용할 수 있는 병따개 개발 어린아이가 병 속의 내용물을 쉽게 뺄 수 있는 방법 개발 어린 아이가 냉장고 문을 열고 매달려서 냉장고가 앞으로 넘어지는 사고가 발생했다. 냉장고가 절대 넘어지지 않도록 강한 구조와 넘어지지 않을 하중을 지탱하는 냉장고 개발 어린아이가 냉장고에 매달리지 못하도록 하는 방법 개발 표 5.7 개발목표와 제한조건에 대한 표현의 비교 정성적 표현 (안 좋은 사례) 정량적 표현 (좋은 사례) 손으로 들 수 있도록 가벼운 무게로 제작 5kg 미만의 무게를 갖도록 제작 저렴한 가격으로 제작 제조원가가 3만원 이하가 되도록 제작 가벼운 소재를 이용해서 제작 티타늄 소재로 제작

전형적인 공학문제 해결절차 5.8 기계공학 문제의 해결절차 개념설계 설계사양들을 만족하도록 하는 기초적인 설계과정 → 요구되는 성능들을 만족할 수 있도록 특성과 원리만을 간략하게 구현 (스케치) 문헌검색, 아이디어 도출 및 정리를 포함하여 진행 10개 이상 개념설계 하여 그 중에서 2~3개 선정하여 상세설계 함 → 개념설계를 탁월하게 수행하기 위해서는 무엇보다도 창의성이 요구되고, 가능한 한 모든 대안들을 검토 그림 5.137 다 빈치의 헬리콥터 스케치

전형적인 공학문제 해결절차 5.8 기계공학 문제의 해결절차 훌륭한 개념설계 개념설계 평가 및 분석 ① 고객의 요구에 대한 문제의 명확한 이해 ② 전문가 자문, 특허분석, 관련제품 벤치마킹 등 외부적 개념탐색 ③ 회사내 전문가 활용, 기존 설계안 분석 등 내부적 개념탐색 ④ 다양한 정보에 대한 체계적인 연구 및 분석과정 ⑤ 전체적인 피드백을 통한 분석 등 단계별로 순차적으로 진행 개념설계 평가 및 분석 ① 초안으로 만들어진 개념설계 안에 대하여 분석하여 메커니즘, 원리 등의 문제점이 없는지 확인 → 향후 상세설계 단계에서 발생할 수 있는 문제점들을 미리 점검 ② 생산공정을 고려하여 개념설계 단계에서 수정할 수 있는 부분이 있으면 수정 ③ 외관 디자인 팀과 연합하여 개념설계 된 것이 외형에 어떤 영향을 주는지 외관 디자인 방향과 일치하는 지 검토

전형적인 공학문제 해결절차 5.8 기계공학 문제의 해결절차 상세설계 시제품 제작 및 평가 ① 개념설계 된 것을 이용, 실제 제작이 가능하도록 각 부품설계, 조립도, 제작공정도를 만드는 단계 ② CAD(computer aided design), CAE(computer aided engineering) 등을 통하여 설계변수에 대한 최적화를 이루고 구조적 안정성, 수명조건 등이 만족되도록 설계 ③ 실제 시제품(prototype) 제작이 가능하도록 매우 상세하게 설계 → 엔지니어링 일들이 매우 많은 단계 시제품 제작 및 평가 ① 상세 설계된 제품을 시제품으로 제작하여 작동성, 형합성 등의 기초적인 성능조건들을 확인, 경우에 따라서는 낙하충격과 같은 제품의 강성 및 강도평가도 병행 → 발견되는 문제점들을 다시 보완하여 상세설계안 수정 ② 시제품은 실제 생산공정 상에서 만들어지는 제품에 비하여 기계적 강도가 대체로 취약, 그렇지만 개념설계 단계에서부터 상세설계 단계까지의 과정에 대한 전체적인 점검을 시제품으로 할 수 있음

전형적인 공학문제 해결절차 5.8 기계공학 문제의 해결절차 생산 감안 설계 생산 및 성능평가 ① 제조비용은 제품의 경제적 성공을 결정하는 주요 요소 → 최적의 생산비용을 고려하여 상세설계 내용을 보완 → 성능뿐만 아니라 생산비용을 동시에 고려하면서 설계 수행 ② 제품 생산을 자사에서 할 것인지 또는 외주에 위탁할 것인지도 고려해서 최적의 생산비용으로 높은 품질을 추구 ③ 제조비용 추정, 부품비용 및 조립비용 절감, 지원비용 절감, 제조 감안설계 의사결정의 영향 고려 생산 및 성능평가 ① 실제 파일럿(pilot) 단계에서 제조공정 운영상의 문제점들 체크하고, 일부 공정을 수정하면서 제품 생산 ② 생산된 제품의 기본 성능이 만족하는지 평가 ③ 생산단계에서 발생할 수 있는 문제점들을 확인하고 보완 ④ 개별 성능시험, 포장시험 등의 엄격한 관리체계를 통하여 최종적인 문제점들 확인 → 문제가 없을 경우 양산체계에 들어감

창의적 공학문제 해결절차 5.8 기계공학 문제의 해결절차 창의성이 뛰어나다! 창의성과 창의력 모두 갖추자!!!! '창의성'과 '창의력'은 일반적으로 구분되어 사용되기도 하고 혼용되기도 함 ▶ 창의성 : 선천적으로 타고난 능력에 가까움 ▶ 창의력 : 창의성에 수학적으로 표현된 지적 능력이 더해진 능력 지적 능력 없이 창의성이 뛰어난 사람의 창의력 : ‘0’ 나는 동력원도 없이 스스로 움직이는 영구기관을 제작할 수 있다!! 창의성이 뛰어나다! 창의성과 창의력 모두 갖추자!!!! 그러나 나는 열역학적 기본지식이 없다!! 창의력이 부족하다!

창의적 공학문제 해결절차 5.8 기계공학 문제의 해결절차 ① 문제정의 ② 문제해결 아이디어 제안 ③ 아이디어 분석 및 평가 가장 중요한 첫 단계 → 해결하고자 하는 문제에 대한 정확한 이해 필요 문제의 현상분석(As is)과 개선형태(To be) 정의 효과적으로 접근할 수 있는 방안에 대하여 명확히 문제 정의 문제에 대한 의견을 상호교환 함으로써 문제에 대한 공통된 핵심 내용 도출 ② 문제해결 아이디어 제안 문제정의에 따른 해결책으로 다양한 아이디어들을 제안 문제해결을 위한 다양한 아이디어들을 양적으로 많이 창출하는 것이 중요 ③ 아이디어 분석 및 평가 제안된 아이디어들에 대하여 현실적 방법론과 구속조건들 검토 각각의 방법에 대하여 논리적, 수학적 접근방법으로 분석 검증된 방법론에 대하여 실제 실행할 수 있도록 실행계획 세움

창의적 공학문제 해결절차 5.8 기계공학 문제의 해결절차 ④ 아이디어 실행 ⑤ 문제해결 선정된 아이디어에 대하여 실제 실행 문제점들이 발견되면 다시 ①번 또는 ②번 단계로 되돌아감 → 문제정의를 수정하거나 아이디어의 구체화를 통해 개선하여 다시 실행 ⑤ 문제해결 실제 해결하고자 하는 문제에 선정된 아이디어를 적용하여 문제 해결 긴밀한 팀워크나 의사소통에 대한 기술이 요구됨 창의적 공학문제 해결절차를 통해 문제를 해결하자!

다양한 창의적 아이디어 발상법 5.8 기계공학 문제의 해결절차 1939년 브레인스토밍 개발 실용화 브레인스토밍(brainstorming) 미국의 광고회사 BBDO사의 사장 오즈번이 고안한 회의방식의 일종 광고제작 시 아이디어 창출 ▶ 기존 생각 : 개인이 광고제작 작업을 하는 것이 당연시 ▶ 오즈번의 생각 : “디자이너가 카피(광고 문안)를 발상해도 좋지 않을까?” 광고 기획 광고 제작 “디자이너가 광고를 발상해도 좋지 않을까?” 디자이너, 카피라이터, 경영담당자의 구분 없음 1939년 브레인스토밍 개발 실용화 자유롭게 광고의 발상 → 집단 기법을 생각 개인이 광고제작 작업 오즈번의 생각

다양한 창의적 아이디어 발상법 5.8 기계공학 문제의 해결절차 브레인스토밍의 기본적인 규칙 첫 번째 규칙 (판단보류) 참가자는 아이디어를 내놓는 것에만 전념하고 판단은 나중에 하는 것이 좋다. 두 번째 규칙 (자유분방) 누구나 자유롭게 생각나는 대로 말할 수 있다. 세 번째 규칙 (질 보다 양) 어떤 아이디어라도 비판, 평가를 하지 않고 아이디어만을 대량으로 내놓는 것이 중요하다. 네 번째 규칙 (결합 개선) 내 아이디어를 다른 누군가가 개선시키고 더 연구하여 보다 재미있는 아이디어로 발전시켜가는 것을 의미한다.

다양한 창의적 아이디어 발상법 5.8 기계공학 문제의 해결절차 브레인스토밍의 구체적 진행방법 ① 주제는 구체적인 것을 선정 ② 참가자 전원의 얼굴이 보이도록 책상과 의자 배치 ③ 모조지 또는 화이트보드 등 준비 ④ 분위기를 잘 조성하는 사람을 진행자로 선정 ⑤ 참가자는 다른 분야의 전문가로 구성 ⑥ 발언을 전부 기록하고 키워드로 요약 ⑦ 아이디어 발상시간은 1시간 정도로 하고, 그 이상의 시간이 소요되면 휴식시간 가짐 ⑧ 브레인스토밍의 결과에 대한 평가는 하루 정도 지난 후에 실행

다양한 창의적 아이디어 발상법 5.8 기계공학 문제의 해결절차 스캠퍼(SCAMPER) 1971년 에이벌(Bob Eberle) : 오즈번이 만든 체크리스트 법을 보완하여 발전시킴 특정문제에 7가지의 기본적인 질문내용을 적용하여 새로운 사고를 이끌어내는 아이디어 발상법 ① 대체하기(Substitute) → 제품의 본질적인 기능을 유지하면서 다른 재료나 부품으로 대체 (종이컵, 고무장갑) ② 결합하기(Combine) → 다른 기능을 가지는 두 가지 이상의 제품들을 결합 (지우개 달린 연필, 시계 겸 라디오) ③ 적용시키기(Adapt) → 다른 물건이나 제품의 기능을 적용 (장미덩굴 → 철조망) ④ 수정, 확대, 축소하기(Modify-magnify-minify) → 기존 제품을 수정, 확대, 축소하기 (휴대용 카셋트) ⑤ 용도 변경하기(Put to other uses) → 기존 용도를 변경하기 (톱밥 → 합판제작) ⑥ 제거하기(Eliminate) → 기존 제품의 불필요한 부분을 제거하기 (씨 없는 수박) ⑦ 재정리하기(Rearrange) → 기존 제품의 기능 또는 특성을 재정리하거나 역으로 배치하기 (장갑 → 발가락 양말)

다양한 창의적 아이디어 발상법 5.8 기계공학 문제의 해결절차 트리즈(TRIZ) 구소련의 특허심사관이었던 알츠슐러(G. S. Altshuller)가 개발 특허 분류작업 중 창의적으로 문제를 해결한 획기적인 특허들을 분류 → 새로운 아이디어 발생체계 수립 ① 제품개발 시 발생되는 문제점들을 해결하기 위해 트리즈 기법을 적용하면 문제를 개선하는 수준 정도가 아니라 창조적이며 혁신적인 문제해결 가능 ② 제품 및 부품들을 기능위주로 분석하여 다른 부품이 기능을 대신하거나 해당 부품이 필요한 기능을 수행하도록 하는 수정된 설계 가능 → 개발비용 절감 ③ 제품의 진화과정 예측 → 시장을 선점할 수 있는 제품개발 가능 ④ 특허 데이터베이스를 통해 유사 특허를 피하여 제품을 설계제작 할 수 있음 → 특허방어 및 시장 선점 가능

다양한 창의적 아이디어 발상법 5.8 기계공학 문제의 해결절차 트리즈에서의 창의적 문제 공학적 대립과 모순(technical contradiction)을 가지고 있는 문제를 의미 → 대립과 모순 : 시스템의 어떤 특성 또는 파라미터들을 향상시키고자 할 때 시스템의 다른 특성이나 파라미터들이 악화되는 경우 문제를 해결하기 위해서는 일반적으로 트레이드오프(trade-off) 기법 적용 → 트레이드오프 : 시스템의 대립을 제거하는 것이 아니라 시스템의 유해한 작용은 그대로 지니고 있으면서 단지 그 정도를 완화시키는 것 고전적 최적설계 방법 속도증진을 위해 프로펠러의 크기를 크게 하자! 착륙시 프로펠러가 지면에 닿아 위험!!?? 그럼 착륙바퀴의 길이를 길게 하자! 착륙바퀴가 길면 착륙시 불안정!! 그림 5.138 프로펠러 크기와 착륙 시 바퀴 고정장치 길이와의 트레이드오프

다양한 창의적 아이디어 발상법 5.8 기계공학 문제의 해결절차 트리즈의 발명원리 기법 근본적으로 공학적 시스템 대립이 해결되지 않는 한 개선의 궁극적인 목표에 도달할 수 없음 → 고전적 최적설계 방법으로는 문제해결 불가 시스템의 대립을 제거하기 위한 방법으로 발명원리(inventive principle) 사용 → 알츠슐러 : 수많은 특허들을 분석하여 모순행렬표(contradiction matrix) 만듦 그림 5.139 모순행렬표

사례연구/ 기계 시스템 설계 5.8 기계공학 문제의 해결절차 기계 시스템의 설계과정 1단계 : 요구사항들에 대한 명확한 정의 ① 설계하고자 하는 기계 시스템과 관련된 요구사항 정의 ② 예산, 일정, 인력 등과 같은 구속조건들에 대한 기술 요구사항 정의 2단계 : 개념설계 ① 1단계의 요구사항뿐만 아니라 설계하고자 하는 기계 시스템에 대한 다양한 구속조건 고려 (법적 규제, 가격 경쟁력, 제조공정, 생산성, 작동환경, 안정성, 유지보수성, 환경친화성 등) ② 구속조건들 사이의 적절한 트레이드오프(trade off) 고려 ③ 브레인스토밍 기법, 노미날그룹 기법, 델파이 기법 등을 이용하여 아이디어 도출 3단계 : 상세설계 ① 개념설계를 구체화 ② 요구사항들과 구속조건들이 만족될 때까지 기계 시스템에 대한 구체적인 특성 및 파라미터 계산 → 요구사항 및 구속조건들이 만족되지 못하면 2단계로 다시 돌아감 4단계 : 시제품 제작을 통한 검증과 평가 ① 요구사항들을 만족 못할 시 정확한 원인규명을 통해 2단계 또는 3단계로 다시 돌아감

사례연구/ 기계 시스템 설계 5.8 기계공학 문제의 해결절차 연구사례 바다 위에서 움직이는 화물선에 컨테이너를 적재하는 기계 시스템 설계 1단계 : 시스템의 요구사항 ① 파고의 높이 3m와 0.5Hz 정도의 속도로 흔들리는 해상에서 안정적인 컨테이너 적재 가능 ② 1시간에 25개 이상의 컨테이너 고속 적재 가능 ③ 전체 300개의 컨테이너 적재 가능 ④ 전체 폭 30m와 길이 60m 이내로 설계 ⑤ 무게 600톤 이하로 경량화 설계

사례연구/ 기계 시스템 설계 5.8 기계공학 문제의 해결절차 2단계 : 개념설계 (브레인스토밍 기법 적용) ① 컨테이너 3단 적재 안 도출 ② 시스템의 무인자동화 ③ 3개의 자동 이송장치 설계 ④ 하부, 상부, 상하부 이송장치 구성 ⑤ 이송장치 : 레일 장치 이용 ⑥ 컨테이너 착지 플레이트 : 상부 이송장치와 별도로 설치 ⑦ 휠과 레일 사이에 이탈방지장치 설치 그림 5.140 컨테이너 적재 시스템 개념설계 그림 5.141 이탈방지장치 개념설계

사례연구/ 기계 시스템 설계 5.8 기계공학 문제의 해결절차 3단계 : 상세설계 ① 해상에서의 작동환경 하에서 구성 재료의 허용응력과 허용처짐량 만족하도록 설계 ② 하부 이송장치의 형태와 치수 결정 ③ 안전율을 고려하여 각 부재들의 치수 도출 ④ 요구사항 만족 못할 시 2단계인 개념설계부터 다시 설계 그림 5.142 하부 이송장치 전체 치수 그림 5.143 하부 이송장치의 측면도 그림 5.144 와이어를 이용한 하부 이송장치 모델

사례연구/ 기계 시스템 설계 5.8 기계공학 문제의 해결절차 기본모델에 대한 구조 변경안 수정 안 수정내용 모델 형상과 수정 부위 수정안 - 기본모델 A 기본모델에서 1. 와이어 지지막대 두께, 형상 변경 2. 측면 트러스 추가 B 3. 와이어 지지막대 경사 빔의 길이 연장 C 높이 감소 4. 와이어 지지막대 상부에 가로 및 세로 방향 연결 빔 추가 그림 5.145 하부 이송장치 구조 변경 방안

사례연구/ 기계 시스템 설계 5.8 기계공학 문제의 해결절차 구조 변경안들에 대한 해석결과 수정안 처짐량 응력값 최대 처짐량/ 응력분포 - 89.9 mm   56 MPa ~ -176 MPa A 102.2 mm 64.9 MPa -172 MPa B 114.9 mm 54 MPa -187 MPa C 25.3 mm 47.9 MPa -31.8 MPa 그림 5.146 하부 이송장치 구조 변경안들에 대한 해석 결과

사례연구/ 유체 시스템 설계 5.8 기계공학 문제의 해결절차 유체 시스템의 설계과정 원칙적으로 전술한 기계 시스템의 설계과정과 동일 → 요구사항들을 명확히 정의한 후, 개념설계 과정을 거쳐 상세설계 도출 → 시제품을 제작 후 실험적인 검증 또는 수치해석을 통한 성능 검증 → 요구사항들을 달성하지 못하였을 경우 다시 개념설계 단계로 돌아감 → 새로운 설계를 통하여 최적의 설계를 얻음 유체 시스템 설계를 통해 생산된 다양한 산업 제품

사례연구/ 유체 시스템 설계 5.8 기계공학 문제의 해결절차 연구사례 플라즈마를 이용한 반도체 제조공정의 효율 향상을 위한 유체 시스템 설계 플라즈마를 이용한 반도체 제작 1단계 : 시스템 요구사항 ① 공기 중에 부유하는 0.005∼0.05μm 범위의 미세입자들을 반경 1 mm의 입자빔으로 집속 ② 전기장을 이용하지 않은 순수 유체시스템으로 설계 ③ 전체 시스템의 길이 50cm와 내경 2.5cm 이내로 설계 ④ 충격파 발생 방지 ⑤ 입구와 출구의 압력 각각 1 torr와 3∼10 torr, 그리고 입구에서 0.125 lpm의 공기 유입

사례연구/ 유체 시스템 설계 5.8 기계공학 문제의 해결절차 2단계 : 개념설계 (브레인스토밍 기법 적용) ① 충분히 관련된 연구사례들을 검색 후 검토를 거친 후 브레인스토밍의 과정 실행 ② 기존 연구사례들에서 도출된 기초 설계안을 연구하여 가장 기본적인 원리 이해 ③ 기존 연구들에 있어서 목적에 따라 어떤 아이디어와 기술적인 한계를 가지는지 정리 그림 5.147 Wedge 유동 및 오리피스 유동에서 입자의 궤적 비교 그림 5.148 다단 렌즈의 설계도와 그 성능

사례연구/ 유체 시스템 설계 5.8 기계공학 문제의 해결절차 3단계 : 상세설계 ① 설계요구조건인 최종 입자빔의 반경이 1 mm 이하로 만족 ② 시스템의 길이 40cm, 내경 25mm로 요구조건 만족 ③ 충격파 발생여부를 검토한 결과 대부분의 요구조건들은 충분히 만족 ④ 집속가능한 미세입자의 크기 범위가 0.03∼1μm 이어서 요구조건을 만족하지 못함 → 재설계 그림 5.149 입자집속 시스템의 구성과 내부에서의 유선

사례연구/ 유체 시스템 설계 5.8 기계공학 문제의 해결절차 재설계 1단계 ① 노즐의 끝에서 나오는 입자 빔에 직접 충돌판을 위치시켜 입자빔의 크기를 가시화 ② 측정된 입자 빔직경과 수치해석을 통해 예측된 값을 비교 ③ 소프트웨어를 통하여 빔의 직경은 적절히 실험결과와 일치하여 전산유체해석의 신뢰성 확보 그림 5.150 크기별 입자빔의 부착 형상과 빔직경의 비교

사례연구/ 유체 시스템 설계 5.8 기계공학 문제의 해결절차 재설계 2단계 ① 오리피스의 직경을 더 줄여서 최적 집속되는 입자 크기를 더 줄여야 하는 방안 고려 ② 와류로 인한 주기적인 유동패턴을 잃어버리게 되어 입자 집속 불가능 ③ 와류에 의해 안정적인 유동이 불안정한 난류로 발달하여 입자궤적이 흔들리는 단점 예상 → 오리피스의 형상을 평판형이 아닌 다른 형상이 고려되어야 함 ④ 와류 발생을 막으면서 유동의 주기성을 확보하기 위하여 수축발산형 노즐 형상의 오리피스를 사용하여 재설계 → 요구조건들을 만족하는 유체시스템 설계 도출 그림 5.151 가스종류 및 오리피스 형상에 따른 유선의 변화 그림 5.152 3단 수축발산형 입자 집속기의 성능