IT CookBook, 창의적 공학설계 : Creative ideas 1 공학 설계 소개 IT CookBook, 창의적 공학설계 : Creative ideas

학습목표 공학설계에 대한 개념을 이해한다. 공학설계가 적용되는 분야에 대해서 알아본다. 공학설계 프로세스에서 수요자, 과학자, 공학자, 기술자 및 경영자의 역할을 이해한다. 공학적 문제의 특성인 개방형 문제를 이해하고, 공학설계 프로세스의 개념을 이해한다.

목 차 공학설계란 설계 프로세스 공학 분야 품질관리 공학적 문제의 해결 3

Section 01 공학설계란 공학설계의 개요 발명, 설계 : 필요에 의해 또는 문제 해결과정에서 기술의 집약으로 발생 1960년대 도면을 그리는 낮은 작업수준의 인식에서 최근에는 모든 작업의 핵심으로써 공학자가 설계에 적용되는 기술을 결정하고 다른 프로세스와 조화를 이루는 역할을 담당 경영에 대한 지식 겸비 관리자와의 지속적인 교류 공학설계란 존재하지 않거나 기존의 것보다 향상된 장치 또는 시스템을 발명하는 창조적인 활동. 반복적인 의사결정 적절한 기초과학, 수학 및 기초공학의 적용 설계목표,와 기준,의 설정, 합성, 구현, 테스트와 평가의 기본적인 구성

Section 01 공학설계란 공학설계 교과목에 포함시켜야 할 구성요소 공학설계의 구성요소 창의성 개방형 문제 해결(open-ended problem) 설계 명세 및 규격의 공식화 현실성 있는 고려와 고찰 동시공학설계(concurrent engineering design) 시스템에 대한 구체적인 서술 기타 : 경제성, 안전, 신뢰성, 미적 요소(aesthetics), 윤리적 문제, 사회에 미치는 영향 등. 개방형 문제 : 다양한 해결방안 가운데 구성요소를 만족하는 해결을 선택

분석 문제 설계 문제 Section 01 공학설계란 분석 문제와 설계 문제 설계 프로세스의 특징 반복에 의한 해결방안의 개선 초기 속도와 높이가 주어지고, 어떤 물건을 위로 던질 때 물건이 최대로 올라갈 수 있는 높이. 유일한 해답 설계 문제 1킬로그램의 무게를 갖는 물건을 최소한 100미터 쏘아 올리는 장치를 고안. 다양한 방법으로 장치를 고안 설계 프로세스의 특징 반복에 의한 해결방안의 개선 주어진 조건을 만족하기 위한 반복적인 프로세스

Section 01 공학설계란 팀의 구성 공학 개발 형태의 변화 과거 : 한 사람이 모든 분야의 기술개발을 총괄  에디슨의 개발 형태 현재 : 팀 단위의 연구와 개발 활동 구성원 모두가 고유의 기술적 능력을 활용하여 사람들이 필요로 하는 요구사항을 만족. 각 구성원들은 각자의 영역에서 구체적인 역할을 담당 팀 내 다른 구성원의 역할을 이해. 기술 인력 외에 경영자, 판매 대리인, 현장기술자, 재무 담당자 및 구매 담당자가 포함될 수 있음. TQM(Total Quality Management) 또는 CI(Continuous Improvement) 주기적인 미팅을 통해 개발 일정과 설계 요구 충족 여부를 점검, 잠재적인 문제를 미리 파악.

Section 01 공학설계란 손자병법과 기업경영 시계(始計) : 싸우기 전에 미리 계산하라. 5가지 판단기준 손자병법의 첫 번째 편 철저한 계산과 분석에 의한 전략을 강조 오늘날 기업경영에서 철저한 사전 준비가 요구됨. 5가지 판단기준에 의해 전력을 분석, 7가지 계교로써 상황을 판단. 5가지 판단기준 도(道) : 백성을 군주와 일심동체로 위험을 두려워하지 않게 하는 것. 천(天) : 낮과 밤, 춥고 더움, 맑고 흐림, 계절 등의 시간적 조건 지(地) : 지형의 거리, 험하고 평탄함, 넓고 좁음, 유리함과 불리함 등 지리적 조건 장(將) : 장수의 지모, 신의 , 인자, 용기 및 위엄 등 법(法) : 군의 편성, 책임, 분담, 군수물자 등의 군제에 관한 문제

Section 01 공학설계란 손자병법과 기업경영 5가지 계략 一, 군주는 어느 쪽이 더 훌륭한 정치를 하고 있는가? 二, 장수는 어느 쪽이 더 유능한가? 三, 하늘의 시기와 땅의 이점은 어느 쪽이 더 유리한가? 四, 법령은 어느 쪽이 더 철저한가? 五, 군대는 어느 쪽이 더 강한가? 六, 병졸은 어느 쪽이 더 잘 훈련되어 있는가? 七, 상벌은 어느 쪽이 더 공정하게 행해지고 있는가?

Section 01 공학설계란 팀워크와 설계 팀워크가 무시된 종래의 설계 방식 팀워크에 의한 설계 방식

Section 01 공학설계란 일반적인 팀의 구성 과학자 : 목표가 자연 현상에 대한 연구, 개방적이고 탐구적인 성향 자연 현상을 설명하기 위해 가설을 정립. 가설을 테스트하기 위해 실험을 구상하고 실행. 결과를 분석하고 결론을 도출. 실험 결과가 가설과 부합하면 가설을 과학적 이론으로 정립. 새로운 이론과 지식을 발표. 공학자 : 목표가 자연 현상에 대한 연구, 개방적이고 탐구적인 성향 분석과 설계의 원리를 통해 수학, 자연과학과 같은 과학적 지식을 문제 해결과 장치, 프로세스, 구조 및 모든 인간에게 유용하게 하기 위한 시스템을 개발 공학과 과학은 상호 의존적인 관계 : 과학적 지식  공학적 개발(핵발전), 공학적 개발  과학적 발견(스팀엔진) 공학은 주어진 문제를 해결하기 위한 학문이며, 과학은 자연 현상을 탐구하기 위한 연구활동.

Section 01 공학설계란 일반적인 팀의 구성 팀의 구성원과 역할 기술자 : 실제 적용하는 기술에 익숙한 사람. 과학자 공학자 기술자 역할 자연 현상 관찰 과학적 지식 탐구 유용한 물건을 개발 기술을 적용하여 제작 성향 개방적이고 탐구적임 경제성 등 현실적인 제한요소 고려 해서 과학적인 순수이론을 적용 설계를 구현하는 데 필요한 경험적 기술에 숙련 예 새의 날개  공기의 흐름을 조절하여 추진력을 얻음 새의 비행원리  비행기의 날개를 설계 비행기의 날개를 제작

Section 01 공학설계란 과학자, 공학자, 기술자

Section 02 설계 프로세스 설계(Design) 분석과 합성을 이용한 설계 어떤 요구 조건을 만족시키는 장치, 구조, 시스템 또는 프로세스(process). 설계가 성공하면 프로세스가 논리적으로 주어진 요구사항을 만족하게 됨. 주어진 요구사항을 만족하지 못하면 설계 프로세스를 반복해서 수행. 분석과 합성을 이용한 설계 분석 : 하나의 시스템을 구성하고 있는 각 요소들로 분리. 합성 : 각 요소들을 하나의 시스템으로 통합. 설계 과정은 분석과 합성을 통해 인간의 요구에 부합하는 해결방법을 만들어 내는 절차.

Section 02 설계 프로세스 분석과 합성의 순환

Section 03 공학 분야 항공우주공학(Aerospace engineering) 비행체는 기체역학, 항공전자, 재료과학 및 추진력을 포함하는 다양한 기술의 결합체. 비행체를 개발하고 활용할 수 있는 기술적인 요소와 소요되는 비용 사이에 적절한 절충이 필요. 항공우주공학 = 항공공학(aeronautical)분야 + 우주공학(astronautical engineering) 분야 화학공학(Chemical engineering) 물리 화학적 원리를 다루며, 유용한 물질을 생산하기 위한 공정을 설계하고 개발. 천연자원이 고갈됨에 따라 대체물질을 만들어내거나 남은 자원을 오랫동안 사용할 수 있는 방법을 탐구. 농학, 식품학, 의학, 생명공학, 환경공학, 석유 및 천연가스, 폴리모 및 공정제어 분야 등.

Section 03 공학 분야 토목 공학(Civil engineering) 공학과 경영 기법을 다른 건축가에 의해 설계된 건설 프로젝트에 접목하는 건설 경영 빌딩 건축, 지하 구조물, 댐, 터널 및 길을 건설하기 위한 토양과 암석 분석 빌딩, 교량 및 댐과 같은 모든 형태의 구조물을 설계하는 구조공학 공학적 설계와 건설 프로젝트를 지원하기 위한 지구 표면의 측량 도로, 고속도로, 공항, 철도 및 항만과 같은 운송 수단을 위한 시설/시스템의 운송공학 홍수 조절, 관개, 수력발전소와 같이 수자원을 제어하고 활용하는 수자원 공학

Section 03 공학 분야 전기전자/컴퓨터 공학(Electronic, electric/computer engineering) 통신 분야 : 전화, TV 및 라디오와 같은 일상생활에서 사용하는 통신장치 및 통신회사에서 설치한 기간망에서 사용되는 다양한 통신 장비. 전력 분야 : 화석연료, 핵 반응 및 수력발전소에 의한 전력 생산 및 태양, 바람 및 연료전지 등과 같은 대체자원을 연구하고 개발. 전자 분야 : 가정용 컴퓨터, 휴대전화, 자동차 제어 시스템 등의 가정용 전자 제품 및 산업용 전자제품의 설계. 제어 계측 분야 : 공정에서 발생하는 온도, 흐름속도, 압력, 전압, 가속과 같은 물리적인 양을 실시간을 감지하여 실시간으로 표시하고 제어 함. 컴퓨터 산업 분야 : 컴퓨터 설계, 개발 및 운용하는데 필요한 하드웨어와 소프트웨어 문제를 모두 다룸.

Section 03 공학 분야 환경공학(Environmental engineering) 환경에 관련된 법의 이해와 물, 대기 오염의 제어, 재활용, 쓰레기 처리, 공중 위생 문제를 취급. 하수 처리 시스템의 설계, 산성비, 지구 온난화, 오존의 고갈, 물 공해 및 자동차와 산업 시설에 의한 대기 공해의 영향과 같은 지역적 또는 전 세계적인 문제들에 대해 연구. 산업공학(Industrial engineering) 복잡한 시스템이나 공정을 최적화하는 방법을 연구. 시스템 또는 공정에 의한 결과를 예측하고 평가하기 위한 원칙과 방법을 개발, 수학, 물리학, 사회과학 및 공학 분석과 합성에 기반한 결론을 도출. 비즈니스를 기반으로 하는 경영관리와 일부 중복되며, 수학적인 정량적인 접근 방법을 강조.

Section 03 공학 분야 기계공학(Mechanical engineering) 일반역학, 운동학, 열역학, 유체역학 그리고 에너지의 중심 개념에 대한 확실한 이해를 기반으로 제품 생산 라인, 공업용 장비, 냉난방 장치, 모터 장치, 비행 장치, 로봇, 의료장치 등의 설계 및 분석. CAE(Computer Aided Engineering), CAD(Computer Aided Desing)을 이용한 설계 단계 제품의 시각화

Section 04 품질관리 전사적 품질 경영(TQM : Total Quality Management) TQM의 핵심 일반화된 품질 관리를 위한 경영 접근 방법 전사적 품질은 고객의 수요를 만족하는 제품과 서비스를 제공하기 위한 회사의 조직과 그 경영 문화에 의해 달성됨. 회사의 운영과정에서 결함과 소비적인 요소가 제거되도록 하는 품질관리가 요구됨. TQM의 핵심 수요자 중심의 품질관리 TQM은 수요자로부터 시작되며, 수요자의 만족이 가장 높은 우선순위를 가짐. 사내의 모든 부서는 전사적 품질에 관련되며, 지속적으로 수요자의 요구를 신속하게 대응함으로써 수요자를 만족시키기 위한 과정에 있어서 동반자로 인식.

Section 04 품질관리 최고 경영자의 TQM 리더십 품질 개선을 위한 지속적인 노력 : TQM의 핵심 최고 경영자의 적극적인 개입과 결단에 의한 목표의 달성 모든 피고용인들이 적극적으로 참여할 수 있도록 유도. 품질 개선을 위한 지속적인 노력 : TQM의 핵심 공정 개선  품질 개선  수요자 만족 설계 및 제품을 개발과정에서 주기적인 개선이 필요 CRM(Customer Relationship Management)를 통해 수요자와의 관계를 관리 자신의 회사뿐만 아니라 다른 회사와에 평가 및 벤치마킹 실시 수요자의 요구에 대한 신속한 조치 수요자 요구를 반영하여 결함이 없는 제품을 생산. 주기적인 생산 활동의 모니터링에 의해 개선의 기회를 포착하여 수요자의 요구에 신속하게 대응 동시공학(concurrent engineering)을 통해 여러 설계단계를 단순화함으로써 개선에 필요한 시간을 줄일 수 있음. 설계단계에서 불필요한 요소가 발생하지 않도록 예방.

Section 04 품질관리 데이터와 분석에 의한 대처 모든 고용자의 참여의식 공학적 통계 분석과 생산정보에 의한 새로운 제품의 기획, 성능 평가 및 운영을 개선. 프로세스에서 분석하기에 가장 적합한 사람에 의해 데이터가 수집 문제 발생시 신속하고 적절한 조치로 비용을 절감하고 제품의 적합성이 떨어지는 것을 방지. 모든 고용자의 참여의식 피고용인에 대한 적절한 보상으로 적극적인 참여를 유도. 피고용인에 대한 지속적인 교육, 훈련으로 품질을 개선에 기여. 피고용인의 강한 책임의식, 효율적인 대화, 창조적인 활동에 의한 혁신에 기여. TQM 접근으로 공학적 접근 방법과 제품 개발 사이에 서 서로 충돌하는 상황을 미연에 방지. 경영자는 각 개인들을 감독 하고 문제가 발생했을 때 문제해결을 위해 심혈을 기울임.

Section 05 공학적 문제의 해결 공학적 문제의 특징 개방형 문제(Open-ended problem) 그림 수정 예정 선택 가능한 다수의 해답 독창적인 다수의 해결 방안을 도출하는 직관력이 요구됨. 공식에 의한 문제해결을 기대하기 어려움. 개방형 문제(Open-ended problem) 여러 개의 답과 답을 얻을 수 있는 방법이 있는 문제. 문제에 대한 답이 어떻게 또는 왜 얻게 되었는지를 보여주어야 하며, 해답과 함께 평가(assessment) 방법도 포함. 그림 수정 예정

Section 05 공학적 문제의 해결 공학적 문제해결의 접근 방법 공학적 문제 방법에 의한 컵의 설계 문제를 단순화 함. 가격, 양산 시기, 선적 방법등과 같은 직접적인 관련이 없는 사항을 고려 다양한 자료와 정보 수집을 통해 근사치를 구해야 함. 브레인스토밍(brainstorming)에 의한 다양한 해결방법 수집. 공학적 문제 방법에 의한 컵의 설계 용도를 파악하고 단순한 정량적인 데이터를 얻는 것 보다 컵의 무게와 재질을 결정 제한된 무게의 범위 내에서 음료수 용기로 사용할 수 있는 재료를 선택 실린더와 같은 컵의 형태가 적절한 지를 고려

Section 05 공학적 문제의 해결 공학적 관점에서 문제 해결을 위한 전제조건 팀 구성원이 현재 상황을 이해. 모든 설계 프로세스에서 고객의 요구에 대한 평가 항목과 기준의 결정과 구체적인 평가의 실행. 선택된 해결방법을 정당화하기 위해 데이터 분석과 측정과 같은 사실에 근거한 해결.

Section 05 공학적 문제의 해결 설계 프로세스 수요파악(identification of a need) 및 문제 정의(problem definition) 필요한 정보 수집(gathering information) 기준과 제한요소(criteria and constraint) 결정 다양한 해결방법(multiple solutions) 분석과 결정(analysis and decision) 설계의 구현(design implementation) 의사소통(communication) 생산설계(production design)

Section 05 공학적 문제의 해결 수요 파악 및 문제 정의 필요한 사항들을 정의하고 그것들이 가능한 해결방안인지를 구분. 문제의 정의와 요구를 현실적이고 객관적으로 명확하게 명시 문제는 현실적인 제한 범위 내에서 정의되어야 함. 무게가 600kg을 넘지 않고 연비가 25km/l 이상이 되는 자동차를 설계하라.  구체적이나 현실성이 떨어짐. 무게는 가볍고, 연비가 매우 높은 새로운 자동차를 설계하라.  구체적이지 못함. 문제정의의 중요성(교통사고 문제의 예) 교통사고 문제를 “사고 예방차원”에서 정의 : 운전자 교육, 교통단속, 캠페인  단순한 사고예방에만 집중 교통사고 문제를 “손실 감소차원”에서 정의 : 충격에 강한 자동차, 도로환경 개선 및 안전 기준의 규정강화  사고예방과 사고에 의한 손실 감소 효과

Section 05 공학적 문제의 해결 필요한 정보 수집 기준과 제한요소 결정 정보의 형태 : 물리적 측정, 실험, 특허, 의견 수렴 등 다양한 정보 형태. 기존에 자료를 참고하고, 유사문제, 해결이 안 된 문제 및 원인 그리고 관련정보를 면밀히 검토하여 문제해결에 활용 기준과 제한요소 결정 기준(criteria) : 설계를 정확하게 명세화하는 제한요소(constraint) : 기준을 정하는 과정에서 부과되는 제약. 설계 프로젝트를 제어하는 하드웨어 및 소프트웨어의 파라미터를 결정하는 것. 실행 가능성을 평가함으로써 프로젝트가 설계 단계로 설계 단계로 진될 수 있는지를 결정. 프로젝트가 달성 가능해야 함. 프로젝트가 제한된 범위 내에서 제약을 받아야 함.

Section 05 공학적 문제의 해결 다양한 해결방법 강구 개방형 문제의 특성 : 다양한 해결방법 독창성과 잠재 의식적인 노력에 의해 새로운 아이디어를 개발 창조적인 해결방법을 찾기 위한 기술 브레인스토밍(brainstorming) 체크리스트(checklist) 속성 열거법(attribute listing) 강제적 결합 기법(forced relationship technique) 다른 시각에서의 관점을 수용 창조적인 사고데 대한 장애 극복 방법 불필요한 제한요소를 없애고, 고정관념을 버리고 다른 관점을 갖도록 노력함. 비공학적인 방법과 다른 규범을 적용. 복잡한 문제는 분리해서 단순화 시킴. 충분한 시간을 갖고 심사숙고하고, 다양한 전략을 강구.

Section 05 공학적 문제의 해결 분석과 결정 다양한 아이디어와 많은 해결방법을 분석하여 설계의 최종 해답을 결정. 해결방법이나 설계의 가치를 평가하기 위해 다양한 기준을 적용. 프로토타입(prototype) : 설계의 동작을 테스트해봄으로써 설계가 제대로 되었는지를 분석하는 것이 가장 정확한 방법. 모델링(modeling) : 시스템 또는 과정을 단순화해서 연구하고 이해하기 쉽게 하여 설계에 사용.

Section 05 공학적 문제의 해결 수학적 모델(mathematical model) 물리적인 시스템을 표현하는 하나 또는 그 이상의 수식이다. 과학적 이론이나 법칙, 실험 또는 관찰에 의한 경험적인 데이터에 근거 단순한 시스템에 적용. 컴퓨터시뮬레이션 모델(computer simulation model) 복잡한 시스템을 모델링 할 때 사용. 다양한 수학적 모델을 수용하고, 컴퓨터 프로그램에 의해 시스템을 표현 가상의 동작환경에서 시뮬레이션 물리적 모델(physical model) 복잡한 시스템을 이해하기 위한 공학자들이 사용하는 모델. 구조적인 설계를 표현하기 위한 방법 축소 모델을 사용하여 시스템의 동작을 분석  가장 정확한 결과

Section 05 공학적 문제의 해결 설계의 구현 프로토타입을 제작하고, 동시공학(concurrent engineering), 문서화, 특허출원과 같은 제반 사항들이 포함. 프로토타입 : 결정된 해답이 완벽하게 동작하도록 제작되는 실제모델. 동시공학 최적화된 공학설계 순환을 위해 정의된 시스템적인 접근방법. 제품의 라이프 사이클(life cycle)를 이루는 모든 요소들이 설계의 초기단계에서 고려되어야 함. 설계 프로세스에서 초기 단계에서 오류를 발견하고 재설계가 가능하도록 함. 개념설계  예비설계  상세설계로 완성. 설계서에 의해 협력업체와 상호 간의 이해를 통해 최초의 개념대로 프로토타입을 제작

Section 05 공학적 문제의 해결 의사소통 설계를 선택한 후에 승인자 및 구현할 상대와의 의사소통이 필요. 공학 보고서, 기획 문서 및 규격의 형태 제조부서 또는 계약자에게 구체적으로 설명하는 공학자의 표현방법. 공학도면, 문서에 의한 의사소통 및 구술에 의한 의사소통 공학도면(engineering drawing) 공학자가 그리는 기술도면(technical drawing) 필요한 부품, 조립, 완료된 후의 조작 등을 시각적인 의사소통. 명확하고 표준을 따르고, 팀에서 이해할 수 있는 규격을 따름. 문서에 의한 의사소통 메모 : 모든 사람들이 파악하기 쉽고 가장 간단하고 효율적인 방법. 기술보고서 : 설계과정을 좀 더 상세하게 작성한 완성도 있는 문서.

Section 05 공학적 문제의 해결 구술에 의한 의사소통 설계 프로젝트를 위한 일정과 기획 설계 팀, 감독자, 관리자, 마케팅 담당자에게 구도로 진행상황을 발표. 제한된 시간 내에 일목요연하게 전달  많은 준비와 연습이 필요. 구두발표를 위한 중요사항 주제에 대한 많은 정보를 습득 제한된 시간 내에 발표할 수 있도록 많은 연습 청중이 이해할 수 있는 수준 명료한 말, 적절한 제스처와 표정 적절한 시각적인 자료 활용 요약과 결론 질의 응답 후 발료 종료 설계 프로젝트를 위한 일정과 기획 설계의 해답에는 필요한 작업에 대한 일정을 포함해야 함. 잦은 설계 변경과 개선으로 각 단계에서 설계 일정을 검토해야 함.

Section 05 공학적 문제의 해결 생산설계 제품을 최종생산 할 수 있는 단계. 생산 과정에서 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위해 설계 팀에서 생산 제조 과정을 지속적으로 지원. 생산 조립 프로세스 재료의 선택, 취급, 공정, 품질관리, 물품의 구매와 조립 등 다양한 생산 공정간의 상호 작용을 이해. 생산비용을 절감하고 신속하게 출시할 수 있는 방안을 강구. 합격판정시험 프로세스 및 항목 제품이 프로토타입과 일치하는 지를 확인하는 테스트 과정. 전수검사, 샘플 검사 방식 생산제어 작업 일정 조절, 제조과정에서 필요한 재료와 기술 데이터를 제공. 컴퓨터를 이용하여 문서를 생성, 유지, 전달, 저장하는 시스템 활용.

Thank You 1장 공학설계 소개 끝