제 1 장 공학설계 개요.

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1 제 1 장 공학설계 개요

2 제1장 공학설계 1.1 서론 설계[design] :“a drawing or a outline from which something may be made” “ the planning that lays the basis for the making of every object or system”  설계는 전에 없었던 무언가를 만들어 내는 것  사회의 요구를 만족시키기 위하여 기존의 것들을 재정리 혹은 새로운 것들을 통합 설계능력 : 실질적인 프로젝트 경험을 통하여  좋은 설계 : 분석[analysis]과 종합[synthesis] 모두 필요 {분석} – 복잡한 문제를 쉬운 요소들로 분리, 요소들의 동작을 이해 {종합} – 제품을 구성하는 요소들을 조합하여 그들 간의 상호관계를 파악, 시스템의 기능을 이해  현재 설계 교육 : 분석 위주 교육[ 예) 재료역학 문제 풀이 ] - 단순한 문제(closed problem), 정답이 존재, 단순지식 요구  실생활 문제 : 개방된 문제(open-ended problem), 정답이 없음, 여러 지식 필요 -2- 2

3 제1장 공학설계 1.2 공학설계 절차 1.2.1 공학설계 절차의 중요성
제품 설계 : 냉장고, 전력기구, DVD플레이어(소비제품), 미사일, 여객기(복잡한 제품) 시스템 설계 : 전력공급기지, 석유화학공장, 빌딩이나 다리  주로 제품설계를 다룸 1.2.1 공학설계 절차의 중요성 1980년대 미국 회사의 경쟁력 확보 : 제조단가를 낮추는 방법 채택  공장 자동화와 인건비가 낮은 지역으로 이동 [ 경쟁력의 영향인자 : 비용, 품질, 제품수명] - 1991년 NRC( National Research Council )의 연구결과 : 제품 경쟁력의 핵심은 높은 품질의 제품설계 “Improving Engineering Design”  설계가 중요하다! - 제품 생산비용의 구성 : 설계비 5%정도, 제조비 95% [ 설계과정이 제조비용에 미치는 영향 70~80% ]

4 제1장 공학설계

5 제1장 공학설계 1.2.1 공학설계 절차의 중요성 비용 : 설계 과정 중에 결정을 내리는 데는 전체적인 제품비용 중에서 작은 부분을 차지하지만, 제품비용에는 많은 영향을 미친다. 품질 : 예전의 품질 개념은 생산라인에서 제품검사로 판단  설계 단계에서 생겨난 결점은 생산과정에서 고칠 수 없음  진정한 품질은 제품설계에서 고객의 요구를 반영 수명주기 : 소비자는 최신제품을 선호  제품수명주기는 새 제품을 시장에 내놓는 데 필요한 개발기간  개발기간 단축을 위한 노력 : Computer Aided Design 활용 공학설계의 목표 : 가장 짧은 시간 안에 제품의 품질과 비용 면에서 경쟁력이 있는 제품을 개발

6 제1장 공학설계 1.2.2 설계의 종류 고유설계(혁신적인 설계 : Original design, innovative design)  가장 높은 수준의 설계, 독창적이고 창의적인 개념을 도입, 발명을 포함 적응설계(Adaptive design)  새로운 응용기기, 종합을 포함 재설계(Redesign)  기존의 설계를 개선 선정설계(Selection design)  베어링, 모터, 펌프와 같은 전문 공급처에서 제공하는 표준 부품  카탈로그나 부품 리스트 산업 디자인(Industrial design)  인간의 감각으로부터 제품의 구매력, 특히 시각상의 구매력을 개선

7 제1장 공학설계 1.3 공학설계 절차를 생각하는 방법 시스템 설계 하위 시스템 큰 시스템 부품 1.3.1 단순반복 모델
1.3 공학설계 절차를 생각하는 방법 시스템 설계 하위 시스템 큰 시스템 부품 1.3.1 단순반복 모델 순차적 과정 규정된 요구를 충족시킬 수 충족시킬 수 있는 또 다른 개념을 찾는 것 최적의 시스템 개념의 수학적 모델을 세우는 것 하위 시스템을 세우기 위한 특정 부분을 지정하는 것 부품을 제조하기 위해 재료를 선정하는 것

8 제1장 공학설계

9 제1장 공학설계 1.3.2 설계 방법과 과학적 방법 1.3.3 문제 해결 방법론 과학은 관측된 것들의 연구에 기초
설계는 기능과 목적, 그리고 개조의 관점에서 특성화되는 인공적인 개념들에 기초 1.3.3 문제 해결 방법론 문제의 정의 정보의 수집 여러 대안들의 생성 대안들의 평가 및 의사 결정 결과의 소통

10 제1장 공학설계 문제의 정의 요구사항 분석 - 단번에 파악하기 어려움 - 문제를 공식화 : 문제를 서술
 목적, 원하는 작업, 제한조건, 특별한 기술적 사항  한 번에 다 파악이 안되며, 설계과정에서 추가

11 제1장 공학설계 문제의 정의

12 제1장 공학설계 정보의 수집 정보수집 전 질문 설계 프로젝트 착수 시, 가장 큰 어려움 : 정보의 결핍 혹은 과잉
 설계에서 필요한 정보는 교과서에서 못 얻음  연구기관과 기업체의 기술보고서, 특허, 업체의 카탈로그, 인터넷 검색 정보수집 전 질문 무엇을 찾을 것인가? 어디서 어떻게 찾을 것인가? 그 정보를 얼마나 신뢰할 수 있는가? 그 정보를 요구사항에 대해서 어떻게 적용할 수 있는가? 그 정보로부터 어떤 결정을 할 수 있는가?

13 제1장 공학설계 대안의 생성 대안의 평가 및 결정 설계개념의 생성 – 경험이 매우 중요
불충분한 정보 안에서 몇 가지의 개념 사이에 가장 좋은 것을 선택 제조 고려 설계와 비용평가 공학적 분석 - 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 검사 : 수학적인 검사, 공학적 감각에 의한 검사  수학적인 검사 : 분석적인 모델에서 사용된 단위변환 산술 및 방정식의 오류를 검사  공학적 감각에 의한 검사 : “ 맞는 것 같아! ”

14 제1장 공학설계 결과의 의사소통 설계 초반에 문제에 대하여 많이 알수록 설계의 자유도가 높음

15 제1장 공학설계 1.4 우수설계에 대한 고려사항 1.4.1 요구성능의 달성 요구성능의 달성 수명관련 논점
사회적이고 규정적인 논점 1.4.1 요구성능의 달성 성능 : 기능과 동작 제품 : 부품의 결합 부품 : 조립이 필요하지 않은 단일 조각, 요소부품  조립 부품 형태 : 모양, 크기, 표면 처리 환경적 요구사항 : 동작하는 서비스 조건, 녹색설계 미학적 요구사항 : “미적 감각” 인간공학 인자 : 생체역학, 인간공학, 공학 심리학 비용 : 경제적 요구사항

16 제1장 공학설계 1.4.2 전 과정 필요에 대한 생각에서 제품의 크기로 끝남
 재료 선정이 중요[ 사용조건(물성치), 제조성(비용) ]

17 제1장 공학설계 1.4.3 규정과 사회적 문제 규격과 표준 - ASTM, ASME 표준
 사용자와 생산자들의 여러 요소에서 자발적인 약속 - 전문적인 공학 단위의 윤리규약  공공의 건강과 안전을 보호 - 입법행위  안전과 건강의 여러 측면을 규정 - 인간공학 인자  효율적이고 안전하게 동작하는지를 보장하기 위해 생체역학, 인간공학, 공학 심리학의 과학적 원리를 이용

18 제1장 공학설계 1.5 설계 절차

19 제1장 공학설계 1.5.1 단계1 : 개념설계 1.5.2 단계2 : 구체설계
다양한 기능이 있는 해결방안들을 고려하고 가장 최상의 개념으로 좁힘 실행 가능성 연구 소비자 요구 사항의 확인 문제의 정의 : 품질 기능 전개(QFD), 제품설계 사양(PDS) 정보수집 개념화, 개념선정 제품설계 사양(PDS)의 개선 : 품질기능(CTQ) 설계검토 1.5.2 단계2 : 구체설계 예비설계 제품구조, 외형설계, 매개변수설계 제품구조 : 하위 시스템 또는 모듈 부품과 요소의 외형설계 : 홀, 리브, 스플라인, 커브 부품의 매개변수 설계 : 정확한 치수와 공차의 확립

20 제1장 공학설계 1.5.3 단계3 : 상세설계 시험을 거치고, 생산이 가능한 제품을 공학적으로 표현
각 부품을 배치, 형태, 치수, 공차, 표면성질, 재료, 제조 방식 특수목적의 부품 표준부품 : 공급원으로부터 구매 - 제조에 적합한 상세한 공학도면 - 견본의 입증 시험은 성공적으로 완료되며, 입증자료 제출 - 조립도면과 조립설명서 완료 - 개념설계 단계 이후에 만들어진 모든 변화가 고려된 자세한 제품사양 - 부품을 내부에서 제작할 것인지 외부 공급원으로부터 사올 것인지 결정 - 이전정보를 가지고, 제품에 대한 상세한 비용 예측 수행 - 최종적으로 상세도면은 설계정보가 제조를 위해 넘어가기 전에 설계 검토

21 제1장 공학설계 1.5.4 단계4 : 생산계획 1.5.5 단계5 : 유통계획 시스템의 각각의 요소부품의 제조방법 공정표
- 특수한 작업 공구와 고정대의 설계 - 사용될(또는 새 설비의 설계) 생산 설비의 명시 - 작업 일정의 계획과 재고 관리(생산 관리) - 품질 보증 시스템의 계획 - 기준 시간의 확립과 각 작업의 노동 비용 - 제조 작업을 관리하기 위해 필요한 정보 흐름 시스템의 확립 1.5.5 단계5 : 유통계획 소비자에게 효과적으로 유통 기술적 및 사업적인 결정

22 제1장 공학설계 1.5.6 단계6 : 사용계획 1.5.7 단계7 : 제품의 폐기 계획
관리의 용이성, 내구성, 신뢰성, 제품 안정성, 용이한 작동법, 미적 매력 및 구동 경제성 제품 책임법 1.5.7 단계7 : 제품의 폐기 계획 사용수명 : 노후와 제 구실을 못하게 되는 마모, 경제성 환경고려 설계

23 제1장 공학설계 1.6 컴퓨터 지원 공학 CAD를 이용한 보잉 777 설계 계산 집약적 분야 : FORTRAN과 같은 고급언어
공학 도면 작성 : 2차원 도면  3차원 모델링 분석, 설계 최적화, 모의실험, RP, 제조 가상현실 컴퓨터 지원 설계(CAD), 컴퓨터 지원 제조(CAM) 동시공학 : 제품 개발절차의 모든 내용을 관련 있는 팀들에게 알려주는 단위의 접근 방법 CAD를 이용한 보잉 777 설계 1990년 가을에 시작  1994년 4월에 종료[ 3백만 개 부품으로 구성 ] CATIA라는 3D-CAD 사용 - 17개의 시간대 지역의 238개 팀 참여, 7천 개의 워크스테이션 사용 - 세계 최초로 종이 없이 비행기 설계 완료  주문변경 및 재작업량을 50%이상 축소

24 제1장 공학설계 1.6 컴퓨터 지원 공학 컴퓨터 지원 공학 : 컴퓨터 그래픽스 및 모델링, 수학적 분석 및 모의실험
컴퓨터 모델링 : AutoCAD, ProE, Solid Works CAE 분석 : 스프레드시트, 유한요소 모델 -> 응력, 열전달, 유체유동 방정식 : TK Solver, MathCAD, Eureka, Mathematica, Maple, MatLab 프로그램 언어 : Fortran, Basic, Pascal 유한요소 모델링, QFD, 창의성 증진, 의사 결정, 통게적 모델링

25 제1장 공학설계 1.7 코드와 표준에 맞춘 설계 코드와 규격 : 효율과 안정성, 교환 가능성과 호환성
코드 : 정부기관이 재산 피해나 상해 또는 인명손실을 예방 공공의 복지를 보호하기 위한 법률과 규정의 모음 표준 : 절차, 기준, 치수, 재료 및 부품에 대해서 일반적으로 합의된 것 표준과 규격 표준 : 일반화된 상황 규격 : 특수화된 상황 코드 성능 코드 : 성취되어야 할 자세한 요구 사항 규정(규격) : 자세한 것에 관련한 요구 사항을 서술 정부의 규정 : 안전과 건강 법령

26 제1장 공학설계 1.7 코드와 표준에 맞춘 설계 설계 표준 : 성능, 시험 방법, 직업 규약
성능 표준 : 안전 벨트, 판재, 자동차 충돌 안정성 시험 방법  항복강도, 열전도도, 전기저항 -> ASTM  제품을 위한 중요한 시험 기준 -> UL 직업 규약 : 파이핑 설계, 열교환기, 압력용기 -> ASME 표준 : 민간 기업들의 사유적인 사용 치수, 공차, 형태, 제조 과정, 표면 처리 -> AISC, DHI 검토과정과 승인 및 공표 -> ANSI, ISO 표준 : 대중을 보호, 제품과 설계 비용을 절감 공학설계 절차 : 적절한 기능 최적 성능 충분한 안정성 저비용

27 제1장 공학설계 공학설계 절차  적절한 기능  최적 성능  충분한 안정성  저비용
그룹 기술(group technology ;GT) : 유사점 - 제조 공정의 유사점, 기하학적 형태의 유사점 - 코드 및 분류 시스템 CAD-CAM : 인터페이스 및 정보 교환 - NIST  IGES, PDES 기술의 진보를 제한하는 표준  ASME 보일러와 압력용기 : 1900년대 초반 미국 50개 주에서 채택  성능기준이 엄격 -> 새로운 재료를 시험하는데 많은 비용이 소요  시험 없이 코드를 바꾸지 않음

28 제1장 공학설계 1.8 설계검토 검토팀 : 설계, 제조, 마케팅, 구매, 품질관리, 신뢰성 공학, 현장 근무자 검토 : 기술적인 요소, 비즈니스 상세 제품설계 사양(PDS)에 대한 것을 비교 PDS : 성능 요구사항, 작동 환경, 제품 수명, 품질, 신뢰성, 비용, 설계요구사항 1.8.1 재설계 수정과 개선  수정 : 요구되는 성능이 미치지 못함으로써 요구  개선 : 용량추가, 성능 개선, 외형 개선 탄화불소 냉매의 사용 금지  냉동 저장 시스템의 재설계 설계의 계속적인 발전  열차 바퀴(150년 동안 유지)

29 제1장 공학설계

30 제1장 공학설계 1.9 공학설계에서의 사회적 고려사항 ABET 윤리코드
“공학자는 자신의 직업 내에서 안전, 건강, 공공재산을 최우선적으로 생각해야 한다.” - 주요 제품의 책임을 지도록 하는 변호사의 공학적 결정에 있어서의 큰 영향력 - 공학 프로젝트의 미래의 영향을 계획하고 예측하는 데에 더욱 오랜 시간 소요 - 가능성 있는 소송으로부터 단체를 보호하기 위해 기획된 더욱 강화된 방어적 연구 개발 - 환경적 제어와 안전을 위해 연구, 개발, 공학에 쓰이는 노력의 증대 녹색설계 : 쉽게 재사용, 재활용, 소각될 수 있도록

31 제1장 공학설계 TABLE 1.1 환경적으로 신뢰할 수 있는 설계 특징 쉽게 분해 가능하다 재활용할 수 있다.(8.9절 참조)
재활용된 재료들을 포함한다. 식별가능하고 재활용이 가능한 플라스틱을 사용한다. 제조과정에서 에너지와 천연자원의 사용을 줄인다. 해로운 폐기물의 배출 없이 제조된다. 해로운 재료의 사용을 피한다. 화학적 방출물을 줄인다. 에너지 소모를 줄인다.

32 제1장 공학설계 복잡한 기술적 시스템  시스템공학 정부의 역할 - 세금 시스템의 조율을 통한 자유기업의 격려
- 경제 성장을 제어하기 위한 이자율에 영향을 미치는 것과 재정정책의 변경을 통한 벤처 자본의 공급 - 첨단 기술과 특히 군사적 시스템의 주요 고객 - 연구개발의 자금 공급 - 기술 규제 공학과 사회의 미래 상호작용

33 제1장 공학설계 TABLE 1.2 공학과 사회 사이의 상호작용의 미래 동향 (1/2) 미래에는 기술이 더욱 발전
모든 기술들이 부작용을 일으킴  이것을 방지하거나 최소한 좋지 않은 결과를 완화시키도록 노력 혁신하고 정보를 관리하고, 자원으로서의 지식을 키워나가는 능력  천연자원, 자본, 노동력이 한때 그랬던 것처럼 경제영역을 장악  단순한 하드웨어의 설계가 아닌, 전반적인 기술전달 시스템을 위한 능력을 특별히 높게 평가 문화적 선호물과 변천은 고상함, 진기함, 또는 하드웨어의 탁월성보다 기술적인 선택에 관련 구성력처럼 작용하는 기술은 힘과 부의 집중과 크고 독점적인 기업들로의 경향을 촉진 현재의 정부는 법인 정부를 향한 경향이 더욱 확고해지고 있음  기술적인 선택을 위해 정치적인 공간을 더욱 크게 만들고 있음  정치, 군사, 산업의 복합체는 이러한 발달의 축소화된 모델을 나타냄 사회에서 이익의 분배는 균등하지 않아서, “가진 자”와 “못 가진 자” 간의 불균형이 점점 커짐 결핍, 글로벌 경쟁, 높은 에너지 소모, 인구 증가, 연계된 정치적 불안정성, 인간의 건강과 환경에 대한 커다란 위협의 시대로 들어섬  성공한 사람과 실패한 사람들 간의 갈등이 더욱 격렬

34 제1장 공학설계 TABLE 1.2 공학과 사회 사이의 상호작용의 미래 동향 (2/2)
기술로 인해 우리는 사람과 자본, 상품, 정보, 문화, 오염이 경계선을 자유롭게 넘나드는 “하나의 시대”  그러나 경제적, 사회적, 문화적, 그리고 환경적 경계선이 없어짐에 따라 정치적인 경계선들은 완고  미국은 기술에 있어서 세계의 리더자리를 위해 주요한 경제적 지정학상 도전들을 감지 기술전달 시스템의 복잡성은 상호의존도가 높아지면서 같이 증가  전체론적이고 측면적인 개념을 생각할 수 있는 능력을 가진 관리를 필요 결정을 내리는 것이 더욱 더 어려움  그 이유는 연계된 조직들의 숫자와 다양성이 증가  구별된 동기들과 역사적 행동에서의 붕괴, 그리고 예상치 못한 인간의 제도들 때문 대중매체는 특히 인명의 손실을 포함하는 분야에서 논쟁을 밝히고 기술적인 딜레마 선정을 중요시 함 대중매체는 목적과 용기 있는 조사 및 리포팅을 위한 특별한 책임이 있음 복잡함과 전문가들, 상업적 또는 정치적 상위계층들에 의해 내려지는 결정이 사회를 지배  일반대중은 더욱 취약하고 무기력하게 느낌 중요한 선택이 미리 주어진 상황에서 사회적으로 만족스러운 결과들을 창출  도덕적인 시야와 윤리적인 표준들의 수행이 더욱 더 강조  책임감이 더욱 열성적으로 요구된다.

35 제1장 공학설계 1.10 공학설계에서의 사회적 고려사항 설계절차의 단계 단계 1 : 개념설계 - 요구사항의 인식
- 문제의 정의 - 설계 개념의 개발 - 여러 가지 개념안 간의 선택(평가) 단계 2 : 구체설계 - 제품구성: 물리적 기능의 배치 - 형상설계 : 재료의 예비 선정, 모델링, 부품의 크기 - 매개변수설계 : 강건한 설계의 창조와 최종 치수와 공차의 결정 단계 3 : 상세설계(설계의 모든 세부사항들을 완성) - 최종도면과 사양의 창조 단계 4 : 생산계획(치공구의 설계, 공정도와 생산 라인 설계, 작업 일정, 품질 보증) - 시스템, 정보 흐름 시스템 계획

36 제1장 공학설계 제품 설계사양(PDS) 단계 5 : 유통 계획 - 포장, 배송, 창고 보관과 소비자들로의 제품 유통 계획
단계 6 : 사용 계획 - 쉬운 사용, 쉬운 관리, 안정성, 제품 안전, 미적 매력, 경제적인 작동, 제품의 내구성 단계 7 : 제품의 폐기 계획 - 제품의 수명이 다했을 때, 재활용하거나 재사용 또는 재 제조 할 때 안전하게 제품 설계사양(PDS) - 성능 특성, 작동 환경, 목표 제품비용, 사용수명, 유지 보수를 위한 준비, 미학, 예측되는 시장과 생산하여야 할 수량, MMI(man-machine interface) 요구사항, 품질, 안정성, 안전도, 환경적 고려사항, 성능 시험을 위한 준비