공학설계 | 개념설계(2): 동작원리와 설계대안

1. 공학설계

2. 제품기획

• 2.1. 요구사항목록

3. 개념설계

• 3.1. 설계문제와 기능구조도
• 3.2. 동작원리와 설계대안 ★

4. 기본설계

• 4.1. 시제품 레이아웃과 공학해석
• 4.2. 견실최적설계
  • 4.2.1. 문제 정의
  • 4.2.2. 제1차 실험 설계 및 수행
  • 4.2.3. 민감도 분석

5. 상세설계

• 5.1. 제작도면과 자재소요서

 

1. 동작원리 탐색

동작원리 탐색표

   세부 기능구조도를 완성했다면 각 기능블록을 구현할 수 있는 동작원리를 탐색한다. 설계 구성원들과 문헌조사를 하거나 아이디어를 발굴하여 각 세부 기능별로 동작원리를 나열한다. 이때 동작원리를 최대한 다양하게 탐색할수록 설계대안을 창안할 때 창의적이고 효과적인 조합이 나올 가능성을 높일 수 있다. 탐색한 동작원리는 설명과 간단한 그림을 포함하여 동작원리 탐색표(morphological chart)에 정리한다. 동작원리 탐색표의 왼쪽 열에는 세부 기능구조도를 구성하는 세부 기능블록을 빠짐없이 나열하고, 각 행마다 세부 기능을 구현하기 위한 동작원리를 나열한다.

2. 설계대안 창안

설계대안 창안(1)

   동작원리 탐색표의 각 행마다 동작원리 한 가지를 선택하여 하나의 시스템으로 조합한다. 각 동작원리들이 서로 어떻게 연결되어 하나의 시스템으로 통합할 것인지 생각하면서 입체도나 3D CAD로 형상을 구체적으로 나타낸다. 이렇게 창안한 설계대안은 동작원리에 따라 각각의 세부 기능을 순서대로 수행하며 전체 기능을 수행하고, 앞서 추출했던 설계문제를 해결하는 선택지가 된다.
 

설계대안 창안(2)

   이제 각 세부기능에 대해 동작원리를 이전과 다르게 선택하여 조합한다. 이를 통해 동일한 설계문제를 해결하지만 다른 동작원리를 가진 새로운 선택지를 얻을 수 있다. 해당 과정을 반복하면 사용자가 요구하는 기능을 누락 없이 구현하면서도 다양한 설계대안을 창안할 수 있다. 모든 조합의 설계대안을 창안할 필요는 없으나, 최대한 많고 다양한 설계대안을 창안하여 선택지를 늘리는 것을 목표로 한다. 이때 선택한 동작원리들이 서로 통합되지 못하는 경우나 기존에 창안한 대안과 유사한 경우에는 설계대안 선택지에서 제외한다.

3. 설계대안 비교 분석

설계대안 장단점 분석표(1)

   설계 구성원들과 각 설계대안의 장단점을 토의하여 최적 설계대안을 선정한다. 제품 기획 단계에서 작성했던 요구사항목록으로 돌아가서 각 설계대안들이 요구기능과 제한조건을 얼마나 충족하는지 확인하기 위해 설계대안 장단점 분석표를 작성한다. 요구사항목록으로부터 요구기능과 제한조건을 발췌하고 이를 분석표 상단에 나열한다. 앞서 창안했던 설계대안들은 왼쪽 열에 나열한다. 각 설계대안들이 요구기능과 제한조건을 어느 정도 충족하는지 설계 구성원들과 토론하여 그 결과를 표에 기입한다. 토론 과정에서 언급된 각 설계대안의 장단점도 추후에 참고할 수 있도록 기록한다. 모든 논의를 바탕으로 각 설계대안에 대한 종합 평가를 마지막 열에 기록한다.
 

설계대안 장단점 분석표(2)

   검토한 설계대안 중 요구사항목록을 충족하기에 부족하다고 판단한 설계대안은 제외하고, 나머지 설계대안에 대해서 장단점을 구체적으로 토의한다. 특히 단점은 어떻게 보완할 수 있을지 논의한다. 각 설계대안별 장단점과 단점 보완책은 추후에 최적 설계대안을 선정할 때 참고할 수 있도록 표로 정리한다.

4. 최적 설계대안 선정

설계대안 평가표

   이제 요구사항목록을 충족하기에 가장 적합하다고 생각하는 최적 설계대안을 선정한다. 이를 위해 설계대안 평가표를 작성하여 각 설계대안마다 점수를 부여하고 비교한다. 요구사항목록을 포함한 평가항목을 왼쪽 열에 나열하고, 각 항목의 중요도에 따라 가중치를 부여한다. 이때 평가항목의 수는 편의를 위해 15개 이하로, 가중치의 합은 10점으로 구성하는 것을 추천하며, 요구사항 외에 추가할만한 평가항목은 다음과 같다.

●  단순성  |  구조의 복잡도, 부품의 수, 부피 등
●  안전성 |  사용 안전성, 안전장치 등
●  인터페이스  |  조작 편의성, 조작 접근성 등
●  제조 용이성  |  제조 난이도, 조립 난이도 등
●  제조원가  |  제조비용, 부품 가격 등

 

   설계 구성원들과 토의하여 각 설계대안이 각 평가항목을 얼마나 충족하는지 1점부터 5점까지 점수를 부여한다. 평가를 완료했다면 가중치를 고려하여 점수를 환산하고 각 설계대안별 합계 점수를 계산한다. 설계대안 평가표에서 가장 큰 점수를 받은 설계대안을 최적 설계대안으로 선정한다. 설계대안의 점수 합계가 크게 나지 않아 어떤 설계대안을 최적 설계대안으로 선정하기 애매한 경우에는 설계 구성원들과 충분한 토론 과정을 거쳐 최적 설계대안을 선정하거나, 해당 설계대안들의 장점을 합하여 새로운 설계대안을 창안하는 것도 방법이다. 만약 시제품을 제작하는 데 소요되는 시간과 비용이 크지 않다면 해당 설계대안을 모두 다음 설계단계로 넘겨 평가한 뒤 최적 설계대안을 선정하는 것이 확실하겠다.

 

 

 

 

 

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참고문헌
- 김종원. (2008). 공학설계: 창의적 신제품 개발방법론. 문운당.