エンジニアリング設計プロセス
エンジニアリング設計プロセスに影響を与える要因

エンジニアリング設計プロセスとは、エンジニアが製品、プロセス、システムの設計を作成し、検証する方法を指します。これには、製造、保守、そしてリサイクル、再製造、廃棄といったライフサイクルプロセスも含まれます。このプロセスには様々な記述があり、単一の標準形式は存在しませんが、個々のエンジニアの実践や企業のプロセスには多くの側面が共通しています。状況に関わらず、エンジニアリング設計プロセスは反復的です。新しい情報が入手されるたびに、活動や意思決定を何度も見直す必要があることがよくありますが、反復される内容や回数は状況によって異なります。

工学設計プロセスを説明する方法には、ステップや段階を経る進行、多くの参加者が関わる共同社会活動、工学科学、基礎科学、数学を応用して体系的に一連の意思決定を行い、定められた目的を達成する意思決定プロセスなどがある。工学設計プロセスは非常に複雑で状況に特化しているため、個々の視点はパズルの一部分しか示していない。現代の考え方では、工学設計プロセスをしっかりと理解するために、複数の視点を考慮した多元的アプローチが推奨されている[1] 。設計プロセスの基本要素には、目的と基準の設定、統合、分析、構築、テスト、評価などがある[2] 。

エンジニアリング設計プロセスの概念は、エンジニアリング手法やエンジニアリングマインドセットの概念とは異なります。プロセスとは、エンジニアリング作業が時間の経過とともに、一連の段階を経て、あるいは一連の活動を通してどのように展開されるか、あるいは展開されるべきかを指します。関連用語であるエンジニアリング手法とエンジニアリングマインドセットは、エンジニアが問題解決に用いる、より一般的な体系的なアプローチを指します。例えば、エンジニアリング手法とエンジニアリングマインドセットは、エンジニアリングそのものだけでなく、ビジネスにおける複雑な問題解決にも活用できます。

一般的なステージ

エンジニアリング設計プロセスは、多様なモデルで表現され、それぞれ異なる枠組みを用いています。使用される用語は多種多様で、重複度合いも様々です。そのため、特定のモデルにおいて、どのステップが明示的に記述されるか、あるいは「上位レベル」とみなされるか、あるいは下位レベルとみなされるかが左右されます。もちろん、これはここで示した特定のステップ／シーケンスの例にも当てはまります。

エンジニアリング設計プロセスの一例として、研究、概念化、実現可能性評価、設計要件の設定、予備設計、詳細設計、生産計画とツール設計、生産という段階が説明されています。[3]「さまざまな著者 (研究文献と教科書の両方) が、設計プロセスのさまざまな段階とその中で行われるさまざまなアクティビティを定義している」ことを指摘する他の人は、問題定義、概念設計、予備設計、詳細設計、設計コミュニケーションなど、より単純化/一般化されたモデルを提案しています。[4]ヨーロッパのエンジニアリング設計文献からのプロセスの別の要約には、タスクの明確化、概念設計、具体化設計、詳細設計が含まれます。[5] (注: これらの例では、概念評価やプロトタイピングなどの他の重要な側面は、リストされたステップの1つ以上のサブセットや拡張です。)

研究

設計プロセスの様々な段階（さらにはそれ以前の段階）では、情報の検索と調査にかなりの時間がかかることがあります。[6]既存の適用可能な文献、既存のソリューションに関連する問題点と成功事例、コスト、市場のニーズなどを考慮する必要があります。[6]

情報源は関連性のあるものでなければなりません。 リバースエンジニアリングは、市場に他のソリューションが存在する場合、効果的な手法となり得ます。[6] その他の情報源としては、インターネット、地域の図書館、入手可能な政府文書、個人組織、業界誌、ベンダーカタログ、専門家などが挙げられます。[6]

設計要件

設計要件の確立と要件分析の実施は、問題定義（または関連活動）と呼ばれることもあり、特定の業界における設計プロセス[7]における最も重要な要素の一つであり 、この作業は実現可能性分析と同時に行われることが多い。設計要件は、エンジニアリング設計プロセス全体を通して、開発中の製品またはプロセスの設計を制御する。これらには、機能、属性、仕様といった基本的な事項が含まれ、ユーザーニーズを評価した上で決定される。設計要件には、ハードウェアおよびソフトウェアのパラメータ、保守性、可用性、テスト可能性などが含まれる。[3]

実現可能性

場合によっては、実現可能性調査を実施し、その後、次のフェーズのスケジュール、リソース計画、見積りを作成します。実現可能性調査とは、提案されたプロジェクトの潜在能力を評価・分析し、意思決定プロセスを支援することです。望ましい結果を達成するための代替案や手法を概説し、分析します。実現可能性調査は、プロジェクトの範囲を絞り込み、最適なシナリオを特定するのに役立ちます。実現可能性報告書が作成され、その後、事後実現可能性レビューが行われます。

実現可能性評価の目的は、エンジニアのプロジェクトが設計段階に進むことができるかどうかを判断することです。これは2つの基準に基づいています。プロジェクトは実現可能なアイデアに基づいていること、そしてコストの制約内で実施される必要があることです。実現可能性調査のこの部分には、経験豊富で優れた判断力を持つエンジニアが関与することが重要です。[3]

コンセプト生成

コンセプトスタディ（概念化、概念設計）は、多くの場合、プロジェクト計画の段階であり、アイデアの創出と、それらのアイデアの実現における長所と短所の検討が含まれます。プロジェクトのこの段階は、エラーの可能性を最小限に抑え、コストを管理し、リスクを評価し、意図したプロジェクトの成功の可能性を評価するために行われます。いずれにせよ、エンジニアリング上の課題や問題が定義されたら、潜在的な解決策を特定する必要があります。これらの解決策は、アイデアを生み出す思考プロセスであるアイデア創出によって見つけることができます。実際、このステップはしばしばアイデア創出または「コンセプト生成」と呼ばれます。以下は広く使用されている手法です。[3]

  • トリガーワード - 問題に関連する単語やフレーズが述べられ、後続の単語やフレーズが喚起されます。
  • 形態学的分析– 独立した設計特性をチャートに列挙し、それぞれのソリューションに対して異なるエンジニアリングソリューションを提案します。通常、形態学的チャートには、予備的なスケッチと短いレポートが添付されます。
  • シネクティクス- エンジニアは自分自身を対象物として想像し、「もし自分がシステムだったらどうするだろうか？」と自問します。この型破りな思考法によって、目の前の問題の解決策が見つかるかもしれません。概念化のステップで最も重要なのは、統合です。統合とは、コンセプトの要素を取り出し、適切な方法で配置するプロセスです。統合という創造的なプロセスは、あらゆるデザインに存在します。
  • ブレインストーミング- この人気の方法は、通常は小グループでさまざまなアイデアを考え、それらのアイデアを何らかの形で問題の解決策として採用することです。

生成されたさまざまなアイデアは、さまざまなツールを使用して代替案の相対的な長所と短所を比較対照する コンセプト評価ステップにかけられる必要があります。

予備設計

予備設計、または高位設計（FEEDまたは基本設計とも呼ばれる）は、設計構想と詳細設計の間のギャップを埋める役割を果たします。特に、アイデア創出段階での概念化レベルが完全な評価に十分でない場合に有効です。この作業では、システム全体の構成が定義され、プロジェクトの回路図、図表、レイアウトが初期のプロジェクト構成を提供する場合があります。（これは分野、業界、製品によって大きく異なります。）詳細設計と最適化の過程では、作成される部品のパラメータは変化しますが、予備設計はプロジェクトを構築するための全体的な枠組みの作成に重点を置いています。[3]

S. ブランチャードとJ. ファブリッキーは、これを次のように説明しています。「概念設計の起点となる『何を』は、実現可能な概念設計コンセプトに適用された概念設計評価作業から『どのように』を生み出します。次に、この『どのように』は割り当てられた要件を通して予備設計に取り入れられます。そこで『何を』となり、この下位レベルで『どのように』に対処するための予備設計を推進します。」

詳細設計

FEEDに続くのは詳細設計（詳細エンジニアリング）フェーズで、資材調達も含まれる場合があります。このフェーズでは、ソリッドモデリング、図面、仕様書を用いてプロジェクト／製品の各側面を詳細に記述します。

コンピュータ支援設計（CAD）プログラムは、詳細設計段階の効率化に貢献しています。例えば、CADプログラムは部品の品質を損なうことなく体積を削減する最適化を行うことができます。また、有限要素法を用いて応力と変位を計算し、部品全体の応力を特定することもできます。[8]

生産計画

生産計画と金型設計は、製品の量産方法と製造工程で使用する金型の計画から成ります。このステップで完了するタスクには、材料の選択、製造工程の選択、作業手順の決定、治具、固定具、金属切削工具、金属またはプラスチック成形工具などの金型の選択が含まれます。このタスクには、量産版が認定試験基準を満たすことを確認するための追加の試作試験の反復も含まれます。[3]

科学的方法との比較

工学設計プロセスは科学的手法とある程度の類似点を持つ。[9]どちらのプロセスも既存の知識から始まり、知識の探求（「純粋」または基礎科学の場合）や解決策の探求（工学などの「応用」科学の場合）において、徐々により具体的なものへと進んでいく。工学プロセスと科学的プロセスの主な違いは、工学プロセスは人間のニーズに応えるために技術を活用するための体系的な思考の適用に重点を置いている点である。科学的プロセスは説明、予測、そして発見を重視している。科学的発見は、後に工学的解決策に活用される可能性がある。

学位プログラム

エンジニアリング設計プロセスと関連する手法は、ABET またはワシントン アコード認定のエンジニアリング プログラムを備えた大学を含む (ただしこれに限定されません) 世界中の大学で教えられています。

参照

参考文献

  1. ^ Wynn, DC、Clarkson, PJ (2023). 『設計・開発プロセス：視点、アプローチ、モデル』. シャム、スイス: Springer. DOI 10.1007/978-3-031-38168-3
  2. ^ 「エンジニアリングプログラムの認定基準、2019-2020」ABET 。 2019年9月15日閲覧。
  3. ^ abcdef Ertas, A. & Jones, J. (1996). 『エンジニアリング設計プロセス』第2版. ニューヨーク, John Wiley & Sons, Inc.
  4. ^ Dym, CL & Little, P. (2009). エンジニアリングデザイン. ニューヨーク, NY, John Wiley & Sons, Inc.
  5. ^ Pahl, G. & Beitz, W. (1988). エンジニアリングデザイン：体系的アプローチ. ロンドン, イギリス, The Design Council.
  6. ^ abcd A.Eide, R.Jenison, L.Mashaw, L.Northup. エンジニアリング：基礎と問題解決. ニューヨーク市：McGraw-Hill Companies Inc., 2002
  7. ^ Ralph, P., Wand, Y. 「設計コンセプトの正式な定義に関する提案」Lyytinen, K., Loucopoulos, P., Mylopoulos, J. , Robinson, W.（編）『設計要件エンジニアリング：10年の展望』Springer-Verlag, 2009年、103～136頁。
  8. ^ Widas, P. (1997年4月9日). 有限要素解析入門. 「有限要素解析入門」より引用. 2011年5月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年11月23日閲覧。
  9. ^ ディーター、ジョージ、シュミット、リンダ(2007).エンジニアリングデザイン. マグロウヒル. p. 9. ISBN 978-0-07-283703-2。
  • 「工学プログラムの認定基準、工学認定委員会」（PDF）。ABET。
  • ウルマン、デイビッド・G.（2009）機械設計プロセス、マクグローヒル、第4版、ISBN 978-0072975741
  • エガート、ルドルフ・J.（2010）エンジニアリングデザイン、第2版、ハイピークプレス、メリディアン、アイダホ、ISBN 978-0131433588
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