On the Fundamentals of the Engineering Design Process

Abstract

In an industrial context when the product development cycles are shortened and constraints on technical innovations are high, it is very important to provide a very efficient and effective engineering design activity. In the current engineering design literature, most methodologies are by and large based on the so-called systematic engineering design approach. This approach is characterized by an engineering design process model (well-defined design phases and steps) and a set of core methods that are both assumed to be generic.

The initial focus of the thesis was set on a further improvement of the systematic engineering design methodology, specifically with the support of the embodiment design and detail design phases of the engineering design process, that is, support of the activities of establishing the product architecture of the technical system, selecting components, and creating and fully dimensioning each and every one of the subsystems and details. The first step of this overall research project was to observe and analyze the engineering designer at work to understand his or her thinking patterns and to map his or her skills and know-how, in oder to form the theoretical foundation upon which the support methodology could be developed. A subsequent procedural model was developed and tested with students.

Different problems appeared during this investigation: the students using a systematic approach did not attain much better results than those who relied on their expertise and intuition; it seemed that other factors were at least as important as the systematic approach in terms of efficiency and effectiveness. These severe limitations were corroborated by similar observations in the literature. It was therefore decided to modify the objectives set out for the thesis towards a critical review of the systematic engineering design approach.

Three aspects were investigated: the effectiveness of the systematic engineering design approach, that is, the degree to which it permits the design of technical systems to fulfill the requirements; the coherence and relevance of the fundamentals of the approach; and the interaction of the systematic engineering design process with the product development process models. Many empirical studies show that application of the methodology increases effectiveness, but it could also be observed that the central features of systematic engineering design process models — a step-by-step concretization of the product with a systematic variation of subsolutions and recombination — are not absolutely necessary, and that the proposed engineering design process model is far from being as generic as is supposed. The interaction between the engineering design process and product development models is not unproblematic either. This discrepancy between the reported shortcomings and the good empirical results of the systematic approach is explained by a substantial adaptation of the methodologies and by the positive indirect effects produced (favoring structure and documentation, easing consensus building among the team members, etc.).

As many fundamentals of the systematic approach were questioned, the subsequent step was to search for new fundamentals that would constitute a core set of elements necessary for the development of new and/or revision of existing methodologies. To that end, the engineering designer's cognitive processes, the nature of problem solving and the context of product development were redefined. From these elements and the critical review of the systemic approach, a certain number of fundamentals are proposed: redefine the conceptual design activity as the development of the product until all critical risks are eliminated; search for a satisfying design, not necessarily an optimal one; use a pragmatic approach instead of breadth-first top down strategy; find a design process unique for each project, enabled by knowledge about the different product development approaches presented in the thesis. Hence the function modeling and morphological matrix methods are no longer central to the design activity. This set of fundamentals should also contribute to a deeper theoretical insight into today's engineering design methodologies and thus help establish those of tomorrow.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I en alltmer konkurrenskraftig omvärld är det av störst vikt att i ett högkostnadsland som Sverige att innovera och utveckla produkter så effektivt som möjligt. För att uppnå dessa mål finns det klara indikationer på att våra nuvarande produktutvecklings- och konstruktionstillvägagångssätt saknar väsentliga egenskaper för att uppnå önskvärd effektivitet.

Den frekvent mest använda utvecklingsmodellen är den s.k. trattmodellen: de många produktidéerna väljs bort m h t företagets strategi, marknaden och potentiella teknologiska misslyckanden under utvecklingens gång tills bara de få bästa lämnar tratten som färdiga produkter. Den har två huvuddelar: produktplanläggning och produktutveckling.

Konstruktion utgör den tekniska delen av utvecklingsarbetet och kan med fog sägas vara den mest dominerande delen av produktutvecklingsarbetet p.g.a. dess komplexitet och kostnaderna den initierar. Tillvägagångssättet vid konstruktion är väl etablerat. Konstruktören bör följa den s.k. systematiska konstruktionsmetodiken, som utgår ifrån att man börjar med att fastställa produkt-, eller alternativt uttryckt, kravspecifikationen. Utifrån specifikationen deducerar man de funktioner produkten ska utföra. I nästa steg försöker man hitta flera lösningar till varje funktion. Genom kombination av lösningsförslagen till varje funktion skapas så en helhetslösning, den kompletta produktlösningen, som vanligen benämns "koncept" eller ”principlösning.”. Dessa utvärderas och det eller de bästa går vidare till nästa konstruktionsfas där produktens arkitektur etableras, dess komponenter väljs och slutlösningen, produkten, anpassas till företagets produktionssystem.

Detta forskningsprojekt var i början inriktat mot vidareutvecklingen av den systematiska konstruktionsmetodiken, med tyngdpunkt på de senare faserna i konstruktionsprocessen. Under forskningsarbetets förlopp ledde arbetet så småningom till insikten att det var nödvändigt att allvarligt ifrågasätta vissa av grunderna till etablerade konstruktionsprocessmodeller. En grundlig kritisk undersökning av den systematiska konstruktionsmetodiken utfördes och det visade sig att denna kunde ge upphov till ett antal allvarliga brister i den slutliga produkten och i konstruktionsarbetet som sådant. Till exempel handlar en produkt inte bara om att skapa ett tekniskt system utan också om associerade tjänster, särskilt i utbytet av produkter mellan företag ("business-to-business"). En komplett lösning till en kund kan anta helt olika former: ett i borttagning av skärvätska specialiserat företag kan välja att sälja endast utrustning för avlägsnandet av skärvätskan eller hyra ut utrustningen och därmed svara för installation, service, samt återvinning av skärvätskan. Varje lösning kräver olika förutsättningar för utrustningen, till exempel genom att öka utrustningens förvaringsvolym så minskas kärvätskans hanteringskostnader. Den systematiska konstruktionsmetodiken kan ha svårt att hantera sökningen av lösningar utifrån dessa premisser. Dessutom visar detta exempel på att metodiken inte kan garantera att den bästa produktlösningen hittas, eftersom det är svårt att modellera interaktionen mellan tjänst och det tekniska systemet (utrustningen). Metodiken fokuserar alltså på att generera många lösningar, vilket ökar utvärderingstiden. Vidare är metodiken inte utvecklad för att minska de potentiella tekniska risker som kan leda till omkonstruktioner med stora förseningar och merkostnader. Den är inte heller väl anpassad till trattmodellen: enligt metodiken äger konstruktion rum under produktutvecklingsprocessen och utgår ifrån förutsättningen att det är fritt fram under lösningsgeneringen, vilket i praktiken inte alltid är fallet då stora delar av produktens utformning redan kan ha bestämts under produktplanläggningen.

När det gäller trattmodellen självt, så är denna väldigt allmängiltig men det finns alternativ som bättre passar vissa projekt än andra och skulle därmed förbättra pro-jektets utfall.

Till följd av vad som beskrivits ovan, behövs hela konstruktionsmetodiken omprövas. Således har nya fundamenta föreslagits, som är avsedda att ligga till grund för vidare- eller nyutveckling av konstruktionsmetodiker. Här är några exempel på föreslagna fundamenta: målet för konstruktionsarbetet inte längre är nödvändigtvis utveckling av en optimal lösning utan av en tillfredställande lösning; om trattmodellen används ska konceptutveckling vara en del av produktplanläggningsarbetet och inte som i många av dagens metodiker bara äga rum under produktutvecklingen; begreppet konceptet omdefinieras i form av en teknisk lösning som utvecklats så långt att dess tekniska risker bedöms minimala. I fortsättningen är det tänkt att en på dessa fundamenta baserad metodik ska tas fram.

Den kritiska granskningen och de föreslagna fundamenta bidrar också till att konstruktören får en mycket tydligare insikt i metodikerna samt konstruktionsproces-sen. På detta sätt kan produktutvecklaren bättre förstå under vilka förutsättningar han/hon arbetar och ges därigenom möjlighet att välja de mest lämpade metoderna och verktygen för sitt arbete. Större flexibilitet ges därmed till konstruktören och därmed förväntas också bättre resultat i form av produkter med egenskaper som minst motsvarar, och kanske t.o.m. överträffar, kundens förväntningar.

• author: Motte, Damien
• supervisor: Robert Bjärnemo; Åke Burman
• opponent: Professor Blessing, Luciënne, Université du Luxembourg, Luxembourg
• organization: Innovation
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Production Engineering, Human Work Science and Ergonomics
• keywords: systems theory, design theory, engineering design, product development, problem solving, creativity, machine design, maskinkonstruktion
• pages: 197 pages
• defense location: Lecture hall, Ingvar Kamprad Designcentrum, Sölvegatan 26, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-06-10 09:15:00
• ISBN: 978-91-7473-135-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 8206c148-4580-4be0-9e69-15bb1908fc5b (old id 1951165)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:27:11
• date last changed: 2022-10-18 02:15:25