تعرف عملية التصميم الهندسي على أنها عملية ابتكار نظام أو مكون أو طريقة لتلبية الاحتياجات المطلوبة, فهي بالأساس عملية اتخاذ قرار حيث يتم تطبيق العلوم الهندسية والرياضيات لتحويل الموارد على النحو الأمثل لتحقيق الهدف المعلن.
عرف جوزيف شيغلي في كتابة الشهير التصميم الميكانيكى على انه مهمة معقدة تتطلب العديد من المهارات ويجب تقسيم المهام الكبيرة إلى سلسلة من المهام البسيطة, فتعقيد الموضوع يتطلب تسلسلاً يتم فيه تقديم الأفكار وتكرارها.
و من هنا يتضح لنا أن علم التصميم الميكانيكي ليس علم قائم بحد ذاته بل له ارتباط مباشر بكثير من العلوم مثل الرياضيات وخواص المواد وتحليل الإجهادات وعلم الاقتصاد

ويتضح أيضا الفرق بين عملية التصميم الهندسي والتصميم الميكانيكي فالتصميم الهندسي يشمل التصميم الميكانيكي على سبيل المثال عملية تصميم محطة رفع مياه هي عملية تصميم هندسي تشمل بداخلها عمليات التصميم الميكانيكي والمعماري وعلم ميكانيكا الموائع.
سنتحدث في هذا المقال عن الخطوات العشر للحصول على تصميم ناجح وأهم الأمور التي يجب أن يضعها المصمم في اعتباره أثناء عملية التصميم, ثم سننتقل بعد لنعرض الطفرة التي قامت بها برامج الكمبيوتر الحديثة للرفع من كفاءة التصميم الميكانيي.

الخطوات العشر للتصميم الميكانيكي

1.Recognize the need

الخطوة الأولى لعملية التصميم هي تحديد الحاجة الأساسية من ذلك التصميم ( لماذا أقوم بعمل ذلك التصميم ؟), فعادة تكون الحاجة الأساسية من التصميم هي حل مشكلة تواجه عدد من العملاء أو تحسين جودة وكفاءة تصميم موجود فعلاً, وتتميز هذه المرحلة بالتلقائية البحتة في تحديد الغرض من التصميم فنحن هنا لا نقوم بتحليل المشكلة ولا اقتراح حلول بل فقط نكتفي بتحديد ما الذي نريده من ذلك التصميم.
مثال: نحتاج لزيادة عمر بطارية الهاتف المحمول.
نلاحظ في المثال السابق أننا لم نقل مثلا ” يجب إضافة مركبات أفضل من عنصر الليثيوم للبطارية ” , بل اكتفينا بذكر الغرض.

2.Problem Definition

تعد هذه الخطوة من أهم خطوات عملية التصميم وفيها يقوم المصمم بتحديد وتوصيف المشكلة، فبدون فهم المشكلة الموجودة فهماً جيداً تصبح عملية التصميم (حل المشكلة) بلا جدوى بل مضيعة للوقت والجهد.

مثال: إذا كانت المشكلة في أن هناك انبعاثات ضارة غير مسموح بها تنتج من مدخنة مصنع فهنا نعلم أننا نهتم بتحسين جودة منقيات العادم.

تعريف المشكلة لابد أن يشمل كل المواصفات الخاصة بالتصميم مع الأخذ باعتبارات التصميم – سنتحدث عنها لاحقاً بالتفصيل – ونعنى بالمواصفات أي شيء يحد من حرية المصمم في الاختيار.

مثال: نريد تصميم خزان للمياه فالمواصفات هنا هي سعة الخزان والمادة المصنوع منها……إلخ. فهذه المواصفات لا تحدد بواسطة المصمم، بل تُفرض عليه لكي يؤدي المنتج الغرض منه أو تحدد له من قبل العميل.

يُمكننا تعريف المشكلة بأنها عبارة عن عَرض مفاجئ، أو ظهور غير محسوب لنتيجة فعل ما، أو تغافل عن إدراك ما قد يجعلنا نتوقف لفترة من الزمن لحلها وفقاً لدرجة تعقيدها.

3.Gathering of Information

بعدما قمنا بتحديد ما الذي نريده (Recognize the need) والمشكلة التي تواجهنا لتحقيقه (Problem definition)، آن الأوان لجمع المعلومات التي من الممكن أن تساعدنا على حل هذه المشكلة وتحقيق الهدف المطلوب.

عملية جمع المعلومات ممكن أن تكون سهلة أو معقدة وفقاً للموضوع الذي تبحث فيه فبعض المواضيع من السهل أن تجد عنها معلومات كثيرة وأشخاص تتواصل معهم بشأنها وهذا شيء جيد، لكن توجد بعض العلوم والمجالات التي تكون حكراً على فئة معينة من المصممين وهنا يكمن التحدي في البحث للوصول لمصادر تلك المعلومات.

عملية تحصيل المعلومات لا تنتهي بالنسبة للمهندس الناجح كما وصفتها منظمة (ABET)  بأنها “Never-ending process for the best design engineers”

من الأمور الهامة أثناء جمع المعلومات هو نسب كل معلومة لصحابها للحفاظ على حقوقه الفكرية.

4.Concept Generation

هذا هو الجزء الأكثر إبداعاً في عملية التصميم فنقوم هنا بتوليد المفاهيم المرتبطة بعملية التصميم بناءً على المعلومات التي قمنا بتحصيلها سابقاً.

من الأمور التي تساعدنا على القيام بالتفكير وإيجاد الحلول:

• من المحتمل أن حل المشكلة الحالية موجود في مشكلة تم حلها سابقا
• بعض الأنظمة المختلفة في الشكل تكون متفقة في طريقة التعامل وبفهم واحد يُفهم الآخر
• التركيزعلى نقاط القوة في التصميم ورفع كفائتها
•  العصف الذهني , يقوم مجموعة من الأشخاص بتادل الأفكار معا للوصول لحل أمثل
• يعتبر كل شخص نفسه جزأ مندمج في منظومة حل المشكلة
• يتم تقسيم النظام لمجموعة اصغر من الوحدات وتحديد متطلبات كل وحدة
• أحياناً ينتج عن عكس ترتيب المكونات ابتكار جديد مثل المحرك والمولد الكهربائي

الهدف من العصف الذهني (Brain storming) هو الحصول على أكبر كمية من الأفكار عن طريق قيام كل فرد من طاقم العمل بقول كل ما يخطر بباله عن المشكلة موضع الدراسة وكيفية حلها.

ولتحقق عملية العصف الذهني أهدافها هناك مجموعة من القواعد:

1.لا تحكم على فكرة أحد ولا تقيمها في هذه المرحلة.

2.كلما كانت الأفكار غير تقليدية كلما كان هذا أفضل.

3.كلما كانت الأفكار كثيرة ومتنوعة كلما كان هذا أفضل.

 5.Concept Selection

نخرج من المرحلة السابقة بعدد كبير من الأفكار (Concept Generation)نقوم في هذه الخطوة بتقييم الأفكار المختلفة وتحديد الفكرة الأفضل بناءاً على المعطيات المتوفرة.

هناك طرق عديدة لتحديد أفضل اختيار من هذه الطرق طريقة (Decision matrix)  وفيها نقوم بالمقارنة بين جميع الأفكار في مجموعة من الصفوف والأعمدة استناداً على الأهمية.

بالنظر في المثال في الجدول التالي يتضح كيفية استخدام هذه استخدام هذه الطريقة في الترجيح ما بين ثلاث طرق تكنولوجيا لزيادة كفاءة الانتاج في مصنع الاختيار الأول هو الإبقاء على التكنولوجيا الحالية والثاني والثالث استخدام تكنولجيا 1 أو 2, فنقوم أولاً بتحديد المعايير المستخدمة ونعبر عن أهمية كل معيار برقم يزداد بزيادة الأهمية فنجد مثلاً أن أهم الأمور -في مثالنا الحالي- هي جودة المنتج  وقُدرت أهميتها بقيمة 20 و نجد أن التكنولوجيا الأولى تحقق 9 في معيار الجودة و إذا قمنا بضرب 20*9 نحصل على 180 أي عدد النقاط التى أحرزتها التكنولوجيا الأولى في هذا المعيار.

و بتكرار هذه العملية مع التكنولوجيا رقم 1و2  لعدد المعايير المتوفرة نجد أن اختيارنا للتكنولوجيا رقم 2 هو الاختيار الأمثل من بين الثلاث خيارات وأن الابقاء على التكنولوجيا الحالية أفضل من استبدالها بالتكنولوجيا رقم1.

لاحظ أن تكنولوجيا رقم 1 حصلت على تقييم كلي ضعيف رغم أنها تزيد الإنتاج وتقلل التكلفة وذلك نظرا لأنها تقلل من تنوع المنتج وتزيد من التلوث وتستلزم التخلي عن بعض العمالة. وقد تختلف النتيجة بالنسبة لمؤسسة أخرى لأن الأمر متوقف على الوزن النسبي لكل معيار، فقد وضعتُ وزنا كبيرا هنا لتنوع المنتج والحفاظ على البيئة والعمالة وهو ما نتج عنه انخفاض المجموع الكلي للتكنولوجيا رقم1 .

للمزيد من المعلومات عن طرق اتخاذ القرار و المقارنة يرجى تفقد المرجع رقم 3و4

6.Communication of the Design

التصميم الناجح هو التصميم الذي يلبي احتياجات العميل, ولابد أن تتوفر لدى المصمم القدرة على توضيح فكرة تصميمه للعميل وما الذي سيقوم به, وإن لم يحدث ربما يفاجأ المصمم في نهاية الأمر أن ما قام به من عمل بعيد تماماً عن توقعات العميل.

و هناك طرق عديدة يستطيع المصمم من خلالها إيصال فكرته مثل:

• الكلام الشفهي.
• كتابة التقارير.
• عمل رسومات توضيحية وصور.
• استخدام برامج الCAD في عمل فيديوهات توضح التصميم مثل Solidworks motion study  أو Inventor presentation.

ويمكن الجمع بين الأربع طرق لتوصيل الفكرة بشكل أفضل

7.Detailed Design and Analysis

الهدف الأساسي من الدراسات الهندسية هو القدرة على تحويل أي نظام واقعي إلى مجموعة من المعادلات والصيغ الرياضية التي تحاكي هذا النظام وتعبر عنه، وذلك لتسهيل دراسة هذا النظام وفهم تأثير العوامل المختلفة عليه، فأي منظومة فعلية تتسم بالتعقيد لكن وضعها في صورة نموذج رياضي يبسطها إلى الحد الذي يسمح لنا بتحليلها والتعامل معها.

الخطوة السابقة (الحسابات الرياضية للتصميم) هي آخر خطوة تفصل بين التصميم كونه فكره على ورق أو برنامج حاسوبي وكونه نموذج حي نستطيع دراسته وإجراء الاختبارات الازمة عليه تمهيداً لطرحه للمستهلكين.

8.Prototype Development and testing

عمل نموذج أولى من التصميم ومعرفة مدى صلاحيته لأداء الوظيفة – التي صمم لأجلها – من خلال مجموعة من الاختبارات المتعارف عليها وفقاً لكل مجال صناعي.

أصبحت هذه المرحلة من أهم الخطوات وأكثرها تأثيراً على عملية التصميم بسبب الطفرة الحديثة في برامج التصميم الميكانيكي والطباعة ثلاثية الأبعاد والتي جعلت من السهل عمل نموذج مبسط أو افتراضي يحاكي النظام الفعلي.

9.Manufacturing

وفي هذه الخطوة نقوم بدراسة طرق التصنيع الممكنة للتصميم والتي قد تدفعنا للرجوع إلى التصميم وإجراء بعض التعديلات ليكون قابلاً للتصنيع ويلبي المتغيرات المختلفة كالمتانة والتكلفة……إلخ

10.Life Cycle Maintenance

وهنا نحدد العمر الافتراضي للتصميم وإمكانية صيانته والتعامل معه في حالة وجود عطل.

الخاتمة :-

تعرفنا في هذا المقال على عشر خطوات لعملية تصميم ناجحة تبدأ بتحديد الحاجة من التصميم مرورا تحليل المشكلات التي تواجه التصميم وانتهاءاً بالتصميم والصيانة,

الثلاث مراحل الأخيرة من عملية التصميم تعتبر أهم ثلاث مراحل لأنها هي التي ستحدد ما إذا التصميم الخاص بك سيرى النور أما لا لذلك سنتوسع في الحديث عنها في المقالات القادمة بإذن الله.

المراجع

1. The Accreditation Board for Engineering and Technology, paper (EML2322L-Design Process).
2. BUDYNAS, R. G., NISBETT, J. K., & SHIGLEY, J. E. (2011). Shigley’s mechanical engineering design. New York, McGraw-Hill.
3. An Introduction to Management Science, Anderson et al., South Western, Ninth edition
4.  Lean Six Sigma Pocket Tool book, George at al., Mc Graw Hillo, 2005