تصميم هندسي

Engineering design -

 التصميم الهندسي

التصميم الهندسي

أحمد المالح

تاريخ التصميم الهندسي

القيود التي تعترض عملية التصميم

مراحل عملية التصميم الهندسي

التصميم الموجّه

حلقة التصميم الهندسي الافتراضي

التصميم الهندسي engineering design هو عملية إيجاد نظام أو مكوّن يلبي الاحتياجات المطلوبة من قبل الزبون. إنه عملية يتخذ فيها القرار الأفضل باستخدام الرياضيات والعلوم الهندسية الأساسية والعلوم الإدارية لتحويل الموارد على النحو الأمثل الذي يلبي الهدف المحدد.

تبدأ عملية التصميم الهندسي بتحديد رغبة الزبون ومتطلباته، فيجري جمع المعلومات عن التصميم المطلوب والهدف منه؛ ومن ثم جمع المعلومات عن المواد الأولية ومكان التنفيذ والميزانية والأدوات المستخدمة والكادر البشري المطلوب؛ وصولاً إلى وقت التسليم المحدد.

قد لا تتضمن عملية التصميم الهندسي بالضرورة إنتاج شيء جديد، وإنما تطوير لمنتج موجود ظهر عليه بعض القصور في الأداء؛ أو ثمة حاجة إلى تعديله نتيجة التطور التقاني الحديث. وهكذا ترتبط عملية التصميم الهندسي بالدراسة الكاملة لاحتياجات الأسواق وبنتائج أبحاث التطوير.

يشمل التصميم الهندسي قطاعات متعددة منها:

• الهندسة المدنية (تصميم الجسور والمنشآت،..).

• الهندسة الميكانيكية (الآلات الصناعية، السيارات، الطائرات،..).

• الهندسة الكهربائية (بطاقات التحكم، الحساسات، المحركات،...).

• هندسة الميكاترونيكس (الأنظمة الميكاترونية، الروبوت (الإنسالات)،..).

• الهندسة الطبية (الأجهزة الطبية الجراحية، أجهزة أطباء الأسنان،..).

• الهندسة الغذائية (الأطعمة المحفوظة، طعام الأطفال، أدوات المطبخ..) وغيرها.

  يجب أن يحقق التصميم الهندسي الناجح متطلبات دفتر الشروط الخاص بالمنتج والذي يتولد من خلال دراسة عميقة تحليلية لحاجات الزبون. ولتحقيق رضا الزبون لا بدّ من دراسة إمكانات التصنيع المختلفة، واستخدام المكونات المتوفرة بالسوق المحلية؛ أو التي تستورد خصوصاً لهذا الغرض، ولا يجب إغفال الدور المهم للتكلفة والسعر التسويقي، فتكون التكلفة مناسبة للمنتج بحيث يشعر الزبون بالرضا عن القيمة التي دفعها مقابل الفائدة التي حصل عليها. يوضح الشكل (1) الخطوات المتبعة لتحقيق التصميم الهندسي في الشركة.

  الشكل (1) مراحل عملية التصميم الهندسي.

  كذلك يجب مراعاة الجانب التنافسي في المنتج عند التصميم، فيكون قادراً على أداء وظيفته ومحققاً عائداً مادياً متميزاً من خلال المبيعات، مما يعزز ويقوي سمعة الشركة المعنية ومكانتها في السوق. وتتكامل تلك المزايا بعضها مع بعض بما ينتج منتجاً متميزاً قادراً على تحقيق رغبات العملاء. لذلك تقوم الشركة بالتحقق من سير عملية التصميم الهندسي على مراحل عدة لتفادي أي خطأ أو خلل كما هو موضح بالشكل (2).

  الشكل (2) عمليات التحقق خلال عملية التصميم الهندسي.

  يرتبط التصميم الهندسي الناجح لأي منتج بمقياس مدى رضا الزبائن عنه، وفي حال عدم رضا بعض الزبائن يجب على الشركة إجراء استبيانات واستطلاعات للرأي للوقوف على وضع المنتج في السوق والحاجة إلى تطويره. وهذا ما يفرض على المصممين تحديات جسيمة، منها المنافسة الشديدة في الأسواق، وتغير التقانات السريع، وزيادة تعقيد الأنظمة، والمسؤولية الكبيرة في اتخاذ القرار لضمان الوثوقية والأمان والحفاظ على البيئة.

  تاريخ التصميم الهندسي

  يلاحظ خلال العصور التاريخية وجود تأثير متبادل بين التطور الحضاري والتصميم الهندسي؛ حيث تشهد الأوابد المتبقية من حضارة المصريين القدماء وما بين النهرين واليونان والصينيين على نجاح منجزات التصميم الهندسي. ففي مجال الهندسة المدنية والمعمارية هناك الأهرام والكولسيوم Colosseum ومبنى الكابيتول Capitol وسور الصين العظيم. وفي مجال الميكانيك هناك المحراث وأدوات الزراعة والدولاب والورق. وفي مجال الهندسة الغذائية هناك الأواني الفخارية والمعدنية والأفران والأدوات المنزلية.

  في عصر النهضة تطورت عملية التصميم الهندسي إلى الاهتمام بالمنظومات الحركية، فبدأ استخدام المسننات والمكنات البسيطة في عمليات النقل والرفع. وصارت المواد الكيميائية أكثر استعمالاً لإنتاج مواد جديدة، وتطورت مواد البناء وأدواته وارتقت إمكانات إشادة صروح حضارية جديدة كالمسارح والقصور.

  ومع دخول عصر الفضاء والحاسوب والطاقات التقليدية والمتجددة أصبح لا بدّ من توثيق الدراسات وتطوير عمليات التصميم الهندسي لتلائم احتياجات العصر الحديث؛ الذي تكلل باختراع الحواسيب ودخول الشابكة (الإنترنت) وزيادة عدد المستخدمين لها؛ ووضوح تأثيرها الكبير في ملامح الحضارة الإنسانية. فقد أصبحت الإنترنت وسيلة لنقل رغبة الزبون والتواصل الأسرع بينه وبين الشركات المصنعة، إضافة إلى إمكان تقييم المنتج ودعمه في السوق أو رفضه أحياناً.

  القيود التي تعترض عملية التصميم

  تؤثر ثلاثة أنواع من القيود في اتخاذ القرار في أثناء عملية التصميم الهندسي: قيود خارجية وقيود خاصة بالشركة وقيود خاصة بالمشروع (الشكل 3).

  الشكل (3) القيود المفروضة على عملية التصميم الهندسي.

  تُعدّ كل القيود الخارجة عن سيطرة الشركة المنتجة قيوداً خارجية، فمنها القوانين والتشريعات المحلية والعالمية الخاصة بالصناعة والتجارة، ومنها أيضاً الأحداث الكبيرة كالحروب والمقاطعات الاقتصادية للبلدان والشركات. أما ما يتعلق بمهارات التصنيع، وخطط التصنيع، والتقنيات المتوفرة لدى الشركة، ومنظومة ضبط الجودة، ومصادر تزويد القطع الجاهزة، ومصادر التمويل؛ فهي قيود تتعلق بالشركة. أما زمن الإنتاج وزمن تزويد المنتج للزبون وتكلفته ودفتر شروط المنتج فهي قيود المشروع التي تؤثر في قرارات عملية التصميم الهندسي.

  مراحل عملية التصميم الهندسي

  يمكن تمييز أربع مراحل كما في الشكل (4):

  الشكل (4) مراحل عملية التصميم الهندسي.

  أ- مرحلة استيضاح المهمة: تبدأ آلية العمل في التصميم الهندسي من فكرة أو حاجة السوق التي تكون غير واضحة عادة. يعمل المصمم على تحديد المتطلبات الحقيقية والقيود التي تقيده؛ ليتوصل إلى تحديد الخصائص التصميمية.

  عادة ما تُوضَع هذه الخصائص بالنشرة الفنية والدعائية للمنتج، منها: الأبعاد الخارجية والوزن والمادة المصنّع منها والاستطاعة ومرتبة الجودة وضمان الجودة والأمان والصيانة وبيئة العمل والتجميع والوفر والربح وغيره من الخصائص المميزة.

  ب- مرحلة التصميم المفاهيمي conceptual design: تشمل وضع قائمة بالمفاهيم والمبادئ التي تحقق المتطلبات مع الأخذ في الحسبان الارتباطات بين الوظائف والبنية الفيزيائية. ويمكن تحديد خطوات العمل ضمن هذه المرحلة:

• توضيح المهمة وإعداد قائمة المتطلبات.

• التجريد لتحديد المشاكل الرئيسية.

• التحليل الوظيفي.

• البحث عن مبادئ الحلول.

• تركيب مبادئ الحلول.

• اختيار التراكيب المناسبة.

• التطوير إلى أشكال حلول رئيسية.

• تقييم الحلول الرئيسية.

  ويتضمن دفتر الشروط الوظيفية الهندسية الأمور التالية:

  1- الشروط المحيطية (الحرارة - الرطوبة - الصدم).

  2- الكلفة (كلفة المواد الأولية -الكلفة المسموح بها - تكلفة أدوات الإنتاج).

  3- الخطة الزمنية (خطة بمراحل العمل حتى تحقيق المنتج).

  4- القوى والحمولات (التشوهات - الصلابة - نمط الحمل).

  5- الحركية (نمط الحركة - اتجاه الحركة - السرعة - التسارع).

  6- المواد (الخصائص الفيزيائية والكيميائية-المواد الإضافية).

  7- الطاقة المستخدمة (الكهربائية - طاقة الهواء المضغوط (النيوماتيك Pneumatic) - الهدروليكية).

  8- طرائق التحكم بالمنظومة الإلكتروميكانيكية (العلاقة بين الإنسان والآلة - الإضاءة - الضجيج - حرية الحركة).

  9- الأمان (إمكان حدوث الأخطار وتجنبها - طرائق الحماية).

  10- الوثوقية (عوامل السلامة - شحن الأنظمة - الاهتراء - مقاومة الاهتزاز).

  11- الصيانة (التنظيف- الطلاء - سهولة الإصلاح).

  12- متطلبات التصنيع (إمكان التصنيع - الدقة المطلوبة – أدوات التصنيع).

  13- الجودة (إمكان القياس والاختبار - تطبيق المعايير).

  14- التجميع والتركيب (إنشاء المجموعات - التراكيب).

  15- النقل (آلات الرفع – إمكان الإدخال والإخراج - المواصلات).

  16- المتطلبات التشريعية والقانونية (السلامة - حماية البيئة).

  ويجب أن يستبعد من دفتر الشروط الوظيفية المتطلبات غير المرتبطة مباشرة بالوظائف والقيود الرئيسية.

  ج- مرحلة التصميم التجسيدي embodiment design: تفصيل التصميم من خلال تطوير بنيوي للمفاهيم والمبادئ، وذلك بتحقيق الخطوات التالية:

• تحديد المتطلبات التي لها تأثير كبير.

• تحديد القيود المكانية.

• وضع مخطط أولي للوظائف الرئيسية.

• وضع التصاميم الأولية.

• اختيار تصميم أولي أو أكثر يلبي دفتر الشروط.

• تطوير التصاميم الأولية للوظائف الرئيسية المتبقية والتي لم تعالج.

• تحديد الوظائف الثانوية الأساسية واستكشاف الحلول الجاهزة.

  تتألف المخرجات من رسومات ثنائية الأبعاد تبين أشكال العناصر وارتباطاتها بعضها ببعض.

  ويجب أن يتسم التصميم التجسيدي بالوضوح والبساطة والأمان؛ التي يمكن اشتقاقها من الأهداف العليا: تحقيق الوظيفة التقنية، وقابلية التحقيق الاقتصادي، والأمان البيئي والشخصي. ويستطيع المصمم زيادة فرص نجاحه بمراعاة هذه القواعد الأساسية؛ وذلك بالتركيز على التوفيق بين الوظيفة والمردود والكلفة والأمان.

  د- مرحلة التصميم التفصيلي detailed design: يوضح التصميم التفصيلي جميع الأبعاد والمواد المستخدمة؛ إضافة إلى الطريقة المقترحة لتنفيذها أو تصنيعها. ومخرجات هذه المرحلة هي مخططات تفصيلية ومواصفات وشروط فنيّة وتعليمات وإرشادات عملية التنفيذ أو التصنيع والإنتاج.

  التصميم الموجّه

  عندما يسند إلى الشركة مهمة تصميم منتج جديد أو إعادة تصميم منتج موجود؛ فإنه من المهم أن يؤخذ في الحسبان المحددات الرئيسية الثلاثة: التكلفة والجودة والسرعة. ويمكن أن ينبثق من هذه المحددات مزيد من المعايير الكمية ذات الصلة في جميع مجالات دورة حياة المنتج من تصميم وتصنيع وتجميع. إن أمثلة النموذج على أحد المعايير يؤدي إلى تطوير منهجية يُطلق عليها اسم التصميم من أجل «X». حيث «X» في التصميم الميكانيكي هي إما التصنيع وإما التجميع وإما الصيانة وإما الوثوقية.

  أ- التصميم من أجل التجميع:

  تهدف هذه المنهجية إلى تطوير التصميم الهندسي لتغدو عملية التجميع أسهل وأسرع، لذلك يلجأ المصمم إلى تقليل عدد الأجزاء المكونة للمنظومة؛ وذلك بإعداد دراسة معمقة لزيادة فرصة استخدام القطع المنتجة كلها بالتسامحات المحددة؛ وإزالة أي خطأ في التجميع. وتستدعي أتمتة عملية التجميع أن يؤخذ في الحسبان عدد من الأمور، منها:

• المخزّن من المواد نصف المصنعة أو الجاهزة وكمياتها.

• آليات التجميع: توصيف الأدوات المناسبة للاستخدام، وتوحيد عمليات التجميع؛ أي استخدام أقل قدر ممكن من أدوات التجميع.

• الفحص والاختبار: استخدام أدوات مناسبة سهلة الاستخدام لفحص نجاح عملية التجميع.

  ينصح أن تستخدم هذه المنهجية من أجل المنتجات التي تتكون من20-200 جزء من القطع ذات الأساس الميكانيكي، ليس هنالك شرط على أبعاد القطع فيمكن أن تكون بحجم الساعة أو السيارة. ولا تشترط هذه المنهجية تحديداً أو معرفة متخصصة بوسائل الإنتاج.

  تنخفض تكلفة التجميع باستخدام هذه المنهجية في كثير من الأحيان نحو 30%، حيث لايتطلب الأمر تدريباً خاصاً للعاملين بالتجميع؛ مع التقليل من الأخطاء الناجمة عن التجميع وعن استخدام أدوات التجميع المتوفرة في الشركة. وكذلك تسريع عملية التجميع لتقليص الزمن إلى نحو النصف مع المحافظة على شروط عمل آمنة.

  ب- التصميم من أجل التصنيع

  تتحقق هذه العملية بدمج مراحل التصميم في الخطط التقانية للتصنيع والأبعاد الأساسية للمواد الخام. ولا يستطيع اتباع هذه المنهجية إلا مهندس خبير بعمليات التصنيع والإنتاج، حيث يحقق المصمم خفض تكاليف تصنيع المنتج نحو 70%.

  عند وضع التصميم الهندسي يجب التأكد من المعلومات التالية: أبعاد المادة الخام المتوفرة بالأشكال المختلفة، والأبعاد العظمى لعملية التصنيع، وإمكانات أدوات التصنيع، وتوفر أدوات القطع، وتكاليف الإنتاج وأزمنته، والخطط التقانية الممكن اعتمادها. يجتهد المصمم من أجل خفض العدد الإجمالي للأجزاء المكونة للمنظومة وزمن التصنيع؛ لأن تخفيض عدد الأجزاء في المنتج هو على الأرجح أفضل طريقة للحد من تكاليف التصنيع. من المعلوم أن قلة عدد الأجزاء يعني توفيراً في المشتريات والمخزون والمناولة والزمن، ولكنه يسبب صعوبة في التجميع؛ وخدمة التفتيش والاختبار، وبصفة عامة يمكن القول: إنه يقلل من مستوى كثافة الأنشطة المتصلة بالمنتج خلال حياته كلها. كما أن استخدام المكونات القياسية والمعيارية مع درجة الجودة والتكلفة ستؤدي بالضرورة إلى تخفيض تكلفة السلعة وتسريع وصول المنتج إلى السوق.

  ج- التصميم من أجل الصيانة

  الهدف من منهجية التصميم من أجل الصيانة هو التأكد من أن المنتج يؤدي وظائفه جيداً خلال حياته المصمم لها؛ وذلك بالحد الأدنى للإنفاق على الصيانة والخدمة بعد البيع.

  ترتبط منهجيات التصميم من أجل الصيانة؛ ومن أجل إمكان الخدمة؛ ومن أجل الموثوقية ترابطاً منطقياً، وينجم عن تطبيق هذه المنهجيات:

• تخفيض زمن توقف المنتج من أجل الصيانة.

• توفير أجور فنيي الصيانة.

• توفير عدد الموظفين العاملين في مهام عمليات الصيانة؛ ومن ثمّ تخفيض التكلفة الناتجة من الصيانة؛ والاحتياجات اللوجستية لقطع الغيار؛ والوحدات الاحتياطية.

  حلقة التصميم الهندسي الافتراضي virtual engineering design cycle

  تفرض التغيرات السريعة والتنوع الكبير في احتياجات السوق دورة حياة أقصر للكثير من المنتجات في السوق؛ مما يتطلب عملية تطوير سريعة للمنتج. إن عمليات تطوير المنتج بالاعتماد على الطرائق التقليدية والمبنية على التصاميم المكررة؛ وعلى بناء نماذج عديدة لاختزال المنتج هي مُكلِفة للغاية وتسبب هدراً للوقت، ومن أجل تقصير هذه العملية وتحسينها وتطويرها لا بدّ من الاستفادة من علوم الحاسوب في النمذجة والمحاكاة التي غدت تُعرف بحلقة التصميم الهندسي الافتراضي. وهي منهجية عمل مبنية على بيئة المحاكاة لمساعدة المهندسين باتخاذ القرارات والسيطرة على أي مشكلة هندسياً وافتراضياً.

  فوائد استخدام الهندسة الافتراضية:

• التخلص من هدر التكلفة الكبيرة في عملية إعداد النماذج الحقيقية.

• تخفيض زمن عملية التطوير لإيجاد التصميم الأمثل.

• إمكان اختبار عدد أكبر من تراكيب التصاميم.

• توفير واجهة بيانية للزبون يمكن باستخدامها توضيح النموذج الثلاثي الأبعاد للمنتج.

• إمكان تصميم منتجات خطرة يصعب التحقق منها بالواقع.

• استفادت منهجيات التصميم الهندسي من التطور الهـائل الحاصل في العلوم الحاسـوبية، فكـانت أول ثمـرات التشـاركية هي برمجيات التصميم بمعونة الحاسوب Computer Aided Design (CAD)؛ ومن ثم برمجيات التصنيع بمعونة الحاسوب Computer Aided Manufacturing (CAM).

  وصار بإمكان المصمم والزبون عن طريق برمجيات التصميم بمعونة الحاسوب CAD معاينة التصميم الإفرادي للقطع ذات الأبعاد الثنائية والثلاثية؛ والتصميم التجميعي للمنظومة، وفحص إمكان التجميع والعلاقات النسبية بين القطع المؤلفة للمنظومة؛ مما يسمح بالتأكد من صحة التصميم. ومع تطور طريقة العناصر المنتهية Finite Element Method (FEM) واندماجها -بوصفها مرحلة لاحقة لعملية التصميم بمعونة الحاسوب- أصبحت تستخدم أداة للتقييم الافتراضي لتقييم سلامة الأجسام وأدائها ومتانتها في المنظومة في الحالة السكونية والحركية تحت تأثير الشروط المحيطية وبالزمن الحقيقي؛ أي إنه من الممكن أن يحصل المصمم افتراضياً على قيم الإجهادات والتشوهات والانفعالات والتدرج الحراري وغيرها من القيم المرغوب حسابها قبل عملية البدء الحقيقي بتنفيذ المنظومة.

  وقد طورت عدة شركات مؤخراً بيئة عمل تجمع عدداً من البرامج تشترك بنواة برمجية أو أكثر. توفر هذه البيئة انتقال المعطيات على نحو صحيح وآمن بين البرمجيات المختلفة ذات الوظائف المتعددة: الرسم والتصميم والتصنيع والتحريك والتجميع والصيانة والإنتاج والتسويق، وصار بإمكان هذه البيئة الافتراضية محاكاة مراحل حياة المنتج انطلاقاً من رغبة الزبون في السوق وحاجته؛ لتتطور العملية التصميمية بمراحلها المختلفة وتصبح منتجاً يدخل الأسواق مع دراسات استبيانية حول مدى رضا المستثمر عن المنتج.

  مراجع للاستزادة: - M. Fosmire, D. Radcliffe, Integrating Information into the Engineering Design Process, West Lafayette, IN: Purdue University Press, 2014. - P. Kosky, Exploring Engineering: An Introduction to Engineering and Design, ‎ Academic Press 2020. - D. A. Madsen,‎ Engineering Drawing and Design 6th Edition, Cengage Learning 2016.

---

- التصنيف : العلوم الهندسية وتقاناتها - النوع : العلوم الهندسية وتقاناتها - المجلد : المجلد الثامن مشاركة :