No.200 　機械設計者必見！設計プロセスで直面する問題とその解決法

機械設計のさっくりとした手順

機械設計のざっくりとした手順は、下記の８ステップです。

これを基礎として、適宜設計技術を加えれば、良い設計ができると思います。

一方で、注意点は、どれかをテーラリングしないことです。

テーラリングすると手戻りが発生する確率が高くなります。

設定手順は下記のとおりです。

１．ニーズの特定: 誰のための設計か、どんな問題を解決するのか、というニーズを明確にする。

2. 調査と分析: 既存の類似製品や技術の調査、要件の分析を行う。

3. コンセプト設計: アイデア出しからコンセプト設計まで。スケッチや基本的なモデルを作成。

4. 詳細設計: 具体的な図面やCADデータを作成し、詳細を詰める。

5. プロトタイプ作成: 試作品を作り、動作確認や改良を行う。

6. テストと評価: プロトタイプを使って実際の条件下でテストし、性能を評価。

7. 最終設計と製造準備: テスト結果を反映し、最終設計を確定、製造の準備を進める。

8. 製造と品質管理: 実際の製造プロセスと製品の品質管理。

各手順の説明

では、各手順を詳しく説明します。

１．ニーズの特定

まず、機械設計の第一歩はユーザーや顧客のニーズを明確にすることからです。

誰がこの製品を使うのか、その製品がどのような問題を解決するのかを理解することが重要です。

具体的には、以下の方法です。

• アンケートやインタビューを通じてユーザーのフィードバックを収集
• 市場調査を実施し、競合製品の分析を行う
• フィールドリサーチを行い、実際の使用状況を観察

例えば、新しいタイプの自転車を設計する場合、サイクリストのニーズや既存の自転車の問題点を洗い出すことが必要です。

これらの作業により、ユーザーが本当に求めているものを理解し、設計の方向性を定めることができます。

２．調査と分析

次に、収集したデータを基に、設計のための詳細な調査と分析を行います。

具体的には、以下のステップで実施します。

• 競合製品の性能評価：競合製品の長所と短所を評価し、自社製品がどう差別化できるかを考察
• 技術トレンドの把握：最新の技術動向をキャッチアップし、設計に活かす
• 市場のニーズ分析：市場の動向やニーズを分析し、設計に反映

これにより、設計の基盤となる重要な情報を得ることができます。

例えば、新素材の開発や最新技術の導入を検討することで、競争力のある製品を設計するための材料が揃います。

３．コンセプト設計

調査と分析の結果を基に、具体的な設計コンセプトを考えます。

このステップでは、複数のアイデアを出し合い、最も有望なものを選び出します。

具体的には、次のような方法があります。

• ブレインストーミングでアイデアを出し合う
• スケッチやCADソフトを使ったモデリングで、初期の概念モデルを作成
• プロトタイプの初期作成：3Dプリンターなどを使って、初期の試作品を作成し、フィードバックを得る

ここでは、創造力と技術力のバランスが重要です。新しいアイデアを試すことで、独自の製品を生み出す可能性が広がります。

４．詳細設計

次に、選ばれたコンセプトに基づき、詳細な設計を行います。

ここでは、具体的な図面や技術仕様を作成する段階です。

具体的には、下記を実施します。

• 部品図と組立図の作成：各部品の寸法、形状、材料、加工方法を明確にする
• CADデータの作成：3Dモデルを作成し、設計の正確さを確認
• 公差と許容範囲の設定：各部品の寸法誤差を設定し、製造時の品質を確保

詳細設計では、精密さと注意深さが求められます。

ここで誤差が大きいと製品の性能や耐久性に影響を及ぼすため、非常に重要なステップです。

５．プロトタイプ作成

詳細設計が完了したら、プロトタイプを作成します。

プロトタイプ作成は、設計が実際に機能するかを確認するための重要なフェーズです。

いわゆるPoCです。つまり、コンセプト（仮説）の実現性を検証するためにプロトタイプを作成します。

具体的には、下記のような活動をします。

• プロトタイプの製造：3DプリンターやCNCマシンを使用して試作品を作成
• テストと評価：プロトタイプを実際の使用環境でテストし、性能を評価
• フィードバックの収集と改良：テスト結果に基づき、必要な改良を行う

プロトタイプのテストは、製品が設計通りに機能するかを確認するための最終チェックです。

ここで問題が発見された場合、迅速に対応し改良を加えます。

６．テストと評価

プロトタイプが完成したら、さらなるテストと評価を行います。

ここでは、製品の品質と信頼性を保証するためのステップです。

具体的には、下記を実施します。

• 機能テスト：各機能が正しく動作するかを確認
• 耐久性テスト：長期間使用した場合の耐久性を評価
• ユーザビリティテスト：実際のユーザーが使用することで使いやすさを確認

テスト結果を基に、最終設計を見直し、必要な改良を行います。

これにより、製品の品質を高め、ユーザーに満足してもらえる製品を提供できるようになります。

７．最終設計と製造準備

テストと評価が完了したら、最終設計を確定し、製造の準備を行います。

このプロセスでは、製品が量産可能な状態にするための具体的な計画を立てます。

具体的には、下記を実施します。

• 最終図面の作成：すべての設計図や仕様書を最終確定
• 製造計画の策定：製造ラインの準備、スケジュールの確定、必要なリソースの確保
• 品質管理システムの確立：製品の品質を維持するための検査体制を整備

さて、最終設計と製造準備が整ったら、いよいよ量産に移行します。

８．製造と品質管理

製造プロセスでは、計画に基づいて製品を量産します。この段階では、品質管理が非常に重要です。

具体的には、下記を実施します。

• 製造ラインの運営：製品の組み立てや加工を行う
• 品質検査：各工程での品質検査を行い、不良品を防ぐ
• 最終製品のテスト：完成品が設計通りに機能するかを確認

製造プロセス全体を通じて、品質管理を徹底することで、高品質な製品を安定的に供給することができます。

まとめ

機械設計は、アイデアを具体的な製品に変えるための複雑なプロセスです。

まず、ユーザーや顧客のニーズを明確にし、収集したデータを基に調査と分析を行います。

次に、その結果を基に複数の設計コンセプトを考案し、最も有望なものを選出する。

その結果、選ばれたコンセプトに基づいて詳細設計を行い、具体的な図面や技術仕様を作成します。

次に、詳細設計に基づいてプロトタイプを作成して、実際の使用環境でテストと評価を実施して仮説を検証する。

つまり、このプロセスにより、設計が意図した通りに機能するかを確認します。

もし、意図通りでない動作があれば、必要な改良を加えます。この改良スピードが重要です。

そして、テストと評価が完了したら、最終設計を確定し、製造の準備を進めます。

製造工程に移行する前には、ステークホルダーの承認作業が大事です。

次に、製造プロセスでは、計画に基づいて製品を量産し品質管理を徹底します。

そうすることにより、製品の品質を保証し、顧客に満足してもらえる製品を提供することが目標です。

この記事を通じて、機械設計の全体像と各ステップの重要性を理解することで、より効率的で成功する設計プロセスを実現できるでしょう。