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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 현재 기업에서 운영되고 있는 제품개발 프로세스인 6 시그마 방법론을 적용한 공학설계 모델을 제시하고자 한다.
- 그러나 공학교육인증원에서는 종합설계를 통하여 팀워크 능력과 의사소통 능력도 배양하도록 요구하고 있기 때문에 주어진 공학설계 절차를 고려하면서 의사소통 능력을 배양할 수 있는 단계를 고려할 필요가 있다. 따라서 본 장에서는 고학년 학생들에게 공학 설계 절차를 준수하면서 의사소통 능력을 배양할 수 있도록 DMADV 방법론을 기초로 종합설계프로젝트 진행 절차를 제안하고자한다.
- 본 교과목은 자동차공학전공 공학자의 설계 능력에 부합하도록 2018년 한국자동차공학회에서 주최하는 대학생자작자동차 대회에 출품 가능한 자작자동차를 설계, 제작, 시험 및 평가하는 것에 설계 목표를 두고 진행하였다.
- 본 연구에서는 국내에 소개된 설계교육의 방법론을 검토해 보고, 내실 있는 공학교육인증프로그램 운영을 위한 현실적인 설계교육으로서 6 Sigma를 적용한 설계 방법론을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 종합설계 교육을 위한 방법론으로 6-Sigma 모델을 수정한 DMADVR 설계방법론을 새로운 설계방법 모델로 제안하고 그에 대한 적용 사례를 살펴보았다. 제안된 DMADVR 설계방법론은 문제 정의, 측정, 분석, 설계, 검증 및 보고서 작성 등의 단계로 이루어져 있고, 각 단계별 수행 도구들과 결과물을 창출할 수 있도록 구성되어 있어 공학설계를 효과적으로 수행할 수 있음을 알게 되었다.
제안 방법
- 1주차 강의에서 2018년 한국자동차공학회에서 제시하는 경진대회 부문을 비롯하여 차량 설계 및 제작에 관한 규정, 그리고 대회 운영 규정 등을 학생들에게 제시하였다. 학생들은 주어진 규정 등을 토대로 대회의 목적 및 범위를 파악하고, 대회 일정에 따라 프로젝트 일정을 수립하였으며, 프로젝트 수행을 위한 팀을 구성하고 팀원들 간에 지켜야할 규칙을 정하였다.
- 검증 단계까지 완료한 팀은 정의 단계에서부터 진행되었던 프로젝트 수행 내용을 연구노트, 최종보고서, UCC, PPT 발표 자료의 형태로 작성하여 제출하도록 하였다. 매주 진행된 프로젝트 내용을 지도교수의 지도하에 연구노트에 기록하도록 하였으며, 최종보고서는 보고서 형식에 맞게 프로젝트의 개요, 목표, 설계내용 및 검증, 결과 및 고찰 등까지의 전반적인 내용을 수록하도록 지도하였다.
- 핵심설계요소를 반영하여 설계된 자작자동차의 시제품 검증은 2018년 대학생자작자동차대회를 통해 이루어졌으며, 크게 검차와 내구 주행시험으로 구분되어 검증이 진행되었다. 검차는 기본적으로 정지된 상태에서 차량의 규정에 맞게 차량이 제작되었는지, 안전에 문제는 없는지, 제동은 잘 되는지 등을 중심으로 이루어졌으며, 제동성능과 관련한 검차를 통과하여 내구 주행시험을 실시하였다. 내구 주행시험에서도 잦은 제동 상황에서도 앞 차량과 부딪치지 않고 차량을 운전할 수 있도록 제동성능이 확보됨을 알 수 있었다.
- 그 결과, Baja 팀의 경우, 선회성능, 제동성능, 너클 내구성을 주요 핵심품질요소로 도출하였고, Formula 팀은 가속성능, 제동성능 등을 핵심품질요소로 도출하여 설계변수로 설정하였다.
- 그런 다음 Pugh matrix 도구를 이용하여 제작 용이성, 경제성, 성능 향상도, 위험도의 기준을 바탕으로 제동성능 제고를 위한 설계 개념들을 상대적으로 평가하고 우선순위화하였다. 그 결과, 브레이크 페달의 크기 및 위치를 변경하는 설계 개념을 최종 설계 개념으로 결정하였다.
- 대표적인 예로, 제동성능 설계변수와 관련하여 기존 차량 및 경쟁팀의 차량에 대한 제동성능을 먼저 분석하였고, 제한된 예산 및 자원 내에서 제동성능을 높이기 위한 방법들로 브레이크 캘리퍼(brake caliper)의 사이즈 변경, 차량의 무게 감소, 브레이크 페달의 크기 및 위치 변경, 브레이크 마스터실린더(master cylinder) 크기 변경 등의 설계 개념들을 브레인스토밍 과정을 통해 도출하였다. 그런 다음 Pugh matrix 도구를 이용하여 제작 용이성, 경제성, 성능 향상도, 위험도의 기준을 바탕으로 제동성능 제고를 위한 설계 개념들을 상대적으로 평가하고 우선순위화하였다. 그 결과, 브레이크 페달의 크기 및 위치를 변경하는 설계 개념을 최종 설계 개념으로 결정하였다.
- 9와 같이 CATIA V5의 CAD 프로그램을 이용하여 운전자 및 부품의 설치 위치 등을 고려하여 차량의 무게 중심을 고려하여 차량을 설계하고, 무게중심에 따라 전륜과 후륜에 걸리는 제동 하중을 산출한 후, 주어진 무게 중심 높이를 고려할 경우에 필요한 제동력을 계산하였다. 그런 다음 주어진 구속조건에서 작용할 제동장치 부품들을 선정하고 선정된 부품에서의 최적의 브레이크 페달비를 결정하였다. 마지막으로 설계 페달비 등을 적용하여 설계된 모든 부품들을 적용할 경우의 실제 제동력을 파악하고 이론적으로 요구되는 제동력과 비교하여 최종적으로 설계안을 확정하였으며, 설계도를 기준으로 부품을 가공, 제작 및 조립하여 시제품 차량(Fig.
- 측정 단계에서 도출된 핵심품질요소(CTQ)를 분석 단계를 통해 설계 개념들을 구체화하고 생성한 후, 평가를 통해 최종 설계 개념을 선택하였다. 대표적인 예로, 제동성능 설계변수와 관련하여 기존 차량 및 경쟁팀의 차량에 대한 제동성능을 먼저 분석하였고, 제한된 예산 및 자원 내에서 제동성능을 높이기 위한 방법들로 브레이크 캘리퍼(brake caliper)의 사이즈 변경, 차량의 무게 감소, 브레이크 페달의 크기 및 위치 변경, 브레이크 마스터실린더(master cylinder) 크기 변경 등의 설계 개념들을 브레인스토밍 과정을 통해 도출하였다. 그런 다음 Pugh matrix 도구를 이용하여 제작 용이성, 경제성, 성능 향상도, 위험도의 기준을 바탕으로 제동성능 제고를 위한 설계 개념들을 상대적으로 평가하고 우선순위화하였다.
- 매주 진행된 프로젝트 내용을 지도교수의 지도하에 연구노트에 기록하도록 하였으며, 최종보고서는 보고서 형식에 맞게 프로젝트의 개요, 목표, 설계내용 및 검증, 결과 및 고찰 등까지의 전반적인 내용을 수록하도록 지도하였다. 또한 학내 캡스톤디자인 경진대회 및 외부 경진대회에 참가할 수 있도록 UCC와 발표자료를 제작하도록 지도하였으며, 최종 완성된 차량과 함께 제출된 발표자료 등을 가지고 산업체 관계자가 참여하는 전시회 및 결과 발표회를 진행함으로써 캡스톤디자인을 마무리하였다.
- 그런 다음 주어진 구속조건에서 작용할 제동장치 부품들을 선정하고 선정된 부품에서의 최적의 브레이크 페달비를 결정하였다. 마지막으로 설계 페달비 등을 적용하여 설계된 모든 부품들을 적용할 경우의 실제 제동력을 파악하고 이론적으로 요구되는 제동력과 비교하여 최종적으로 설계안을 확정하였으며, 설계도를 기준으로 부품을 가공, 제작 및 조립하여 시제품 차량(Fig. 10)을 완성하였다.
- 검증 단계까지 완료한 팀은 정의 단계에서부터 진행되었던 프로젝트 수행 내용을 연구노트, 최종보고서, UCC, PPT 발표 자료의 형태로 작성하여 제출하도록 하였다. 매주 진행된 프로젝트 내용을 지도교수의 지도하에 연구노트에 기록하도록 하였으며, 최종보고서는 보고서 형식에 맞게 프로젝트의 개요, 목표, 설계내용 및 검증, 결과 및 고찰 등까지의 전반적인 내용을 수록하도록 지도하였다. 또한 학내 캡스톤디자인 경진대회 및 외부 경진대회에 참가할 수 있도록 UCC와 발표자료를 제작하도록 지도하였으며, 최종 완성된 차량과 함께 제출된 발표자료 등을 가지고 산업체 관계자가 참여하는 전시회 및 결과 발표회를 진행함으로써 캡스톤디자인을 마무리하였다.
- 먼저 Fig. 9와 같이 CATIA V5의 CAD 프로그램을 이용하여 운전자 및 부품의 설치 위치 등을 고려하여 차량의 무게 중심을 고려하여 차량을 설계하고, 무게중심에 따라 전륜과 후륜에 걸리는 제동 하중을 산출한 후, 주어진 무게 중심 높이를 고려할 경우에 필요한 제동력을 계산하였다. 그런 다음 주어진 구속조건에서 작용할 제동장치 부품들을 선정하고 선정된 부품에서의 최적의 브레이크 페달비를 결정하였다.
- 상기와 같이 새로운 공정, 제품 및 서비스를 개발하는 분야에서 사용되고 있는 6 시그마의 DMADV 방법론에 대해 각 단계별로 구체적인 진행 내용, 사용도구 및 결과물에 대해 살펴봤다.
- 설계 단계에서는 분석 단계에서 최종 선택된 브레이크 페달의 크기 및 위치 설계 개념을 구체화하고 상세 설계를 실시하였다. 우선, Table 3에서와 같이 자작자동차 대회에서 요구하는 제동거리(40km/h의 속도에서 15m 이내 정지)에 필요한 제동력을 산출하고, 차량의 무게 중심에 따라 전륜과 후륜에 요구되는 제동력을 계산하였으며, 이 제동력을 발생시키기 위한 브레이크 페달에 필요한 힘을 다양한 조건들에서 도출하였다.
- 설계 단계에서는 분석 단계에서 최종 선택된 브레이크 페달의 크기 및 위치 설계 개념을 구체화하고 상세 설계를 실시하였다. 우선, Table 3에서와 같이 자작자동차 대회에서 요구하는 제동거리(40km/h의 속도에서 15m 이내 정지)에 필요한 제동력을 산출하고, 차량의 무게 중심에 따라 전륜과 후륜에 요구되는 제동력을 계산하였으며, 이 제동력을 발생시키기 위한 브레이크 페달에 필요한 힘을 다양한 조건들에서 도출하였다.
- 학생들은 주어진 규정 등을 토대로 대회의 목적 및 범위를 파악하고, 대회 일정에 따라 프로젝트 일정을 수립하였으며, 프로젝트 수행을 위한 팀을 구성하고 팀원들 간에 지켜야할 규칙을 정하였다. 이 과정에서 프로젝트 수행을 위한 VOC를 분석하고, 예산 확보를 위해 프로젝트 수행계획서를 작성하도록 하였다. 그 결과 정의 단계를 통해 프로젝트 선택 및 팀 규범, 팀원 기술수준조사, 프로젝트 수행 계획서들을 결과물로 나타났고, Formula 부문 1팀과 오프로드(off-road) 대회인 Baja 부문 1팀이 각각 결성되었다.
- 정의 단계는 프로젝트의 목적 및 범위, 프로젝트 일정, 팀 구성 계획, 위험요소 파악 등 프로젝트를 진행하는데 있어서 프로젝트를 정의하는 단계이다. 이 단계를 통해 프로젝트 계획서 작성, 이해관계자 분석, 팀 구성 및 역할 배정, 업무 분류체계 작성, 임계 경로 분석 등을 실시한다.
- 정의 단계에서는 고객 가치 분석 및 경쟁사 분석과 같은 도구를 사용하여 시장을 분석하고, 관리도나 Pareto 차트와 같은 도구를 사용하여 공정 분석을 실시한다. 또한 프로젝트 일정 및 계획서 작성을 위해 작업 분류 체계, PERT 차트, Gantt 차트 등의 도구들이 사용된다.
- 측정 단계는 고객의 요구사항(Voice of Customer, VOC)이 무엇인지 파악하고, VOC를 공학적 설계 변수로 전환하여 궁극적으로 반영하고자 하는 핵심 품질 요소(Critical to Quality, CTQ)를 측정한다. 이 단계에서는 고객을 분석하는 도구로 인터뷰, 초점 그룹, 설문조사 등의 도구가 사용되고, 카노(Kano) 모델, 품질 기능 전개(Quality Function Deployment) 행렬, 핵심요소 위험 매트릭스 등의 도구를 사용하여 핵심 품질 요소를 파악한다.
- 측정 단계에서 도출된 핵심품질요소(CTQ)를 분석 단계를 통해 설계 개념들을 구체화하고 생성한 후, 평가를 통해 최종 설계 개념을 선택하였다. 대표적인 예로, 제동성능 설계변수와 관련하여 기존 차량 및 경쟁팀의 차량에 대한 제동성능을 먼저 분석하였고, 제한된 예산 및 자원 내에서 제동성능을 높이기 위한 방법들로 브레이크 캘리퍼(brake caliper)의 사이즈 변경, 차량의 무게 감소, 브레이크 페달의 크기 및 위치 변경, 브레이크 마스터실린더(master cylinder) 크기 변경 등의 설계 개념들을 브레인스토밍 과정을 통해 도출하였다.
- 측정 단계에서는 지도교수, 예산 지원부서, 대회 관계자 등의 다양한 고객의 요구사항(VOC)이 무엇인지 파악하고 분석하여 공학적 설계 변수로 전환하도록 하였다. 이 과정에서 품질기능 전개 행렬의 하나인 품질의 집(House of Quality) 도구를 사용하여 핵심 품질 요소(Critical to Quality, CTQ)를 도출하였다.
- 1주차 강의에서 2018년 한국자동차공학회에서 제시하는 경진대회 부문을 비롯하여 차량 설계 및 제작에 관한 규정, 그리고 대회 운영 규정 등을 학생들에게 제시하였다. 학생들은 주어진 규정 등을 토대로 대회의 목적 및 범위를 파악하고, 대회 일정에 따라 프로젝트 일정을 수립하였으며, 프로젝트 수행을 위한 팀을 구성하고 팀원들 간에 지켜야할 규칙을 정하였다. 이 과정에서 프로젝트 수행을 위한 VOC를 분석하고, 예산 확보를 위해 프로젝트 수행계획서를 작성하도록 하였다.
- 핵심설계요소를 반영하여 설계된 자작자동차의 시제품 검증은 2018년 대학생자작자동차대회를 통해 이루어졌으며, 크게 검차와 내구 주행시험으로 구분되어 검증이 진행되었다. 검차는 기본적으로 정지된 상태에서 차량의 규정에 맞게 차량이 제작되었는지, 안전에 문제는 없는지, 제동은 잘 되는지 등을 중심으로 이루어졌으며, 제동성능과 관련한 검차를 통과하여 내구 주행시험을 실시하였다.
대상 데이터
- DMADVR 방법론을 적용한 사례연구는 군산대학교 기계융합시스템공학부 자동차공학전공의 캡스톤디자인 교과목인 종합설계프로젝트를 대상으로 실시되었으며, 2018년에 적용된 종합설계프로젝트 교과목에 대한 사례를 기술하고자 한다.
이론/모형
- 측정 단계에서는 지도교수, 예산 지원부서, 대회 관계자 등의 다양한 고객의 요구사항(VOC)이 무엇인지 파악하고 분석하여 공학적 설계 변수로 전환하도록 하였다. 이 과정에서 품질기능 전개 행렬의 하나인 품질의 집(House of Quality) 도구를 사용하여 핵심 품질 요소(Critical to Quality, CTQ)를 도출하였다.
성능/효과
- 이 과정에서 프로젝트 수행을 위한 VOC를 분석하고, 예산 확보를 위해 프로젝트 수행계획서를 작성하도록 하였다. 그 결과 정의 단계를 통해 프로젝트 선택 및 팀 규범, 팀원 기술수준조사, 프로젝트 수행 계획서들을 결과물로 나타났고, Formula 부문 1팀과 오프로드(off-road) 대회인 Baja 부문 1팀이 각각 결성되었다.
- 둘째, 수정된 6-Sigma 방법론인 DMADVR 방법론이 ABEEK에서 요구하는 문제정의, 개념 설계, 예비설계, 상세 설계 등이 모두 포함된 설계 절차로 구성되어 있고, 각 절차에 맞는 합리적인 설계도구들을 사용할 수 있음을 알 수 있었다. 특히 팀워크 활동과 의사소통 능력 제고를 위한 학습성과 측면에서 연구노트, 최종보고서 및 발표자료 등의 작성 및 지도에 관한 보고서 단계를 추가한 것은 매우 의미 있는 과정이라고 볼 수 있다.
- 상기 내용들을 종합하여 볼 때, 종합설계 교육에서 DMADVR 설계방법론을 적용하는 것은 산업 현장과의 밀접하면서도 공학교육인증에 부합하는 설계 교육임을 판단하게 되었다.
- 셋째, 설계방법론에 대한 교육이 기초설계 교육과정에서부터 진행되는 것이 바람직하다고 판단되었다. 기초설계 교과목에서 6-Sigma 방법론을 교육하지 않은 상태에서 종합설계를 통해 설계방법론을 교육하고 적용함에 따라 설계 관련 용어 등이 친숙하지 못하여 곧바로 각 설계단계를 수행할 때 세부적인 내용들을 반복적으로 지도해야하는 어려움이 있었고, 이 과정에서 시간이 많이 소요되는 측면이 있음을 발견하게 되었다.
- 본 연구에서는 종합설계 교육을 위한 방법론으로 6-Sigma 모델을 수정한 DMADVR 설계방법론을 새로운 설계방법 모델로 제안하고 그에 대한 적용 사례를 살펴보았다. 제안된 DMADVR 설계방법론은 문제 정의, 측정, 분석, 설계, 검증 및 보고서 작성 등의 단계로 이루어져 있고, 각 단계별 수행 도구들과 결과물을 창출할 수 있도록 구성되어 있어 공학설계를 효과적으로 수행할 수 있음을 알게 되었다. 특히 제안된 DMADVR 설계방법론은 공학교육인증에서 요구하는 설계 단계 및 절차 등을 포괄하면서도 산업 현장에서 사용하고 있는 제품 개발공정 모델을 반영됨으로써 학교 교육과 산업 현장과의 괴리감이 없는 모델임에는 틀림이 없다고 판단된다.
- 첫째, 최종 결과발표회에서 학생들이 프로젝트 결과를 발표할 때 산업체 관계자들이 6-sigma 방법론 적용을 매우 긍정적으로 평가함을 알 수 있었다. 이에 실제 산업현장에서 적용하고 있는 6-sigma 방법론이 ABEEK의 설계기준에 부합하면서 산업현장과 대학 교육의 괴리감을 줄일 수 있는 적합한 설계방 법론이라고 판단되었다.
- 제안된 DMADVR 설계방법론은 문제 정의, 측정, 분석, 설계, 검증 및 보고서 작성 등의 단계로 이루어져 있고, 각 단계별 수행 도구들과 결과물을 창출할 수 있도록 구성되어 있어 공학설계를 효과적으로 수행할 수 있음을 알게 되었다. 특히 제안된 DMADVR 설계방법론은 공학교육인증에서 요구하는 설계 단계 및 절차 등을 포괄하면서도 산업 현장에서 사용하고 있는 제품 개발공정 모델을 반영됨으로써 학교 교육과 산업 현장과의 괴리감이 없는 모델임에는 틀림이 없다고 판단된다. 제안된 공학설계 방법론이 실제로 공학설계에 적용되기에 많은 시행 착오 등이 필요할 수 있겠지만, 산업현장에서 수용 가능한 효과적인 공학설계 교육으로 정착될 수 있기를 기대해 본다.
후속연구
- 특히 제안된 DMADVR 설계방법론은 공학교육인증에서 요구하는 설계 단계 및 절차 등을 포괄하면서도 산업 현장에서 사용하고 있는 제품 개발공정 모델을 반영됨으로써 학교 교육과 산업 현장과의 괴리감이 없는 모델임에는 틀림이 없다고 판단된다. 제안된 공학설계 방법론이 실제로 공학설계에 적용되기에 많은 시행 착오 등이 필요할 수 있겠지만, 산업현장에서 수용 가능한 효과적인 공학설계 교육으로 정착될 수 있기를 기대해 본다.
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