공학은 우리 삶의 필요를 충족시키기 위하여 지속적으로 공학문제를 찾고 이를 해결하는 데 관심을 가지고 발전해 왔다. 최근 지식정보화 사회가 됨에 따라 사회적 욕구는 더욱더 다양해지고 있으며, 이 다양한 욕구들을 만족스럽게 충족시킬 수 있는 창의적 능력은 점점 더 절실히 요구되고 있다. 그래서 시대적 환경변화에 부응할 수 있도록 공학교육에 새롭고 창의적인 접근방법을 도입하여 사회에서 필요로 하는 공학문제를 잘 설정하고 이를 만족스럽게 해결할 수 있는 탁월한 엔지니어를 배출하는 것이 최근 공학교육의 목표이다.

이와 같은 공학교육의 목표를 달성하고 공학교육의 내실화를 위해 1999년 한국공학교육인증원(ABEEK)이 설립되었다. ABEEK 설립의 기본목적 중 하나가 지식산업사회에서 사회혁신과 삶의 질 향상을 위해 주도적인 역할을 할 수 있는 실력 있고 창의력 있는 엔지니어들을 배출 하는 것이다. 그래서 ABEEK과 공학교육 현장에서는 무엇보다도 창의적인 공학설계 교육의 내실화를 강조하고 있다.

한편 선진 미국에서도 새로운 시대에 적합한 공학교육에 대한 논쟁이 뜨겁다. 2009년 설문조사 결과, 미국 MIT 기계공학과 졸업생들은 현장에서 과학, 수학, 고체역학, 동역학, 열역학,유체역학은 거의 사용하지 않거나 1년에 한두 번 이용하지만 공학적 추론, 시스템적 사고, 의사소통 능력, 팀워크, 전문 기술, 독립적 사고는 거의 매일 사용한다고 응답하였다. 현장에서실제로 필요로 하는 이와 같은 능력과 소양을 갖추기 위해서는 팀을 구성하여 서로 의사소통하며 공학적 추론 및 전문 기술에 대한 독립적이며 시스템적인 사고 능력을 배양할 수 있는 창의적인 공학설계 교육이 무엇보다도 중요하다. 그러나 창의적인 공학설계가 무엇이며 어떻게 이루어지는지 그 절차 및 구체적인 사례를 다룬 교재가 미흡한 실정이다. 그래서 본 교재는 창의력을 기반으로 한 공학문제 설정으로부터 시작하여 산업표준, 경제, 환경, 윤리, 안전, 사회, 정치, 문화, 예술 등 우리 삶에서의 현실적 제한조건들을 고려한 종합설계 과정을 체계적으로 수행하여 현장 적응력 있고 현재 뿐만 아니라 미래의 사회적 욕구를 충족시킬 수 있는 능력과 자세를 갖춘 엔지니어가 될 수 있도록 집필되었다.

이 교재는 다음과 같은 내용으로 구성되어 있다. 1장에서는 창의공학설계에 관한 전반적인 개요를 다룬다. 우선 공학이 무엇인지 정의하고, 공학의 첫 단계인 공학문제 설정에 대하여 설명한다. 그리고 공학문제를 해결하는 과정인 공학설계의 중요성과 공학문제 해결사의 역할을 하는 엔지니어들이 갖추어야 할 창의적 능력과 소양에 대하여 언급하며, 공학설계가 어떤 절차에 따라 이루어지는지 간략히 설명한다. 2장에서는 공학적 의사소통 기술을 다룬다. 성공적인 공학설계 과정을 수행하기 위해서는 팀워크에 의한 협동 작업이 필요하다. 그래서 팀 구성 및 운영방법에 대해 설명하고, 엔지니어들에게 필요한 의사소통 및 발표 능력에 대하여 설명한다. 그리고 공학설계 결과물이 설계 의도대로 잘 제작될 수 있도록 설계기술자와 생산기술자들이 서로 의사소통이 원만하게 될 수 있도록 설계도면을 작성하고 해독하는 방법을 개략적으로 소개한다. 3장에서는 공학문제가 구체적으로 어떻게 설정되는지를 다룬다. 공학의 출발인 공학문제 설정을 위해 사회에서 무엇을 필요로 하는지 전화인터뷰, 설문조사 등에 의한 시장조사를 통해 고객들의 필요사항들을 파악하고, 이에 대한 해결안을 마련하기 위하여 인터넷,특허정보 검색 등을 통한 자료수집 방법, 제품의 요구사항 분석, 그리고 제품 개념 도출과 이를 어떻게 구체화하는지 설명한다. 4장에서는 창의적으로 공학문제를 찾고, 분석하고, 종합하여 해결안을 제안하는 과정을 체계적으로 진행할 수 있는 기법인 창의적 아이디어 발상법에 대해 다룬다. 본 교재에서는 대표적인 창의적 아이디어 발상법인 브레인스토밍 기법, 트리즈기법, 스캠퍼 기법, SWOT 분석법 그리고 만달아트 기법 등에 대해 설명한다. 5장에서는 창의적으로 설정된 공학문제를 구체적으로 해결할 수 있는 공학적 기술 및 도구들을 다룬다. 우선 공학문제 해결을 위해 사용되는 공학재료들의 특성 및 활용에 대하여 설명한다. 다음, 대표적인 공학적 시스템인 기계시스템, 열유체시스템, 메카트로닉스시스템에 대하여 설명한다. 그리고 현실적 제한조건들을 고려한 최적설계 기술, 실제 제품에 대한 제조 및 제어자동화 기술에 대하여 설명한다. 또한, 공학설계 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 등 공학문제 해결도구들을 소개한다. 6장에서는 창의설계과제에 관한 사례들을 다룬다. 폭발물 제거 레고로봇 그리고 3점 슛 농구로봇에 관한 창의설계과제 사례들을 구체적으로 설명하고, 공학도들이 실제적으로 창의설계를 수행해 볼 수 있는 여러 가지 사례들이 소개되어 있다. 그리고 7장에서는 종합설계(capstone design)과제의 구체적인 사례들을 다룬다. 모바일하버 적재 시스템, 계단용 진공청소기 노즐 시스템, 건축용 3D 프린팅 모의 시스템과 메카넘 구동 시스템에 관한 종합설계과제 사례들을 소개하고, 또한 종합설계과제의 결과물을 특허출원하기 위한 특허출원서의 작성 예들이 포함되어 있다. 끝으로 부록에는 창의종합설계 된 작품을 특허출원하는 데 필요한 특허출원서의 작성법이 간략히 소개되어 있다. 그리고 창의설계과제의 최종발표자료 및 종합설계과제의 최종보고서를 작성하는 형식과 구체적인 예가 제시되어 있다.

많은 공학도들이 이 교재를 통하여 창의적 사고와 의사소통 능력의 중요성을 인식하고 문제해결 능력을 습득하여 창의공학설계를 주도적으로 수행할 수 있는 능력과 경쟁력 있는 엔지니어가 될 수 있는 소양을 갖추어 미래 사회를 책임질 수 있는 일꾼들이 되기를 간절히 바란다. 이 교재는 창의적공학설계, 제품개발설계, 기계시스템설계, 종합설계과제 등 공학설계 관련 교과목 뿐만 아니라 기계공학의 전반적인 내용을 개략적으로 소개하는 ‘기계공학개론’ 교과목의 교과서 또는 참고도서로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

1장 서 론 1

1.1 공학의 정의 2

1.2 공학문제 7

1.3 공학설계의 중요성 8

1.4 엔지니어의 창의적 능력 및 소양 10

1.5 공학설계 절차 13

2장 공학적 의사소통 21

2.1 개요 22

2.2 팀 구성 및 운영 24

2.3 발표에 의한 의사소통 29

2.4 도면에 의한 공학적 의사소통 43

3장 공학문제 61

3.1 개요 62

3.2 시장조사 63

3.3 특허검색에 의한 정보수집 67

3.4 제품의 요구사항 분석 76

3.5 제품 개념 도출 및 구체화 84

4장 창의적 아이디어 발상법 101

4.1 개요 102

4.2 브레인스토밍 기법 102

4.3 트리즈 기법 108

4.4 스캠퍼 기법 116

4.5 SWOT 분석법 119

4.6 만달아트 기법 121

4.7 그 외의 아이디어 발상법 127

5장 공학문제 해결을 위한 기술 및 도구 133

5.1 개요 134

5.2 공학재료의 특성과 활용 135

5.3 기계시스템에 관한 기술 145

5.4 열유체시스템에 관한 기술 166

5.5 메카트로닉스시스템에 관한 기술 185

5.6 최적설계 기술 199

5.7 제조공정 및 생산 기술 208

5.8 계측 및 제어 기술 234

5.9 공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 249

6장 창의설계과제 사례연구 267

6.1 폭발물 제거 레고로봇 268

6.2 3점 슛 농구로봇 274

6.3 창의설계과제 예제 282

7장 종합설계과제 사례연구 301

7.1 모바일하버 적재 시스템 302

7.2 계단용 진공청소기 노즐 시스템 310

7.3 건축용 3D 프린팅 모의 시스템 321

7.4 메카넘 구동 시스템 354

부록 1. 특허출원서 작성법 404

부록 2. 창의설계과제 최종 발표자료 작성 예 409

부록 3. 종합설계과제 최종보고서 작성 예 422