DESIGN - Elemente fundamentale ale sistemelor tehnice

Designul este o activitate multidisciplinara cu ramificatii largi in cele mai diverse sfere de activitate. Are la baza nu numai elemente de matematica, fizica si domeniile invecinate – mecanica, termodinamica -, ci si din domenii precum stiinta materialelor, tehnologie, managementul industrial si calculatoare. Pentru a dezvollta o teorie a proiectarii produselor, care sa poata servi drept strategie pentru dezvoltarea de solutii, trebuie examinate mai intai fundamentele sistemelor tehnice si a (diverselor) procedee.

1. De la sistem la component

Lucrarile cu caracter tehnic sunt realizate cu ajutorul mijloacelor tehnice. Acestea includ, in ordinea complexitatii, fabrica, echipamentul, masina, ansamblul, componentul. Acesti termeni pot avea utilizari sau intelesuri diferite, in diferite domenii. Astfel, un echipament (reactor nuclear) este considerat mai complex decat o fabrica, iar anumite mijloace descrise ca “fabrica” intr-un anumit domeniu, in altul poate fi descris ca “masina”.

O masina consta din ansambluri si componente. Un echipament de control poate fi utilizat atat intr-o fabrica, dar si pe anumite masini, si poate fi compus din ansambluri si componente, poate chiar mici masini. In functie de utilizarea lor, orice numar si orice divizare in ansambluri si componente este posibila.

Rolul designerului consta in stabilirea unor sisteme particulare corespunzatoare unor scopuri bine definite. Totodata ei trebuie sa stabileasca marimile de intrare si cele de iesire din sistem, precum legatura acestor sisteme cu mediul. Sistemele pot fi impartite in sub-sisteme. In acest caz, legatura intre sub-sisteme se face tot sub forma unor marimi de intrare si (altele) de iesire.

Conversia de Energie, materiale, semnal

Materia poate fi intalnita sub diverse forme sau configuratii. Existenta materiei in lipsa formei este un nonsens; forma reprezinta sursa primara de informatii despre starea materiei.

Energia, materia si informatia sunt considerate in literatura drept concepte de baza. In cazul unei variatii de flux energetic, material sau informational, la acestea se adauga drept marime fundamentala, timpul. Astfel, raportate la timp, procesele fizice pot fi intelese, iar interactiunile energie-materie-informatie pot fi descrise intr-un mod adecvat.

Analiza sistemelor tehnice releva faptul ca toate procesele tehnice implica transfer si/sau conversie de energie, materie sau semnal.

Energia poate fi convertita intr-o multitudine de feluri (motor electric: energie electrica energie mecanica + termica; motor cu combustie interna: energie chimica e.mec+e.termica, centrala nucleara: e. nucleara e.termica + e.electrica).

Materialele pot fi amestecate (aliaje), separate, turnate, laminate, transportate, acoperite, reciclate. Materiile prime sunt transformate in semifabricate sau piese finite. Pieselor mecanice li se pot da diverse forme, sunt finisate; unele pot fi distruse in scopul testarii materialelor din care sunt realizate.

In orice centru de fabricatie se proceseaza informatie. Acest lucru se realizeaza prin convertirea informatiei in semnale. Acestea sunt primite, prelucrate, comparate sau combinate cu altele, transmise, afisate, inregistrate etc.

In procesele tehnice, de obicei, un tip de conversie (energie sau semnal) preleveaza. Fluxul respectiv este considerat drept flux principal; simultan pot coexista toate tipurile de flux, sau numai o parte dintre ele. Astfel, de exemplu, nu poate exista flux de material sau semnal in lipsa totala a unui flux (oricat de mic!) de energie.

In general, in conversia de e, m, s, avem de a face cu notiuni specifice:

energie: mecanica, termica, electrica, chimica, optica, nucleara, si de asemenea notiuni ca forta, curent, caldura.

materiale: gaz, lichid, solid, praf,, materie prima, mostra, piesa, produs finit, component…

semnal: marime, afisaj, impuls, data, informatie.

In orice tip de conversie propusa, trebuie sa avem in vedere atat aspectul cantitativ, cat si cel calitativ. Conversia de energie, material sau semnal poate fi reprezentata ca o cutie neagra (black box). In figura de mai jos: conversia este cunoscuta, soluaia necunoscuta, obiectivul sau functia sunt descrise pe baza intrarilor si iesirilor.

Exista situatii cand este necesar a fi mentionate costul sau valoarea intrarilor, precum si costurile maxim admisibile la iesire. Sistemele tehnice in care este implicata o astfel de conversie trebuie definita deci atat in termeni cantitativi si calitativi, cat si economici.

3. Corelatii functionale

In vederea rezolvarii unor probleme tehnice, este necesar un sistem care sa reproduca usor si clar relatia dintre intrari si iesiri.

In cazul conversiei de materiale avem nevoie de intrari si iesiri identice. De asemenea, intre inceputul si sfarsitul unui proces (ex.: umplerea unui rezervor) trebuie sa existe o relatie precisa. In scopul descrierii si rezolvarii problemelor de design, se foloseste termenul 'functie' pentru a descrie relatia generala intrare/iesire intr-un sistem a carui finalitate este realizarea unui obiectiv (scop).

E E*

mSISTEM m*

Fig. 5 s s*

Pentru procesele stationare este suficient sa fie determinate intrarile si iesirile; pentru procesele dinamice (care se modifica in timp) obiectivul trebuie descris atat calitativ, cat si cantitativ. In acest fel, functia devine formularea abstracta a scopului (temei), independent de orice solutie particulara.

Daca obiectivul general a fost definit in mod adecvat, adica daca intrarile si iesirile sunt cunoscute cantitativ si ca proprietati (amplitudine), atunci poate fi specificata si 'functia generala'. Adeseori, o functie generala poate fi divizata direct in subfunctii corespunzatoare 'sub-scopurilor' (sub-obiectivelor) (de exemplu, la un robinet: pornit/oprit si amestecare apa calda/rece). Relatia intre functia generala si subfunctii este adeseori determinata de anumite restrictii in raport cu ordonarea subfunctiilor dupa prioritati.

Pe de alta parte, este posibil ca subfunctiile sa fie legate (conectate) in mai multe moduri, creandu-se astfel mai multe variante. In aceste cazuri este obligatoriu ca legaturile intre subfunctii sa fie compatibile.

Combinarea subfunctiilor intr-o functie generala genereaza asa numita structura a functiei ce poate fi modificata in vederea satisfacerii functiei generale (fig. 6).

Este utila o schema bloc ca cea din figura 6 in care procesul si subsistemele sunt considerate 'black-box' uri, iar continutul lor este ignorat.

Functiile sunt de obicei definite prin formule (formulari) ca de exemplu: cresterea presiunii, cuplu transmis, reducerea vitezei etc.

Fig. 6

Trebuie facuta distinctie intre functiile principale si functiile secundare. Functiile principale sunt acele functii care se subordoneaza direct functiei generale. Functiile auxiliare sunt cele care servesc indirect functiei generale.

Este necesar sa fie examinate relatiile intre diversele subfunctii si sa fie acordata o atentie deosebita succesiunii logice sau aranjarii necesare.

4. Corelatii de lucru (de functionare)

Stabilirea structurii functiei usureaza descoperierea solutiilor pentru ca simplifica procesul general de cautare a acestora, precum si deoarece solutiile subfunctiilor pot fi elaborate separat.

Subfunctiile individuale, reprezentate prin 'cutii negre' trebuie inlocuite in aceasta faza prin formulari mai concrete. De obicei, subfunctiile sunt indeplinite de procese de natura fizica, chimica sau biologica. Un proces fizic realizat prin efectul fizic ales, precum si prin caracteristicile geometrice si de material cunoscute, da nastere unei relatii de functionare care trebuie sa indeplineasca functia in conformitate cu obiectivul.

Efecte fizice

Efectele fizice sunt descrise cantitativ prin intermediul legilor fizicii ce guverneaza marimile fizice implicate. Astfel, efectul de frecare este descris de legea lui Coulomb F_f =mN; efectul de parghie, de legea parghiei F_a · a = F_b · b, dilatarea de legea dilatatiei Dl=a·l·Dq

Mai multe efecte fizice pot fi combinate pentru a indeplini o subfunctie. Astfel, functia unei lamele de bimetal este rezultatul combinarii a doua efecte, si anume efectul termic si elasticitatea.

O subfunctie poate fi realizata prin unul sau mai multe efecte fizice (ex.: o forta poate fi amplificata prin: efect de parghie, pana, electromagnetic, hidraulic etc.)

Efectul fizic ales pentru o anumita subfunctie trebuie sa fie compatibil cu efectul fizic al functiilor cu care aceasta se afla in relatie (ex: un amplificator hidraulic de forte nu poate fi actionat direct de la o baterie electrica).

Caracteristici geometrice si de material

Locul in care procesul fizic se petrece in realitate este pozitia activa sau locul de functionare. O functie poate fi realizata printr-un efect fizic aplicat prin intermediul geometriei de lucru , [adica aranjamentul suprafetelor de lucru (active)] si prin alegerea miscarilor de lucru.

Suprafetele de lucru active difera in raport cu- si determinate de:

tipul suprafetei;

forma;

pozitie;

marime;

numar.

In mod similar, miscarile de lucru necesare (cinematica) sunt determinate de:

tipul miscarii (translatie - rotatie);

natura (regulate - neregulate);

marime (viteza, amplitudine etc.);

numar (una sau mai multe);

directie (x, y, z – axe sau directii)

In plus, este necesara o idee generala despre tipul (tipurile) de material din care se realizeaza suprafetele de lucru active [solide, lichide, gazoase, rigide, flexibile, elastice, plastice, rigide, dure, rezistente la coroziune]. De multe ori, o varianta generala, incompleta este insuficienta; proprietatile materialului principal (de baza) trebuie specificate inainte ca o relatie de lucru sa poata fi formulata in mod adecvat.

Doar din combinarea efectului fizic cu caracteristicile geometrice si ale materialului (suprafete functionale+miscari functionale+materiale) poate rezulta solutia de principiu. Aceasta corelare se numeste principiu de functionare (dupa Hansen).

Tabelul 1

Tabelul 1 prezinta cateva exemple de principii de lucru:

transmiterea cuplului de forte intre suprafete cilindrice coaxiale;

amplificarea fortei (musculare) cu parghie, excentric sau scripete (troliu);

realizarea unui contact electric prin efect de dilatare (propriu-zis sau prin alaturarea a doua metale cu coeficient de dilatare diferit - bimetal).

Pentru satisfacerea functiei generale, principiile de lucru ale diverselor subfunctii trebuie sa fie combinate. Combinarea mai multor principii de lucru da nastere structurii de lucru a unei solutii.

Adesea, structura de lucru singura nu este suficienta pentru evaluarea principiului solutiei. Este necesara cuantificarea prin calcule sau cu ajutorul unor desene la scara; rezultatul se numeste solutie de principiu.

5. Corelatii constructive

Relatia de lucru stabilita in structura de lucru reprezinta punctul de start al viitoarelor concretizari conducand spre structura constructiva. Aceasta are in vedere necesitatile productiei, asamblarii, transportului etc. Din aceasta corelare, diversele module, ansambluri, masini, impreuna cu legaturile lor, determina formarea unui produs sau sistem concret (fig.3).

Corelatii	Elemente	Structura	Exemple
Corelatii functionale	Functii	Structura functiilor
Corelatii de lucru	Efecte fizice si geometrice Caracteristici de material Principii de lucru	Structura de lucru
Corelatii constructive	Componente Legaturi Ansambluri	Structura constructiva
Corelatii sistemice	Artefacte Om Mediu	Structura de sistem

6. Corelatii de sistem (sistemice)

Obiectele sau sistemele tehnice nu opereaza izolat, ci fac parte de cele mai multe ori dintr-un sistem superior. Pentru indeplinirea functiei generale, intr-un astfel de sistem este implicat omul, care il influenteaza prin activitati de intrare (operare, control). Sistemul raspunde prin reactii de tip feedback sau semnale care conduc spre alte actiuni. Omul sustine sau permite realizarea efectelor (actiunilor) dorite ale sistemului tehnic.

Intrari nedorite port veni din partea mediului si de la sistemele invecinate. Acestea sunt efecte perturbatoare (ex.: caldura excesiva) si pot cauza efecte secundare (abateri dimensionale, de forma etc.).

Aceste corelatii generale trebuie luate cu grija in consideratie in timpul proiectarii si dezvoltarii sistemelor tehnice. Pentru aceasta este recomandabil sa fie cunoscute obiectivele generale si restrictiile.

7. Obiective. Restrictii. Tendinte

Solutia unei probleme tehnice este determinata de obiectivul (obiectivele) general si de restrictii.

Ca obiective generale pot fi considerate:

- indeplinirea functiei tehnice;

- atingerea fezabilitatii economice;

- realizarea necesitatilor de siguranta (fata de om si mediu).

Indeplinirea functiei tehnice singura nu constituie finalitatea activitatii designerilor. Fezabilitatea economica este o cerinta esentiala si are legatura cu siguranta si protejarea omului si a mediului.

Pe langa satisfacerea corelatiilor functionale si de lucru, o solutie trebuie sa satisfaca o serie de restrictii specifice. Acestea pot fi clasificate in urmatoarele categorii:

- siguranta/incredere;

- ergonomie (+estetica);

- productie;

- controlul calitatii;

- asamblare;

- transport;

- operare, manipulare;

- intretinere;

- reciclare (reutilizare, reprocesare, stocare finala);

- cheltuieli (costuri, planificare, termene).

Caracteristicile care deriva din aceste restrictii care, de obicei, sunt formulate ca cerinte, afecteaza structurile functionale, de lucru si constructive. Totodata ele se influenteaza reciproc. Asadar ele trebuie tratate drept linii directoare de-a lungul procesului de design si adaptate la fiecare nivel al acestuia (conceptie, embodiment, detaliere).

METODE GENERALE PENTRU GASIREA SI EVALUAREA SOLUTIILOR

I. Metode conventionale

1.     Cautare in literatura de specialitate

(carti, reviste de specialitate, brevete, lucrari publicate la simpozioane, etc.).

Acest gen de informatii pot fi stocate pe calculator.

2.     Analiza unor sisteme naturale (studiul unor forme, structuri, organisme sau procese naturale). Legatura biologie - tehnologie - bionica si biomecanica (ex. de aplicatii tehnice ce imita forme naturale: structura tip fagure).

3.     Analiza sistemelor tehnice existente

Sistemele analizate pot include:             

- produse sau metode de productie ale concurentei;

- produse mai vechi sau metode de productie ale aceleiasi companii;

- produse similare sau ansambluri la care anumite subfunctii sau parti ale structurii functiei corespund cu cele cautate.

4.     Analogii cu sisteme tehnice sau din domenii extratehnice (rachete, vehicule, torpile, roboti, etc).

5.     Masuratori si teste pe modele - metode experimentale (una dintre cele mai importante surse de informatii)

Unii autori (Rodenacker) considera designul drept opusul experimentului fizic.

II. Metode intuitive

(idei bune, uneori geniale, existente in subconstient si aduse la lumina; ele se datoreaza cunostintelor, experientei si rezulta ca asociatii de idei).

Metodele pur intuitive au dezavantaje:

- ideea potrivita nu vine intotdeauna la timpul potrivit;

- conventiile pot inhiba dezvoltarea originara;

- lipsa de informatii poate ridica valoarea solutiei.

1. Brainstorming - genereaza un flux de idei noi

- sugerata de Osborn

- un grup de oameni isteti (“open – minded”) ce apartin unor domenii diverse se stimuleaza reciproc in gasirea unor solutii

- grupul are un lider si are 5 - 15 componenti si nu trebuie structurat pe ierarhie. Fara critici. Timp 30-45 minute.

Metoda 635 - 6 participanti / 3 solutii sub forma de cuvinte cheie / se face rotatia de 5 ori.

- Avantaje: o solutie buna poate fi dezvoltata mai sistematic, se poate urmari cine a dat ideea cea mai buna.

- Dezavantaje: izolarea reduce creativitatea.

3. Metoda expozitiei similar 1, dar dupa 15 minute in care fiecare participant a schitat ideea pe o hartie, solutiile sunt atarnate pe pereti ca intr-o expozitie. Solutiile sunt discutate alte 15 minute.

4. Metoda Delfi

5. Combinatii de metode