製品構造設計とは、以下のような製品の物理的側面を設計するプロセスを指す。 デジタル機器 そして 家電製品外見が概念化された後に。
"製品構造設計 "の定義をどう理解するか
このデザイン・フェーズは、次の段階とのギャップを埋めるものである。 美的デザイン そして 製造工程.例えば、電動エッグビーターの場合、形や色など外観のデザインが決まったら、次は構造設計。
これには、3Dモデリングを使ってモーター、回路、スイッチなどの内部部品を設計に組み込むことも含まれる。このプロセスは、外殻をパーツに分割することにも及ぶ、 射出成形用金型の作成また、シェル部品と内部部品との互換性や固定性を確保する。また、製造工程や組み立て要件を考慮し、製品の見えない部分を設計することも含まれます。
最後に、シェルは 射出成形 電動エッグビーターが完成する。
製品構造設計は、設計と実践的な製造を結びつける総合的な分野である。、生計を生を生を生れて生れて生の生計の生って生生を生の生。生計の生は生、生計の生を生生生生生生生生生生生生生生生生生生生生生生生生生生生生
製品構造エンジニアになる基礎知識とトレーニング
製品構造エンジニアになるためには、一定の基礎知識から始めなければならない。このセクションでは、初心者がジュニア構造エンジニアになるために必要な基礎知識を取り上げますが、追加的な知識を持つことは常に有益です。
1.機械製図
製品構造設計の基本的な要件のひとつは、次のとおりである。 機械製図大学在学中に学ぶことが多い。必要なスキルは基本的なものであり 手描き 製図基準で使用される様々な線の太さに関する能力または理解。
しかし、正投影図、側面図、第1角度と第3角度の基本概念を理解することは不可欠である。図面から部品の寸法や主な特徴を解釈できることは非常に重要です。これらのスキルは、製品構造設計の基礎となります。
通常、工業デザインや機械工学を専攻する学生は、大学でこの科目を学ぶ。その時によく理解できなかった場合は、複数の投影図が部品の形状をどのように表現しているかに焦点を当てながら、教科書を再確認することをお勧めする。
機械製図が製品構造設計の基礎となるのには、2つの理由がある。
まず、構造設計に使用される3Dソフトは、それが以下のようなものであろうとなかろうと、同じである。 クレオ, ソリッドワークス, グルタミン酸ナトリウム, キャティアあるいは フュージョン360このソフトは、パラメトリック・デザインの原則に基づいて動作し、2Dスケッチを3Dモデルに変換します。機械製図を理解していないと、これらのソフトウェア・プログラムを習得するのは難しい。
第二に、構造設計では、部品図や仕様書など数多くの2D図面を解釈して3Dモデルを作成することが多い。機械製図の基本的な理解がなければ、製品の構造設計を学ぶことは不可能だ。
寸法公差
寸法公差については、最も基本的なレベルでは、はめあいシステムや公差ゾーンのような複雑な概念を理解する必要はありません。しかし、基本寸法に続く小さな数字の意味を知ることは極めて重要です。
寸法公差は、最終製品で部品が正しく組み合わされるために非常に重要です。初心者のレベルでは、高度な公差システムを深く理解する必要はありませんが、主な寸法に続く数字の意味を知ることは不可欠です。これらの数値は、部品の寸法に許容されるばらつきを示しており、最終的なアセンブリにおける互換性と機能性を確保するために非常に重要です。
2.ソフトウェア学習
機械製図の基本を押さえたら、次はCAD（コンピュータ支援設計）ソフトに慣れることです。この段階では、ショートカットや複雑な操作を覚えるのではなく、図面の開き方や修正方法、線や寸法の追加などを理解することが大切です。この知識は、後に3Dソフトウェアを学ぶための基礎となり、3D部品の図面を2D製造ファイルに変換することを可能にし、最近習得した機械製図のスキルを強化します。
製品構造設計の実務において、純粋な2D製図は一般的ではなくなりつつあることに留意する必要がある。しかし、これは製品構造エンジニアになるための基礎であり、必要なスキルのすべてではないことを忘れないでください。
現代の製品構造設計では、3Dソフトウェアの熟練は譲れません。2D製図や手描き製図の腕前を懐かしむベテランエンジニアに振り回されてはいけません。エンジニアリングとは、職人技だけでなく、常に知識と技術を更新し続けることなのです。製品構造設計における3Dソフトウェアによる効率向上は大きく、従来の手作業による製図スキルでは太刀打ちできません。製品構造エンジニアは、常に新しい知識を学び、適応していく姿勢が求められます。
正しい3Dソフトウェアの選択
3Dソフトウェアの選択は、参入する業界によって異なります。例えば、航空宇宙産業や自動車産業では、UGを好むユーザーもいるにもかかわらず、CATIAを好むことが多い。これらの業界では、CATIAを知らないと不利になることがあります。UGは、その堅牢な機能により、金型業界や製造業界で広く使用されています。家電製品およびデジタル製品設計分野で優位を占めるCREOは、台湾企業がいち早く採用したことで人気を博している。ソリッドワークスは、最適化された機能により、機械設計、特にオートメーションに優れている。SpaceclaimやFusion 360のような新しいソフトウェアも検討する価値がある。
ひとつのソフトに満足しないことが重要だ。異なるソフトウェアにはそれぞれの強みがあり、絶えず進化し、互いに機能を拝借し合っています。自分が学んだソフトウェアが優れていると思い込むことは、デザイナーとしての成長を妨げ、陳腐化を招く恐れがあります。オープンなマインドセットと継続的な学習が鍵となります。
ソフトウェアの学習リソース
自分のキャリア・パスに合ったソフトウェアを選んだら、教科書やオンライン・ビデオなど、学習に利用できるリソースは数多くある。オンラインや書店に豊富な教材があるため、独学も現実的な選択肢となる。
ソフトウェアのコマンドをマスターしても、製品構造設計を効果的に行えない人は多い。なぜなら、ソフトウェアは単なるツールに過ぎず、製品構造設計の本質はその背後にある知識にあるからだ。デザインの原理、プロセス、複雑さを理解することこそが、この分野で真に秀でることを可能にするのだ。
3.業界製品に関する知識
構造設計の文脈で工業製品について語るとき、私たちは人々が日常生活で使用する具体的な商品を指す。これには、携帯電話、自動車、トイレから歯ブラシやマッサージ機まで、あらゆるものが含まれる。基本的に、ユーザーのニーズを満たす、あるいは特定の機能を果たす物理的な物体はすべて、このカテゴリーに入る。
最も単純な製品は、ステンレス製のスプーンのように、単一の材料から作られ、特定の形状と機能を持つかもしれない。しかし、より複雑な製品は、外殻と様々な内部部品で構成されている。トイレブラシであれロケットであれ、原理は同じである。外殻と内部部品の組み合わせであり、内部部品の数によって複雑さが変わる。
これを理解することで、製品の構造設計の役割が明確になる。外殻をどのように組み立てるか、内部の部品をどのように統合し固定するか、そして、これらの部品がどのように所望の機能を発揮するようにするか。
インターネットで知識を深める
理解を深めるために、一般的な製品の分解図を調べ、分析することを検討してください。そうすることで、製品の外殻や内部部品に関する概念の把握が深まります。
製品の外殻と内部部品に関する知識は、製品構造設計の重要な側面です。製品の種類にはそれぞれ固有の特徴と課題があります。幅広い学習視点を持ち、ひとつの製品タイプに偏りすぎないようにすることが大切です。各カテゴリーのエッセンスを把握し、継続的に学習することが大切です。
内部コンポーネント
単一機能で内部部品がないものを除き、ほとんどの製品には、電力用モーター、熱エネルギー用発熱体、インタラクション用ディスプレイ、操作ボタン、回路基板、スイッチ、コネクター、ダンパー、シール、エネルギー貯蔵ユニットなどの中核部品が含まれている。これらの部品は、それ自体が製品であり、それ自体がサブ部品である。
例えば、モーターにはコイル、カーボンブラシ、マグネット、シャフト、ブッシュなどがある。これらの部品が接続されると、回路基板と炊飯器のソケットに接続された加熱プレートのように、特定の機能を果たす。
製品によっては、多くの可動部を持つ複雑な内部機構を持ち、リンケージやカム機構などの知識を必要とするものもある。このような設計は、機械エンジニアやオートメーション・エンジニアが担当することが多い。また、小型家電のように可動部分が少なく、構造設計に重点を置く製品もあります。
さまざまな製品の内部部品は膨大であり、一人の人間がそのすべてを知ることはできない。この多様性が、異なる分野が区別されて見える理由だ。例えば、スマートフォンの設計に精通したエンジニアは、炊飯器の発熱体には詳しくないかもしれない。
内部部品に関する知識は、時間をかけて蓄積されるものです。日常生活で遭遇するさまざまな部品について観察し、好奇心を持つことは、製品構造設計の理解と専門性を大幅に高めることができます。
製品構造設計におけるシェル
製品の構造設計において、製品外殻の設計には様々な製造工程や表面処理工程が含まれる。材料の選択とそれに対応する加工技術は、製品の外観と機能性を形成する上で極めて重要です。
製品の外殻は様々な素材から作られており、それぞれ異なる加工方法が必要とされる。プラスチックのような同じ素材であっても、製品のサイズ、形状、その他の要件によって加工技術は異なります。一般的なプラスチックの加工方法には、射出成形、真空成形、ブロー成形、回転成形、エナメル加工などがある。
製品デザインにおけるプラスチック
製品外殻の最も一般的な材料は、プラスチックと金属である。、、、、、、ー プラスチックではー ABS、ー PCー PPー PEー ASー POMーTPEなどー各素材にはそれぞれ特性、成形条件、識別方法があります。
製品デザインにおける金属
製品シェルに使用される金属も、アルミニウム、ステンレス鋼、亜鉛メッキ鉄、冷間圧延鋼など多種多様である。これらはアルミニウム、銅、鉄に大別されるが、産業の発展により、グレードや種類は多種多様になった。
例えば、アルミニウムの等級は、異なるプロセスに適しています：6063は 突出部ADC12はアルミダイカスト用、7000系合金は航空機や宇宙船によく使われ、1145は食品包装のアルミ箔に適している。これらのニュアンスを理解することは、効果的な製品構造設計に不可欠です。
製品の構造設計には、材料とその適切な用途を深く理解することが不可欠です。定期的に情報を収集し、さまざまな材料とその用途について観察することで、効果的で機能的な製品構造を設計する能力が大幅に向上します。
4.様々なプロセスに関する知識
射出成形
射出成形は、特に家電製品の設計において、プラスチック部品の最も一般的なプロセスである。簡単に言えば、射出成形はプラスチックを溶かして液状にし、金属の空洞に流し込む。冷却すると、プラスチックはキャビティの形状に固化します。射出成形を理解するには、プラスチックの溶融（プラスチックの物理的特性を理解する）、金属キャビティでの成形（成形中のプラスチックの特性を知る）、キャビティからのプラスチック部品の排出（金型の基本を理解する）という3つの重要な分野の知識が必要です。
製品の構造設計に関する最も重要な点は、部品の排出である。プラスチック部品を取り出すには、金属キャビティ（金型）が開いて2つに分離できなければならない。冷却されたプラスチック部品の形状がキャビティにはまり込んでしまうと、取り出すことができません。したがって、この問題を防ぐためには、プラスチック部品の形状と金型のパーティングラインの角度が90度以下でなければならない。
金型の設計には、部品の取り外しを容易にするための可動部を含めることができる。例えば、プラスチックのボウルは、まずそれを保持する外側の金属層を動かすことで取り外すことができます。このような金型の可動部分は、次のように知られている。 スライダー または リフターは、プラスチック部品の設計をより柔軟にする。しかし、金型コストと複雑さを増大させる可能性があるため、その使用は最小限にとどめるべきである。
その他のプラスチック加工技術
などのテクニックもある。 ブロー成形, 瀬戸引きそして 回転成形 それぞれ独自のプロセスを持ち、製品の構造設計に影響を与えます。設計能力と選択肢を広げるために、これらの異なる技術を理解することは有益です。
5.製品構造工学における組立設計
様々な製品の基本構造とその成形工程を理解した後、次に重要なのは製品の組立設計である。これは製品の構造設計の重要な要素であり、製品の外殻の中に内部部品を論理的に配置し、確実に取り付けることに関わる。
内部部品アセンブリ
について 内部コンポーネントの組み立て 効果的に機能させるためには、正確に配置し、しっかりと固定する必要があります。製品の構造設計では、部品の位置決め、固定、保護、機能性の確保といった側面を考慮します。これらの検討には全体的なアプローチが必要であり、設計プロセス中に再検討が必要になることも多い。
部品の位置決め
をデザインする 各パーツの正確な位置 製品内での位置決めは非常に重要である。これには、3次元での空間位置を決定し、位置決め方法が実用的で効果的であることを確認することが含まれます。特に部品の製造公差を考慮した過剰な位置決めや位置決めの困難さは、一般的な課題です。経験豊富なエンジニアであっても、製造時に達成可能な精度を考慮せずに穴の位置決めに頼るなど、この分野では間違いを犯す可能性があります。ここでは、機械設計コースで扱われる自由度の概念を理解することが不可欠です。
内部コンポーネントの保護
位置決め用部品と固定用部品の区別は極めて重要である。特に高精度が要求される場合は、位置決めと固定の両方に同じ構造的特徴を使用することは避ける。位置決めには精度が要求され、固定には強度が要求されます。例えば、位置決めにネジの支柱を使用することは、低精度の場合には有効かもしれませんが、高精度が要求される場合には、より厳しい公差を持つ専用の位置決め支柱が必要であり、ネジは部品を固定するためだけのものです。
部品を固定する一般的な方法には次のようなものがある。 ハメ, 接着, welding, riveting, and sometimes snap-fit mechanisms, though the latter can be less effective against impacts. The challenge lies in ensuring adequate strength, and learning from existing designs can be highly beneficial. Further, revisiting university-level mechanics, material science, and finite element analysis is crucial. Modern simulation software, capable of modeling scenarios like drop tests, is a valuable tool for young engineers to surpass traditional experience-based methods.
For specific details on snap-fits, screw posts, ultrasonic welding, riveting, and adhesive bonding, specialized resources should be consulted. It’s important to emphasize the significance of learning finite element analysis software and staying updated with the latest manufacturing capabilities. Relying solely on design experience without adapting to new technologies and methods can quickly lead to obsolescence in this rapidly evolving field.
6. Protecting Components in Product Structural Design
In product structural design, protecting the internal components is a critical focus. Different products operating under various conditions require specific protection for their internal parts. The most common requirement is strength; it’s imperative that components do not dislodge or break during normal or extreme conditions, such as falls or during transportation. The structural design must ensure durability for regular use and resilience against extreme situations. Different products have different quality standards and, consequently, varying strength requirements.
Common protection needs include cushioning and shock absorption (e.g., for motors), as well as thermal insulation, dustproofing, and waterproofing. These measures are essential to extend the product’s lifespan and ensure its reliable operation. The specific learning content should be tailored to the particular product and its components.
Waterproofing and Dustproofing
Waterproofing and dustproofing are often specified by IP (Ingress Protection) ratings, such as IP65, which indicates complete dust resistance and protection against water jets. To achieve this, product structural designs commonly incorporate silicone sealing rings, potting compounds, and design angles for rain protection.
Thermal Protection
Thermal protection of internal components is another critical consideration in product structural design. Components like heating elements, motors, and circuit boards generate significant heat during operation. If this heat is not adequately dissipated, it can damage the components.
Common solutions include adding cooling fans, heat sinks, thermally conductive silicone, and graphene-based heat dissipation materials. Thermal analysis knowledge and software are used to calculate whether a particular heat sink can meet the cooling requirements of the product components. The principles involved include heat transfer, convection, and specific heat capacity, as taught in high school physics, but practical application in product design requires professional knowledge.
Different products and components require varied protective strategies in structural design. As a product structural designer, it’s essential to accumulate a wide range of experiences. Learning from successful designs in one product category and applying those insights to others can elevate your design skills above industry peers.
7. Functional Implementation
In product structural design, considering the functional implementation of components is a specialized and detailed aspect of the design process.
For instance, in electronics, the basic function of a speaker involves creating openings for sound to pass through. A more advanced understanding includes adding sealing foam between the speaker and the casing to form a front sound chamber, and ensuring the area of the sound holes meets the speaker’s specifications for optimal sound transmission.
In high-level design, the creation of a sealed rear sound chamber is considered, where the volume and shape are specifically designed to meet the speaker’s acoustic requirements, ensuring optimal f0 and sound frequency curves for superior sound quality. This aspect of design, often invisible to outsiders, involves significant work and detail. Learning in this area requires a deep dive into each functional component, understanding, designing, testing, and improving them.
Designing for Movement and Space
Another common aspect of functional implementation is designing for movement and space. For example, when a motor drives a linkage mechanism, the structural design must consider the mechanics of the linkage’s movement and ensure adequate space for its operation. Since most products aim for compactness, internal space is often limited. Determining appropriate clearances and understanding the minimum space requirements for each type of functional component is crucial and comes with experience.
Overcoming Industry Barriers in Design
The knowledge related to protecting internal components and achieving their functionality often forms the main barrier to entry in different industry sectors of product structural design. However, these challenges are not insurmountable. They involve understanding how to use each component safely and effectively, following a unified thought process, and supplementing knowledge in unfamiliar areas. Much of this knowledge has been distilled into industry-specific experiential values.
While the underlying theoretical reasoning can be complex, in practice, understanding these experiential values can lead to rapid and effective product structural designs. It’s important not to be intimidated by seemingly complex theories. Believing in the versatility and capability of a product structural designer is key to success in this field.
The Role of Experience and Continuous Learning in Product Structural Design
The previous discussion on product structural design highlights the importance of experience values. It might seem that mastering software, understanding basic product concepts, and accessing design experience values are sufficient for product structural design. This is both true and untrue. For many junior product structural designers, this is indeed how they start. However, the correct interpretation and application of these experience values require deeper internalization and understanding. Knowing the principles of success but failing to apply them effectively is a common pitfall.
The Need for Updated Knowledge and Skills
In product structural design, when reconstructing appearance models, knowledge of manufacturing processes is crucial. For example, understanding whether a design is moldable and how to optimize it is essential. This knowledge needs to be constantly updated and refined. In preliminary structural design, considerations include how to facilitate assembly and part production, improve production efficiency, and understand assembly-related issues. These aspects also require continuous learning and updating.
When refining product structural designs, minor adjustments that might seem insignificant to an outsider can be crucial. Decisions about the appropriate amount of snap-fit engagement, the right clearance between parts, or the optimal dimensions for ribs in injection molding are all based on deep understanding. This understanding must be thorough, encompassing both the how and the why.
Motorola’s Design Guidelines
For instance, Motorola’s design manual suggests a 0.075mm gap between the lens (transparent window panel) and the surrounding shell. A junior designer might simply follow this guideline, but a more experienced designer will delve deeper.
This specific value relates to the CPK values of injection-molded shells and the precision of lens cutting. It involves understanding statistical tolerances and requires continuous updating of knowledge. In a small-scale factory setting, a 0.075mm gap might not be appropriate due to different CPK values compared to Motorola’s supplier system. Recognizing these nuances is what distinguishes a master designer who can adapt to different environments and industries without issue.
To excel in product structural design, one must engage in ongoing learning and skill updating. This approach ensures that a designer remains versatile and effective, regardless of changes in location or industry. It’s not just about knowing the rules but understanding their underlying reasons and adapting them to different contexts.
Other Knowledge
Mastering software, understanding principles, and gaining experience in product structural design are just the beginning. A product structural designer’s role encompasses much more.
Knowledge of Components
Firstly, a structural designer needs to be knowledgeable about various components. Many products are designed from the inside out, starting with selecting internal components, arranging them effectively, and then designing the exterior. This requires choosing appropriate components and placing them in positions that facilitate both functional and aesthetic design.
This task involves understanding the working principles of these components and collaborating with industrial designers and hardware engineers to meet both functional and aesthetic requirements. Due to the complexity of this work, specialized roles like Stack Engineers or Product Architects have emerged, requiring a blend of product thinking, structural thinking, and design aesthetics, along with hardware knowledge.
Factory Visits and Understanding Manufacturing Processes
A product structural designer must also visit various manufacturing and assembly facilities, such as mold factories and production lines. Understanding how different designs perform under various manufacturing and assembly processes is crucial.
This knowledge allows the designer to optimize their designs for manufacturability, improving part processing yield and assembly efficiency. Structural engineers are responsible for creating initial assembly instructions, which serve as a guide for production line setup and product understanding.
Furthermore, a product structural designer is responsible for organizing the entire product’s Bill of Materials (BOM) and distributing the corresponding manufacturing drawings to various suppliers, including mold makers, sheet metal factories, stamping factories, silicone factories, etc.
Coordinating with these suppliers to ensure each part is produced correctly and meets quality standards is a significant part of the job. Decisions about acceptable tolerances and surface flatness for assembly compatibility are crucial and fall under the designer’s purview. Due to the workload, specialized roles like Mold Engineers have been developed to handle these specific tasks.
The Ongoing Responsibilities of a Product Structural Designer
The job of a product structural designer doesn’t end with the completion of designs and the initial assembly of the product. In fact, a new and often longer phase begins, focusing on quality assurance and compliance with standards.
Before a product hits the market, it must pass various quality checks and certifications, such as 3C standards domestically or FDA and CE standards for exports. The designer’s role includes researching these standards beforehand to ensure compliance, analyzing issues post-testing, and iterating the design until it meets all requirements. This cycle of assembly, testing, problem-solving, and retesting continues until the product is ready for mass production.
Even when a product is ready for mass production, the structural designer’s work isn’t finished. They must ensure that every part meets the required standards and communicate these specifications to each supplier. This involves defining acceptable tolerances and creating traceable documentation to address any quality issues during mass production. In case of problems, the designer must devise both immediate and long-term solutions, effectively acting as a “product caretaker.”
Recap: Knowledge and Interactions in Product Structural Design
Reflecting on the foundational knowledge required for product structural design, it’s clear that a solid understanding of design principles, software, component knowledge, manufacturing processes, assembly techniques, quality standards, and problem-solving logic is essential.
Interactions with various professionals are a constant in this role. A product structural designer collaborates with product planners, industrial designers, hardware engineers, suppliers, production line staff, quality control personnel, testers, and project managers.
A comprehensive understanding is necessary, encompassing aesthetics, hardware, product planning, coordination with various suppliers and assembly plants, knowledge of quality standards, and familiarity with testing methods. The ability to identify and solve problems is crucial in this multifaceted role.
Conclusion: The Versatile Career Path of a Product Structural Designer
A product structural designer is intricately involved in almost every stage of a product’s lifecycle. Their role is not confined to the initial design phase but extends through the entire process of bringing a product to market. This comprehensive involvement provides them with a unique set of skills and knowledge that makes them highly adaptable and versatile in their career paths.
Potential Career Transitions
Due to their extensive experience and understanding of various aspects of 製品開発, product structural designers often find opportunities for career transitions within and outside their original field. Some common career shifts include:
- Product Planning: Their deep involvement in the design process equips them with the skills to strategize and plan new products effectively.
- Procurement and Resource Development: Understanding supplier dynamics and manufacturing processes can lead them to roles in procurement and resource management.
- Quality Planning: Knowledge of quality standards and testing procedures can pave the way for a career in quality assurance and control.
- Factory Management: Frequent interactions with production lines and manufacturing processes can lead to roles in factory management.
- Project Management: Exposure to the entire product development cycle, from conception to production, makes them suitable for project management roles.
The only fields where transitions are less common are industrial design and hardware engineering, which require specialized skills that are not typically the focus of a product structural designer.
A World of Opportunities
In summary, the career of a product structural designer is marked by a breadth of knowledge and a depth of experience that opens up numerous pathways for professional growth and transition. Their comprehensive understanding of the product lifecycle, from design to production and quality assurance, makes them valuable assets in various roles across industries.
