กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม

กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมสามารถดำเนินการเพื่อให้ได้ผลงานโดยทั่วไปทีอยู่ 2 แบบ คือ
1. การออกแบบเชิงวิศวกรรมโดยใช้วิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ในการดำเนินการ
2. การออกแบบเชิงวิศวกรรมโดยใช้ประสบการณ์ เพื่อให้ได้ผลงานโดยไม่ได้ใช้หลักวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ในการดำเนินการ
ความแตกต่างของการดำเนินการทั้ง 2 แบบ คือ ความน่าเชื่อถือ ความปลอดภัย และการทำซ้ำ ซึ่งการออกแบบเชิงวิซวกรรมศาสตร์โดยใช้วิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ในการดำเนินการ ยังสามารถนำมาซึ่งเทคโนโลยีและนวัตกรรมใหม่ได้ด้วย
ยกตัวอย่างการเรียนรู้ในรูปแบบ STEM ที่จะฝึกให้เราได้ใช้ทักษะอย่างครบถ้วน
กรบวนการการออกแบบเชิงวิศวกรรม เป็นกระบวนการสำคัญที่ทำงานอย่างเป็นระบบ จึงได้ถูกนำมาใข้ในการแก้ปัญหาตามความต้องการของมนุษย์ และสร้างสรรค์ผลงานที่ไม่เคยมีมาก่อน หรือนำเทคโนโลยีมาพัฒนาต่อยอดให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ซึ่งแบ่งออกเป็นขั้นตอนหลัก 6 ขั้นตอน และสามารถจำแนกรายละเอียดได้เป็น 13 ขั้นตอน เพื่อให้เราสามารถเข้าใจถึงการทำงานได้ดีขึ้น ดังนี้
กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม มี 6 ขั้นตอนหลัก ดังนี้
1.ระบุปัญหา (Problem Identification)
เป็นการทำความเข้าใจปัญหาหรือความท้าทาย วิเคราะห์เงื่อนไขหรือข้อจำกัดของสถานการณ์ปัญหา เพื่อกำหนดขอบเขตของปัญหา ซึ่งจะนำไปสู่การสร้างชิ้นงานหรือวิธีการในการแก้ปัญหา
2.รวบรวมข้อมูลและแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับปัญหา (Related Information Search)
เป็นการรวบรวมข้อมูลและแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับแนวทางการแก้ปัญหาและประเมินความเป็นไปได้ ข้อดีและข้อจำกัด
3.ออกแบบวิธีการแก้ปัญหา (Solution Design)
เป็นการประยุกต์ใช้ข้อมูลและแนวคิดที่เกี่ยวข้องเพื่อการออกแบบชิ้นงานหรือวิธีการในการแก้ปัญหา โดยคำนึงถึงทรัพยากร ข้อจำกัดและเงื่อนไขตามสถานการณ์ที่กำหนด
4.วางแผนและดำเนินการแก้ปัญหา (Planning and Development)
เป็นการกำหนดลำดับขั้นตอนของการสร้างชิ้นงานหรือวิธีการ แล้วลงมือสร้างชิ้นงานหรือพัฒนาวิธีการเพื่อใช้ในการแก้ปัญหา
5.ทดสอบ ประเมินผล และปรับปรุงแก้ไขวิธีการแก้ปัญหาหรือชิ้นงาน (Testing, Evaluation and Design Improvement)
เป็นการทดสอบและประเมินการใช้งานของชิ้นงานหรือวิธีการ โดยผลที่ได้อาจนำมาใช้ในการปรับปรุงและพัฒนาให้มีประสิทธิภาพในการแก้ปัญหาได้อย่างเหมาะสมที่สุด
6.นำเสนอวิธีการแก้ปัญหา ผลการแก้ปัญหาหรือชิ้นงาน (Presentation)
เป็นการนำเสนอแนวคิดและขั้นตอนการแก้ปัญหาของการสร้างชิ้นงานหรือการพัฒนาวิธีการ ให้ผู้อื่นเข้าใจและได้ข้อเสนอแนะเพื่อการพัฒนาต่อไป
ตัวอย่าง กระบวนการพัฒนาเตาอบพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยกระบวนการเชิงวิศวกรรม
กระบวนการเชิงวิศวกรรมศาสตร์
1. ระบุปัญหา
ปัญหาแมลงวันในชุมชนที่มีจำนวนมาก
อภิปรายสาเหตุของปัญหา พบว่าเกิดจากสาเหตุ ดังต่อไปนี้
1. การตากอาหารประเภทเนื้อสัตว์ เช่น ปลา เนื้อวัว เนื้อหมู้ ไว้กลางแจ้ง
2. การทิ้งเศษอาหารและขยะโดยไม่ใส่ถังขยะ หรือถุงที่ปิดสนิท
เลือกแนวทางการแก้ปัญหา
แมลงวันมีสามเหตุการเกิดจากการตากอาหารประเภทเนื้อสัตว์ เช่น ปลา เนื้อวัว เนื้อหมู้ ไว้กลางแจ้งมาแก้ปัญหาเนื่องจากในชุมชนมีหลายครัวเรื่อนที่ผลิตปลาสลิดแห้ง หมูและเนื้อแดดเดียวขาย
ระบุปัญหาที่ต้องแก้ไข
"การตากอาหารแห้ง ก่อให้เกิดแมลงวันจำนวนมากในชุมชน"
2. รวบรวมข้อมูลและแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับปัญหา
รวบรวมข้อมูลและแนวคิดที่เกี่ยวกับปัญหาได้ ดังนี้
วิธีที่ 1 กการใช้กระแสลมร้อนสัมผัสกับอาหารและตาข่ายคลุมอาหารตากแห้ง
วิธีที่ 2 สร้างเครื่องมือขึ้นใช้กระแสลมร้อนสำหรับอบผลผลิตทางการเกศตรให้แห้ง จึงเรียกวิธีการนี้ว่า "การอบแห้ง"
วิธีที่ 3 กำจัดความชื้นในอาหารโดยทำน้ำให้เป็นน้ำแข็ง ซึ่งเป็นการทำให้อาหารแห้งแบบเยือกแข็ง เครื่องมือที่ใช้คือเครื่องอบแห้งแบบเยือกแข็ง
วิธีที่ 4 การใช้คลื่ไมโครเวฟเพื่อลดความชื้นของอาหาร
ประเมินทางเลือก
วิธีที่ 1 เป็นวิธีที่มีค่าใช้จ่ายน้อยที่สุด แต่บางครั้งสภาพอากาศมีความชื้นสูง หรือในฤดูฝนการตากแดดและผึ่งลมจะทำไม่ได้ นอกจากนี้ ยังมีปัญหาเกี่ยวกับความไม่สะอาด เนื่องจากฝุ่นละอองในขณะตากและการถูกรบกวนจากสัตว์
วิธีที่ 2 เป็นวิธีที่มีค่าใช้จ่ายขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ที่เลือกมาสร้างเป็นเทคโนโลยี
วิธีที่ 3 และวิธีที่ 4 เป็นวิธีที่มีค่าใช้จ่ายที่สูง
ดังนั้น จึงเลือกวิธีที่ 2 การสร้างตู้อบ เนื่องจากสามารถกันได้ทั้งแมลงและฝุ่นละออง
3. การออกแบบวิธีการแก้ปัญหา
ตู้อบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
การสร้างตู้อบแห้งนั้นจะใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพื่อไม่ให้ต้นทุนทางการผลิตสินค้าสูงขึ้น โดยร่างรูปแบบได้ดังนี้
4. วางแผนการดำเนินการแก้ปัญหา
วัสดุและอุปกรณ์
- กล่องโฟมหรือลังโฟม ขนาดกว้าง 45 ซม. ยาว 60 ซม. สูง 30 ซม. มีฝาปิด
- แผ่นพลาสติกหรือกระจกที่มีความหนาประมาณ 2-3 มม. ขอบกระจกโดยรอบใช้อะลูมิเนียมรูปตัวจนาด 3 หุน หุ้มไว้ แผ่นพลาสติกหรือกระจก เพื่อกันแตกและกันบาดมือ
- แผ่นสะท้อนความร้อนชนิดที่มีฟองน้ำด้านหลัง 1 ม้วน
- กระดาษฟอยล์สีเงิน
- กระดาษลูกฟูกหรือฟิวเจอร์บอร์ดสีดำ 1 แผ่น
- กล่องกระดาษมีขนาดเล็กกว่ากล่องโฟม
- กระดาษสีดำ
- กาวแป้งเปียก
- สกอตเทปสีน้ตาลแถบใหญ่สำหรับติดที่กล่องโฟมและกระดาษลูกฟูกหรือฟิวเจอร์บอร์ดสีดำ
- เครื่องวัดอุณหภูมิในตู้อบแห้ง