創意性工程設計

創意性工程設計是「產品設計」或「機械設計」範疇的一部分。一般在產品設計的領域中，設計者對產品功能的實現或產品的形狀外觀的追求較為關注，而機械設計工程師較為在意的可能是對於要達成產品功能的形體結構、材料以及在力學上要如何滿足等問題。上述兩種設計目標都是產品開發過程中不可或缺的工作重點，設計工程師往往為了克服工作進行中的種種困難，並沒有多餘的精力去考慮上述兩項設計目標以外的事項，這就是一種新產品為什麼缺乏創新的設計的重要原因。
如何使一個產品具有創新的特色，吸引使用者對產品的關注是創意性工程設計一書所欲探討的主題。在市場上我們看到Apple公司雖然介入行動電話的領域較晚，但他們推出的產品仍然席捲市場令人瘋狂。另外Dyson設計的電風扇、吸塵器也都是早已存在的「傳統」產品，但他們的設計仍充滿創意，改變使用者的眼界。在學校中習得工程上的種種知識並不保證可以設計出具有創意的新產品。另一方面，充滿創新、令人喜愛的產品不見得是設計者天馬行空、異發突想之下的作品。只要遵循一定的設計步驟，應用創意的思考邏輯，做出一種令人驚豔的創意性產品是極為可行的。
本書的內容提出一種工程設計的流程，強調問題分析的重要，鼓勵設計者不急於決定產品的形狀、結構或材質，特別是對於市場上已存在的類似產品必須徹底檢討分析，掌握產品的和新需求然後再搭配創意性思考的方法，提出獨創的設計概念。如此衍生的設計概念經由適當的比較淘汰，一定可以得到具有創意的設計基礎，進而做出創新的產品，於本書籍最後章節提供實際案例作為參考，案例說明由設計的需求、問題定義至設計概念與檢討評估等設計之推演步驟，讓讀者依其推演模式作為訓練，有助於融會本書籍各章節敘述的概念。

徐瑞坤 教授
國立交通大學機械系教授
大同公司機械設計課
日本東京大學工學博士

歐耿良 教授
現職
臺北醫學大學特聘教授
臺北醫學大學牙醫學系教授
臺北醫學大學生醫器材研發暨產品試製中心主任
臺北醫學大學生醫植體暨微創醫療研究中心主任
北海道醫療大學客座教授
永義防癌基金會醫療董事
三鼎生物科技股份有限公司總經理
合一生技股份有限公司董事
安杏生物科技股份有限公司董事
三顧股份有限公司董事

學經歷
臺北醫學大學口腔醫學院院長
臺北醫學大學生醫材料暨組織工程研究所教授
科技部生物處副召集人
臺灣金屬熱處理學會理事
臺灣生物力學學會監事
國立交通大學機械工程研究所博士

目錄
第一章 設計的步驟
1.1　前言
1.2　系統化工程設計法的特質及發展
1.3　工程設計的基礎
1.4　設計的流程（步驟）
1.5　設計的思考邏輯
1.6 工程設計的幾個重要觀念
第二章 產品規劃及需求的明確化
2.1　產品的企劃
2.2　需求的明確化
第三章 設計法
3.1　創意
3.2　創意的方法
3.3　邏輯式的方法
3.4　構想的流程
3.5　構想選擇法
3.6　評估參數
第四章 概念設計
4.1　概念設計的步驟
4.2　問題的抽象化及功能構築
4.3　搜尋滿足基本功能需求的設計原理
4.4　概念設計之確立
4.5　設計概念之評價
第五章 實體設計
5.1　前言
5.2　實體設計的基本原則及原理
5.3　產品設計圖面
5.4　材料表
5.5　公差與配合
5.6　資深設計者的建言
第六章 材料、加工與設計之關係
6.1　材料的選擇
6.2　生產性設計
6.3　經濟因素
第七章 工程設計之失敗例
第八章 實際案例分析
8.1　牙周護理牙刷
8.2　抗菌及疼痛治療貼布
8.3　生醫模型逆向成型方法
8.4　脊椎矯正裝置及方法
8.5　震動麻醉減痛裝置
8.6　頭部保健裝置
8.7　齒顎矯正裝置
8.8　非接觸式牙科植體穩固度檢測儀
8.9　生物可降解之鼻腔填材製造方法
8.10　抗菌暖爐
8.11　針灸針的製造方法及其構造
8.12　植牙牙根及其表面之成型方法
8.13　磁性穴道刺激裝置
8.14　齒用保護板

1.1前言
何謂「設計」？其說法五花八門，多如牛毛，但不管那種說法，其精髓都包括「創新」或「無中生有」的這一個要素，所以廣義的設計不但包含了工程設計，藝術家、畫家、雕刻家，甚至文學作家創作都可以視為這種以創新作為主要工作的一種。
工程師雖然不是唯一從事設計工作的人員，但不管是那一種領域的工程師，其工作範圍多數與「設計」有所關聯。比較精確的定義「設計」這兩個字，應該說是將一些新的東西組合起來，或將已有的東西做新的組合可以稱為設計。若採用Joset Franz Blumrich（前NASA先進結構開發部門主管）的說法，設計是「給未被解決的問題提供解決的方法，或對雖已被解決的問題提供新的解決的方法」的一種過程。所以設計的能力可以視為是科學（Science）與藝術（Art）兩者的結合，屬於科學的部分大多可以遵循一定的學習程序而獲得，而屬於藝術的部分，除了學習之外更需要從實際的生活體驗及工作中累積經驗，因此任何一種設計的教育中不可避免的都會有此一部分。
要注意的是設計（Design）不可和發現（Discover）混淆，發現是指對已經存在的事物，首先看見或首先了解，而設計是規畫與工作之下的產物，設計出來的東西必須是要滿足某種需求的結果，而且這種東西原來並不存在，你可能會覺得這樣定義設計似乎與現實不符，看看滿街奔馳的汽車還是都具有相同的功能？但仔細分析同樣都是擁有2000 cc引擎的小汽車，不但它們的外形不同，空間大小不同，風阻大小不同，馬力不同，油耗不同，完全相同的部分恐怕還不多！所以Ford的Mondeo與Toyota的Camry都是工程設計的產品。另一方面需要強調的是所謂的設計並不一定是發明（Invention），如發明專利，申請者設計的機具必須是突破現有知識領域的一種創新才有條件獲得，但大多數的設計成品卻不一定具有這種創新的成分，可是這些產品仍然應該含有某種程度的特殊功能是其他類似產品上不存在的。
所謂「好的設計」必須包含「分析」與「合成」（Analysis & Synthesis），要學會設計，一個設計者先要懂得應用工程上的知識、方法和種種的工具來估算機具的動作功能及需求，而「分析」所指的即將一個複雜的實體簡化成可以應用上述計算方法處理的模式（Model），亦包含有時需要把機具拆成數個較小部分以便從事上述的計算。另一方面，所謂的「合成」即把這些拆散後的部分再組合起來，探討代表機具整體的功能是否滿足設計時所訂的需求的一種方法或技術。
1.2系統化工程設計法的特質及發展
所謂系統化工程設計法是指以一種具有一定步驟或程序的體系化設計方法，應用科學上的知識、經驗，並在材料、加工技術及成本的限制條件下，找出一個最適當設計解的過程。這種設計解必須滿足客戶的需求，而且較已知的設計解或已存在的製品有更佳的優勢。
1.工程設計製品的類型
工程上的製品，概略的可以分為三種類型：
(1)原創設計（Original design）
市場上或工程應用上從未出現過的設計解（製品）。例如早期登陸月球的探勘車，後來出現的可攜式行動電話，或現在開發中的Google Glass都是屬於這一類的設計產品。
(2)轉用設計（Adaptive design）
相同或類似的設計原理已存在於既有的製品，應用此種原理於相異的需求或製品的設計。以馬達為例，原是用於工業上的驅動裝置，如今許多汽車廠把它用於汽車的動力源取代原有的汽油，柴油引擎，可以算是轉用設計的例子。
(3)替代設計（Variant design）
應用相同原理解決相似的需求，作部分零件配置、尺寸、材料變更或功能更改的一種設計。
Apple公司推出的iPod、iPhone都不是市場上的先驅產品，但是這些產品運用類似的原理提供更佳的功能和品質，也在市場上掀起了極大的回響，這類的替代設計也占工程設計類型很大的比率。
根據德國機械工業協會（Verband Deutscher Maschinenund Anlagenbau）1973年的調查資料，在機械工業領域，有55%的設計類型屬於轉用設計，25%為原創設計，剩餘的20%則為替代設計，其中的原創設計與轉用設計都需要設計者有較高的創造性或適應性，由此可見工程上的設計工作為一種講求創意的工作。
2.系統化設計的特質及必要性
從事工程設計工作的人，通常面臨複雜多樣的問題需求，要解決這些問題，一方面需要相當深入的專門知識經驗，一方面又要受到經濟面及時間上的限制，如沒有一種系統化的工作方法或步驟，設計過程往往十分耗時，又容易顧此失彼、事倍功半，應用系統化設計，可以按部就班減少考慮過程的疏漏，避免錯誤發生，這也是工程設計法為何在現在產品開發上顯得重要的理由之一。
所謂的系統化設計必須具備下列幾項特質：
(1)問題指向型的處理態度
即解決問題前需先分析問題的本質，了解問題後再著手進行設計構思。
(2)促進創意的工作方式
利用諸如腦力激盪的方法，集合群體的力量，彼此競爭，激勵創新。
(3)開拓跨領域的知識
擴大設計探討的範圍，融合不同領域的專業知識，從基礎的應用原理思索解決問題的方法。
(4)改善已知設計解的一種學習熱忱
徹底分析已存在的設計解，了解競爭對手的優劣點，從其中建立屬於自己能發揮的優勢，提高產品的價值。
(5)具備現代化管理的思考
設計解的決定屬於一種反覆選擇淘汰的循環過程，如何有效率的選擇適當的設計解，淘汰較不具有優勢的設計和構想，需要現代化管理的思考。

藉由培育上述條件的工作方法與思考方式，可以使設計者在設計的工作上提升創意力，發展出一種系統化解決設計問題步驟。
一個系統化的設計方法比較能夠找出一種滿足多重功能需求的合理設計解，而且系統化的設計法對於設計步驟的建立，設計概念可行性的評估選擇，或零件形狀尺寸的安排規劃，也會比較有效率，對於講求時間效率的現代化社會，有一種系統化設計方法的必要性更形重要。合理的設計方法包括適當的使用電腦、工具、軟體、模型試驗，並對模擬或試驗的結果進行評估選擇。圖1.1、圖1.2及圖1.3是過去文藝復興巨匠達文西（Leonardo da Vinci）留下的手繪筆記，從其中可以看出達文西會嘗試各種不同的概念解決設計上的問題，這些概念的來源可能是周邊自然界既存的花鳥人獸動植物，也可能是科學上剛提出的最新原理發明，這樣的設計態度可以說是系統化設計的開端。
3.系統化工程設計的發展
隨著工業的發展，有許多學者提出一些設計的原則來構築系統化的設計思考，例如零件必須求充足的強度、剛性、磨耗要最小、材料的使用最少，組裝最容易等，這樣的原則被加諸於構成系統零件選擇、設計或製造時可以提供設計者選擇或判斷的依據，但這種原則性的設計方式應用於一個較為龐大的工程系統，有時會出現見樹不見林的缺點。
1942年Kesselring提出形態設計（Form Design）的理論，以5個設計原理規制設計思考的方向：
(1) 製造成本最低
(2) 占有空間最小
(3) 重量最輕
(4) 製程損失最少
(5) 操作最容易
形態設計理論的實踐，不論巨觀的概念建立或個別零件的設計，都必須盡可能接近上述目標，如此得到的設計解也會趨近於理想的境界。
隨設計方法論方面研究的進步，Hansen, Rodenacker等人更發現適當的設計流程及步驟可以比上述的設計原理更可能使設計者建立理性的思考方法，尤其許多工程師們偏向「解決方法型（Solution Oriented）」的思考傾向，更需要藉由恰當的步驟來引導他們朝「了解問題型（Problem Oriented）」方向去思考解決問題的方法，其中Rodenacker提出的步驟幾乎奠定了現代系統化設計方法。
Rodenacker的設計步驟如下所示：
(1) 確定功能需求
(2) 功能需求構築
(3) 選擇適當的物理程序（如製造的方法，系統的流程邏輯）
(4) 實體的決定（如Layout，形狀特徵的確立）
(5) 理論的評估（如強度，產能，能量的輸出）
(6) 去除設計障礙缺陷
(7) 細部設計
另外，Roth也提出一種系統化設計的邏輯，他把設計的過程分為功能設定、機器構造及形態設計等3個階段，其詳細如圖1.4所示。
不論何人提出哪一種設計的邏輯，如這種方法無法應用於實際的產品設計或開發，這樣的設計法就無存在的價值，以下的章節我們將基於這樣的思維提出一種適合於各種工學系統的系統性工程設計法。
1.3工程設計的基礎
如前節所述，一般工程設計的目的在於規劃一種機構系統以達成規格上所訂的各種功能需求，在設計的過程包含需要完成一些零件、裝置、機構、系統等的形狀、尺寸或材質的決定，構成一個工程系統，包含有下列的部分：
1.零件
零件是工程系統的基礎，這可能是一顆螺絲、螺帽，可以從市面上輕易取得的規格品，也可能是一根傳動軸、齒輪，它們的形狀、尺寸、材質等是由設計的工程師，根據功能需求，經過分析、計算然後決定的。零件的設計要考慮的因素有形狀、尺寸、位置、數量、材質等與形態相關的參數。有時可能需顧慮到機構的運動方式、性質、力量的大小、方向。每一個零件的決定必須是有助於達成設計規格的需求。零件設計的優劣，除了滿足表面上的功能需求外，操作的容易與否，能量損耗的多寡，維修更換的頻度等事項，也是評估的重要對象，零件的設計與選擇是大學基礎課程的教育目的重要的一部分。
2.能量、物質、信號的變換
這是系統規劃或設計初期首先要考慮的問題，舉例來說，設計一個可以提起重物的機械，首先設計者要決定以哪一種能量轉換為提起重物的力之方式，假設最後選用的是機械力，其出發點可能以電、磁作為出發，然後換為機械力，這過程包含了能量的變換。不同初期能量，中間的轉換過程也不相同，選擇何種能量最適當是系統設計的工作項目的一部分，其他如物質的搬運、信號的變換也與上述機械力的變換過程相同。
3.功能相互關係的決定
進行工程系統設計時，產品必須滿足的功能往往不只一項，各功能之間有些存在著先後或上下層的關係。確立主功能與各次要功能之間的關係，有助於系統的設計，在工程設計的流程，此一階段的工作通常稱為「功能構築」（Function Structure）。
4.物理現象原理的考察
在我們身處的環境周邊，自然界有許多物理現象、原理，如壓力造成的液面上升、熱的膨脹等，對於概念設計，可以提供許多的線索。仔細的觀察應用既有的自然現象或基本的物理原理，可以幫助概念構想的確立，甚而產生較現有產品更具創意的新設計。
5.限制條件
近代工業社會，為提高生活品質、改善環境，產生許多與產品設計相關的法令，規章或工業標準，這些法規標準都是規範產品設計的限制條件。另外，為保護智慧財產，專利的不可侵犯性，在設計上也是非常重要的因素，特別是競爭劇烈的電子消費性產品；設計前，必先進行專利分析、佈局，避開專利限制，已經是不可或缺的重要步驟之一。