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エンジニアリング設計プロセスとは、エンジニアが製品、プロセス、システムの設計を作成し検証する方法を指します。これには、製造、保守、リサイクル、再製造、廃棄といったライフサイクルプロセスも含まれます。このプロセスには様々な説明方法があり、単一の標準形式はありませんが、多くの側面は個々のエンジニアの業務や企業のプロセスにおいて共通しています。どのような状況においても、エンジニアリング設計プロセスは反復的です。新しい情報が入手可能になるにつれて、活動や決定事項を何度も見直す必要が生じることがよくありますが、何を何回繰り返すかは状況によって異なります。
エンジニアリング設計プロセスを説明する方法には、ステップや段階を経て進むプロセス、多くの参加者が関わる共同的な社会活動、そして工学科学、基礎科学、数学を体系的に適用して一連の意思決定を行い、明示された目標を達成する意思決定プロセスなどがあります。エンジニアリング設計プロセスは非常に複雑で状況に特有のものであるため、個々の視点はパズルのピースの一部しか示していません。現代の考え方では、エンジニアリング設計プロセスをしっかりと理解するために、複数の視点を考慮した多元的なアプローチが推奨されています。[ 1 ]設計プロセスの基本要素には、目標と基準の設定、合成、分析、構築、テスト、評価などがあります。[ 2 ]
エンジニアリング設計プロセスの概念は、エンジニアリング手法やエンジニアリング思考の概念とは異なります。プロセスとは、エンジニアリング作業が時間経過、一連の段階、または一連の活動を通してどのように展開していくか、あるいは展開していくべきかを指します。関連する用語であるエンジニアリング手法とエンジニアリング思考は、エンジニアが問題解決に用いる、より一般的な体系的なアプローチを指します。したがって、例えば、エンジニアリング手法とエンジニアリング思考は、エンジニアリングそのものだけでなく、ビジネスにおける複雑な問題解決にも活用できます。
エンジニアリング設計プロセスは、さまざまな枠組みを用いた多様なモデルで表現されます。使用される用語は多岐にわたり、重複の度合いも異なるため、どのステップが明示的に記述されるか、あるいは「高レベル」とみなされるか、どのステップが下位レベルとみなされるかに影響します。もちろん、これはここで示す具体的なステップやシーケンスの例にも同様に当てはまります。
エンジニアリング設計プロセスの一例として、研究、概念化、実現可能性評価、設計要件の確立、予備設計、詳細設計、生産計画とツール設計、生産という段階が挙げられます。[ 3 ]一方、「研究文献と教科書の両方において、著者によって設計プロセスの異なる段階が定義され、その内部で発生する活動も異なる」と指摘する研究者もおり、問題定義、概念設計、予備設計、詳細設計、設計コミュニケーションといった、より簡略化された/一般化されたモデルを提案しています。[ 4 ]ヨーロッパのエンジニアリング設計文献からの別のプロセス概要には、タスクの明確化、概念設計、具現化設計、詳細設計が含まれています。[ 5 ] (注: これらの例では、概念評価やプロトタイピングなどの他の重要な側面は、列挙されたステップの1つ以上の部分集合および/または拡張です。)
設計プロセスのさまざまな段階（さらにそれ以前）では、情報や調査を探すのにかなりの時間を費やす必要がある場合があります。[ 6 ]既存の適用可能な文献、既存のソリューションに関連する問題と成功、コスト、市場のニーズを考慮する必要があります。[ 6 ]
情報源は関連性のあるものでなければなりません。 リバースエンジニアリングは、市場に他のソリューションが存在する場合に有効な手法となり得ます。[ 6 ] その他の情報源としては、インターネット、地元の図書館、入手可能な政府文書、個人組織、業界誌、ベンダーカタログ、および利用可能な個々の専門家などが挙げられます。[ 6 ]
設計要件を確立し、要件分析を実施することは、問題定義（または関連活動とみなされる）と呼ばれることもあり、特定の業界では設計プロセスにおいて最も重要な要素の 1 つです[ 7 ] 。この作業は、実現可能性分析と同時に行われることがよくあります。設計要件は、エンジニアリング設計プロセス全体を通して、開発中の製品またはプロセスの設計を制御します。これには、ユーザーのニーズを評価した後で決定される機能、属性、仕様などの基本的なものが含まれます。設計要件には、ハードウェアおよびソフトウェアのパラメータ、保守性、可用性、テスト容易性などが含まれます。[ 3 ]
場合によっては、実現可能性調査が実施され、その後、次の段階のスケジュール、リソース計画、および見積もりが作成されます。実現可能性調査とは、提案されたプロジェクトが意思決定プロセスを支援する可能性を評価および分析するものです。これは、望ましい結果を達成するための代替案または方法を概説し、分析します。実現可能性調査は、プロジェクトの範囲を絞り込み、最適なシナリオを特定するのに役立ちます。実現可能性レポートが作成された後、実現可能性事後レビューが実施されます。
実現可能性評価の目的は、エンジニアのプロジェクトが設計段階に進めるかどうかを判断することです。これは、プロジェクトが実現可能なアイデアに基づいていること、およびコスト制約内であることという2つの基準に基づいています。実現可能性調査のこの部分には、経験と優れた判断力を持つエンジニアが関与することが重要です。[ 3 ]
コンセプトスタディ（概念化、概念設計）は、アイデアを生み出し、それらのアイデアを実行することのメリットとデメリットを考慮することを含むプロジェクト計画の段階であることが多い。このプロジェクトの段階は、エラーの可能性を最小限に抑え、コストを管理し、リスクを評価し、意図したプロジェクトの潜在的な成功を評価するために行われる。いずれにせよ、エンジニアリング上の問題が定義されたら、潜在的な解決策を特定する必要がある。これらの解決策は、アイデアを生み出す精神的プロセスであるアイデア創出を使用して見つけることができる。実際、このステップはアイデア創出または「概念生成」と呼ばれることが多い。以下は広く使用されているテクニックである。[ 3 ]
生成された様々なアイデアは、概念評価の段階を経る必要があり、この段階では様々なツールを用いて、考えられる代替案の相対的な長所と短所を比較検討する。
予備設計、または高レベル設計（FEEDまたは基本設計とも呼ばれる）は、特にアイデア段階で達成された概念化のレベルが完全な評価に十分でない場合、設計構想と詳細設計の間のギャップを埋めることがよくあります。このタスクでは、システム全体の構成が定義され、プロジェクトの回路図、図、レイアウトが初期のプロジェクト構成を提供する場合があります。（これは、分野、業界、製品によって大きく異なります。）詳細設計と最適化の段階では、作成される部品のパラメータは変化しますが、予備設計はプロジェクトを構築するための一般的なフレームワークの作成に重点を置いています。[ 3 ]
S. BlanchardとJ. Fabryckyは、これを次のように説明しています。「概念設計の出発点となる『何』は、実現可能な概念設計コンセプトに適用された概念設計評価の取り組みから『どのように』を生み出します。次に、『どのように』は割り当てられた要件を通じて予備設計に取り込まれます。そこでそれらは『何』となり、この下位レベルで『どのように』に対処するための予備設計を推進します。」
FEEDに続くのは詳細設計（詳細エンジニアリング）フェーズであり、これには材料の調達も含まれる場合があります。このフェーズでは、ソリッドモデリング、図面、仕様書などを通じて、プロジェクト／製品のあらゆる側面を詳細に記述します。
コンピュータ支援設計（CAD）プログラムにより、詳細設計段階の効率が向上しました。例えば、CADプログラムは部品の品質を損なうことなく体積を削減するための最適化を提供できます。また、有限要素法を使用して応力と変位を計算し、部品全体の応力を決定することもできます。[ 8 ]
生産計画とツール設計は、製品を大量生産する方法と、製造プロセスで使用するツールを計画することから成ります。この段階で完了すべきタスクには、材料の選択、生産プロセスの選択、作業手順の決定、治具、固定具、金属切削工具、金属またはプラスチック成形工具などのツールの選択が含まれます。このタスクには、量産版が認定試験基準を満たしていることを確認するための追加のプロトタイプテストの反復も含まれます。 [ 3 ]
工学設計プロセスは科学的方法とある程度類似している。[ 9 ]どちらのプロセスも既存の知識から始まり、知識の探求（「純粋」または基礎科学の場合）または解決策の探求（工学などの「応用」科学の場合）において徐々に具体化していく。工学プロセスと科学的プロセスの重要な違いは、工学プロセスが体系的思考の適用に焦点を当て、技術を人間のニーズに役立てることに重点を置いている点である。科学的プロセスは説明、予測、発見を重視する。科学的発見はその後、工学的解決策に利用されることがある。
工学設計プロセスおよび関連手法は、ABETまたはワシントン協定の認定を受けた工学プログラムを有する大学を含む（ただし、これらに限定されない）世界中の大学で教えられている。