Techniques and methods for conceptual design - Design Methods and Processes - ELPID
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Design Methods and Processes
Techniques and methods for
conceptual design
Gaetano Cascini
Niccolò BecattiniDESIGN METHODS AND PROCESSES
Classification schemes (John Clarkson)
Stage-based vs Activity-based Models
Solution-oriented vs Problem-oriented
Abstract vs Procedural vs Analytical approaches
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesDESIGN METHODS AND PROCESSES
Stage-based Models (Blessing, 1994)
Stage-based structure of the project life-cycle
Iterative problem-solving process
Jones (1963) Cross (1994) Ehrlenspiel (1995)
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesDESIGN METHODS AND PROCESSES
Main stages of the Design Process
Stakeholders
Design Needs
Brief Requirements
Design task
clarification
Key problems
Problem Partial solutions
framing and
idea generation
Design
Ideal selection proposal
and concept
formulation
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesDESIGN METHODS AND PROCESSES
Role of Design Methods
Stakeholders Design methods/tools
Design Needs to control the proper
Brief Requirements execution of the task
Design task
clarification
Key problems
Problem Partial solutions
framing and
idea generation
Design
Ideal selection proposal
Design methods/tools and concept
to support the formulation
execution of the task
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesOUTLINE - Some tools for…
…Problem Framing
Network of Problems and Partial Solutions
Problem formulation through functional interactions
…State of the art analysis
Patent landscaping
…Idea generation
Design by analogy
Problem solving strategies
Dealing with conflicting requirements
Morphological table
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesOUTLINE - Some tools for…
…Problem Framing
Problem formulation through functional interactions
Network of Problems and Partial Solutions
…State of the art analysis
Patent landscaping
…Idea generation
Design by analogy
Problem solving strategies
Dealing with conflicting requirements
Morphological table
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FRAMING
• (Some) characteristics of design problems
There is no definitive formulation of the
problem
− Temporary formulations are unstable and can
change as more information becomes available
Formulations of the problem are solution-
dependent
− The way the solution is conceived influences the
way the problem is conceived
Proposing solutions is a means of What’s the opposite of Eureka?
understanding the problem
− Many constraints and criteria emerge as a
result of evaluating solution proposals
Source: Cross (2008)
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesOUTLINE - Some tools for…
…Problem Framing
Problem formulation through functional interactions
Network of Problems and Partial Solutions
…State of the art analysis
Patent landscaping
…Idea generation
Design by analogy
Problem solving strategies
Dealing with conflicting requirements
Morphological table
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FORMULATION THROUGH
FUNCTIONAL INTERACTIONS
S-Curve of Evolution:
Degree of the system’s
Law of increasing the degree of IDEALITY performance (main function)
I
Benefits
Drawbacks Costs
-
I
Useful functions -
Harmful functions Resources
-
-
Time
Mature system
Convolution
A system is born Expansion (Ideality growth)
Creating Functionality Adding Functionality Preserving Functionality
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FORMULATION THROUGH
FUNCTIONAL INTERACTIONS
Classification of Functional interactions
Benefits
o Useful Functions: positive impacts due to the
existence of a technical (sub-)system
o They can be Sufficient or Insufficient
Drawbacks
o Harmful Functions: undesired side effects due to the
existence of a technical (sub-)system
Costs
o Excessive consumption of Resources:
Space, Time, Energy, Information, Material
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FORMULATION THROUGH
FUNCTIONAL INTERACTIONS
What to do? (10 minutes)
Think about the Benefits your solution provides
o Identify 2 Useful Functional Interaction
o 1 Sufficient functional interaction (fully satisfactory)
o 1 Insufficient functional interaction (not fully satisfactory)
Think about the Drawbacks your solution generates
o Identify at least 1 Harmful functional interaction that is
due to your solution
Think about the Costs for your solution
o Identify at least 2 resources that your solution is
excessively consuming:
Space, Time, Energy, Information, Material
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesOUTLINE - Some tools for…
…Problem Framing
Problem formulation through functional interactions
Network of Problems and Partial Solutions
…State of the art analysis
Patent landscaping
…Idea generation
Design by analogy
Problem solving strategies
Dealing with conflicting requirements
Morphological table
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FRAMING
Network of Problems and Partial Solutions:
Pb 1 Pb 2
S 1.1 S 1.2 S 2.2
Pb 3 Pb n
S 1.3 S 2.3 S 1.n S 2.n S 3.n
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FRAMING
Network of Problems and Partial Solutions:
Nodes:
o Problems (Pb)
– whatever we are not comfortable with
– whatever objective we would like to achieve
o Describe it with a statement about what we don’t like:
– Lack of a desired function
e.g., How to cut glass and plastics with a single device?
– Insufficient performance of a desired function
e.g., The grinder produces non uniform grains of material
– Undesired side effect of a design choice
e.g., The grinder heats the plastic grains too much
The glass wears the grinder blades too fast
– Excessive consumption of a resource
e.g., The grinder consumes too much energy
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FRAMING
Network of Problems and Partial Solutions:
Nodes:
o Partial Solution (PS)
– whatever we know that at least partially
addresses a problem
e.g. A multi-blade shredder can grind glass and plastics
– whatever we suppose that at least might address a problem
e.g., A laser cutter might grind glass and plastics
– whatever details a more specific way to implement a PS
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FRAMING
Network of Problems and Partial Solutions:
Links:
o Pb Pb (cause-effect relationships, decompositions)
E.g., The grinder heats the plastic grains too muchThe plastic grain melt and clog the grinder
E.g., The noise of the grinder can be decomposed in noise of the motor, noise of the
transmission, noise of the grinding elements
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FRAMING
Network of Problems and Partial Solutions:
Links:
o Pb PS
o PS Pb
E.g., The grinder heats the plastic grains too much Reduce the speed of the blades
E.g., Reduce the speed of the blades The grinding process is too slow
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FRAMING
Network of Problems and Partial Solutions: example
How to cut glass and plastics
with a single device?
A multi-blade shredder to A laser cutter to grind
grind glass and plastics glass and plastics
The grinder heats the The glass wears the The grinder consumes
plastic grains too much grinder blades too fast too much energy
The plastic grain melt Reduce the speed of the
and clog the grinder blades
The grinding process is
too slow
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FRAMING
Pb: 1
Miglioramento del banco
simulazione giunzioni
PS 1
Mantenimento del principio di
frenatura per attrito coulombiano
Pb: 1
Risposta del sistema
Pb: 1
Miglioramento dell’uso del sistema
Pb: 1
lato utente
Difficoltà misura coppia minima del freno
Accuratezza della frenata per non linearità
Pb: 1
Pb: 1 a basse pressioni
Pb: 1 Complessità Assemblaggio
Tempi di risposta componenti
Diagnostica Pb: 1 Pb: 1
lunghi non consentono
Pb: 1 Facilità/semplicità di utilizzo
di simulare
Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1 Miglioramento ergonomia Pb: 1
correttamente il giunto Riduzione trafilamenti idraulici/ Pb: 1
perdite di pressione Pb: 1 Manovrabilità/ergonomia
Giunti con rundown PS: 1 Pb: 1 Impostazione automatica del
Pb: 1 Il tool si scalda Pb: 1 Pb: 1 Miglioramento interfaccia utente
lunghi "coppia 0" Guide per l’allineamento Attacco diverso per Velocità di trasporto del banco PSET
Versatilità tipo di dell’avvitatore ciascun avvitatore Diagnostica esclusivamente reattiva Chiarezza dei messaggi all’utente Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1
frenataPb: 1
PS: 1 Pb: 1 Miglioramento Interfaccia software Flessibilità di utilizzo Complessità dei parametri da gestire Riduzione del numero di
Pb: 1
Aumento di tool testabili (specie in parametri che l’operatore deve
Moduli pre-assemblati (con nuovo Sforzo utente Realizzabilità di test H/V Pb: 1 impostare
velocità) Pb: 1 approccio) eccetto il freno Pb: 1
GUI attuale obsoleta
Maggiore sensibilità PS: 1 L’input dei tools richiede
Pb: 1 Pb: 1 PS: 1
all’inclinazione del tool PS: 1 Pb: 1 Riduzione di numeri di parametri da all’operatore molto tempo
Tool diagnostici dedicati agli Riduzione tempi morti tra due test Adozione di layer di SW diversi Pb: 1 inserire per il sistema
Misura delle sollecitazioni Identificazione dello 0
sviluppatori Pb: 1 consecutivi
PS: 1 Question to experts: 5 flessionali date dall’uso Pb: 1 Il know-how degli utenti è molto
Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1
improprio dell’avvitatore e Pb: 1 PS: 1 Mantenimento delle caratteristiche di diversificato
Campagna test per Non conosciamo i limiti coppia- Pb: 1 Bloccaggio ruote con freno sulle ruote
misurare variabilità velocità-tempo-angolo del «pulizia» della misura Rimozione dell’olio dal sistema Gestione magazzino sicurezza Tempo tra due serraggi consecutivi Generazione di feeling negativo PS: 1 PS: 1
Pb: 1 Misura della velocità Pb: 1 Introduzione di logiche proattive/ Pb: 1 Pb: 1
parametri in funzione del sistema attuale della copppia Pb: 1 nell’operatore Pb: 1
del tool – risoluzione preventive Pb: 1 Profilazione dell’utente in funzione Inserimento di + dati
Cambio del sistema di attuatori banco/freno... Rimozione del bagno d’olio Sistema azionato a mano (con Il sistema necessita di troppi step Profilazione dell’interfaccia/ delle competenze (interfaccia
della misura + Parametri sono una
Pb: 1 Test ISO realizzato a mano per arrivare allo scopo operatività rispetto alle semplificata + parametri avanzati)
Pb: 1 Pb: 1 dell’encoder Pb: 1 manovella) Pb: 1 complicazione (conoscenze e
Pb: 1 PS: 1 competenze dell’operatore
Necessità di usare più PS: 1 Pb: 1 tempi) per utenti basic
L’ingolmbro dei freni Freni esterni troppo PS: 1 Distinzione problematiche freno da PS: 1 PS: 1 Pb: 1 Riduzione numero calibrazioni
Controllo per inseguire freni con trasduttori Sistemi con maniglia tipo carrello
non consente di avere ingombrantilimitano la Pb: 1 problematiche avvitatore Pb: 1 Componentistica con tolleranze più Ribaltamento del banco PS: 1
Pb: 1 traiettoria (non lineare) diversi per aumentare il Misurare la coppia del aeroporto Pb: 1
adeguata flessibilità e capacità massima dei Riduzione valore magazzino Parametrizzazione ERP (sistema di Artigianalità del montaggio del gruppo strette
che riproduca il tipo di range di coppie di Pb: 1 freno, non dell’avvitatore Necessità dello sviluppatore in loco
I pulse tool creano modularità tool testabili a 250 Nm PS: 46 PS: 1 Le cause sono da riordino) freno, anche se preassemblato PS: 1 Prove di frenata Sul banco nuovo
Pb: 1 Pb: 1 giunto funzionamento Pb: 1
problemi sul sistema imputare al tipo di cambio SW e HW
Costo elevato encoder Sistema automatico / motorizzato
Introduzione di simulazione di Realizzazione di una simulazione Cambio encoder sistema (idraulico) ed
Separare misura velocità di prestazioni superiori Identificazione freno per test
curve complesse realistica (no approssimazione al tipo di attuatore Question to experts: 1
e misura angolo Question to experts: 1
lineare) (soffietto) PS: 1 PS: 1 PS: 1
rotazione albero Pb: 1 Da chiarire con chi si preoccupa
PS: 1 Quali tipologie di materiali
PS: 1 Affiancare tecnologia Ridurre il tempo di «restore» del freno dell’Hardware e del processo di Sistema di stabilizzazione
Pb: 1 Pb: 1 Service parti custom utilizzano i fornitori? Che Pb: 1 Pb: 1
Cambio sistema di
nuova a sistema idraulico frenatura
controllo: chiudere specifiche seguono i fornitori?
Scarsa accessibilità delle informazioni Maggiore rigidezza percepita (lato PS: 1 Problemi di schiacciamento/sicurezza Corretta esecuzione del test
anello mediante misura Freno modulare diagnostiche cliente) del sistema utente
della coppia espandibile Utilizzo servosistemi
PS: 1 PS: 1 PS: 1 Pb: 1 Question to experts: 1 Pb: 1
Nuovo sistema SW/algoritmi Modellizzazione MATLAB della valvola Caratterizzare i parametri del PID PS: 1
Calibrazione di tutto il banco Devono essere realizzati dei Complessità tastiera e monitor
PS: 1 MOOG Pb: 1 Pb: 1
Comunicazione più chiara dei benefici (introduzione di una incertezza per componenti a livello di Pb: 1
Possibili instabilità al cliente ciasuno dei moduli) incertezza molto più basso, in Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1 PS: 1 Posizionamento del tool sul banco
tastiera e monitor PS: 1
Simulatore giunto con dovute a due anelli PS: 1 modo da mantenere adeguato il Maggiore PS: 1
Pb: 1 livello di incertezza del banco Sicurezza Consumi Ingombri Eliminazione prove
molle a tazza chiusi che Pb: 1 conoscenza del Eliminazione prove
interagiscono nel suo complesso? frenata con algoritmi
Pb: 1 Pb: 1 Question to experts: 1 Sostituzione dei diversi freni conSingolo freno molto fenomeno frenata con HW più
Posizione tastiera e monitor (modellazione del di controllo più PS: 1 PS: 1 PS: 1 PS: 1
uno molto versatile versatile Pb: 1 performante
Sollecitazioni impulsive Sollecitazione degli Modellizzazione MATLAB della sistema fisico) performanti
e vibrazioni striscianti per la valvola MOOG Pb: 1 Attuatore con guida automatica del Introduzione di una guida Identificazione gestualità Identificazione del freno su cui
Pb: 1 Question to experts: 5 Posizionamento tool su banco
trasmissione del PS: 1 Gestione parti custom
tool (gabbia per il tool e meccanismo lavorare in maniera automatica (tipo
segnale di coppia Qual è la strategia di Pb: 1 Pb: 1 pressione grilletto) con LED)
È necessario svitare il Intervenire direttamente
controllo più idonea? Question to experts: 1
giunto a valle del test sul freno, non sul sistema Pb: 1 Pb: 1 Dimensioni del banco Peso/massa del PS: 1
(raddoppio tempi) di attuazione/controllo PS: 1 (prevalentemente larghezza per banco
Tempi legati all’attuale architettura Tempi legati all’attuale architettura Da chiarire con esperti la
riduzioni spazio linee montaggio) Virtualizzazione tastiera
Sistemi plug and play HW SW fattibilità
PS: 1
PS: 1 PS: 1 PS: 1 Inclinabilità (oltre che rotazione) del
Cambio layout componentistica banco Banco utilizzabile per moduli Materiali più leggeri monitor
PS: 1 PS: 1
Velocizzare il flush del freno (?) Banco ad altezza regolabile
Pb: 1 Pb: 1
Calibrazione e catena di misura Costi
Pb: 1
La risposta del sistema dipende
dalla configurazione del banco
La procedura di calibrazione
dipende dal banco
Pb: 1
Configurazione
parametri sistema
frenante
Pb: 1 Pb: 1
Incremento velocità di reazione Influenza fenomeni di elasticità
meccanica
PS: 1
Sistema
autoconfigurante???
Pb: 1
PS: 1 PS: 1
Atlas vende servizio Modello del sistema che Pb: 1
Tool di riferimento
tiene conto dell’HW e del Preclusione di alcune soluzioni
grado di usura
Pb: 1 (come stampa pdf) e funzionalità
più moderne
Disaccoppiamento dei freni
PS: 1
Disaccoppiare i Pb: 1
sottosistemi
Modifica proprietà olio?
Pb: 1
Pb: 1
Affidabilità inferiore? Surriscaldamento
elettrovalvole
Pb: 1 Pb: 1
Maggiore consumo di
Sicurezza
energia
Pb: 1 PS: 1
Servovalvola Introduzione di un pulsante unico x
sovradimensionata per download configurazioni e log
l’accoppiamento dei PS: 1
freni
Se numero freni
ridotto: uso di due
servovalvole
Pb: 1
Incremento costi
PS: 1
PS: 1
PRO: Velocità di reazioni al di sotto
PS: 1 FRENO MECCANICO ATTUATO
di ms
DA PIEZOELETTRICO. La
PRO:controllo più versatile
pressione non è generata da un
idraulico, ma da un piezo.
PS: 1
PRO:Migliori prestazioni su
avvitatori veloci e piccoli (es.
Pb: 1 ambito cellulari)
Fenomeno di isteresi sul controllo
di coppia
PS: 1
Cambio del principio di funzionamento
Question to experts: 1 del freno
Se il funzionamento nel Pb: 1
Pb: 1
Exemplary
transitorio tecnicamente appare
Richiesta di elevati voltaggi (con
adeguato, è da verificare il Tecnologia nuova e competenze
conseguente necessità di
mantenimento della forza nuove
componentistica dedicata)
richiesta per un intervallo
temporale più esteso
PS: 1
Principio di funzionamento basato
Question to experts: 1 PS: 1 PS: 1 su magnetismo/Elettromagnetismo
La richiesta elevati voltaggi PRO: Pulito FRENO PNEUMATICO:
potrebbe portare a verifiche Aria in pressione con pistone che va a porsi su
sulla sicurezza (correnti, elementi rotanti
potenze in gioco) Soluzione competitor risalente a circa dieci anni fa
PS: 1 PS: 1
PS: 1 PS: 1
PRO: transizione più soft verso PRO:Minor impatto ambientale se FRENO ELETTROMAGNETICO a correnti
nuova tecnologia (modifiche a secco PRO: Può scaricare in aria parassite PS: 1
tecnologiche e di competenze più E’ una specificazione di come andare a PS: 1 PRO: Prestazioni e capacità in funzione
contenute rispetto all’attuale concretizzare il freno elettromagnetico. dell’intensità del campo elettrico/
Più è la velocità, più sono le correnti parassite, PRO: minore dipendenza dalle
sistema) magnetico applicato (e quindi
più frena. Esistono in ambito ferroviario, condizioni ambientali (temperatura,
Question to experts: 1 PS: 1 umidità ecc) potenzialmente maggiori e più ampie)
comportamento dissipativo.
Verificare se funzionamento a PRO: controllo coppia (tramite servo Non sono motori in frenatura, ma sono magneti
secco o a bagno d’olio, che motori per movimentazione magneti) che realizzano una coppia resistente sul volano,
hanno conseguenze differenti PS: 1 ma soltanto magneti che si allontano o si PS: 1
avvicinano. Nella versione più evoluta, c’è un PS: 1 Pb: 1 PS: 1
PRO:ingombri ridotti e forze Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1 FRENI ELETTROREOLOGICI o MAGNETO REOLOGICI (fluidi che
servo motore, per grandi masse (banchi freno), PS: 1
elevate (soprattutto se rapportate PRO: operatività in transitori brevi e Smaltire e gestire più calore cambiano la viscosità in base al campo elettrico/magnetico, cambi PRO: il fluido è contenuto in circuito
Aria comprimibile Forze non adeguate Controllabilità insufficiente velocità non altissime Freno magnetico/ elettromagnetico
agli ingombri necessari) maggiore reattività dissipato anche di ordine di grandezza). Applicazioni in ambito di sospensioni chiuso, quindi sistema molto pulito
auto
Pb: 1 Question to experts: 1
Network of
PS: 1 Il sistema freno EM potrebbe avere Verifica sulle reali prestazioni PS: 1
PS: 1 molta inerzia (coppia, angolo e ottenibili
PRO: rimozione uso olio, riducendo
velocità) che influenza PRO: Dimensioni attese contenute
PRO:forze elevate perdite, sporco, manutenzione
negativamente la coppia da
misurare Pb: 1
Question to experts: 1 Invecchiamento del fluido (per i
fluidi magnetoreologici)
Pb: 1 PS: 1 Verifica applicabilità tecnica e
Pb: 1
PRO: ingombri più ridotti tecnologica al contesto del
Riduzione ingombri gruppo freno PS: 1
Tempi di reazione non allineati alle sistema frenante
specifiche attese PRO: competenze e componentistica
già presenti ed esistenti (stesso Pb: 1
motore al posto del freno per avere Durata e vita dei componenti
Pb: 1 medesime prestazioni)
Pb: 1 verosimilmente inferiore
Standardizzazione dei componenti
Problemi di isteresi, che potrebbe
dare un controllo di coppia meno
affidabile
Question to experts: 1
Verificare gli effettivi ingombri PS: 1
su coppie elevate Pb: 1 PRO: Possibilità di sostituire i dispositivi montati sul
banco con un unico freno EM capace di gestire
Minore corrispondenza del
l’intero range di funzionamento richiesto
fenomeno di frenatura EM con il (nell’attuale banco esistono più freni/dispositivi
Pb: 1 fenomeno di frenatura sul campo
PS: 1 idraulici, per testare più range di lavoro)
Fenomeni elettromagnetici (che vede superfici a contatto), con
indesiderati PRO: aspettative di controllo più conseguente richiesta di maggiore
efficiente (perché tutto elettronico/ conoscenza del fenomeno sul PS: 1
digitale), raffinato e maggiore campo per introdurre eventuali
PRO: usura pressochè assente
affidabilità correzioni
PS: 1
Problems and
Pb: 1
PRO: semplicità costruttiva, minori
Il freno idraulico attuale è un freno parti in movimento
a reazione, con il freno magnetico/
EM e la curva output potrebbe non
garantire la qualità/linearità attesa
Pb: 1 Pb: 1
Sicurezza operatore per campi EM Probabili interferenze dei campi PS: 1
generati elettromagnetici verso l’esterno o
subiti (in particolare per la catena PRO: la possibilità di recupero di
di misura, segnale 2mV) energia e il minor sporco potrebbero
avere un’influenza positiva sulla
Pb: 1 risposta del mercato
Consumo energetico maggiore e
quindi durata operativa inferiore
PS: 1
PRO: il freno magnetico consente il
recupero di energia, eco design e
harvesting
PS: 1 Question to experts: 1
Pb: 1
PRO: ricarica di batterie Verifica sulla fattibilità di
Per l’inerzia, l’aggiunta di
Partial Solutions
recuperare energia meccanica
componenti, va in direzione
(tramite molle, volani o parti
contraria
idrauliche)
after a half-day
workshop in
industry
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FRAMING
Pb: 1
Miglioramento del banco
simulaz ione giunzioni
PS 1
Mantenimento del principio di
frenatura per attrito c oulombiano
Pb: 1
Risposta del sistema
Pb: 1
Miglioramento dell’uso del s is tema
Pb: 1
lato utente
Difficoltà misura c oppia minima del freno
Accuratez za della frenata per non linearità
Pb: 1
Pb: 1 a basse press ioni
Pb: 1 Complessità Assemblaggio
Tempi di ri sposta componenti
Diagnostica Pb: 1 Pb: 1
lunghi non consentono
di simulare Pb: 1 Facilità/semplicità di utilizzo
Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1 Miglioramento ergonomia Pb: 1
correttamente il gi unto Riduzione trafilamenti idraulic i/ Pb: 1
Giunti con rundown PS: 1 Pb: 1 perdite di pres sione Pb: 1 Manovrabilità/ergonomia
Il tool si sc alda Impostazione automatica del
Pb: 1 lunghi "c oppia 0" Pb : 1 Pb: 1 Miglioramento interfaccia utente
Guide per l’allineamento Attacco divers o per Velocità di trasporto de l banco PSET
Versatilità tipo di dell’avvi tatore ciascun avvitatore Diagnostica esclusivamente reattiva Chiarezza de i messaggi all’utente Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1
frenata Pb: 1
PS: 1 Pb: 1 Pb: 1 Miglioramento Interfaccia software F lessibilità di utilizzo Comple ssità de i parame tri da ge stire Riduzione del numero di
Aumento di tool testabili (specie in parametri che l’operatore deve
Moduli pre-assemblati (con nuovo Sforzo utente Realizzabilità di te st H/V Pb: 1 impos tare
velocità) Pb: 1 approccio) eccetto il freno Pb: 1
GUI attuale obsoleta PS: 1
Maggiore sens ibilità L’input dei tools richiede
Pb: 1 Pb: 1 PS: 1
all’inc linazione del tool PS: 1 Pb : 1 Riduzione di numeri di parametri da all’operatore molto tempo
Tool diagnostici de dicati agli Riduzione tempi morti tra due test Adozione di layer di SW diversi Pb: 1 inserire per il sistema
Mi sura delle sollec itazioni Identificazione de llo 0
sviluppatori Pb: 1 consecutivi
PS: 1 Question to experts: 5 flessionali date dall’uso Pb: 1 Il know-how degli utenti è molto
Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1
Ca mpagna test per Non c onosciamo i limiti coppia- Pb : 1 improprio dell’av vitatore e Pb : 1 PS: 1 Mante nimento delle caratteristiche di diversificato
Bloccaggio ruote con freno sulle ruote
misura re variabilità v elocità-tempo-angolo del «pulizia» dell a misura Rimozione dell’olio dal s is tema Gestione magazzino sicurezza Tempo tra due serraggi consecutivi Generazione di feeling negativo PS: 1 PS: 1
Pb: 1 Misura della velocità Pb: 1 Introduzione di logiche proattive/ Pb: 1 Pb: 1
parametri in funzione de l s is tema attuale della copppia Pb: 1 nell’operatore Pb: 1
del tool – risoluzione preventive Pb: 1 Profilazione dell’ute nte in funzione Inserimento di + dati
Cambio del sistema di attuatori banco/freno.. . Rimoz ione del bagno d’olio Il sistema necessita di troppi step Profilazione dell’interfaccia/ delle competenze (interfaccia
Pb: 1 della mis ura Sistema azionato a mano (con + Parametri sono una
Test ISO r ealizzato a mano per arrivare allo scopo operatività rispetto alle semplificata + parametri avanzati)
Pb: 1 Pb : 1 dell’encoder Pb: 1 manove lla ) Pb: 1 c omplicazione (conosc enze e
Pb: 1 PS: 1 competenz e dell’operatore
Neces sità di usare più PS: 1 Pb: 1 tempi) per utenti basic
L’ingolmbro dei freni Freni esterni troppo PS: 1 Distinzione problematiche freno da PS: 1 PS: 1 Pb: 1 Riduzione numero c alibrazioni
Control lo per ins eguire freni con trasduttori Siste mi con maniglia tipo carrello
non cons ente di avere ingombrantilimitano la Pb: 1 problematiche avvitatore Pb: 1 Componentistica con tolle ranze più Ribaltamento del banco PS: 1
Pb : 1 traiettoria (non lineare) diversi per aumentare il Misurare la coppia del aeroporto Pb: 1
adeguata flessibilità e capacità massima dei Riduzione valore magazzino Parametrizzazione ERP (siste ma di Artigianalità del montaggio del gruppo stre tte
che riproduca il tipo di range di coppie di Pb: 1 freno, non dell’av vitatore Necessità dello sviluppa tore in loco
I pulse tool creano modularità tool tes tabili a 250 Nm PS: 46 PS: 1 Le caus e sono da riordino) fre no, anche se preassemblato PS: 1 Prove di frena ta Sul banco nuovo
Pb: 1 Pb: 1 giunto funz ionamento Pb: 1
problemi s ul s is tema imputare al tipo di cambio SW e HW
Costo elevato enc oder Sistema automatico / motorizzato
Introduzione di simulazione di Realizzazione di una simulazione Cambio encoder s is tema (idraulico) ed
Separare m is ura velocità di prestazioni superiori Identificazione freno per test
curve complesse realistic a (no approssimazione al tipo di attuatore Question to experts: 1
e misura angolo (soffietto)
Question to experts: 1 PS: 1
lineare) rotazione albero PS: 1 Pb: 1 Da c hiari re con chi si preoccupa
PS: 1
PS: 1 Quali tipologie di materiali
PS: 1 Affiancare tecnologia Ridurre il tempo di «restore» del freno dell’Hardware e del processo di Sistema di stabilizzazione Pb: 1
Pb: 1 Pb: 1 Service parti custom utilizzano i fornitori? Che Pb: 1
Cambio sistema di
nuova a sistema idraulico frenatura
controllo: chiude re specific he s eguono i forni tori? Problemi di schiacciamento/sicurezza
Scarsa accessibilità delle informazioni M aggi ore rigidezza percepita (lato PS: 1 Corretta esecuzione del test
anello mediante misura Fre no modulare diagnostiche cliente) del sistema utente
della coppia e spandibile Utilizzo servosistemi
PS: 1 PS: 1 PS: 1 Pb: 1 Question to experts: 1 Pb: 1
Nuovo sistema SW/algoritmi M ode llizzazione MATLAB della val vola Caratte rizzare i parametri del PID PS: 1
Calibrazione di tutto il banco Devono essere realizzati dei Complessità tastiera e moni tor Pb: 1
PS: 1 MOOG Pb: 1 c omponenti a livello di
Comunicazione più chiara dei be nefici (introduzione di una incertezza per Pb: 1
Possibili ins tabilità al clie nte ciasuno dei moduli) incertezza molto più basso, in Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1 PS: 1 Posizionamento del tool s ul banco
tastiera e monitor PS: 1
Simulatore giunto con dovute a due anelli PS: 1 modo da mantenere adeguato il Maggiore
PS: 1
Pb: 1 livello di incertezza del banco Sicurezza Consumi Ingombri Eliminazione prove
molle a tazza chiusi che Pb: 1 conoscenza del Eliminazione prove
interagisc ono nel suo complesso? frenata con algoritmi
Pb: 1 Pb: 1 Question to experts: 1 Sostituz ione dei diversi freni con
Singolo freno molto fenomeno frenata con HW più
Posizione tastiera e monitor (modellazione del di controllo più PS: 1 PS: 1 PS: 1 PS: 1
Sollecitazioni impuls ive Sollecitazione degli uno molto versatile versatile Pb: 1 pe rformanti
performante
Modellizzazione MATLAB della siste ma fisico)
e vibrazioni striscianti per la valv ola MOOG Pb: 1 Attuatore con guida automatica del Introduzione di una guida Identificazione ge stualità Identificazione del fre no su cui
Pb: 1 Question to experts: 5 Posizioname nto tool su banco
trasm is sione del PS: 1 tool (gabbia per il tool e meccanismo lavorare in manie ra a utomatica (tipo
Gestione parti custom
segnale di coppia Qual è la strategia di Pb: 1 Pb: 1 pressione grilletto) con LED)
È nec ess ario svitare il Intervenire direttam ente
controllo più idonea? sul freno, non sul sistema Question to experts: 1
giunto a valle del test Pb: 1 Pb: 1 Dimensioni del banco Pe so/massa del PS: 1
(raddoppio tempi) di attuazione/controllo PS: 1 (prevalentemente larghezza per banco Da chiarire con esperti la
Tempi legati all ’attuale archite ttura Te mpi le gati all’attuale architettura riduzioni spazio linee montaggio) Virtualizzazione tastiera
Siste mi plug and play HW SW fattibilità
PS: 1
PS: 1 PS: 1 PS: 1 Inclinabilità (oltre che rotazione) del
Cambio layout componentistica banco Banco utilizzabile per moduli Materiali più leggeri monitor
PS: 1 PS: 1
Ve locizzare il flush del fre no (?) Banco ad altezza regolabile
Pb : 1 Pb: 1
Calibrazione e catena di misura Costi
Pb: 1
La risposta del sistema dipende
dalla configurazione del banco
La procedura di calibrazione
dipende dal banco
Pb: 1
Configurazione
parametri sis tema
frenante
Pb : 1 Pb: 1
Incremento velocità di reaz ione Influenza fenomeni di elasticità
meccanic a
PS: 1
Sis tema
autoconfigurante???
Pb: 1
PS: 1 PS: 1
Atlas vende serv iz io Modello del sistema c he Pb: 1
Tool di riferimento
tiene conto dell’HW e del
Preclusione di alcune s oluzioni
grado di us ura (c ome s tampa pdf) e funzionalità
Pb: 1
più moderne
Disaccoppiamento dei freni
PS: 1
Disaccoppiare i Pb: 1
sottosistemi
Modifica proprietà olio?
Pb : 1 Pb: 1
Affidabilità inferiore? Surriscaldamento
elettrovalvole
Pb : 1 Pb: 1
Maggiore consumo di
Sicurez za
energia
Pb : 1 PS: 1
Servovalvola Introduzione di un pulsante unico x
sovradimensionata per download configurazioni e log
l’ac coppiamento dei PS: 1
freni
Se numero freni
ridotto: us o di due
serv ovalvole
Pb : 1
Incremento cos ti
PS: 1
PS: 1
PS: 1 PRO: Velocità di reazioni al di sotto
FREN O M ECCANICO ATTUATO
di ms
DA PIEZ OELETTRICO. La
PR O:c ontrollo più versatile
pressione non è generata da un
idraulico, ma da un piezo.
PS: 1
PRO:Migliori prestazioni su
av vitatori v eloci e piccoli (es.
Pb: 1 ambito cellulari)
Fenomeno di is teresi s ul c ontrollo
di coppia
PS: 1
Cambio del principio di funzionamento
Quest ion to experts: 1 del freno
Se il funzionamento nel Pb: 1
Pb : 1
transitorio tecnic amente appare
Richiesta di elevati voltaggi (c on
adeguato, è da v erificare il Tecnologia nuova e c ompetenze
c onseguente necess ità di
mantenimento della forza nuove
componentistica dedicata)
ric hiesta per un intervall o
temporale più estes o
PS: 1
Principio di funzionamento basato
Question to experts: 1 PS: 1 PS: 1 su magnetismo/Elettromagnetis mo
La richiesta elevati voltaggi PRO: Pulito FRENO PN EUMATICO:
potrebbe portare a verifiche Aria in pressione con pistone c he v a a porsi su
s ulla sicurez za (correnti, elementi rotanti
potenze in gioco) Soluz ione competitor risalente a circa dieci anni fa
PS: 1 PS: 1
PS: 1 PS: 1
PRO: transizione più soft verso PRO:Minor impatto ambientale se FRENO ELETTROMAGNETICO a correnti
nuova tecnologia (modifiche a secco PRO: Può scaricare in aria paras site PS: 1
tecnologic he e di competenze più E’ una s pecificazione di c ome andare a PS: 1 PRO: Prestazioni e capacità in funzione
contenute rispetto all’attuale concretizzare il freno elettromagnetic o. dell’intensità del campo elettrico/
sis tema) Più è la velocità, più sono le c orrenti parassite, PRO: minore dipendenza dalle
condizioni ambientali (temperatura, magne tico applicato (e quindi
Question to experts: 1 PS: 1 più frena. Es is tono in ambito ferroviario, potenzialmente ma ggiori e più ampie )
c omportamento dissipativ o. umidità ecc)
Verific are se funzionamento a PRO: controllo coppia (tramite servo Non s ono motori in frenatura, ma sono magneti
secco o a bagno d’olio, c he motori per movime ntazione magneti) che realizzano una coppia resistente sul volano,
hanno conseguenze differenti PS: 1 ma s oltanto magneti che s i allontano o s i PS: 1
av vicinano. Nella versione più evoluta, c’è un PS: 1 Pb: 1 PS: 1
PRO:ingombri ridotti e forz e Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1 F RENI ELETTROREOLOGICI o MAGNETO REOLOGICI (fluidi che
servo motore, per grandi mas se (banchi freno), PS: 1
elevate (soprattutto se rapportate PRO: ope ratività in transitori brevi e Smaltire e gestire più calore cambiano la v is cosità in base al c ampo elettric o/magnetico, cambi PRO: il fluido è contenuto in circuito
Aria comprimibile Forze non adeguate Controllabilità insufficiente velocità non altis sime Freno magnetico/ elettromagnetico
agli ingombri nec es sari) maggi ore reattività dis sipato anche di ordine di grandezz a). Applic az ioni in ambito di s ospensioni chiuso, quindi sistema molto pulito
auto
Pb: 1 Question to experts: 1
PS: 1 Il sistema freno EM potrebbe avere Verifica sulle reali prestaz ioni PS: 1
PS: 1 molta inerzia (coppia, angolo e ottenibili
PRO: rimozione uso olio, riducendo
velocità) che influenza PRO: Dimensioni attese contenute
PRO:forze elevate perdite, sporco, manutenzione
negativamente la coppia da
Pb: 1
misurare
Question to experts: 1 Inv ec chiamento del fluido (per i
fluidi magnetoreologici)
Pb : 1 PS: 1 Verifica applicabilità tecnica e
Pb: 1
PRO: ingombri più ridotti tec nologica al contesto del
Riduzione ingombri gruppo freno PS: 1
Tempi di reazione non allineati alle sistema frenante
s pecific he attese PRO: compe te nze e compone ntistica
già presenti ed e sistenti (stesso Pb: 1
motore al posto del freno pe r ave re Durata e vita dei componenti
Pb : 1 me desime prestazioni) Pb: 1 veros imilmente inferiore
Standardizz azione dei componenti
Problemi di is teresi, che potrebbe
dare un c ontrollo di c oppia meno
affidabile
Question to experts: 1
Verificare gli effettivi ingombri PS: 1
su coppie elevate Pb: 1 PRO: Possibilità di sostituire i dispositivi montati sul
banco con un unico freno EM capace di gestire
Minore corrispondenza del l’intero range di funziona me nto richiesto
fenomeno di frenatura EM c on il (nell’attuale banco esistono più freni/dispositivi
Pb : 1 fenomeno di frenatura sul campo
PS: 1 idraulici, per te stare più ra nge di lavoro)
Fenomeni elettromagnetici (che vede s uperfici a contatto), c on
indesiderati PRO: aspettative di controllo più c onseguente richiesta di m aggiore
efficiente (perché tutto elettronico/ conosc enza del fenomeno sul PS: 1
digitale), raffinato e ma ggiore campo per introdurre eventuali
PRO: usura pressochè assente
affidabilità c orrez ioni
PS: 1
Pb: 1
PRO: semplicità costrutti va, minori
Il freno idraulico attuale è un freno parti in movime nto
a reazione, con il freno magnetico/
EM e la c urva output potrebbe non
garantire la qualità/linearità attes a
Pb: 1 Pb: 1
Sic urezza operatore per campi EM Probabili interferenz e dei campi PS: 1
generati elettromagnetic i vers o l’esterno o
subiti (in particolare per la c atena PRO: la possibilità di recupe ro di
di misura, segnale 2mV) energia e il minor sporco potre bbe ro
avere un’influenza positiva sulla
Pb: 1 risposta de l mercato
Consumo energetic o maggiore e
quindi durata operativa inferiore
PS: 1
PRO: il freno magnetico consente il
re cupero di ener gia, e co design e
harvesting
PS: 1 Question to experts: 1
Pb: 1
PRO: ricarica di batte rie Verific a sulla fattibilità di
Per l’inerzia, l’aggiunta di
recuperare energia mec canica
componenti, va in direzione
(tramite molle, volani o parti
c ontraria
idrauliche)
Pb: 1
Exemplary
Miglioramento del
banco simulazione
giunzioni
Network of
Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1 Pb: 1
Miglioramento Assemblaggio e Aderenza del giunto Versatilità del Risposta del sistema Ecosostenibilità del
dell’uso del sistema calibrazione banco simulato alla curva sistema di frenatura sistema
lato utente teorica
Pb: 1
Problema da risolvere o
Problems and
Task da svolgere
PS: 1 PS: 1 PS: 1 PS: 1
PS: 1 PS: 1
Modifiche al Modifiche alla Disaccoppiamento Question to experts:
1 Soluzione Parziale o Scelta
sistema lato Cambio del Cambio del progettuale
logica del dei freni Verifiche ambiti e
interazione sistema di principio di
software applicazioni
Partial Solutions
attuazione freno industriali frenatura
Question to experts: 1
Lacuna di conoscenza o
PS: 1 PS: 1 verifica sperimentale da
PS: 1
Miglioramento Profilazione PS: 1 realizzare
Più accurata
ergonomia utente e Question to experts:
1 PS: 1 PS: 1 PS: 1
descrizione Riduzione del PS: 1 PS: 1 PS: 1
diagnostica
after realaboration
comportamento numero di prove Verifica range di Freni a Freni di tipo Freni con fluidi
integrata Utilizzo di più Utilizzo di più Attuazione Collegamento tra nodi
meccanico con di frenata funzionamento nel funzionamento elettromagnetico E/M reologici
elettrovalvole servovalvole piezoelettrica contesto specifico (dall’alto verso il basso):
modelli pneumatico
legame causa-effetto o
di dipendenza logica
Pb: 1
Pb: 1 Pb: 1
Potenziali
and clustering
Maggiore libertà Necessità di
aumenti peso
settaggio effettuare nuove
(e.g. con servo) o Pb: 1
parametri campagne di test
costi (e.g > Pb: 1 Pb: 1
potenziale e riscrittura Maggiori consumi Pb: 1 Pb: 1
#componenti o Pb: 1
sorgente di firmware del e minore Potenziale Problemi con la
con materiali più Scarsa Gestione inerzie
misure scorrette sistema autonomia del riduzione catena di misura Smaltimento
leggeri) controllabilità per coppie
sistema affiabilità/vita dei (calibrazione, calore
della frenata elevate
componenti interferenze,..)
PS: 1
Recupero di
energia dalla
frenata
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FRAMING
What to do? (Use Post-It - 20 minutes)
Start generating a Network of Problems.
• Pick the notes with the 5 functional interactions
you already defined and place them on the
flipchart paper sheet
• Start checking for potential connections among
them and for missing links and elements
• Define some of the missing elements
– (sub)Problems (e.g. problem decomposition)
– Partial solutions
– Further consequences generated by Partial Solutions
• Create missing links
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FRAMING
Network of Problems and Partial Solutions:
How to build them
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPROBLEM FRAMING
Network of Problems and Partial Solutions:
How to build them
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesOUTLINE - Some tools for…
…Problem Framing
Problem formulation through functional interactions
Network of Problems and Partial Solutions
…State of the art analysis
Patent landscaping
…Idea generation
Design by analogy
Problem solving strategies
Dealing with conflicting requirements
Morphological table
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesWhy searching for patents? What for?
Why?
60-80% of information contained in patents is not
available elsewhere (Sources: EPO 2001, Mucke 2011)
Patents describe problems and solution
What for?
Avoid infringing existing patents
Get inspiration from other fields of application sharing
the same problem
WARNING
Information contained in patents is not necessarily
correct!
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesStructure of a patent
A European patent application consists of (Article 78(1) EPC):
Request for grant
Description of the invention (Rule 42 EPC) – a summary of the prior
art, a disclosure of the invention and what problem it is supposed to
solve
Claims (Articles 69, 84 and Rule 43 EPC) – determine the extent of
protection conferred by a European patent
Drawings (if any) referred to in the description or the claims – the
description and drawings are used to interpret the claims
Abstract (Article 85, Rule 47 EPC) – around 150 words that can be
used as a search tool for other patent applications
“The extent of the protection conferred by a European patent or a European patent
application shall be determined by the terms of the claims. Nevertheless, the description
and drawings shall be used to interpret the claims.”
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesStructure of a patent
Description
Prior art
o Teapot with one spout
Drawback of prior art
o Time-consuming
Problem to solve
o Reduce filling time
Solution
o Provide a second spout
Advantage of the invention
o The time needed to fill multiple cups
is reduced
Source:
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesStructure of a patent
Sample patent front page
Patent Number
Title
Inventor
Publication Date
Applicant
(or Assignee)
Priority Date Abstract
Data
IPC code
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesStructure of a patent
State of
the Art
Description
Drawings Claims
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesStructure of a patent
Patent Numer (or Publication Number): alpha-numeric code
identifying patent document, assigned at the moment of Publication.
Patent Nr.= Country Code + number (+ Kind code)
IT = Italy Es.
US = United States A = application
EP = European Pantent
B = granted
WO = International Application PCT
… Progressive Number
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesMain Databases for Patent searches
Free-of-charge Databases for patent searches:
o Espacenet (EPO)
o PatentScope (WIPO)
o UIBM (IT)
o USPTO (US)
o J-PLAT-PAT (JP)
o Google Patents, PatentInspiration, The Lens, ecc…
WARNING!
No patent Database has complete
coverage of all patent documents ever
published worldwide!!
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesMain Databases for patent searches
Summary and Comparison Table
… different Search Services and Patent Databases with
different functionalities!!
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPatent database - ESPACENET
Key features and Strengths:
Three search Interfaces: Smart search,
Advanced Search, Classification Search;
COVERAGE:
• Applications (A) and Granted patents
(B) from over 90 world wide patent
authorities (EP, WIPO, National
Offices);
• Bibliographic data and Legal status
information for all docs;
• Full text: only for docs in English,
French and German language;
• Classifications: CPC, IPC;
SEARCH OPTIONS:
• Full text Search in English, French
and German;
• 10 predefined search fields;
• Boolean Operators, Wild Cards;
• Forward and Backward citations;
LANGUAGE:
• Interface language: DE, EN FR
• Automatic translation tool;
ESPACENET Limits:
http://worldwide.espacenet.com Maximum number of search terms per field
is 10;
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPatent database - ESPACENET
Boolean Operators
AND, OR, NOT
Wildcards and truncation
* car* -> cars, carbon, carriage, carrynig, …;
# car#on -> carton, carbon, …;
? clock? -> clocks, clock
String search:
“ ” -> ”seat belt” The system will retrieve documents having the exact
expression “seat belt”;
Date range in publication date search:
: YYYYMMDD: YYYYMMDD
Example: Pubblication Date 2000:2001 will retrieve all patent and
application documents published from 1-Jan-2000 to 31-Dec-2001.
Parentheses to organize complex search queries:
Example: (mouse OR rat) AND (trap OR mousetrap)
ESPACENET
http://worldwide.espacenet.com
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesEXAMPLE SEARCHES
KR101976113B1
VR System providing escape room game equipped with VR device
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesEXAMPLE SEARCHES
US2019201806A1
SMART ENTERTAINMENT TECHNOLOGY ATTRACTIONS
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPATENT SEARCH
What to do? (Use Post-It - 30 minutes)
Search for relevant patents and populate your Network
of Problem.
• Go through the suggested patent search engine,
define keywords and strategies to retrieve
patents
• Briefly check their contents so that problems
addressed and solutions proposed become clear
• Use Post-its to note problems and solutions and
put them (with patent numbers) on the Network of
problems with appropriate connections
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesOUTLINE - Some tools for…
…Problem Framing
Problem formulation through functional interactions
Network of Problems and Partial Solutions
…State of the art analysis
Patent landscaping
…Idea generation
Design by analogy
Problem solving strategies
Dealing with conflicting requirements
Morphological table
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesOUTLINE - Some tools for…
…Problem Framing
Problem formulation through functional interactions
Network of Problems and Partial Solutions
…State of the art analysis
Patent landscaping
…Idea generation
Design by analogy
Problem solving strategies
Dealing with conflicting requirements
Morphological table
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesDESIGN BY ANALOGY
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesDESIGN BY ANALOGY
Search for
analogies
General Alternative
Model system that
of the solved the
Problem same Pb
Analysis and Solution
Abstraction Generation
Design Transfer
Problem Solution
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesDESIGN-BY-ANALOGY
What to do? (Use Post-It - 20 minutes)
Try to figure out potential analogies that can
help you to generate potentially relevant new
ideas.
• Try to figure out what other solutions or strategies are
typically leveraging similar functional interactions in a
different context
• Try to figure out what other solutions or strategies are
typically taking place in similar contexts by leveraging
potentially relevant functional interactions
• Generate your own solutions and use Post-Its to
add them to your Network of Problems (make
connections!)
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesOUTLINE - Some tools for…
…Problem Framing
Problem formulation through functional interactions
Network of Problems and Partial Solutions
…State of the art analysis
Patent landscaping
…Idea generation
Design by analogy
Problem solving strategies
Dealing with conflicting requirements
Morphological table
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesTypes of problems (in engineering design)
How to deliver a desired function?
Object
“change”
“increase” Parameter/Feature of the object
“decrease”
“stabilize”
How to improve an insufficient useful function?
Action
Tool Object
How to avoid the undesired consequences of a harmful
function?
Action
Tool Object
How to reduce/avoid the consumption of ….?
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesSolution strategies (in engineering design)
How to deliver a desired function?
Object
“change”
“increase” Parameter/Feature of the object
“decrease”
“stabilize”
Search for effects/principles to deliver the function
Pointers to effects
• Checklists of physical fields
• Databases of effects
Search for analogies
• In Nature
• In other fields of application
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPointers to effects
Checklists of physical fields
FIELDS AND FORCES
Mechanical Fields Electromagnetic fields Other fields Field Dynamics
Gravity forces Electric discharges Heating Single wave
Friction forces Electrostatic field Cooling Oscillation
Elasticity Electric current Thermal shock Pulsation
Internal tension Skin current Odor Resonance
Inertia Foucault currents Taste Standing wave
Centrifugal forces Magnetic field Chemical reactions Traveling wave
Lifting forces Electromagnetic field Nuclear forces Field gradient
(lifting) Microwaves Reflection
Mechanical Radio waves Refraction
vibrations Infrared waves Focusing
(oscillations) Visible light Shielding
Acoustic vibrations Coherent light (laser) Amplification
(oscillations) Ultraviolet rays Scanning
Buoyancy X-rays Scattering
Pressure of liquids Electron beam Interfering
and gases Expansion
Diffusion Structuring
Osmosis Filtering
Thermal tension
Sound
Ultrasound
Coriolis forces
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesPointers to effects
Databases of effects
http://wbam2244.dns-systems.net//EDB_Welcome.php
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesSearch for analogies
In nature
E.g., AskNature ( Lectures on Bio-Inspired Design)
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesSearch for analogies
In other fields of application
E.g., by patent searches
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesSolution strategies (in engineering design)
How to improve an insufficient useful function?
Action
Tool Object
Keeping the same working principle
Modify the tool and/or the object
Modify the environment
Modify the timing/frequency of action
Adding another field in parallel
Changing the working principle
Technology substitution
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesImproving an insufficient useful function
Keeping the same working principle
Modify the tool and/or the object
Stab. Pos.
Road Tyre
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesImproving an insufficient useful function
Keeping the same working principle
Modify the environment
In order to improve the efficiency of an air-
conditioning system, the outdoor fans are
installed on the northern side of the
building, thus taking advantage from the
shady environment.
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesImproving an insufficient useful function
Keeping the same working principle
Modify the timing/frequency of action
• E.g., Matching/unmatching frequencies with natural frequency
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesImproving an insufficient useful function
Keeping the same working principle
Adding another field in parallel
F1 F1
S1
S1 S2
S2
F2
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesImproving an insufficient useful function
Changing the working principle
Technology substitution
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesSolution strategies (in engineering design)
How to avoid the undesired consequences of a harmful
function?
Action
Tool Object
Eliminate the undesired interaction
Trimming
Add a barrier between the Tool and the Object
A new element
A modification of the Tool or the Object
Attract the harm on another element
Counteract the harmful action
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesAvoid the harm of a harmful function
Eliminate the undesired interaction
Trimming
• Remove the Tool and/or the Object (if necessary transfer its
useful functions to another element)
• “Separate” Tool and Object of the HF so as to eliminate the
undesired interaction?
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesAvoid the harm of a harmful function
Add a barrier between the Tool and the Object
A new element
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesAvoid the harm of a harmful function
Add a barrier between the Tool and the Object
A modification of the Tool or the Object
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesAvoid the harm of a harmful function
Attract the harm on another element
E.g. lightning rod
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesAvoid the harm of a harmful function
Counteract the harmful action
Deliver an opposite action on the same object
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesSolution strategies (in engineering design)
How to reduce/avoid the consumption of ….?
Space Material
Time Information
Energy
Eliminate the elements/interactions requiring excessive
resources
Trimming (as above)
Reduce the supply of the resource
Useful function Insufficient Useful Function (as above)
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesOUTLINE - Some tools for…
…Problem Framing
Problem formulation through functional interactions
Network of Problems and Partial Solutions
…State of the art analysis
Patent landscaping
…Idea generation
Design by analogy
Problem solving strategies
Dealing with conflicting requirements
Morphological table
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesCONTRADICTIONS
System evolution implies the resolution of contradictions, i.e. conflicts
between a system and its environment or between the components of
the system System
Requirements
Evaluation Par. 2
Problems from different domains,
sharing the same contradiction,
can be solved by means of the
same solving principles
Evaluation Par. 1
Conclusions for practice:
To solve a problem we should first discover underlying contradictions
To achieve maximum benefits, contradictions should be resolved, not
compromised
Overcoming contradictions is a driving force behind technology evolution.
Resolving contradictions, instead of compromising or optimizing, results in
breakthrough solutions
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesCONTRADICTIONS
R2-: unwanted result 2
V: value of a Feature
R1+: desired result 1
Element feature Desired result
R2+: desired result 2
Λ: opposite value of a
Feature
R1-: unwanted result 1
Gaetano Cascini: Design Methods and ProcessesCONTRADICTIONS
R2-:
R2-:DIFFICULT
unwanted TO
result
PARK2
V: valueV:ofBIG
a Feature
R1+:
R1+:
desired
COMFORT
result 1
Element
CAR feature
SIZE Desired result
R2+: EASY
desired
TOresult
PARK 2
Λ: opposite value of a
Λ: SMALL
Feature
R1-:
R1-:NOT
unwanted
ENOUGHresult
SPACE1
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