Panduan Lengkap: Proses Desain Mekanik dari Awal Hingga Akhir

Proses Mechanical Design dalam Tinjauan Umum

Mechanical Design secara umum adalah proses sistematis untuk menciptakan produk atau sistem yang memenuhi kebutuhan teknis masyarakat global. Kebutuhan ini bisa berada di bidang kesehatan, transportasi, teknologi, komunikasi, energi, atau keamanan.

Baca Juga: Mengenal Piping Engineering (Tugas dan Produk)

Meskipun seorang Engineer’s mesin mungkin bers spesialisasi dalam bidang tertentu seperti pemilihan bahan atau teknik fluida, aktivitas sehari-hari mereka sering berfokus pada desain. Dalam beberapa kasus, seorang desainer memulai dari awal dan memiliki kebebasan untuk mengembangkan produk asli dari tahap konsep selanjutnya.

Teknologi yang dikembangkan bisa sangat revolusioner sehingga menciptakan pasar dan peluang bisnis yang sama sekali baru. Smartphone dan kendaraan hybrid adalah contoh bagaimana teknologi mengubah cara orang berpikir tentang komunikasi dan transportasi.

Dalam kasus lain, pekerjaan desain seorang Engineer’s bersifat inkremental dan berfokus pada peningkatan produk yang sudah ada. Contohnya adalah penambahan kamera video definisi tinggi ke ponsel dan variasi kecil yang dibuat setiap tahun pada model mobil.

Di mana kehidupan produk baru dimulai? Pertama, perusahaan mengidentifikasi peluang bisnis baru dan menetapkan persyaratan untuk produk, sistem, atau layanan baru. Pelanggan masa lalu, saat ini, dan potensial disurvei, ulasan produk online dan forum umpan balik dipelajari, dan produk terkait diteliti. Pemasaran, manajemen, dan teknik semuanya memberikan masukan tambahan untuk membantu mengembangkan seperangkat persyaratan sistem yang komprehensif.

Pada fase selanjutnya, para Engineer’s menggunakan kreativitas mereka dan mengembangkan konsep potensial, memilih konsep teratas menggunakan persyaratan sebagai kriteria keputusan, mengembangkan detail (seperti tata letak, pemilihan bahan, dan ukuran komponen), dan membawa perangkat keras ke produksi.

Apakah produk tersebut memenuhi persyaratan awal, dan dapatkah diproduksi secara ekonomis dan aman? Untuk menjawab pertanyaan tersebut, para Engineer’s membuat banyak perkiraan, pertukaran, dan keputusan selama proses berlangsung. Engineer’s mekanik menyadari bahwa tingkat ketelitian yang diperlukan dalam setiap perhitungan secara bertahap meningkat seiring dengan desain yang matang dari konsep hingga produksi akhir.

Tahapan-tahap dalam Proses Mechanical Design

Dilihat dari sudut pandang makroskopis, proses Mechanical Design dapat diuraikan menjadi empat tahap utama, yang diuraikan lebih detail pada Gambar diatas:

• Pengembangan Kebutuhan (Requirements Development)
• Desain Konseptual (Conceptual Design)
• Desain Detail (Detailed Design)
• Produksi (Production)

Pengembangan Kebutuhan (Requirements Development)

Desain teknik dimulai ketika kebutuhan dasar telah diidentifikasi. Ini bisa berupa kebutuhan teknis dari pasar tertentu atau kebutuhan dasar manusia seperti air bersih, energi terbarukan, atau perlindungan dari bencana alam. Awalnya, seorang Engineer’s desain mengembangkan seperangkat persyaratan sistem yang komprehensif dengan mempertimbangkan masalah-masalah berikut:

• Performa fungsional: Apa yang harus dicapai oleh produk
• Dampak lingkungan: Efek selama semua fase produksi, penggunaan, dan penghentian
• Pembuatan: Keterbatasan sumber daya dan material
• Masalah ekonomi: Anggaran, biaya, harga, keuntungan
• Masalah ergonomis: Faktor manusia, estetika, kemudahan penggunaan
• Masalah global: Pasar internasional, kebutuhan, dan peluang
• Masalah siklus hidup: Penggunaan, perawatan, keusangan yang direncanakan
• Faktor sosial: Masalah sipil, perkotaan, budaya

Persyaratan sistem pada dasarnya mewakili batasan yang pada akhirnya harus dipenuhi oleh desain. Untuk mengembangkan persyaratan, Engineer’s melakukan penelitian ekstensif dan mengumpulkan informasi latar belakang dari berbagai sumber.

Engineer’s dapat berkomunikasi dan memahami beragam pemangku kepentingan dalam proses desain karena mereka perlu membaca paten yang telah dikeluarkan untuk teknologi terkait, berkonsultasi dengan pemasok komponen yang mungkin digunakan dalam produk, menghadiri pameran dagang, mempresentasikan proposal produk kepada manajemen, dan bertemu dengan calon pelanggan.

Desain Konseptual

Pada tahap ini, para Engineer’s desain secara kolaboratif dan kreatif menghasilkan berbagai solusi potensial untuk masalah yang dihadapi dan kemudian memilih solusi yang paling menjanjikan untuk dikembangkan.

Awalnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar diatas, proses ini dipandu oleh pemikiran divergen – serangkaian ide kreatif yang beragam dikembangkan. Beberapa orang berpendapat bahwa kreativitas hanya untuk seniman, yang terlahir dengan kemampuan untuk berinovasi, dan bahwa Engineer’s perlu bersikap praktis, menyerahkan tugas kreatif kepada orang lain.

Kenyataannya, menjadi kreatif adalah bagian penting dari pekerjaan seorang Engineer’s; desain produk membutuhkan Engineer’s yang sebagian adalah ilmuwan yang rasional dan sebagian seniman yang inovatif.

Engineer’s dapat belajar untuk menjadi lebih kreatif, membekali diri mereka dengan keahlian yang diperlukan untuk bertahan dalam karier akademis dan tempat kerja mereka. Seringkali solusi paling kreatif berasal dari sesi inovasi kolaboratif di mana orang dapat mendiskusikan ide dengan orang lain dari berbagai latar belakang – profesi, industri, usia, pendidikan, budaya, dan kebangsaan yang berbeda.

Setelah serangkaian konsep yang kaya dihasilkan, proses ini dipandu oleh pemikiran konvergen, saat para Engineer’s mulai menghilangkan ide dan menyatu pada beberapa konsep terbaik.

Daftar persyaratan dari tahap pertama digunakan untuk menghilangkan desain yang tidak layak atau inferior dan untuk mengidentifikasi konsep dengan potensi terbesar untuk memenuhi persyaratan. Evaluasi ini dapat dilakukan dengan menggunakan daftar pro dan kontra atau matriks dengan peringkat konsep menggunakan perhitungan awal untuk membandingkan persyaratan utama.

Model komputer dan prototipe perangkat keras mungkin juga diproduksi pada tahap ini untuk membantu proses pemilihan. Pada tahap ini, desain tetap relatif cair dan perubahan dapat dilakukan dengan murah, tetapi semakin jauh produk dalam proses pengembangan, semakin sulit dan mahal perubahannya. Tahap ini berpuncak pada identifikasi konsep desain yang paling menjanjikan.

Desain Detail

Pada tahap ini dalam proses desain, tim telah mendefinisikan, berinovasi, menganalisis, dan menyatu ke konsep terbaik. Namun, banyak detail desain dan manufaktur yang masih terbuka, dan masing-masing harus diselesaikan sebelum perangkat keras produk dapat diproduksi. Dalam desain detail produk, sejumlah masalah harus ditentukan:

• Mengembangkan Tata Letak dan Konfigurasi Produk: Menentukan bagaimana komponen produk akan diatur dan terhubung satu sama lain.
• Memilih Material untuk Setiap Komponen: Memilih material yang tepat berdasarkan faktor seperti kekuatan, berat, biaya, dan kemudahan pemrosesan.
• Menangani Masalah Desain-untuk-X (misalnya desain untuk keandalan, manufaktur, perakitan, variasi, biaya, daur ulang): Mempertimbangkan bagaimana produk akan dibuat, dirakit, dipelihara, dan didaur ulang pada tahap desain awal.
• Mengoptimalkan Geometri Final, termasuk Toleransi yang Sesuai: Menentukan bentuk akhir produk dan tingkat presisi yang diperlukan untuk setiap komponen.
• Mengembangkan Model Digital Lengkap dari Semua Komponen dan Perakitan: Membuat model komputer 3D dari semua bagian produk dan cara mereka bersesuaian.
• Simulasi Sistem Menggunakan Model Digital dan Matematika: Menguji kinerja produk secara virtual menggunakan model komputer dan persamaan matematika.
• Membuat Prototipe dan Menguji Komponen dan Modul Kritis: Membangun versi skala kecil atau model kerja dari komponen penting untuk mengidentifikasi masalah.
• Mengembangkan Rencana Produksi: Membuat rencana terperinci untuk memproduksi produk secara massal.

Prinsip-prinsip Penting dalam Tahap Desain Detail

Kesederhanaan

Prinsip umum yang penting dalam tahap desain detail adalah kesederhanaan. Konsep desain yang lebih sederhana lebih baik daripada yang rumit, karena semakin sedikit komponen yang bermasalah, semakin kecil kemungkinan terjadi kesalahan.

Produk teknik yang paling sukses sering kali dicirikan oleh integrasi yang efektif antara inovasi desain, teknik yang kokoh, dan kesederhanaan fungsional. Menjaga hal-hal sesederhana mungkin adalah prinsip yang dijunjung tinggi oleh para Engineer’s.

Iterasi

Selain itu, para Engineer’s perlu terbiasa dengan konsep iterasi dalam proses desain. Iterasi adalah proses melakukan perubahan dan modifikasi berulang kali pada suatu desain untuk memperbaikinya dan membuatnya lebih sempurna. Misalnya, jika tidak ada konsep yang dihasilkan yang memenuhi persyaratan secara memuaskan, maka para Engineer’s harus kembali meninjau daftar persyaratan atau kembali ke tahap pengembangan ide konsep.

Demikian pula, jika rencana produksi desain akhir tidak feasible (dapat dilaksanakan), maka para Engineer’s harus memeriksa kembali detail desain dan memilih bahan yang berbeda, konfigurasi baru, atau detail desain lainnya. Dengan setiap iterasi, desain secara bertahap meningkat – berkinerja lebih baik, lebih efisien, dan lebih elegan. Iterasi memungkinkan Anda mengubah perangkat keras yang berfungsi menjadi perangkat keras yang berfungsi dengan baik.

Kegunaan

Meskipun fokus utama Engineer’s jelas pada aspek teknis desain (gaya, material, fluida, energi, dan gerak), mereka juga menyadari pentingnya penampilan, ergonomi, dan estetika produk. Baik itu produk elektronik konsumen, ruang kontrol pembangkit listrik, atau kokpit jetliner komersial, antarmuka antara pengguna dan perangkat keras harus nyaman, sederhana, dan intuitif.

Kegunaan suatu produk bisa menjadi masalah yang rumit terutama ketika teknologinya semakin canggih. Betapapun mengesankan teknologinya, jika sulit dioperasikan, pelanggan tidak akan menerimanya dengan antusias. Dalam hal ini, para Engineer’s sering bekerja sama dengan desainer industri dan psikolog untuk meningkatkan daya tarik dan kegunaan produk mereka. Pada akhirnya, teknik adalah usaha bisnis yang memenuhi kebutuhan pelanggan.

Dokumentasi

Para Engineer’s harus sangat rajin dalam mendokumentasikan gambar teknik dari proses desain, catatan rapat, dan laporan tertulis sehingga orang lain dapat memahami alasan di balik setiap keputusan. Dokumentasi semacam itu juga berguna untuk tim desain masa depan yang ingin belajar dari dan membangun berdasarkan pengalaman tim saat ini. Buku catatan desain adalah cara efektif untuk menangkap informasi dan pengetahuan yang dibuat selama proses desain.

Paten

Buku catatan desain – sebaiknya dijilid, diberi nomor, diberi tanggal, dan bahkan disaksikan – juga mendukung paten untuk teknologi baru penting yang ingin dicegah penggunaannya oleh orang lain oleh perusahaan. Gambar, perhitungan, foto, data uji, dan daftar tanggal pencapaian penting yang dicapai harus dicatat secara akurat untuk menunjukkan bagaimana, kapan, dan oleh siapa penemuan itu dikembangkan.

Paten adalah aspek kunci dari sisi bisnis teknik karena memberikan perlindungan hukum bagi penemu teknologi baru. Paten adalah salah satu aspek dari kekayaan intelektual (bidang yang juga mencakup hak cipta, merek dagang, dan rahasia dagang), dan merupakan hak atas properti, analog dengan akta untuk bangunan atau sebidang tanah.

Paten diberikan untuk proses, mesin, artikel manufaktur, atau komposisi materi yang baru dan bermanfaat, atau untuk peningkatannya. Paten adalah perjanjian antara penemu dan pemerintah nasional. Seorang penemu diberikan hak legal untuk melarang orang lain membuat, menggunakan, menawarkan untuk dijual, menjual, atau mengimpor invensi. Sebagai gantinya, penemu setuju untuk mengungkapkan dan menjelaskan invensi kepada masyarakat umum dalam dokumen tertulis yang disebut paten.

Paten adalah monopoli atas teknologi baru yang kedaluwarsa setelah jangka waktu tertentu, yang durasinya tergantung pada jenis paten yang dikeluarkan dan negara yang mengeluarkannya. Dapat dikatakan bahwa sistem paten telah membentuk landasan ekonomi di mana masyarakat kita telah membuat kemajuan teknologinya. Paten menstimulasi penelitian dan pengembangan produk perusahaan karena mereka memberikan insentif finansial (monopoli terbatas) untuk inovasi. Dengan bersikap kreatif, seorang penemu dapat menggunakan perlindungan yang ditawarkan oleh paten untuk mendapatkan keuntungan atas pesaing bisnis.

Produksi

Keterlibatan seorang Engineer’s tidak berakhir setelah prototipe yang berfungsi telah dibuat dan gambar-gambar final rampung. Engineer’s mesin bekerja dalam lingkungan yang luas, dan desain mereka dilihat dengan pandangan kritis di luar kriteria apakah solusinya berfungsi sebagaimana dimaksud.

Bagaimanapun, jika produk tersebut secara teknis luar biasa tetapi membutuhkan bahan dan operasi manufaktur yang mahal, pelanggan mungkin akan menghindari produk tersebut dan memilih produk yang lebih seimbang dalam hal biaya dan kinerjanya.

Oleh karena itu, bahkan pada tahap pengembangan persyaratan, para Engineer’s harus mempertimbangkan persyaratan manufaktur untuk tahap produksi. Lagipula, jika Anda meluangkan waktu untuk mendesain sesuatu, itu pasti sesuatu yang benar-benar dapat dibuat, sebaiknya dengan biaya rendah.

Material yang dipilih untuk suatu produk memengaruhi cara pembuatannya. Komponen yang dibuat dengan mesin dari logam mungkin paling cocok untuk satu konsep desain, tetapi komponen plastik yang diproduksi dengan injection molding mungkin menjadi pilihan yang lebih baik untuk desain lainnya. Pada akhirnya, fungsi, bentuk, material, biaya, dan cara produksi desain saling terkait erat dan seimbang selama proses desain.

Setelah desain detail selesai, perancang terlibat dengan fabrikasi dan produksi produk. Sebagian, teknik fabrikasi yang dipilih oleh Engineer’s bergantung pada waktu dan biaya penyiapan perkakas dan mesin yang diperlukan untuk produksi.

Beberapa sistem – misalnya, mobil, AC, mikroprosesor, katup hidrolik, dan hard disk drive komputer – diproduksi massal, istilah yang menunjukkan penggunaan otomatisasi mekanis secara luas. Sebagai contoh,

Gambar diatas menunjukkan jalur perakitan di mana robot melakukan berbagai tugas perakitan di pabrik pembuatan mobil. Secara historis, jalur perakitan semacam ini terdiri dari perkakas khusus dan fixture khusus yang mampu memproduksi secara efisien hanya untuk jenis komponen tertentu untuk jenis kendaraan tertentu. Tetapi sekarang sistem manufaktur fleksibel memungkinkan jalur produksi untuk dikonfigurasi ulang dengan cepat untuk komponen berbeda dari kendaraan berbeda.

Karena dengan produksi massal produk jadi dapat diproduksi relatif cepat, perusahaan dapat mengalokasikan ruang pabrik yang luas dan banyak peralatan mesin yang mahal secara hemat biaya, meskipun salah satunya mungkin hanya melakukan tugas sederhana, seperti mengebor beberapa lubang atau memoles permukaan tunggal.

Selain perangkat keras yang diproduksi melalui produksi massal, produk lain (seperti jetliner komersial) dibuat dalam jumlah yang relatif sedikit, atau unik (seperti Teleskop Luar Angkasa Hubble). Beberapa produk one-of-a-kind bahkan dapat diproduksi langsung dari gambar yang dibuat dengan komputer menggunakan printer 3D.

Metode produksi terbaik untuk suatu produk bergantung pada kuantitas yang akan diproduksi, biaya yang diizinkan, dan tingkat presisi yang diperlukan. Bagian selanjutnya membahas metode produksi dan manufaktur yang paling menonjol.