Mühendislik Tasarım Süreci

Tarih boyunca en geniş anlamıyla insanların problemler için çözüm üretmesi olarak kullanılan mühendislik kavramı günümüzde matematik ve fen gibi akademik disiplinlere dayanan bir meslek olarak ifade edilmektedir (Petroski, 1996). Wulf (1998) mühendisliği insanların ihtiyaç ve isteklerini karşılamak için yaratıcılık, fen ve matematiği kullanarak ulaşılabilir çözümler üreten karmaşık bir girişim olarak tanımlamaktadır. Eksikliklerin analiz edilmesi, ekonomi, estetik, iletişim, kalite - kontrol gibi birçok mühendislik girişimi olmasına rağmen mühendisliğin merkezindeki aktivite tasarımdır (Petroski, 1996). NAE ve NRC (2009) tarafından yayınlanan "K-12 Eğitiminde Mühendislik: Durumun Anlaşılması ve Beklentilerin Karşılanması" adlı raporda mühendisliğin en önemli boyutu olarak tasarım gösterilmektedir. Bu yaklaşım mühendisliğe yönelik bazı tanımlamaların doğrudan tasarım bağlamında ele alınması sonucunu doğurmuştur. NAE (2010) tarafından yayınlanan "K-12 için Mühendislik Eğitimi Standartları" adlı raporda mühendislik, kısıtlamalar altında gerçekleştirilen tasarım olarak tanımlanmıştır. Benzer şekilde NAGB (2010) tarafından hazırlanan "Teknoloji ve Mühendislik Okuryazarlığı Çerçevesi" raporunda da mühendislik, insan yapımı dünyanın tasarlanması süreci olarak ifade edilmektedir.

Tasarım, birbirinden bağımsız farklı alanlar içerisinde çok yaygın olarak kullanılan bir kavramdır (Wendell, 2008). Mühendislik tasarımı da farklı alanlara yönelik birçok tasarım aktivitesinden yalnızca biridir (Dym, 1994). Tasarım, içerisinde materyal dünyasındaki değişimi etkileme ve mevcut durumu olması istenen şekle dönüştürmeyi barındırır (Simon, 1996). Bu tanımlama tasarım kavramının mühendisliğin yanı sıra grafik tasarımcılığı, moda tasarımcılığı, mimarlık gibi farklı alanlardaki kullanımlarını da anlamlı kılmaktadır. Fakat mühendislik bağlamında tasarım özel bir anlam

taşımaktadır (NAE ve NRC, 2009). Wendell (2008) eşsiz uygulama alanından dolayı genel tanımları içerisinde tasarımın en uygun olduğu alanın mühendislik olduğunu belirtmektedir.

Mühendislik bağlamında, en temel anlamıyla mühendislerin problem çözme yaklaşımı olarak ifade edilen tasarım, problemin tanımlanması ile başlayıp arzulanan performans için tanımlanan kısıtlamaları ve kriterleri karşılayan çözüm ile son bulan bir süreçtir (ITEA, 2007; NAE ve NRC, 2009; NAE, 2010; NRC, 2012).

Mühendislik tasarım problemleri için tek bir doğru çözümden söz edilemez, çoğu zaman olası birçok tasarım çözümü ortaya konulabilir. Bu sebeple mühendislik yaratıcı bir çaba olmak zorundadır (NAE ve NRC, 2009, NAE, 2010). Yukarıda açıklanan haliyle doğası gereği yaratıcı bir girişim olan mühendislik tasarım sürecinin, hangi uygulama adımlarının hangi sıra ile izlenmesi gerektiğinin açıkça belirtildiği doğrusal bir süreci yansıtmaması makul bir anlayıştır (NAE ve NRC, 2009). Bununla birlikte mühendislerin tasarım sürecinde yararlandıkları birçok karakteristik adım bulunmaktadır. Mühendisler karşı karşıya kaldıkları tasarım problemi doğrultusunda bu adımları önceden tanımlanmış bir düzen içerisinde değil en uygun çözüm neyi gerektiriyorsa o haliyle kullanırlar (ITEA, 2007). Bu durum mühendislik tasarım sürecinin "karmaşık" olarak değerlendirilmesine sebep olmaktadır (Brunsell, 2012). Süreçteki bu net olmama durumu ilgili literatürde tasarım adımlarının neler olduğuna yönelik farklı değerlendirmeler şeklinde karşılığını bulmaktadır. NAGB (2010) tarafından yayınlanan "Teknoloji ve Mühendislik Okuryazarlığı Çerçevesi" adlı raporda mühendislik tasarım sürecinin tek bir yöntemle sınırlı olmaması gerektiği vurgulanmakta, sürecin kullanılacağı bağlam doğrultusunda farklı adımlarla gerçekleştirilebileceği açıklanmaktadır. Brunsell (2012) konu ile ilgili olarak, alan yazında birçok farklı özellikte tasarım sürecinin bulunduğunu, fakat tüm bu süreçlerde problemin tanımlaması, olası çözümlerin ortaya çıkarılması, çözümlerin analiz edilmesi, test edilmesi, değerlendirilmesi ve gerekiyorsa çözümün yenilenmesi, fikirlerin sunumu gibi benzer beklentilerin bulunduğunu belirtmektedir.

Bu noktada sürece yönelik bütüncül bir bakış açısı sağlamak amacıyla Tablo 2.1'de mühendislik tasarım sürecinin K-12 düzeyinde kullanımını konu edinen araştırmalarda benimsenen yaklaşımların süreci hangi adımlar doğrultusunda tanımladığına yer verilmesi uygun görülmüştür. Farklı yaklaşımlar arasındaki benzerlik ve farklılıkların

daha net ortaya konulması adına her yaklaşım bağlamında tanımlanan adımlar analiz edilmiş ve bu adımlarda yürütülen işlemler belirlenmiştir.

İşlemler

Yazar Uygulama Adımları

S o ru lar s o rm a Kısıtl am alar Kriterle r Ara ştırma Be yin fırt ın ası Tah m in e tme De n ey se l v eri P ro to ti p y ap m a Op ti m iza sy o n Bil eşe n / siste m De ğe rlen dirme Ka ra r m atri sle ri M o d ell em e An ali z Tes t etme İy il eştirme Öd ün leş im S u n u m y ap m a İşb irl iğ i İletişim Mentzer (2011) Problemin tanımlanması + + + + Çözümler + + Analiz/Modelleme + + Deneme + + + Karar verme + + + Takım çalışması + + Brunsell (2012) Problemin tanımlanması + + +

Olası çözümlerin geliştirilmesi +

Çözümlerin analiz edilmesi + +

Çözümlerin en uygun hale getirilmesi + + + +

İletişim + +

NRC (2012)

Probleminin tanımlanması ve sınırlandırılması + +

Olası çözümlerin geliştirilmesi + + + + + + +

Tasarım çözümünün en uygun hale getirilmesi + + + + + +

Wendell et al. (2010)

Problemin tespit edilmesi + +

Olası çözümlerin araştırılması + + +

En uygun çözümün belirlenmesi +

Prototipin yapılması +

Prototipin test edilmesi + + +

MDOE (2010)

Problem ya da ihtiyacın belirlenmesi + + Problem ya da ihtiyacın araştırılması +

Olası çözümlerin geliştirilmesi + +

En uygun olası çözümün belirlenmesi + + + +

Prototipin yapılması +

Çözümün test edilmesi ve değerlendirilmesi + +

Çözümün paylaşılması + +

Tablo 2.1'de görüldüğü gibi mühendislik tasarım sürecine yönelik çeşitli yaklaşımlar hem uygulama adımlarının sayısı hem de bu adımların adlandırılmaları noktasında farklılık göstermektedir. MDOE (2010) tarafından süreç daha analitik bir perspektifle 8 uygulama adımıyla ifade edilirken, NRC (2012) daha bütüncül bir yapı ortaya koyacak şekilde süreci 3 adımlık bir çerçevede ele almaktadır.

Tablo 2.1 tasarım sürecinde yürütülen işlemler bağlamında incelendiğinde ise süreci kaç adımda tanımlamış olursa olsun tüm yaklaşımlar benzer bir yapı oluşturmaktadır. Dolayısıyla tasarım sürecine yönelik yaklaşımlar arasındaki farklılığın gerçekleştirilen pratikler bağlamında değil bu pratikleri çevreleyen başlıklar düzeyinde olduğu söylenebilir. Bu sebeple mühendislik tasarım sürecine yönelik daha derin bir anlayış oluşturmak için sürecin hangi adımlardan oluştuğundan ziyade süreçte gerçekleştirilen işlemlere odaklanılması daha uygun bir yaklaşımdır. Bu işlemleri tanımlarken kullanılan bazı kavramların (kriterler, kısıtlamalar, optimizasyon...) genel anlamlarının yanı sıra mühendislik bağlamında özel anlamları bulunmaktadır (NAE, 2010). Kavramların mühendislik disiplini çerçevesindeki bu anlamları bilinmeden sürecin anlaşılması mümkün değildir. Fakat kavramlara yönelik gerekli açıklamaların tasarım süreci ile birlikte ele alınması bu noktada terimler sözlüğü yaklaşımı ile verilmesine nazaran daha yararlı görülmüştür. Bölümün devamında araştırmada kullanılan tasarım sürecinin genel çerçevesi kapsamında bu kavramlara yönelik açıklamalara yer verilmiştir.

Tablo 2.1 ile sürece yönelik farklı yaklaşımlar arasındaki ilişki net bir şekilde ortaya konulmasına rağmen bu gösterim şekli bir sınırlılığı da beraberinde getirmiştir. Tablo 2.1 oluşturulurken yaklaşımlara ait uygulama adımları düşey düzlemde birbiri ardına sıralanmıştır. Bu durum ilgili yaklaşımlarda tasarım sürecinin aşamalı adımlardan oluşan doğrusal bir yapıda ele alındığı gibi yanlış bir düşünceye sebep olabilir. Tablo 2.1'de yer alan tüm yaklaşımlar mühendislik tasarım sürecini döngüsel, yaratıcı, dinamik bir yapı çerçevesinde tanımlamaktadır. Durumun daha net anlaşılması için Şekil 2.1'de MDOE (2010) tarafından önerilen tasarım sürecine yer verilmiştir.

Şekil 2.1 MDOE (2010) Mühendislik Tasarım Süreci Yaklaşımı

Şekil 2.1 incelendiğinde MDOE (2010) tarafından önerilen tasarım sürecinin döngüsel ve dinamik yapısı uygulama adımları arasında belirtilen akış çizgileri yardımıyla açıklanmaya çalışılmıştır. Bu haliyle tasarım süreci hem mühendislik problemlerini çözmeye yönelik sistematik bir yaklaşım yapısını hem de problem bağlamına göre süreçte alternatif yolların kullanımına olanak tanıyan dinamik bir örüntüyü yansıtmaktadır. Hynes (2009) bu dinamik yapıyı açıklarken mühendislerin prototipi yaptıktan sonra "çözümün test edilmesi" ile öngöremedikleri bazı sınırlılıkların farkına vararak "problem ya da ihtiyacın araştırılması" aşamasına geri dönebilecekleri örneğini vermektedir.

MDOE (2010) önerdiği bu yaklaşımın 5. sınıftan başlayarak lise son sınıf düzeyine kadar kullanılabileceğini belirtmektedir. NAGB (2010) tarafından yayınlanan "Teknoloji ve Mühendislik Okuryazarlığı Çerçevesi" raporunda ise ilkokul ve ortaokul düzeyinde mühendislik tasarım sürecinin beş uygulama adımı ile ifade edilmesinin daha

uygun olduğu vurgulanmaktadır. Brunsell (2012) ve Wendel et al. (2010) tarafından önerilen yaklaşımlar bu duruma uygun şekilde süreci beş uygulama adımı çerçevesinde ele almıştır. Bu doğrultuda yürütülen araştırmada beş adımda tanımlanan mühendislik tasarım sürecinin kullanılması uygun görülmüştür. Fakat süreç belirtilen yaklaşımlardan herhangi birindeki uygulama adımlarını aynen kullanmak yerine tüm yaklaşımların senteziyle uygulama adımlarının yeniden adlandırıldığı bir bağlamda ele alınmıştır. Aşağıda bu uygulama adımlarına yönelik açıklamalar yer almaktadır.

2.4.2.1.1 Problem ya da İhtiyacın Belirlenmesi

Mühendislik tasarım süreci genellikle bir ihtiyaç, istek ya da problemle başlar. Mühendisler, bu aşamada problemi daha iyi tanımlamak için çözümü oluşturacak nihai ürün veya sisteme yönelik kriterleri ve kısıtlamaları sorular sorarak belirlemeye çalışırlar (Brunsell, 2012; NRC, 2012). Başarılı çözümün taşıması gereken özellikler olarak tanımlanan kriterler, ürün veya sistemin fonksiyon, verimlilik düzeyi, dayanıklılık, maliyet vb. konularda kullanıcıların beklentilerini karşılamasını yansıtır. Kriterlerin açık ve ölçülebilir olması tasarımın doğru değerlendirilmesi için önem arz etmektedir. Kısıtlamalar, tasarım çözümünü gerçekleştirirken mühendislerin göz önünde bulundurması gereken yasal, sosyal, ahlaki, estetik, ekonomik vb. sınırlılıklardır. Bu sınırlılıklar tasarım çözümü üzerinde etkili olsa da bunların tamamı değiştirilemez değildir (ITEA, 2007; NAE, 2010; NRC, 2012).

2.4.2.1.2 Olası Çözümlerin Geliştirilmesi

Mühendislik problemleri için daima farklı çözümler bulunmaktadır. Mühendislik tasarım sürecinin en yaratıcı kısmı olan çözümlerin geliştirilmesi aşamasında mühendisler var olan çözümlerin araştırılması, deneysel veriler toplanması ve alternatif çözümlere yönelik beyin fırtınası oturumları şeklinde yaklaşımlar takip ederler. Bu şekilde oluşturulan öncü düşünceler eskiz veya diyagramlar yoluyla ifade edilebilir. Güçlü tasarım grupları bu aşamada süreci tartışmalar ile destekler, farklı kaynaklardan bilgi toplar, elde ettiği bilgileri değerlendirir ve çalışmalarını taslak raporlara döker (NAE ve NRC, 2009; NAGB, 2010; Mentzer, 2011; Brunsell, 2012; NRC, 2012).

2.4.2.1.3 En Uygun Çözümün Belirlenmesi

Mühendislik tasarım problemlerinde kriterleri karşılamanın ve kısıtlamaları yerine getirmenin birden fazla yolu olmasına rağmen mühendisliğin amacı en iyi çözümü tasarlamaktır (NRC, 2012). Problem için en uygun çözüme karar verilmesi detaylı analiz ve uygun değerlendirme yaklaşımları gerektirmektedir. Karar matrisleri bu amaç doğrultusunda mühendislerin başvurdukları araçlar arasında yer alır. Bu matrisler olası çözümlerin problem doğrultusunda tanımlanan kriter ve kısıtlamaları ne düzeyde karşıladığının sistematik bir yaklaşım çerçevesinde analiz edilmesine olanak sağlar (Mentzer, 2011; Brunsell, 2012; NRC, 2012).

Mühendislerin bu aşamada yürüttüğü en temel işlem optimizasyondur (NAE ve NRC, 2009). Mümkün olanın en iyisini sağlayacak kullanışlı çözüm oluşturma girişimi olarak tanımlanan optimizasyonda en önemli kriter ve kısıtlamalar doğrultusunda diğer bazı kriter ve kısıtlamalardan ödün verme (trade-off) söz konusudur (ITEA, 2007; NAE ve NRC, 2009; NAGB, 2010). Hangi kriterin önemli olduğu hangi kriterden ödün verileceği hakkındaki karar koşullara bağlı olarak değişmektedir (NRC, 2012). Bu doğrultuda mühendisler en uygun çözümü belirlemede iki yaklaşımda bulunabilirler. Bunlardan daha tercih edilir olanı, olası çözümlerin güçlü yanlarını uygun şekilde bir araya getirecek yeni bir çözüm tasarlamaktır. Bunun mümkün olmadığı durumlarda ise her biri farklı kriterler için uygun olan olası çözümlerin tüm avantaj ve dezavantajlarını karşılaştırarak mevcut koşullar bağlamında aralarından en uygun olana karar verilmesidir (Mentzer, 2011; NRC, 2012).

2.4.2.1.4 Prototipin Yapılması ve Test Edilmesi

Prototip nihai çözümün bir gösterimi ya da fiziksel, sanal, matematiksel bir modelidir (Hynes, Portsmore, Dare, Milto, Rogers ve Hammer, 2011). Mühendisler prototipleri bir tasarıyı görselleştirmek, tasarının ayrıntılarını ortaya koymak, tasarıyı daha ileri bir seviyeye taşımak ve tasarının performansını test etmek için kullanırlar (NRC, 2012). Kabul edilebilir bir ürün ortaya konulana kadar prototip yapma işleminin tekrar edilmesi buradaki anahtar bileşendir (Koehler, Faraclas, Sanchez, Latif ve Kazerounian, 2005). Mühendisler bu aşamada prototiplerinin (tasarım çözümlerinin) başarısını değerlendirmek için kriter ve kısıtlamalara dayalı uygun testler geliştirerek sonuçlar doğrultusunda iyileştirmelere başvururlar, her iyileştirme sonrası yeniden test etme

işlemleri ile süreç tekrarlanır (NAGB, 2010; Hynes, Portsmore, Dare, Milto, Rogers ve Hammer, 2011; Brunsell, 2012).

2.4.2.1.5 İletişim

Tüm süreç boyunca mühendisler tasarım takımları içerisinde işbirliği ile çalışırlar (NRC, 2012). Başarılı bir tasarım takımının, rol ve sorumlulukların tanımlanmış olması, teşvik edici atmosfer oluşumu gibi göstergeleri olsa da en temel özelliği iletişimdir (Mentzer, 2011). Sürece yönelik bir adım olarak ele alınmasına rağmen tasarım takımları tüm aşamalarda iletişime önem verirler. Örneğin, "problemin belirlenmesi" aşamasında kısıtlamalar ve kriterlere yönelik anlayışlarını, "test etme, değerlendirme, iyileştirme" sürecinde ise test sonuçlarını, iyileştirmelere yönelik kararlarını, bu kararları verme gerekçelerini paylaşırlar (NRC, 2012). Bu paylaşımlar çözüme yönelik dönüt almak ve çözümü iyileştirmek için gerçekleştirilirken, bu başlık altında ifade edilen paylaşım (iletişim) tasarım çözümünün pazarlanması amacıyla nihai çözümün özellikleri, çözümün başarı kriterleri ve çözümün nasıl elde edildiği konularında gerçekleştirilir (Hynes, Portsmore, Dare, Milto, Rogers ve Hammer, 2011; NRC, 2012). Yukarıda yer alan açıklamalar sürecin problemlerin çözümüne yönelik sistematik bir yaklaşım özelliği gösterdiğini ortaya koymaktadır. Fakat bu yapı otoyollardaki tek giriş ve çıkışa sahip tüneller gibi algılanmamalıdır. Süreç içerisinde gerçekleştirilen bazı pratikler (çözümlerin analiz edilmesi, prototipin test edilmesi gibi...) mühendisler için kontrol noktaları olarak değerlendirilebilir. Bu pratikler yoluyla elde edilen veriler, sıradaki adımı belirleyici olmakta ve bu yolla tasarım süreci dinamik bir yapı kazanmaktadır. ITEA (2007) tarafından hazırlanan "Teknoloji Okuryazarlığı için Standartlar" adlı raporda durumla ilgili olarak testlerle elde edilen sonuçlara bağlı olarak gerçekleştirilen iyileştirmelerin (prototipin yeniden yapılması gibi...) yeniden test edildiğinde yeni iyileştirmeler yapılmasını gerektirebileceğini, bu durumun sonuçlar mühendisleri tatmin edene kadar tekrarlanması gerektiği açıklanmaktadır.

Sonuç olarak araştırma bağlamında kullanılan tasarım süreci hem genel çerçevesi belirlenmiş sistematik bir yaklaşımı hem de her tasarım problemi bağlamında yeniden şekillenen dinamik bir yapıyı ifade etmektedir. Şekil 2.2'de araştırma bağlamında kullanılan mühendislik tasarım sürecinin yapısı, uygulama adımları ve gerçekleştirilen pratikler bağlamında özetlenmiştir.

Şekil 2.2 Mühendislik Tasarım Süreci