Maschinenbau

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Der Maschinenbau (auch als Maschinenwesen bezeichnet) ist eine klassische Ingenieurdisziplin. Dieses Arbeitsgebiet erstreckt sich auf Entwicklung, Konstruktion und Produktion von Maschinen.

Der Industriezweig Maschinenbau (Branche) entstand aus dem Handwerk der Metallbearbeitung durch Mühlenbauer,[1] Schmiede und Schlosser. Die Ingenieurdisziplin Maschinenbau bildete sich durch systematischen wissenschaftlichen Bezug auf die klassische Physik, insbesondere auf die klassische Mechanik heraus.

Nähmaschine, etwa 1900; die Funktion der Maschine ist bis heute prinzipiell gleich geblieben
Maschine zum Abfüllen und Dosieren, Beispiel für eine moderne Maschine

Themenausschnitte im Maschinenbau[Bearbeiten]

  1. Mechanik
    1. Getriebelehre
    2. Kraft- und Arbeitsmaschinen
  2. Fertigungstechnik
  3. Automatisierungstechnik
    1. Steuerungs- und Regelungstechnik
      1. Adaptronik
      2. Mechatronik
      3. Elektronik
      4. Robotik
      5. Informatik
  4. Konstruktionslehre
    1. Festigkeitslehre
    2. Maschinen- und Konstruktionselemente
    3. Verbindungstechnik
    4. Normen
    5. Ergonomie
    6. Computer-aided design
    7. Computer-aided manufacturing
  5. Materialwissenschaft
    1. Metallurgie
    2. Kunststoffe
    3. Verbundwerkstoffe
    4. Schmierstoffe
    5. Korrosion
    6. Werkstoffprüfung
  6. Betriebswirtschaftslehre
    1. Arbeitsvorbereitung
    2. Qualitätsmanagement

und weitere verwandte Themen

Zusammenhänge[Bearbeiten]

Der Maschinenbau ist geprägt von Ingenieuren, Technikern und Facharbeitern. Diese arbeiten je nach Unternehmensgröße und Schwerpunkt des Betriebes an Idee, Entwurf, Kalkulation, Design, Konstruktion, Optimierung, Forschung und Entwicklung, Produktion und Vertrieb von Maschinen aller Art und deren Bauteilen. Ausgehend von einzelnen Maschinenelementen werden dabei Produkte oder Anlagen von größter Komplexität wie Fertigungsstraßen und ganze Fabriken geplant, entwickelt, gebaut und betrieben.

Zum Beispiel beschäftigt sich die Konstruktionslehre mit den Zielen und Methoden, die ein Maschinenbau-Ingenieur/-Techniker bei der Konstruktion technischer Anlagen durch Normen (z. B. der DIN-Normen) beachten muss. Mittlerweile werden die technischen Anlagen mit Hilfe von CAD-Programmen am Computer entworfen. Die dabei erzeugten CAD-Dateien können anschließend einer Simulation (dazu gehört unter anderem auch die Finite-Elemente-Methode) unterzogen und von einer CNC-Maschine gefertigt werden. Ein anderer Weg ist das Reverse Engineering, bei dem aus einem vorhandenen Körper ein Computermodell hergestellt wird, das man dann weiter bearbeiten kann, z. B. Freiformflächen an Automobilkarosserien oder Turbinen- und Verdichterschaufeln. Aufgrund der zunehmenden Automatisierung werden technische Anlagen heute mit einer komplexen Mess- und Steuerungs- bzw. Regelungstechnik ausgestattet, die ebenso von Maschinenbau-Ingenieuren ausgelegt werden.

Teilgebiete[Bearbeiten]

Zu den Teilgebieten des Maschinenbaus zählen Gebiete die naturwissenschaftliche Fachgebiete anwendungsorienteirt weiterentwickeln und damit eine theoretische Basis darstellen wie die technische Mechanik, technische Thermodynamik, Strömungsmechanik und Werkstoffwissenschaft. Konstruktionslehre und Fertigungstechnik befassen sich mit Konstruktion bzw. Produktion. Weitere Gebiete sind die Mess- und Regelungstechnik sowie die Antriebstechnik.

Technische Mechanik[Bearbeiten]

Hauptartikel: Technische Mechanik
Cremonaplan ist ein Beispiel für die zeichnerische Lösung eines Problems in der Technischen Mechanik

Die Technische Mechanik ist ein Teilfach der Ingenieurwissenschaften. Ihre naturwissenschaftliche Grundlage ist die klassische Mechanik, die ihrerseits ein Teilgebiet der Physik ist. Teilgebiete der Technischen Mechanik sind z. B. die Statik, die Festigkeitslehre, die Kinematik, die Kontinuumsmechanik und bei dynamisch beanspruchten Maschinen die Maschinendynamik. Das Aufgabengebiet der Technischen Mechanik ist die Bereitstellung der theoretischen Berechnungsverfahren zur Ermittlung von Kräften, Momenten und anderen Belastungen beispielsweise für die Materialwissenschaft, den Maschinenbau und die Baustatik. Die eigentliche Bemessung, Auswahl der Werkstoffe und dergleichen mehr wird dann von diesen anwendungsnahen Disziplinen übernommen, in denen die Technische Mechanik Hilfswissenschaft ist.

Strömungsmechanik bzw. Fluidmechanik[Bearbeiten]

Hauptartikel: Strömungslehre

Die Strömungslehre oder auch Strömungsmechanik ist die Physik der Fluide. Unter diesem Begriff versteht man Medien (u. a. Flüssigkeiten, Gase, Stoffgemische, Festkörper (z. B. Sand, Staub u. a.) oder Plasma), welche sich unter dem Einfluss von Scherspannungen unbegrenzt verformen (newtonsches und nichtnewtonsches Fluid). Auch die Bezeichnungen Fluidmechanik oder Fluiddynamik werden anstelle von „Strömungslehre“ verwendet.
Ziel ist die theoretische Berechnung von Strömungen, wie sie in realen Prozessen, z. B. in Rohrleitungen, in Verbrennungsmotoren oder hinter umströmten Körpern (Luftwiderstand bei Fahrzeugen), ablaufen. In den Anwendungsfällen werden dabei Kennzahlen benutzt, mit denen man die Eigenschaften (z. B. Verhalten und Art des Fluids, Strömungsart und –form) der Fluide beschreiben kann. Mit den Prinzipien der Kontinuitätsgleichung (Alles was reinfließt, fließt auch wieder raus), den Erhaltungssätzen für Masse, Energie und Impuls und den Navier-Stokes-Gleichungen können die Strömungsvorgänge mathematisch beschrieben werden.
Ein wissenschaftliches Gebiet, dass die Strömungsmechanik nutzt, ist die Rheologie, die sich mit dem Verformungs- und Fließverhalten von Materie beschäftigt.

Technische Thermodynamik[Bearbeiten]

Hauptartikel: Thermodynamik
Typischer thermodynamischer Vorgang am Beispiel der prinzipiellen Wirkungsweise einer Dampfmaschine (rot = hohe Temperatur, gelb = niedrige Temperatur, blau = Endtemperatur des Dampfes)

Die Thermodynamik, auch als Wärmelehre bezeichnet, ist ein Teilgebiet der klassischen Physik. Sie entstand im Verlauf des 19. Jahrhunderts auf der Grundlage der Arbeiten von James Prescott Joule, Nicolas Léonard Sadi Carnot, Julius Robert von Mayer und Hermann von Helmholtz. Sie ist die Lehre der Energie, ihrer Erscheinungsform und Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Sie erweist sich als vielseitig anwendbar in der Chemie, Biologie und Technik. Mit ihrer Hilfe kann man zum Beispiel erklären, warum bestimmte chemische Reaktionen spontan ablaufen und andere nicht. Die technische Thermodynamik ist eine rein makroskopische Theorie, die davon ausgeht, dass sich die physikalischen Eigenschaften eines Systems hinreichend gut mit makroskopischen Zustandsgrößen beschreiben lassen. Sie ist eine effiziente Theorie, da sie die Bewegung der einzelnen Atome und Moleküle vernachlässigt und nur mittlere Größen wie Druck und Temperatur betrachtet. Weitere Themen in der Thermodynamik sind die Wärmeübertragung und die Kältetechnik, die sich mit dem Wärmeentzug durch entsprechende Kältemittel beschäftigt.

Werkstoffwissenschaft[Bearbeiten]

Die Werkstoffwissenschaft zählt zur Materialwissenschaft und ist ein Gebiet der Ingenieurwissenschaft, das mit den Methoden der Werkstoffkunde versucht, anwendungsorientiert Beziehungen zwischen der Struktur und den Eigenschaften der Werkstoffe herzustellen. Darauf aufbauend werden durch gezielte Strukturveränderung, z. B. bei der Eisen-Kohlenstofflegierung Stahl das Härten und Anlassen oder durch einbringen von Legierungselementen, gewünschte Eigenschaftsprofile eingestellt. Beim Stahl, einer der häufigsten verwendeten Werkstoffe im Maschinenbau, wird z. B. die Schweißbarkeit oder die Umformbarkeit durch die Variierung des Kohlenstoffgehalts eingestellt. Weitere Eigenschaften, wie eine Korrosionsbeständigkeit, können durch Hinzufügen von Legierungen erreicht werden. In den Branchen, in denen das Gewicht eine große Rolle spielt, z. B. der Luft- und Raumfahrt, werden statt den Stählen Verbundwerkstoffe und Aluminiumlegierungen eingesetzt.
Wichtige Werkstoffkenngrößen, die für die Benutzung und Auslegung von Bauteilen nötig sind, sind die Streckgrenze, die Zugfestigkeit und der E-Modul.

Mess- und Regelungstechnik[Bearbeiten]

Hauptartikel: Messtechnik

Die Messtechnik beschäftigt sich mit dem experimentellen Messen von Systemen, da zwar jede bestimmbare Größe einen exakten Wert hat, jedoch kann man diesen durch Messfehler nicht genau erfassen.
Die Messtechnik kann man in die experimentelle Messtechnik, wo es um die Aufklärung von Effekten geht und eine höchstmögliche Genauigkeit gefordert ist und in die Messtechnik für technische Anwendungen einteilen. Für die technischen Anwendungen ist dabei eine robuste Messtechnik gefordert, die aber zugleich kostengünstig ist. Eine weitere Forderung ist dabei so präzise wie nötig und so schnell wie möglich zu messen.
Die ermittelte Messgröße besteht dabei aus dem gemessenen Wert, einem Messfehler und einer Maßeinheit (ist eine SI-Einheit oder abgeleitete Größe davon). Die Messgröße sieht dann beispielsweise wie folgt aus: (10±0,1) V oder 10 V±1 %. Die zu messenden Größen kann man in elektrische (Strom, Spannung, …) und nicht elektrische (Temperatur, Druck, Zeit, Masse u. a.) Größen einteilen. Nicht elektrische Größen können durch entsprechende Effekte (Seebeck-Effekt, Induktionsgesetz, …) in elektrische Signale umgewandelt werden, die für die Regelungstechnik (siehe auch Mess- und Regelungstechnik) und Automatisierungstechnik benötigt werden.

Konstruktionslehre[Bearbeiten]

Hauptartikel: Konstruktionslehre

Die Konstruktionslehre, bzw. -technik beinhaltet die Grundlagen der Konstruktion, d. h. alle jene Synthese-, Analyse-, Bewertungs- und Selektionstätigkeiten, die notwendig sind, um für eine bestimmte technische Aufgabe eine zu einem bestimmten Zeitpunkt bestmögliche Lösung anzugeben.[2]
Im Rahmen der Konstruktionsmethodik werden dabei vor allem Methoden zur systematischen Ideenfindung, Lösungssynthese und Variantenbewertung vermittelt, z. B. im Konstruktiver Entwicklungsprozess, Product-Lifecycle-Management oder Computer-aided engineering (CAE). Dies dient dem Finden einer möglichst optimalen Lösung bei einer großen Anzahl von Lösungsalternativen.
Um diese Lösungsalternativen jedoch einzeln beurteilen zu können, sind grundlegende Kenntnisse über mechanische Konstruktions-, bzw. Maschinenelemente, deren Bemessung und Auslegung und ihrer Herstellung nötig. Zudem muss eine Dokumentation der Aufgabe und Lösungen gewährleistet werden. Diese erfolgt u. a. in den Lasten- und Pflichtenheften und durch Technische Zeichnungen. Dem technischen Zeichnen liegt dabei eine einheitliche Form der Darstellung zu Grunde, die in Normen für die Maß-, Form-, Lage- und Oberflächentoleranzen beschrieben sind. Diese Grundlagen liegen ebenso im Bereich der Konstruktionslehre wie Techniken zur Zeichnungserstellung, sowohl von Hand über die Darstellende Geometrie als auch mit Hilfe entsprechender Computerprogramme (siehe CAD).

Fertigungstechnik[Bearbeiten]

Hauptartikel: Fertigungstechnik

Die Fertigungstechnik ist eine Disziplin des Maschinenbaus, die sich mit der Fertigung von Werkstücken beschäftigt. Die Fertigungsverfahren werden dabei von der DIN 8580 festgelegt. Diese sind:

Antriebstechnik[Bearbeiten]

Hauptartikel: Antriebstechnik

Durch die Antriebstechnik wird eine Maschine laut EU-Richtlinie erst zu einer vollständigen Maschine, da sich erst durch einen Antrieb Teile der Maschine selbstständig bewegen können.
Ausgehend von einem Motor, der die Bewegung erzeugt, wird diese über Wellen, Keilriemen und/oder Getriebe an die Wirkstelle geleitet. In ortsfesten Maschinen werden heutzutage Elektromotoren, wie z. B. Drehstrom-Synchronmaschinen oder Schrittmotoren (in Ausnahmefällen auch Linearmotoren) als Motoren eingebaut, da durch diese maschinelle Bewegungsabläufe sehr gut synchronisiert werden können. Falls jedoch die Energiezufuhr, anders als vorangehend, nicht durch eine Stromleitung bereitgestellt werden kann, wie dies bei den meisten nichtstationären Maschinen der Fall ist – vorkommend etwa in vielen Kraftfahrzeugarten –, so setzt man in derartigen Fällen überwiegend solche Antriebsarten ein, die keiner Stromleitung bedürfen.
In den Jahrzehnten im Gefolge der Industriellen Revolution wurde in der Antriebstechnik eine kontinuierliche Drehbewegung durch einen Motor zentral bereitgestellt und durch eine Königswelle und Treibriemen weitergeleitet. Durch entsprechende Kurven-, Koppel- und/oder Riemengetriebe konnte die Drehbewegung in eine getaktete translatorische Bewegung umgewandelt werden. Heutzutage wird statt des zentralen Antriebs vermehrt ein dezentrales System von Antrieben in Maschinen eingebaut, d. h. es gibt nicht mehr einen Motor, der alles über eine Welle antreibt. Stattdessen übernehmen viele kleine Motoren die einzelnen Bewegungsabläufe. Häufig handelt es sich hierbei um Servomotoren, die durch eine entsprechende Programmierung der Antriebsregelung die unterschiedlichsten Bewegungen ausführen können. Aus diesem Grund nennt man Servoantriebe auch elektronische Kurvenscheiben.

Ausbildung und Studium[Bearbeiten]

Universität, Fachhochschule[Bearbeiten]

Hauptartikel: Studium Maschinenbau

An Universitäten (auch an Technischen Universitäten) und Fachhochschulen ist das Maschinenbaustudium einer der drei klassischen Ausbildungswege (neben Elektrotechnik und Bauingenieurwesen) für angehende Ingenieure.
In der Regel sind 10 Semester als Regelstudienzeit vorgegeben, bei erfolgreichem Studienabschluss wurde bisher der akademische Grad Dipl.-Ing. (bzw. Dipl.-Ing. (FH)) verliehen. Im Zuge einer Vereinheitlichung der Strukturen der Hochschulbildung in Europa wird ein gestuftes Studiensystem eingeführt (Bologna-Prozess). Dieser Prozess sollte bis 2010 abgeschlossen sein. Bis zu diesem Zeitpunkt sollten die Unis und Fachhochschulen den Diplomstudiengang abschaffen und durch einen Bachelorstudiengang ersetzen. Die Studienanfänger konnten nach 6 bis 8 Semestern Regelstudienzeit die akademischen Grade Bachelor of Science bzw. Bachelor of Engineering und nach weiteren 2 bis 4 Semestern die akademischen Grade Master of Science bzw. Master of Engineering erreichen. Einige Hochschulen (z. B. die Hochschule München) bietet auch im Wintersemester 2011/2012 sowie im Sommersemester 2012 den Diplomstudiengang an und wird erst zum Wintersemester 2012/2013 auf die Bachelor-Studiengänge umstellen. Andere Hochschulen, wie z. B. die Hochschule Zittau/Görlitz wird auch bis auf weiteres weiterhin den Diplomstudiengang anbieten.

Da die Spanne und Größe der Produkte von z. B. einem kleinen Uhrwerk über Haushaltsgeräte und Motoren bis hin zur Massenware und riesigen Schaufelradbaggern reicht, kann heute ein Ingenieur diese Aufgaben nicht mehr alleine bewältigen. Man spezialisiert sich daher in seinem späteren Studium auf eine bestimmte Fachrichtung (z. B. Leichtbau, Fertigungstechnik, Textiltechnik, Schiffstechnik, Papiertechnik, Arbeitswissenschaft u. a.). Teilweise haben sich daraus eigenständige Studiengänge wie Maschinenbauinformatik, Produktion und Logistik, Verfahrenstechnik, Verarbeitungstechnik, Energietechnik, Fahrzeugtechnik, Luft- und Raumfahrttechnik, Mechatronik u. a. etabliert.

Fachschule, Technikerschule[Bearbeiten]

Neben der Ingenieursausbildung an Universitäten und Fachhochschulen ist im deutschsprachigen Raum die außeruniversitäre Ausbildung zum Maschinenbautechniker von traditionell großer Bedeutung. In Deutschland setzt das 4-semestrige Fachschulstudium eine fachspezifische Berufsausbildung und mehrjährige Berufserfahrung voraus und wird mit der Prüfung zum staatlich geprüften Techniker abgeschlossen. In der Schweiz darf man sich nach sechs Semestern und bestandener Diplomprüfung dipl. Techniker TS/HF nennen. In Österreich gibt es zusätzlich zu der Ausbildung an Universitäten und Fachhochschulen, die Möglichkeit die Ausbildung zum Ingenieur an einer HTL zu absolvieren.

Duale Berufsausbildung[Bearbeiten]

Im deutschsprachigen Raum bietet der Maschinenbau eine Vielzahl von gewerblich-technischen Berufsausbildungen innerhalb des dualen Systems an. Typische Berufsausbildungen sind Technischer Zeichner, Konstruktionsmechaniker, Zerspanungsmechaniker, Industriemechaniker oder Mechatroniker. Zudem bieten einige Hochschulen ein duales Studium, also ein Regelstudium in Verbindung mit Praxissemestern oder einer anerkannten Ausbildung, an.

Literatur[Bearbeiten]

  • Karl-Heinrich Grote, Jörg Feldhusen (Hrsg.): Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau. 23. Auflage. Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3642173059. (Standardwerk)
  • Alfred Böge (Hrsg.): Handbuch Maschinenbau: Grundlagen und Anwendungen der Maschinenbau-Technik. 19., überarb. und. erw. Auflage. Vieweg, Braunschweig 2009, ISBN 978-3-8348-0487-7.
  • Ekbert Hering, Karl-Heinz Modler (Hrsg.): Grundwissen des Ingenieurs. 14., aktualisierte, Auflage. Fachbuchverlag Leipzig, Leipzig 2007, ISBN 978-3-446-22814-6.
  • Horst Czichos, Manfred Hennecke: Hütte. Das Ingenieurswissen. 33. Auflage. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-20325-4.
  •  Heinz M. Hiersig: Lexikon Maschinenbau. VDI Verlag, Düsseldorf 1995, ISBN 978-3184013721.
  • Jürgen Dispan, Stefan Pfeifer, et al.: Werkzeugmaschinenbau. Strukturwandel und strategische Herausforderungen. Branchenreport. Frankfurt 2006 (online PDF; 692 KB)
  • Jürgen Dispan: Maschinen- und Anlagenbau: Herausforderungen und Zukunftsfelder. In: Allespach, Martin; Ziegler, Astrid (Hrsg.): Zukunft des Industriestandortes Deutschland 2020. Schüren-Verlag, Marburg 2012, S. 216-233.
  • Jürgen Dispan, Martin Schwarz-Kocher: Maschinen- und Anlagenbau in Deutschland. Entwicklungstrend und Herausforderungen. Stuttgart 2014 (online PDF; 7,6 MB)

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Maschinenbau – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wikibooks: Regal:Maschinenbau – Lern- und Lehrmaterialien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Paulinyi, Troitzsch: Propyläen Technikgeschichte Band 3, 1997, S. 45.
  2.  Rudolf Koller (Hrsg.): Konstruktionslehre für den Maschinenbau. 3. Auflage. Springer-Verlag, Berlin 1994, ISBN 3-540-57928-1, S. XVIII.