Maschinenbau

Der Cremonaplan ist ein Beispiel für die zeichnerische Lösung eines Problems in der Technischen Mechanik

Die Technische Mechanik ist ein Teilgebiet der Ingenieurwissenschaften. Ihre naturwissenschaftliche Grundlage ist die klassische Mechanik, die ihrerseits ein Teilgebiet der Physik ist. Teilgebiete der Technischen Mechanik sind

• die Statik, die sich mit ruhenden, starren Körpern befasst,
• die Festigkeitslehre, die ruhende, deformierbare Körper behandelt, und
• die Dynamik für bewegte Körper.

Ein weiterführendes Gebiet im Maschinenbau ist die Maschinendynamik. Das Aufgabengebiet der Technischen Mechanik ist die Bereitstellung der theoretischen Berechnungsverfahren zur Ermittlung von Kräften und Momenten. Die eigentliche Bemessung, Auswahl der Werkstoffe und dergleichen mehr wird dann von anderen Disziplinen übernommen, in denen die Technische Mechanik Hilfswissenschaft ist.

Die Strömungslehre oder auch Strömungsmechanik ist die Physik der Fluide, also vor allem von Gasen und Flüssigkeiten. Auch die Bezeichnungen Fluidmechanik oder Fluiddynamik werden anstelle von Strömungslehre verwendet.

Ziel ist die theoretische Berechnung von Strömungen, z. B. Strömungen in Rohrleitungen, in Verbrennungsmotoren, Turbinen, Gebläsen oder hinter umströmten Körpern (Luftwiderstand bei Fahrzeugen). In den Anwendungsfällen werden dabei Kennzahlen benutzt, die die Eigenschaften (z. B. Verhalten und Art des Fluids, Strömungsart und -form) der Fluide beschreiben. 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, das die Strömungsmechanik nutzt, ist die Rheologie, die sich mit dem Verformungs- und Fließverhalten von Materie beschäftigt.

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 ist die Lehre der Energie, ihrer Erscheinungsform und Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Sie erweist sich als vielseitig anwendbar in der Chemie, Biologie und Technik. Im Maschinenbau wird sie genutzt um den Wirkungsgrad von Maschinen zu berechnen und zur Konstruktion und Analyse von Wärmekraftmaschinen wie Otto- und Dieselmotoren, Gas- und Dampfturbinen. 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.

Die Werkstofftechnik ist eine selbstständige ingenieurwissenschaftliche Disziplin die eine besondere Nähe zum Maschinenbau aufweist. Im Maschinenbau sind vor allem die mechanischen Werkstoffkennwerte (Härte, Festigkeit, Elastizitätsmodul, Verschleißfestigkeit) von Bedeutung. Außerdem spielen chemische Eigenschaften eine Rolle sofern sie die Korrosionsbeständigkeit betreffen; elektrische und magnetische Kennwerte spielen dagegen keine besondere Rolle. Ein wichtiges Teilgebiet ist die Werkstoffprüfung, die sich mit der Ermittlung dieser Kennwerte befasst.

Als Konstruktionswerkstoff werden im Maschinenbau Keramiken, Polymere (Kunststoffe) und Metalle verwendet. Die größte Bedeutung haben die Metalle, davon insbesondere Stahl und Gusseisen, aber auch Aluminium, letztes vor allem in den Branchen, in denen das Gewicht eine große Rolle spielt, z. B. der Luft- und Raumfahrttechnik.

Die Werkstofftechnik ermittelt Beziehungen zwischen der Struktur der Werkstoffe (Kristallgitter, Korngröße, Gefüge) und den Eigenschaften der Werkstoffe. Darauf aufbauend werden durch gezielte Strukturveränderung, z. B. bei Stahl das Härten und Anlassen oder durch Einbringen von Legierungselementen, gewünschte Eigenschaftsprofile eingestellt. Beim Stahl, wird z. B. die Schweißbarkeit oder die Umformbarkeit durch die Variierung des Kohlenstoffgehalts eingestellt. Weitere Eigenschaften, wie eine Korrosionsbeständigkeit, können durch Legieren erreicht werden.

Konstrukteure bei der Arbeit (1953)

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.[9]

Im Rahmen der Konstruktionsmethodik werden dabei vor allem Methoden zur systematischen Ideenfindung, Lösungssynthese und Variantenbewertung vermittelt, z. B. im konstruktiven 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.

Den technischen Zeichnungen 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).

Teil einer Maschine bestehend aus zahlreichen Maschinenelementen (Zahnräder, Wälzlager, Kurbelwellen)

Maschinenelemente sind kleinste Bauteile von Maschinen die besonders häufig genutzt werden und daher oft genormt sind und zugekauft werden können. Dazu zählen beispielsweise Kleinteile wie Schrauben, Bolzen und Stifte, Zahnräder, Federn, Dichtringe, zusammengesetzte Teile wie Kugellager bis hin zu ganzen Komponenten wie Getrieben, Kupplungen und Bremsen. Außerdem gibt es noch verschiedene Verbindungselemente wie Schweißverbindungen, Lötverbindungen, Nietverbindungen und Klebverbindungen, Elemente zur Übertragung von Bewegungen wie Achsen und Wellen und Gleitlager.

Messgerät in der Verfahrenstechnik

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.

Die Fertigungstechnik ist eine Disziplin des Maschinenbaus, die sich mit der Fertigung von Werkstücken beschäftigt. Ausgehend von den Konstruktionsunterlagen sollen die Werkstücke möglichst wirtschaftlich gefertigt werden. Zu den Fertigungsverfahren zählen beispielsweise das Gießen, Schmieden, Fräsen, Bohren, Schleifen, Löten, Schweißen, Beschichten und Härten. Den Schwerpunkt der Fertigungstechnik bilden die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen diesen Verfahren die in Gruppen und Untergruppen eingeteilt werden. Beim Fräsen, Plasmaschneiden und Stanzen wird beispielsweise von einem Rohteil Material entfernt, sie werden daher der Gruppe Trennen zugeordnet, beim Schweißen, Verschrauben und Löten werden Teile verbunden, sie werden der Gruppe Fügen zugeordnet. Neben den Fertigungsverfahren werden auch die zugehörigen Werkzeuge und Maschinen behandelt, deren Auswahl, die Fertigungsmesstechnik und die Fertigungsplanung und -steuerung.

Schnitt durch eine Drehstrom-Asynchronmaschine

Durch die Antriebstechnik wird eine Maschine laut EU-Richtlinie erst zu einer vollständigen Maschine, da sich erst durch einen Antrieb Teile der Maschine selbständig 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. 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.

Kraftmaschinen wandeln beliebige Energie in mechanische Antriebsenergie um, Arbeitsmaschinen nutzen mechanische Energie, um Arbeit zu verrichten. Häufig kann durch Umkehrung des Funktionsprinzips aus einer Arbeits- eine Kraftmaschine erzeugt werden.

Zu den Kraftmaschinen zählt beispielsweise die Dampfmaschine, von Bedeutung sind heute jedoch folgende Maschinen: Otto- und Dieselmotoren, Gasturbinen, Wasserturbinen und Dampfturbinen.

Zu den Arbeitsmaschinen zählen unter anderem: Pumpen, Verdichter, Kompressoren, Turbinen und Gebläse.

Die Fördertechnik befasst sich mit Maschinen und Anlagen, die zum Transport über kurze Strecken (Fördern) dienen. Dazu zählen beispielsweise Förderbänder, Gabelstapler, Krane, Fahrerlose Transportsysteme, Rohrleitungen, Schneckenförderer und Gabelhubwagen. Viele dieser Förderanlagen bestehen aus Komponenten, die in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden können, um sie auf den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen. Dazu zählen beispielsweise Stahlseile, Ketten, Bremsen, Antriebe, Haken, Greifer und Hebezeuge. Ein Teil der Fördertechnik ist die Materialflusstechnik, die sich mit den Informationsströmen befasst. Die Fördertechnik kümmert sich somit um den innerbetrieblichen Transport; der außerbetriebliche, der mit Fahrzeugen durchgeführt wird, ist dagegen Sache der Verkehrstechnik.

Fahrzeugtechnik befasst sich mit verschiedenen Fahrzeugen. Im engeren Sinne wird darunter die Kraftfahrzeug­technik verstanden die vor allem PKWs und LKWs beinhaltet. Deren wichtigste Komponenten sind das Fahrwerk, der Antrieb (Motor, Getriebe etc.), die Karosserie und der Innenraum. Im weiteren Sinne zählen zur Fahrzeugtechnik auch die Schienenfahrzeugtechnik und die Luftfahrzeug­technik (insbesondere Flugzeugtechnik), die mit der Luft- und Raumfahrttechnik verwandt ist. Daneben gibt es noch den Schiffsbau.

Werkzeugmaschinen, sind Maschinen die zur Bearbeitung von Werkstücken dienen. Dazu zählen beispielsweise Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, Sägen, Schmiedehämmer, Pressen, Walzmaschinen, Wasserstrahlschneidemaschinen und Stanzen. Der Maschinenbau befasst sich einerseits mit der Konstruktion von Werkzeugmaschinen und andererseits mit ihrer Auswahl und ihrem Einsatz in der industriellen Fertigung. Ihre wichtigsten Eigenschaften sind die Arbeitsgenauigkeit und Produktivität. Die wichtigsten Komponenten sind der Antrieb, die Steuerung, das Gestell und die Führungen.

An Universitäten (auch an Technischen Universitäten), Technischen Hochschulen 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, wie z. B. die Hochschule Zittau/Görlitz und die Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden, werden bis auf weiteres auch 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, Stahlbau, Kranbau, Fahrzeugbau, Flugzeugbau, Schiffstechnik, Fertigungstechnik, Textiltechnik, Papiertechnik, Arbeitswissenschaft u. a.). Teilweise haben sich daraus eigenständige Studiengänge wie Maschinenbauinformatik, Produktion und Logistik, Verfahrenstechnik, Verarbeitungstechnik, Energietechnik, Versorgungstechnik, Leittechnik, Luft- und Raumfahrttechnik, Mechatronik u. a. etabliert.

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.

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, Werkzeugmechaniker oder Mechatroniker. Zudem bieten einige Hochschulen ein duales Studium, also ein Regelstudium in Verbindung mit Praxissemestern oder einer anerkannten Ausbildung, an.