Maschinenbau
| Beruf | |
|---|---|
| Namen | Maschinenbauingenieur |
Tätigkeitsbereiche | Angewandte Mechanik, Dynamik, Thermodynamik, Strömungsmechanik, Wärmeübertragung, Produktionstechnik und andere |
| Beschreibung | |
| Zuständigkeiten | technisches Wissen, Managementfähigkeiten, Design (siehe auch Glossar des Maschinenbaus) |
Erforderliche Ausbildung | Siehe berufliche Anforderungen unten |
Bereiche der Beschäftigung | Technik, Wissenschaft, Exploration, Militär |
Der Maschinenbau ist ein Zweig des Ingenieurwesens, der die Prinzipien der technischen Physik und Mathematik mit der Werkstoffkunde kombiniert, um mechanische Systeme zu entwerfen, zu analysieren, herzustellen und zu warten. Er ist einer der ältesten und am weitesten verbreiteten Zweige der Ingenieurwissenschaften. ⓘ
Der Bereich des Maschinenbaus erfordert das Verständnis von Kernbereichen wie Mechanik, Dynamik, Thermodynamik, Werkstoffkunde, Strukturanalyse und Elektrizität. Zusätzlich zu diesen Grundprinzipien setzen Maschinenbauingenieure Werkzeuge wie computergestütztes Design (CAD), computergestützte Fertigung (CAM) und Produktlebenszyklusmanagement ein, um Fertigungsanlagen, Industrieausrüstungen und Maschinen, Heiz- und Kühlsysteme, Transportsysteme, Flugzeuge, Wasserfahrzeuge, Robotik, medizinische Geräte, Waffen und andere zu entwerfen und zu analysieren. Es ist der Zweig des Ingenieurwesens, der sich mit dem Entwurf, der Herstellung und dem Betrieb von Maschinen befasst. ⓘ
Der Maschinenbau entstand während der industriellen Revolution in Europa im 18. Jahrhundert, seine Entwicklung lässt sich jedoch weltweit mehrere tausend Jahre zurückverfolgen. Im 19. Jahrhundert führten die Entwicklungen in der Physik zur Entstehung der Maschinenbauwissenschaft. Das Fachgebiet hat sich ständig weiterentwickelt, so dass Maschinenbauingenieure heute Entwicklungen in Bereichen wie Verbundwerkstoffe, Mechatronik und Nanotechnologie verfolgen. Außerdem gibt es in unterschiedlichem Maße Überschneidungen mit der Luft- und Raumfahrttechnik, der Metallurgie, dem Bauingenieurwesen, dem Hochbau, der Elektrotechnik, der Fertigungstechnik, der Chemietechnik, dem Wirtschaftsingenieurwesen und anderen Ingenieurdisziplinen. Maschinenbauingenieure können auch auf dem Gebiet der Biomedizintechnik arbeiten, insbesondere in den Bereichen Biomechanik, Transportphänomene, Biomechatronik, Bionanotechnologie und Modellierung biologischer Systeme. ⓘ
Der Maschinenbau (auch als Maschinenwesen bezeichnet) ist eine klassische Ingenieurwissenschaft und erstreckt sich auf Entwicklung, Konstruktion und Produktion von Maschinen und Anlagen. Dazu zählen u. a.:
- Kraftwerke, Kraftmaschinen, (Dampfmaschine, Motor, Turbine),
- Erzeugung, Hüttentechnik, Anlagenbau, Verwertung, Müllverbrennung, Rohstoffgewinnung
- Erntemaschinen, Mähdrescher, Kartoffelernter, Rebenernter, Rübenernter u.a
- Arbeitsmaschinen (Gebläse, Pumpe, Verdichter, Bagger, Schlepper, Straßenfertiger, Walzen)
- Werkzeugmaschinen, (Dreh-, Fräs-, Bohr-, Hobel- und Schleifmaschine),
- Förderanlagen (Kran, Förderband, Aufzug, Lift)
- Fahrzeugtechnik zu Land und Wasser
- Luft- und Raumfahrttechnik
- Sondermaschinen, Apparate, Geräte und des Rationalisierungsmittelbaus.
- Prüfen und überwachen von technischen Anlagen TÜV
Der Wirtschaftszweig Maschinenbau entstand aus dem Handwerk der Metallbearbeitung, Schmiede und Schlosser, u. a. durch Mühlenbauer. ⓘ
Geschichte
Der Maschinenbau als institutionalisierte Wissenschaft entstand im Laufe der Industrialisierung. Manche theoretischen und praktischen Erkenntnisse sind allerdings viel älter: Erste Vorläufer der Fertigungstechnik sind so alt wie die Menschheit. Die ersten Faustkeile waren zum Schaben, Kratzen und Schneiden gebaut, in der Steinzeit kamen speziellere Formen fürs Bohren und Sägen dazu. Die Entdeckung des Kupfers läutete den Übergang zur Bronzezeit ein, in der das Schmelzen von Kupfererz, das Schmieden und auch das Gießen entdeckt wurden. In den frühen Hochkulturen Mesopotamiens wurden erste Ingenieure an Palast- oder Tempelschulen ausgebildet im Lesen, Schreiben und Rechnen. Wichtige Entdeckungen waren das Rad und die Schiefe Ebene. ⓘ
In der Antike wurde die Mechanik als wichtige theoretische Grundlage vieler heutiger Ingenieurwissenschaften begründet. Archimedes, Aristoteles und Heron von Alexandria veröffentlichten Bücher und Schriften über Hebel, Schraube, Schiefe Ebene, Seil, Flaschenzug und weitere Erfindungen. Katapulte verbesserte man durch systematische Experimente, bis man die besten Abmessungen gefunden hatte. Archimedes machte Experimente mit der Wasserverdrängung verschiedener Metalle und Heron baute eine erste Dampfmaschine. Für das griechische Theater wurden auch schon erste Automaten gebaut, die sich selbständig bewegen konnten. Die Römer übernahmen die griechische Technik, machten selber aber vergleichsweise geringe Fortschritte wie Krane mit Flaschenzügen und Treträdern, verbesserte Katapulte und erste Schleif- und Drehmaschinen sowie Wassermühlen. ⓘ
Im Mittelalter breiteten sich die Wind- und Wassermühlen über ganz Europa aus und wurden zur wichtigsten Energiequelle. Die Mühlenbauer sammelten viele Erfahrungen mit den Wind- und Wasserrädern, den Getrieben, Transmissionen sowie den sonstigen mechanischen Übertragungselementen. Auf dem militärischen Gebiet wurden die Katapulte von den Tribocken abgelöst. Gegen Ende des Mittelalters entstand mit der Feinmechanik ein neuer Gewerbezweig der sich mit dem Bau von Uhren und Messgeräten beschäftigte und dabei viele Erfahrungen mit der Präzisionsbearbeitung von Metallteilen sammelte, die meist aus Messing bestanden. Für die Feinbearbeitung von Eisen gab es Schlosser. Mit den Zünften und Gilden entstanden erstmals Institutionen, die sich mit dem Wissen ihres Gewerbes auseinandersetzten. ⓘ
In der Renaissance entwickelte Leonardo da Vinci eine Vielzahl an Maschinen, die teilweise seiner Zeit weit voraus waren. Ab Mitte des 16. Jahrhunderts veröffentlichten viele Ingenieure sogenannte Maschinenbücher, die allerdings oft durch übertriebene und phantastische Darstellungen den Leser in Staunen versetzen sollten. Zum Nachbau waren die meisten der Abbildungen nicht gedacht, oftmals wurden sogar unmögliche Maschinen wie Perpetuum mobile abgebildet. Erst ab 1700 wurden die Darstellungen als bemaßte Parallelprojektion dargestellt. ⓘ
Thomas Newcomen baute in England zu Beginn des 18. Jahrhunderts die erste funktionsfähige Dampfmaschine, die gegen Ende des Jahrhunderts von James Watt entscheidend verbessert wurde und sich dann schnell verbreitete. Genutzt wurde sie oft zum Antrieb der neuen Spinn- und Webmaschinen, mit deren Bau sich neben Tischlern, Schreinern, Feinmechanikern und Schmieden vor allem die Mühlenbauer beschäftigten, die daher als Vorläufer der Maschinenbauer gelten. Zum Bau der Dampf- und Textilmaschinen nutzte man die ebenfalls neuen Werkzeugmaschinen, die auch mit Dampfmaschinen angetrieben wurden. Mit dem Puddelverfahren stand auch eine Methode zur Verfügung, Schmiedeeisen in großen Mengen zu erzeugen, der auch immer öfter für Maschinen benutzt wurde. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts gab es in England bereits einen ausgeprägten industriellen Maschinenbau, der sich auch bald mit Dampflokomotiven beschäftigte, aber noch von im Handwerk ausgebildeten Tüftler-Ingenieuren geprägt war. 1818 wurde mit der Institution of Mechanical Engineers die erste Vereinigung von Maschinenbau-Ingenieuren gegründet, der in anderen Industrieländern viele ähnliche folgten. ⓘ
In Frankreich wurde 1794 die École polytechnique gegründet, die die Ingenieure ausbildete, die in den Staatsdienst gingen und vor allem als Bauingenieure tätig waren. An der Ecole Polytechnique waren viele berühmte Wissenschaftler tätig wie Carnot (Carnot-Prozess) oder Gaspard Monge, ein Pionier der Darstellenden Geometrie. Maschinen wurden auch nicht mehr ausschließlich nach ihrer Funktionsfähigkeit bewertet, sondern auch nach ihrem Wirkungsgrad. Für die private Industrie wurde die Ecole Centrale des Arts et Manufactures gegründet, die Maschinenbauer für die höheren Positionen ausbildete, sowie mehrere École des Arts et Métiers, die für die Meisterebene ausbildeten. ⓘ
Im deutschsprachigen Raum wollte man zu Beginn des 19. Jahrhunderts den industriellen Rückstand gegenüber England möglichst schnell aufholen und gründete daher eine Vielzahl sogenannter Polytechnischer Schulen, nach dem Vorbild der Ecole Polytechnique. Sie wurden im Laufe des Jahrhunderts zu Technischen Hochschulen aufgewertet und erhielten Ende des Jahrhunderts das Promotionsrecht und waren damit den älteren Universitäten gleichgestellt. Für diese Entwicklung hatte sich auch der Mitte des Jahrhunderts gegründete Verein Deutscher Ingenieure starkgemacht, der neben den Maschinenbauingenieuren auch die Bauingenieure und die Elektrotechniker vereinte und bald der mitgliederstärkste Ingenieurverband der Welt wurde. Zu den wichtigsten Begründern des wissenschaftlichen Maschinenbaus in Deutschland zählen Franz Reuleaux, Karl Karmarsch und Ferdinand Redtenbacher, die sich mit Mechanik, Fertigungstechnik, Dampf- und Werkzeugmaschinen beschäftigten. ⓘ
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war ein akademischer Abschluss für junge Ingenieure bereits Standard. Rudolf Diesel hatte als Student Vorlesungen über den theoretisch möglichen Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen gehört, in denen auch berichtet wurde, dass die üblichen Kolbendampfmaschinen nur einen Bruchteil dessen als Wirkungsgrad aufweisen. Aus diesen theoretischen Erkenntnissen entwickelte er den ersten funktionsfähigen Dieselmotor. Zu Beginn des Jahrhunderts war der industrielle Maschinenbau geprägt durch die Produktion von Nähmaschinen und Fahrrädern, später dann Autos und Flugzeuge, die dann auch mit Strahltriebwerken angetrieben wurden. ⓘ
Die Anwendung des Maschinenbaus lässt sich in den Archiven verschiedener antiker und mittelalterlicher Gesellschaften nachweisen. Die sechs klassischen einfachen Maschinen waren bereits im Alten Orient bekannt. Der Keil und die schiefe Ebene (Rampe) waren seit prähistorischen Zeiten bekannt. Das Rad sowie der Rad-Achs-Mechanismus wurden im 5. Jahrtausend v. Chr. in Mesopotamien (dem heutigen Irak) erfunden. Der Hebelmechanismus tauchte erstmals vor etwa 5.000 Jahren im Nahen Osten auf, wo er in einer einfachen Waage und zum Bewegen großer Gegenstände in der altägyptischen Technologie verwendet wurde. Der Hebel wurde auch in der Shadoof-Wasserhebevorrichtung verwendet, der ersten Kranmaschine, die um 3000 v. Chr. in Mesopotamien auftauchte. Die frühesten Belege für Flaschenzüge stammen aus Mesopotamien aus dem frühen 2. Jahrtausend v. Chr. ⓘ
Die Sakia wurde im 4. Jahrhundert v. Chr. im Königreich von Kusch entwickelt. Sie stützte sich auf Tierkraft und reduzierte den Bedarf an menschlicher Energie. In Kusch wurden Stauseen in Form von Hafirs angelegt, um Wasser zu speichern und die Bewässerung zu fördern. Im siebten Jahrhundert v. Chr. wurden in Meroe Blühereien und Hochöfen entwickelt. Die kuschitischen Sonnenuhren wandten die Mathematik in Form von fortgeschrittener Trigonometrie an. ⓘ
Die ersten praktischen, von Wasser angetriebenen Maschinen, das Wasserrad und die Wassermühle, tauchten im Perserreich, im heutigen Irak und Iran, im frühen 4. Im antiken Griechenland beeinflussten die Arbeiten von Archimedes (287-212 v. Chr.) die Mechanik in der westlichen Tradition. Im römischen Ägypten schuf Heron von Alexandria (ca. 10-70 n. Chr.) das erste dampfgetriebene Gerät (Aeolipile). In China verbesserte Zhang Heng (78-139 n. Chr.) eine Wasseruhr und erfand ein Seismometer, und Ma Jun (200-265 n. Chr.) erfand einen Streitwagen mit Differentialgetriebe. Der mittelalterliche chinesische Uhrmacher und Ingenieur Su Song (1020-1101 n. Chr.) baute einen Hemmungsmechanismus in seine astronomische Turmuhr ein, zwei Jahrhunderte bevor Hemmungsvorrichtungen in mittelalterlichen europäischen Uhren gefunden wurden. Er erfand auch den weltweit ersten bekannten endlosen, kraftübertragenden Kettenantrieb. ⓘ
Während des islamischen Goldenen Zeitalters (7. bis 15. Jahrhundert) leisteten muslimische Erfinder bemerkenswerte Beiträge auf dem Gebiet der mechanischen Technologie. Al-Jazari, der einer von ihnen war, schrieb 1206 sein berühmtes Buch der genialen Geräte und präsentierte viele mechanische Konstruktionen. ⓘ
Im 17. Jahrhundert kam es in England und auf dem Kontinent zu wichtigen Durchbrüchen in den Grundlagen des Maschinenbaus. Der niederländische Mathematiker und Physiker Christiaan Huygens erfand 1657 die Pendeluhr, die fast 300 Jahre lang der erste zuverlässige Zeitmesser war, und veröffentlichte ein Werk, das sich mit der Konstruktion von Uhren und der dahinter stehenden Theorie befasste. In England formulierte Isaac Newton die Newtonschen Bewegungsgesetze und entwickelte die Infinitesimalrechnung, die zur mathematischen Grundlage der Physik werden sollte. Newton zögerte jahrelang, seine Arbeiten zu veröffentlichen, wurde aber schließlich von seinen Kollegen, wie Edmond Halley, dazu überredet, dies zu tun. Gottfried Wilhelm Leibniz, der zuvor eine mechanische Rechenmaschine entwickelt hatte, wird ebenfalls für die Entwicklung der Infinitesimalrechnung im gleichen Zeitraum verantwortlich gemacht. ⓘ
Während der industriellen Revolution zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurden in England, Deutschland und Schottland Werkzeugmaschinen entwickelt. Dies ermöglichte die Entwicklung des Maschinenbaus als eigenständiges Gebiet innerhalb der Ingenieurwissenschaften. Sie brachten die Herstellung von Maschinen und die dazugehörigen Motoren mit. Der erste britische Berufsverband für Maschinenbauingenieure wurde 1847 gegründet: Institution of Mechanical Engineers, dreißig Jahre nachdem die Bauingenieure den ersten Berufsverband dieser Art gegründet hatten: Institution of Civil Engineers. Auf dem europäischen Kontinent gründete Johann von Zimmermann (1820-1901) 1848 in Chemnitz, Deutschland, die erste Fabrik für Schleifmaschinen. ⓘ
In den Vereinigten Staaten wurde 1880 die American Society of Mechanical Engineers (ASME) gegründet, die dritte Ingenieurgesellschaft dieser Art nach der American Society of Civil Engineers (1852) und dem American Institute of Mining Engineers (1871). Die ersten Schulen in den Vereinigten Staaten, die eine Ingenieursausbildung anboten, waren 1817 die United States Military Academy, 1819 die heute als Norwich University bekannte Einrichtung und 1825 das Rensselaer Polytechnic Institute. Die Ausbildung im Maschinenbau basiert seit jeher auf einer soliden Grundlage in Mathematik und Naturwissenschaften. ⓘ
Bildung
Abschlüsse im Maschinenbau werden an verschiedenen Universitäten weltweit angeboten. Maschinenbau-Studiengänge dauern je nach Ort und Universität in der Regel vier bis fünf Jahre und schließen mit einem Bachelor of Engineering (B.Eng. oder B.E.), Bachelor of Science (B.Sc. oder B.S.), Bachelor of Science Engineering (B.Sc.Eng.), Bachelor of Technology (B.Tech.), Bachelor of Mechanical Engineering (B.M.E.) oder Bachelor of Applied Science (B.A.Sc.) in oder mit Schwerpunkt Maschinenbau ab. In Spanien, Portugal und den meisten südamerikanischen Ländern, in denen weder B.S.- noch B.Tech.-Studiengänge eingeführt wurden, lautet die formale Bezeichnung für den Abschluss "Mechanical Engineer", und das Studium basiert auf einer fünf- oder sechsjährigen Ausbildung. In Italien basiert das Studium auf einer fünfjährigen Ausbildung, aber um sich als Ingenieur zu qualifizieren, muss man am Ende des Studiums eine staatliche Prüfung ablegen. In Griechenland basiert die Ausbildung auf einem fünfjährigen Curriculum. ⓘ
In den Vereinigten Staaten sind die meisten Maschinenbau-Studiengänge vom Accreditation Board for Engineering and Technology (ABET) akkreditiert, um ähnliche Studienanforderungen und -standards an den Universitäten zu gewährleisten. Auf der ABET-Website sind 302 akkreditierte Maschinenbaustudiengänge aufgeführt (Stand: 11. März 2014). Maschinenbau-Studiengänge in Kanada werden vom Canadian Engineering Accreditation Board (CEAB) akkreditiert, und auch in den meisten anderen Ländern, in denen Ingenieurstudiengänge angeboten werden, gibt es ähnliche Akkreditierungsgesellschaften. ⓘ
In Australien wird der Abschluss in Maschinenbau als Bachelor of Engineering (Mechanical) oder unter einer ähnlichen Bezeichnung verliehen, obwohl es eine wachsende Zahl von Spezialisierungen gibt. Der Abschluss erfordert ein vierjähriges Vollzeitstudium. Um die Qualität der Ingenieurabschlüsse zu gewährleisten, akkreditiert Engineers Australia die von australischen Universitäten verliehenen Abschlüsse im Einklang mit dem weltweiten Washington Accord. Bevor der Abschluss verliehen werden kann, muss der Student ein mindestens dreimonatiges Praktikum in einem Ingenieurbüro absolvieren. Ähnliche Systeme gibt es auch in Südafrika, die vom Engineering Council of South Africa (ECSA) überwacht werden. ⓘ
In Indien muss man, um Ingenieur zu werden, ein Ingenieurdiplom (B.Tech oder B.E.) haben oder einen Kurs in einem technischen Beruf (z. B. Schlosser) am Industrial Training Institute (ITI) absolvieren, um ein "ITI Trade Certificate" zu erhalten, und außerdem den All India Trade Test (AITT) in einem technischen Beruf bestehen, der vom National Council of Vocational Training (NCVT) durchgeführt wird und mit dem man ein "National Trade Certificate" erhält. Ein ähnliches System wird auch in Nepal angewandt. ⓘ
Einige Maschinenbauingenieure absolvieren ein Aufbaustudium mit einem Master of Engineering, Master of Technology, Master of Science, Master of Engineering Management (M.Eng.Mgt. oder M.E.M.), einem Doctor of Philosophy in Engineering (Eng.D. oder Ph.D.) oder einem Ingenieurabschluss. Die Master- und Ingenieurabschlüsse können Forschung beinhalten, müssen aber nicht. Der Doktor der Philosophie beinhaltet eine bedeutende Forschungskomponente und wird oft als Einstieg in die akademische Welt angesehen. Der Ingenieurstitel wird an einigen wenigen Hochschulen als Zwischenstufe zwischen dem Master und dem Doktortitel angeboten. ⓘ
An Universitäten (auch an Technischen Universitäten), Technische Hochschule und Fachhochschulen ist das Maschinenbaustudium einer der drei klassischen Ausbildungswege (neben Elektrotechnik und Bauingenieurwesen) für angehende Ingenieure. ⓘ
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. ⓘ
Lehrveranstaltungen
Die von den Akkreditierungsgesellschaften der einzelnen Länder festgelegten Standards sollen die Einheitlichkeit der grundlegenden Fachinhalte gewährleisten, die Kompetenz der Absolventen fördern und das Vertrauen in den Ingenieurberuf insgesamt erhalten. Ingenieurstudiengänge in den USA müssen beispielsweise laut ABET nachweisen, dass ihre Studenten "sowohl im Bereich der thermischen als auch der mechanischen Systeme professionell arbeiten können". Die spezifischen Kurse, die für einen Abschluss erforderlich sind, können sich jedoch von Programm zu Programm unterscheiden. Universitäten und technische Hochschulen fassen oft mehrere Fächer in einem einzigen Kurs zusammen oder teilen ein Fach in mehrere Kurse auf, je nachdem, welche Lehrkräfte zur Verfügung stehen und welche Forschungsschwerpunkte die Universität hat. ⓘ
Zu den grundlegenden Fächern, die für das Maschinenbaustudium erforderlich sind, gehören in der Regel:
- Mathematik (insbesondere Infinitesimalrechnung, Differentialgleichungen und lineare Algebra)
- Physikalische Grundlagenfächer (einschließlich Physik und Chemie)
- Statik und Dynamik
- Festigkeit von Werkstoffen und Festkörpermechanik
- Werkstofftechnik, Verbundwerkstoffe
- Thermodynamik, Wärmeübertragung, Energieumwandlung und HVAC
- Kraftstoffe, Verbrennung, Verbrennungsmotor
- Strömungsmechanik (einschließlich Fluidstatik und Fluiddynamik)
- Mechanik und Maschinenkonstruktion (einschließlich Kinematik und Dynamik)
- Instrumentierung und Messung
- Fertigungstechnik, Technologie oder Prozesse
- Schwingungen, Regelungstheorie und Regelungstechnik
- Hydraulik und Pneumatik
- Mechatronik und Robotik
- Konstruktionslehre und Produktdesign
- Zeichnen, computergestütztes Design (CAD) und computergestützte Fertigung (CAM) ⓘ
Von Maschinenbauingenieuren wird außerdem erwartet, dass sie grundlegende Konzepte aus Chemie, Physik, Tribologie, Chemieingenieurwesen, Bauingenieurwesen und Elektrotechnik verstehen und anwenden können. Alle Maschinenbaustudiengänge umfassen mehrere Semester Mathematikunterricht, einschließlich Infinitesimalrechnung, sowie fortgeschrittene mathematische Konzepte wie Differentialgleichungen, partielle Differentialgleichungen, lineare Algebra, abstrakte Algebra und Differentialgeometrie. ⓘ
Zusätzlich zum Kerncurriculum des Maschinenbaus bieten viele Maschinenbaustudiengänge spezialisierte Programme und Kurse an, z. B. in den Bereichen Steuerungs- und Regelungssysteme, Robotik, Transport und Logistik, Kryotechnik, Kraftstofftechnik, Fahrzeugtechnik, Biomechanik, Schwingungen, Optik und andere, sofern für diese Fächer keine eigene Abteilung existiert. ⓘ
In den meisten Studiengängen des Maschinenbaus werden außerdem in unterschiedlichem Umfang Forschungs- oder Gemeinschaftsprojekte verlangt, um praktische Erfahrungen bei der Problemlösung zu sammeln. In den Vereinigten Staaten ist es üblich, dass Maschinenbaustudenten während ihres Studiums ein oder mehrere Praktika absolvieren, obwohl dies in der Regel nicht von der Universität vorgeschrieben ist. Eine weitere Möglichkeit ist die kooperative Ausbildung. Die Forschung über künftige Arbeitsfähigkeiten verlangt nach Studienkomponenten, die die Kreativität und Innovation der Studenten fördern. ⓘ
Berufliche Aufgaben
Maschinenbauingenieure erforschen, entwerfen, entwickeln, bauen und testen mechanische und thermische Geräte, einschließlich Werkzeuge, Motoren und Maschinen. ⓘ
Maschinenbauingenieure haben in der Regel folgende Aufgaben:
- Analysieren von Problemen, um herauszufinden, wie mechanische und thermische Vorrichtungen zur Lösung des Problems beitragen können.
- Sie entwerfen mechanische und thermische Vorrichtungen mithilfe von Analysen und computergestütztem Design oder gestalten sie neu.
- Sie entwickeln und testen Prototypen der von ihnen entworfenen Geräte.
- Analysieren Sie die Testergebnisse und ändern Sie den Entwurf nach Bedarf.
- Beaufsichtigung des Herstellungsprozesses für das Gerät.
- Sie leiten ein Team von Fachleuten in spezialisierten Bereichen wie mechanisches Zeichnen und Design, Prototyping, 3D-Druck oder/und CNC-Maschinen. ⓘ
Maschinenbauingenieure entwerfen und beaufsichtigen die Herstellung zahlreicher Produkte, von medizinischen Geräten bis hin zu neuen Batterien. Sie entwerfen auch Energie erzeugende Maschinen wie elektrische Generatoren, Verbrennungsmotoren, Dampf- und Gasturbinen sowie Energie verbrauchende Maschinen wie Kühl- und Klimasysteme. ⓘ
Wie andere Ingenieure auch, verwenden Maschinenbauingenieure Computer, um Entwürfe zu erstellen und zu analysieren, Simulationen durchzuführen und zu testen, wie eine Maschine wahrscheinlich funktionieren wird. ⓘ
Zulassung und Regulierung
Ingenieure können sich um eine Zulassung durch einen Staat, eine Provinz oder eine nationale Regierung bemühen. Damit soll sichergestellt werden, dass die Ingenieure über das erforderliche technische Wissen, die praktische Erfahrung und die Kenntnis des örtlichen Rechtssystems verfügen, um die Ingenieurtätigkeit auf professionellem Niveau auszuüben. Nach der Zertifizierung erhält der Ingenieur den Titel Professional Engineer (Vereinigte Staaten, Kanada, Japan, Südkorea, Bangladesch und Südafrika), Chartered Engineer (im Vereinigten Königreich, Irland, Indien und Simbabwe), Chartered Professional Engineer (in Australien und Neuseeland) oder European Engineer (in weiten Teilen der Europäischen Union). ⓘ
In den USA muss ein Ingenieur die umfassende FE-Prüfung (Fundamentals of Engineering) ablegen, mindestens vier Jahre als Engineering Intern (EI) oder Engineer-in-Training (EIT) arbeiten und die Prüfungen "Principles and Practice" oder PE (Practicing Engineer oder Professional Engineer) ablegen, um eine Lizenz als Berufsingenieur (PE) zu erhalten. Die Anforderungen und Schritte dieses Prozesses werden vom National Council of Examiners for Engineering and Surveying (NCEES) festgelegt, der sich aus den Zulassungsbehörden für Ingenieure und Landvermesser zusammensetzt, die alle US-Bundesstaaten und Territorien vertreten. ⓘ
Im Vereinigten Königreich benötigen Absolventen einen BEng-Abschluss und einen entsprechenden Master-Abschluss oder einen integrierten MEng-Abschluss, eine mindestens vierjährige berufliche Weiterbildung und einen von Fachleuten geprüften Projektbericht, um von der Institution of Mechanical Engineers als Chartered Mechanical Engineer (CEng, MIMechE) zugelassen zu werden. Der CEng MIMechE kann auch über eine Prüfung erworben werden, die vom City and Guilds of London Institute durchgeführt wird. ⓘ
In den meisten Industrieländern müssen bestimmte ingenieurtechnische Aufgaben, wie z. B. der Entwurf von Brücken, Elektrizitätswerken und chemischen Anlagen, von einem Berufsingenieur oder einem zugelassenen Ingenieur genehmigt werden. "Nur ein lizenzierter Ingenieur darf zum Beispiel technische Pläne und Zeichnungen erstellen, unterzeichnen, siegeln und einer Behörde zur Genehmigung vorlegen oder technische Arbeiten für öffentliche und private Auftraggeber versiegeln. Diese Anforderung kann in den Gesetzen der Bundesstaaten und Provinzen verankert sein, wie z. B. in den kanadischen Provinzen, z. B. im Engineer Act von Ontario oder Quebec. ⓘ
In anderen Ländern, wie Australien und dem Vereinigten Königreich, gibt es keine derartigen Rechtsvorschriften; praktisch alle Zertifizierungsstellen verfügen jedoch über einen von der Gesetzgebung unabhängigen Ehrenkodex, an den sich alle Mitglieder halten müssen, wenn sie nicht ausgeschlossen werden wollen. ⓘ
Gehälter und Arbeitskräftezahlen
Die Gesamtzahl der in den USA beschäftigten Ingenieure belief sich im Jahr 2015 auf etwa 1,6 Millionen. Davon waren 278.340 Maschinenbauingenieure (17,28 %), die größte Disziplin nach Größe. Im Jahr 2012 lag das mittlere Jahreseinkommen von Maschinenbauingenieuren in den USA bei 80.580 Dollar. Das Medianeinkommen war am höchsten, wenn sie für die Regierung arbeiteten (92.030 Dollar), und am niedrigsten im Bildungswesen (57.090 Dollar). Im Jahr 2014 wurde prognostiziert, dass die Gesamtzahl der Arbeitsplätze im Maschinenbau in den nächsten zehn Jahren um 5 % steigen wird. Im Jahr 2009 lag das durchschnittliche Einstiegsgehalt mit einem Bachelor-Abschluss bei 58.800 Dollar. ⓘ
Teildisziplinen
Das Gebiet des Maschinenbaus kann als eine Sammlung vieler maschinenbauwissenschaftlicher Disziplinen betrachtet werden. Einige dieser Teildisziplinen, die in der Regel im Grundstudium gelehrt werden, sind im Folgenden mit einer kurzen Erläuterung und den häufigsten Anwendungen aufgeführt. Einige dieser Teildisziplinen sind einzigartig im Maschinenbau, während andere eine Kombination aus Maschinenbau und einer oder mehreren anderen Disziplinen sind. Bei den meisten Arbeiten, die ein Maschinenbauingenieur ausführt, kommen Fähigkeiten und Techniken aus mehreren dieser Teildisziplinen sowie aus spezialisierten Teildisziplinen zum Einsatz. Spezialisierte Teildisziplinen, wie sie in diesem Artikel verwendet werden, sind eher Gegenstand eines Graduiertenstudiums oder einer berufsbegleitenden Ausbildung als von Forschungsarbeiten im Rahmen eines Studiums. In diesem Abschnitt werden mehrere spezialisierte Teildisziplinen behandelt. ⓘ
Mechanik
Mechanik ist im allgemeinsten Sinne die Lehre von den Kräften und ihrer Wirkung auf die Materie. In der Regel wird die technische Mechanik verwendet, um die Beschleunigung und Verformung (sowohl elastisch als auch plastisch) von Objekten unter bekannten Kräften (auch Lasten genannt) oder Spannungen zu analysieren und vorherzusagen. Zu den Teildisziplinen der Mechanik gehören
- Statik, die Untersuchung von unbewegten Körpern unter bekannten Belastungen, wie Kräfte auf statische Körper wirken
- Dynamik, die Untersuchung der Wirkung von Kräften auf bewegte Körper. Die Dynamik umfasst die Kinematik (über Bewegung, Geschwindigkeit und Beschleunigung) und die Kinetik (über Kräfte und die daraus resultierenden Beschleunigungen).
- Mechanik der Werkstoffe, die Untersuchung der Verformung verschiedener Werkstoffe unter verschiedenen Arten von Belastung
- Strömungsmechanik, die Lehre von der Reaktion von Flüssigkeiten auf Kräfte
- Kinematik, die Lehre von der Bewegung von Körpern (Objekten) und Systemen (Gruppen von Objekten), wobei die Kräfte, die die Bewegung verursachen, außer Acht gelassen werden. Die Kinematik wird häufig bei der Konstruktion und Analyse von Mechanismen verwendet.
- Kontinuumsmechanik, eine Methode zur Anwendung der Mechanik, bei der davon ausgegangen wird, dass Objekte kontinuierlich (und nicht diskret) sind. ⓘ
Maschinenbauingenieure verwenden die Mechanik in der Regel in den Entwurfs- oder Analysephasen der Technik. Handelt es sich bei dem Projekt um die Konstruktion eines Fahrzeugs, könnte die Statik bei der Konstruktion des Fahrzeugrahmens eingesetzt werden, um zu ermitteln, wo die stärksten Belastungen auftreten. Die Dynamik könnte bei der Konstruktion des Fahrzeugmotors verwendet werden, um die Kräfte in den Kolben und Nocken zu bewerten, wenn der Motor läuft. Die Werkstoffmechanik könnte zur Auswahl geeigneter Materialien für den Rahmen und den Motor verwendet werden. Die Strömungsmechanik könnte für die Konstruktion eines Belüftungssystems für das Fahrzeug (siehe HVAC) oder für die Konstruktion des Ansaugsystems für den Motor verwendet werden. ⓘ
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. ⓘ
Mechatronik und Robotik
Mechatronik ist eine Kombination aus Mechanik und Elektronik. Sie ist ein interdisziplinärer Zweig des Maschinenbaus, der Elektrotechnik und der Softwaretechnik, der sich mit der Integration von Elektrotechnik und Mechanik zu hybriden Automatisierungssystemen beschäftigt. Auf diese Weise können Maschinen durch den Einsatz von Elektromotoren, Servomechanismen und anderen elektrischen Systemen in Verbindung mit spezieller Software automatisiert werden. Ein gängiges Beispiel für ein mechatronisches System ist ein CD-ROM-Laufwerk. Mechanische Systeme öffnen und schließen das Laufwerk, drehen die CD und bewegen den Laser, während ein optisches System die Daten auf der CD liest und sie in Bits umwandelt. Eine integrierte Software steuert den Prozess und übermittelt den Inhalt der CD an den Computer. ⓘ
Robotik ist die Anwendung der Mechatronik zur Entwicklung von Robotern, die häufig in der Industrie eingesetzt werden, um gefährliche, unangenehme oder sich wiederholende Aufgaben zu erledigen. Diese Roboter können eine beliebige Form und Größe haben, sind jedoch alle vorprogrammiert und interagieren physisch mit der Welt. Bei der Entwicklung eines Roboters verwendet ein Ingenieur in der Regel Kinematik (um den Bewegungsbereich des Roboters zu bestimmen) und Mechanik (um die Beanspruchung des Roboters zu ermitteln). ⓘ
Roboter werden in der industriellen Automatisierungstechnik in großem Umfang eingesetzt. Sie ermöglichen es Unternehmen, Geld für Arbeitskräfte zu sparen, Aufgaben zu erledigen, die entweder zu gefährlich oder zu präzise sind, als dass Menschen sie wirtschaftlich ausführen könnten, und eine bessere Qualität zu gewährleisten. Viele Unternehmen setzen Fließbänder mit Robotern ein, vor allem in der Automobilindustrie, und einige Fabriken sind so weit robotisiert, dass sie von selbst laufen können. Außerhalb der Fabrik werden Roboter bei der Bombenentschärfung, in der Weltraumforschung und in vielen anderen Bereichen eingesetzt. Roboter werden auch für verschiedene Anwendungen im Wohnbereich verkauft, von der Freizeitgestaltung bis hin zu häuslichen Anwendungen. ⓘ
Strukturelle Analyse
Die Strukturanalyse ist der Zweig des Maschinenbaus (und auch des Bauingenieurwesens), der sich damit beschäftigt, zu untersuchen, warum und wie Objekte versagen, und diese Objekte und ihre Leistung zu reparieren. Bei Strukturversagen gibt es zwei allgemeine Arten: statisches Versagen und Ermüdungsversagen. Statisches Strukturversagen tritt auf, wenn das untersuchte Objekt bei Belastung (Einwirkung einer Kraft) je nach Versagenskriterium entweder bricht oder plastisch verformt wird. Ermüdungsversagen tritt auf, wenn ein Objekt nach einer Reihe von wiederholten Be- und Entlastungszyklen versagt. Ermüdungsversagen tritt aufgrund von Unvollkommenheiten des Objekts auf: Ein mikroskopisch kleiner Riss auf der Oberfläche des Objekts wird beispielsweise mit jedem Zyklus leicht wachsen (Ausbreitung), bis der Riss groß genug ist, um ein endgültiges Versagen zu verursachen. ⓘ
Ein Versagen wird jedoch nicht einfach dadurch definiert, dass ein Teil bricht, sondern dadurch, dass ein Teil nicht wie vorgesehen funktioniert. Einige Systeme, wie z. B. die perforierten Oberteile einiger Plastikbeutel, sind so konzipiert, dass sie brechen. Wenn diese Systeme nicht brechen, kann eine Fehleranalyse zur Ermittlung der Ursache eingesetzt werden. ⓘ
Die Strukturanalyse wird von Maschinenbauingenieuren häufig eingesetzt, nachdem ein Versagen aufgetreten ist oder wenn es darum geht, ein Versagen zu verhindern. Ingenieure nutzen häufig Online-Dokumente und Bücher wie die von ASM veröffentlichten, um die Art des Versagens und mögliche Ursachen zu ermitteln. ⓘ
Sobald die Theorie auf eine mechanische Konstruktion angewandt wurde, werden häufig physikalische Tests durchgeführt, um die berechneten Ergebnisse zu überprüfen. Die Strukturanalyse kann im Büro bei der Konstruktion von Teilen, vor Ort bei der Analyse ausgefallener Teile oder in Labors, wo Teile kontrollierten Versagensprüfungen unterzogen werden, eingesetzt werden. ⓘ
Technische Thermodynamik
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 Thermodynamik ist eine angewandte Wissenschaft, die in verschiedenen Bereichen des Ingenieurwesens, einschließlich des Maschinenbaus und der chemischen Verfahrenstechnik, Anwendung findet. In ihrer einfachsten Form ist die Thermodynamik die Lehre von der Energie, ihrer Nutzung und ihrer Umwandlung in einem System. In der Regel befasst sich die technische Thermodynamik mit der Umwandlung von Energie von einer Form in eine andere. So wandeln beispielsweise Automotoren die chemische Energie (Enthalpie) des Kraftstoffs in Wärme und dann in mechanische Arbeit um, die schließlich die Räder dreht. ⓘ
Die Grundsätze der Thermodynamik werden von Maschinenbauingenieuren in den Bereichen Wärmeübertragung, Thermofluide und Energieumwandlung angewendet. Maschinenbauingenieure nutzen die Thermowissenschaft bei der Konstruktion von Motoren und Kraftwerken, Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC), Wärmetauschern, Wärmesenken, Heizkörpern, Kühlanlagen, Isolierungen und anderen. ⓘ
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. ⓘ
Konstruktion und Entwurf
Der Entwurf oder die technische Zeichnung ist das Mittel, mit dem Maschinenbauingenieure Produkte entwerfen und Anweisungen für die Herstellung von Teilen erstellen. Bei einer technischen Zeichnung kann es sich um ein Computermodell oder ein handgezeichnetes Schema handeln, das alle für die Herstellung eines Teils erforderlichen Abmessungen sowie Montagehinweise, eine Liste der benötigten Materialien und andere sachdienliche Informationen enthält. Ein US-amerikanischer Maschinenbauingenieur oder ein Facharbeiter, der technische Zeichnungen anfertigt, kann als Zeichner oder Zeichnerin bezeichnet werden. In der Vergangenheit war das Zeichnen ein zweidimensionaler Prozess, aber computergestützte Konstruktionsprogramme (CAD) ermöglichen es dem Konstrukteur jetzt, dreidimensional zu zeichnen. ⓘ
Die Anweisungen für die Herstellung eines Teils müssen an die erforderlichen Maschinen weitergeleitet werden, entweder manuell, durch programmierte Anweisungen oder durch den Einsatz eines computergestützten Fertigungsprogramms (CAM) oder eines kombinierten CAD/CAM-Programms. Optional kann ein Ingenieur ein Teil auch manuell anhand der technischen Zeichnungen herstellen. Mit dem Aufkommen der computergesteuerten Fertigung (CNC) können Teile nun jedoch auch ohne ständige Eingriffe eines Technikers hergestellt werden. Manuell gefertigte Teile bestehen in der Regel aus Sprühbeschichtungen, Oberflächenveredelungen und anderen Prozessen, die nicht wirtschaftlich oder praktisch von einer Maschine ausgeführt werden können. ⓘ
Das Zeichnen wird in fast allen Unterdisziplinen des Maschinenbaus und in vielen anderen Bereichen des Ingenieurwesens und der Architektur eingesetzt. Dreidimensionale Modelle, die mit CAD-Software erstellt wurden, werden auch häufig für die Finite-Elemente-Analyse (FEA) und die numerische Strömungsmechanik (CFD) verwendet. ⓘ
Moderne Werkzeuge
Viele Maschinenbauunternehmen, vor allem in den Industrieländern, haben damit begonnen, computergestützte Konstruktionsprogramme (CAE) in ihre bestehenden Konstruktions- und Analyseverfahren zu integrieren, einschließlich der computergestützten Konstruktion von 2D- und 3D-Volumenmodellen (CAD). Diese Methode hat viele Vorteile, wie z. B. die einfachere und umfassendere Visualisierung von Produkten, die Möglichkeit, virtuelle Baugruppen von Teilen zu erstellen, und die Benutzerfreundlichkeit bei der Gestaltung von Schnittstellen und Toleranzen. ⓘ
Andere CAE-Programme, die von Maschinenbauingenieuren häufig verwendet werden, sind Tools für das Produktlebenszyklusmanagement (PLM) und Analysetools zur Durchführung komplexer Simulationen. Analysewerkzeuge können zur Vorhersage der Produktreaktion auf erwartete Belastungen, einschließlich Ermüdungslebensdauer und Herstellbarkeit, verwendet werden. Zu diesen Tools gehören die Finite-Elemente-Analyse (FEA), die numerische Strömungsmechanik (CFD) und die computergestützte Fertigung (CAM). ⓘ
Mithilfe von CAE-Programmen kann ein mechanisches Konstruktionsteam den Konstruktionsprozess schnell und kostengünstig iterieren, um ein Produkt zu entwickeln, das Kosten, Leistung und andere Einschränkungen besser erfüllt. Es muss kein physischer Prototyp erstellt werden, bis der Entwurf fast fertig ist, so dass Hunderte oder Tausende von Entwürfen bewertet werden können, anstatt nur einige wenige. Darüber hinaus können CAE-Analyseprogramme komplizierte physikalische Phänomene modellieren, die nicht von Hand gelöst werden können, wie z. B. Viskoelastizität, komplexe Kontakte zwischen zusammenpassenden Teilen oder nicht-newtonsche Strömungen. ⓘ
In dem Maße, in dem der Maschinenbau mit anderen Disziplinen verschmilzt, wie es in der Mechatronik der Fall ist, wird die multidisziplinäre Entwurfsoptimierung (MDO) mit anderen CAE-Programmen eingesetzt, um den iterativen Entwurfsprozess zu automatisieren und zu verbessern. MDO-Tools ergänzen die bestehenden CAE-Prozesse, so dass die Produktevaluierung auch dann fortgesetzt werden kann, wenn der Analytiker Feierabend hat. Sie nutzen auch hochentwickelte Optimierungsalgorithmen, um mögliche Entwürfe intelligenter zu untersuchen und oft bessere, innovative Lösungen für schwierige multidisziplinäre Entwurfsprobleme zu finden. ⓘ
Bereiche der Forschung
Maschinenbauingenieure gehen ständig an die Grenzen des physikalisch Möglichen, um sicherere, billigere und effizientere Maschinen und mechanische Systeme herzustellen. Im Folgenden sind einige Spitzentechnologien des Maschinenbaus aufgeführt (siehe auch Forschungstechnik). ⓘ
Elektro-mechanische Mikrosysteme (MEMS)
Mechanische Komponenten im Mikromaßstab wie Federn, Zahnräder, Fluidik- und Wärmeübertragungsvorrichtungen werden aus einer Vielzahl von Substratmaterialien wie Silizium, Glas und Polymeren wie SU8 hergestellt. Beispiele für MEMS-Bauteile sind Beschleunigungsmesser, die als Airbag-Sensoren in Autos verwendet werden, moderne Mobiltelefone, Gyroskope zur präzisen Positionsbestimmung und mikrofluidische Geräte, die in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt werden. ⓘ
Rührreibschweißen (FSW)
Das Rührreibschweißen, eine neue Art des Schweißens, wurde 1991 von The Welding Institute (TWI) entdeckt. Das innovative stationäre (nicht schmelzende) Schweißverfahren verbindet Materialien, die zuvor nicht schweißbar waren, darunter mehrere Aluminiumlegierungen. Es spielt eine wichtige Rolle bei der künftigen Konstruktion von Flugzeugen und könnte Nieten ersetzen. Zu den bisherigen Anwendungen dieser Technologie gehören das Schweißen der Nähte des externen Aluminiumtanks des Space Shuttle, des Orion-Besatzungsfahrzeugs, der Delta II- und Delta IV-Trägerraketen von Boeing und der Falcon 1-Rakete von SpaceX, die Panzerung von Amphibienschiffen und das Schweißen der Flügel und Rumpfteile des neuen Eclipse 500-Flugzeugs von Eclipse Aviation, um nur einige zu nennen. ⓘ
Verbundwerkstoffe
Verbundwerkstoffe oder Verbundmaterialien sind eine Kombination von Materialien, die andere physikalische Eigenschaften aufweisen als jedes einzelne Material für sich. Die Forschung im Bereich der Verbundwerkstoffe im Maschinenbau konzentriert sich in der Regel auf die Entwicklung von festeren oder steiferen Materialien (und damit auf die Suche nach Anwendungsmöglichkeiten), während gleichzeitig versucht wird, das Gewicht, die Korrosionsanfälligkeit und andere unerwünschte Faktoren zu verringern. Kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe werden beispielsweise in so unterschiedlichen Anwendungen wie Raumfahrzeugen und Angelruten eingesetzt. ⓘ
Mechatronik
Mechatronik ist die synergetische Kombination von Maschinenbau, Elektronik und Softwaretechnik. Das Fachgebiet der Mechatronik entstand aus der Verbindung von mechanischen Prinzipien mit der Elektrotechnik. Mechatronische Konzepte werden in der Mehrzahl der elektromechanischen Systeme eingesetzt. Typische elektromechanische Sensoren, die in der Mechatronik verwendet werden, sind Dehnungsmessstreifen, Thermoelemente und Druckmessumformer. ⓘ
Nanotechnologie
In den kleinsten Maßstäben wird der Maschinenbau zur Nanotechnologie - ein spekulatives Ziel ist die Entwicklung eines molekularen Assemblierers, mit dem sich Moleküle und Materialien durch Mechanosynthese aufbauen lassen. Zurzeit bleibt dieses Ziel im Bereich der Forschungstechnik. Zu den aktuellen Forschungsbereichen des Maschinenbaus in der Nanotechnologie gehören unter anderem Nanofilter, Nanofilme und Nanostrukturen. ⓘ
Finite-Elemente-Analyse
Die Finite-Elemente-Analyse ist ein Berechnungsinstrument zur Abschätzung von Spannung, Dehnung und Verformung von Festkörpern. Sie verwendet ein Netz mit benutzerdefinierten Größen, um physikalische Größen an einem Knoten zu messen. Je mehr Knotenpunkte vorhanden sind, desto höher ist die Genauigkeit. Dieser Bereich ist nicht neu, denn die Grundlage der Finite-Elemente-Analyse (FEA) oder Finite-Elemente-Methode (FEM) geht auf das Jahr 1941 zurück. Aber die Entwicklung der Computer hat FEA/FEM zu einer praktikablen Option für die Analyse von Strukturproblemen gemacht. Viele kommerzielle Programme wie NASTRAN, ANSYS und ABAQUS sind in der Industrie für die Forschung und den Entwurf von Bauteilen weit verbreitet. Einige 3D-Modellierungs- und CAD-Softwarepakete haben FEA-Module hinzugefügt. In letzter Zeit werden immer häufiger Cloud-Simulationsplattformen wie SimScale eingesetzt. ⓘ
Andere Techniken wie die Finite-Differenzen-Methode (FDM) und die Finite-Volumen-Methode (FVM) werden eingesetzt, um Probleme im Zusammenhang mit Wärme- und Stoffübertragung, Flüssigkeitsströmungen, Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten und Oberflächen usw. zu lösen. ⓘ
Biomechanik
Biomechanik ist die Anwendung mechanischer Prinzipien auf biologische Systeme, wie Menschen, Tiere, Pflanzen, Organe und Zellen. Die Biomechanik hilft auch bei der Herstellung von Prothesen und künstlichen Organen für Menschen. Die Biomechanik ist eng mit dem Ingenieurwesen verwandt, da sie häufig die traditionellen Ingenieurwissenschaften zur Analyse biologischer Systeme nutzt. Einige einfache Anwendungen der Newtonschen Mechanik und/oder der Materialwissenschaften können korrekte Annäherungen an die Mechanik vieler biologischer Systeme liefern. ⓘ
In den letzten zehn Jahren hat das Reverse Engineering von in der Natur vorkommenden Materialien, wie z. B. Knochensubstanz, in der Wissenschaft an Bedeutung gewonnen. Die Struktur der Knochensubstanz ist so optimiert, dass sie eine hohe Druckbelastung pro Gewichtseinheit aushält. Ziel ist es, Rohstahl durch Biowerkstoffe in der Konstruktion zu ersetzen. ⓘ
In den letzten zehn Jahren hat die Finite-Elemente-Methode (FEM) auch in der Biomedizin Einzug gehalten und weitere ingenieurwissenschaftliche Aspekte der Biomechanik beleuchtet. Die FEM hat sich seither als Alternative zur chirurgischen In-vivo-Bewertung etabliert und eine breite Akzeptanz in der Wissenschaft gefunden. Der Hauptvorteil der computergestützten Biomechanik liegt in ihrer Fähigkeit, die endo-anatomische Reaktion einer Anatomie zu bestimmen, ohne dabei ethischen Einschränkungen zu unterliegen. Dies hat dazu geführt, dass die FE-Modellierung in mehreren Bereichen der Biomechanik allgegenwärtig ist, wobei einige Projekte sogar eine Open-Source-Philosophie verfolgen (z. B. BioSpine). ⓘ
Computergestützte Strömungsmechanik
Die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) ist ein Teilgebiet der Strömungsmechanik, das numerische Methoden und Algorithmen zur Lösung und Analyse von Strömungsproblemen einsetzt. Mit Hilfe von Computern werden die Berechnungen durchgeführt, die erforderlich sind, um die Wechselwirkung von Flüssigkeiten und Gasen mit Oberflächen zu simulieren, die durch Randbedingungen definiert sind. Mit Hochgeschwindigkeits-Supercomputern können bessere Lösungen erzielt werden. Die laufende Forschung bringt Software hervor, die die Genauigkeit und Geschwindigkeit komplexer Simulationsszenarien wie turbulenter Strömungen verbessert. Die anfängliche Validierung solcher Software erfolgt in einem Windkanal, die endgültige Validierung erfolgt in Tests im großen Maßstab, z. B. in Flugversuchen. ⓘ
Akustische Technik
Die Akustik ist eine von vielen anderen Teildisziplinen des Maschinenbaus und befasst sich mit der Anwendung der Akustik. Die Akustiktechnik ist die Lehre von Schall und Schwingungen. Diese Ingenieure arbeiten effektiv daran, die Lärmbelästigung bei mechanischen Geräten und in Gebäuden zu verringern, indem sie Schallschutzmaßnahmen ergreifen oder unerwünschte Lärmquellen beseitigen. Das Studium der Akustik kann von der Entwicklung eines effizienteren Hörgeräts, Mikrofons, Kopfhörers oder Aufnahmestudios bis zur Verbesserung der Klangqualität eines Orchestersaals reichen. Die Akustiktechnik befasst sich auch mit den Schwingungen verschiedener mechanischer Systeme. ⓘ
Verwandte Bereiche
Fertigungstechnik, Luft- und Raumfahrttechnik und Kraftfahrzeugtechnik werden manchmal mit dem Maschinenbau in Verbindung gebracht. Ein Bachelor-Abschluss in diesen Bereichen unterscheidet sich in der Regel durch ein paar spezialisierte Kurse. ⓘ
Zusammenhänge
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. ⓘ
Disziplinen
Strömungsmechanik bzw. Fluidmechanik
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. ⓘ
Werkstofftechnik
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. ⓘ
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. ⓘ
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). ⓘ
Maschinenelemente
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. ⓘ
Mess- und Regelungstechnik
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. ⓘ
Fertigungstechnik
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. ⓘ
Antriebstechnik
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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. ⓘ
Fördertechnik
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 ist dagegen Sache der Verkehrstechnik der mit Fahrzeugen durchgeführt wird. ⓘ
Fahrzeugtechnik
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
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. ⓘ
Ausbildung und Studium
Fachschule (Technikerschule)
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
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. ⓘ