Maschine

Grundbegriff und Bedeutung

Eine Maschine ist ein technisches Gebilde mit beweglichen Teilen, die durch ein Antriebssystem bewegt werden. Sie dient als technisches Arbeitsmittel vor allem dazu, mechanisch auf etwas einzuwirken. Maschinen können menschliche Kraft verstärken, Arbeit beschleunigen, genauere oder feinere Bearbeitungen ermöglichen und große Mengen gleicher Produkte herstellen. Moderne Maschinen übernehmen außerdem körperliche und geistige Routinearbeiten sowie gefährliche Tätigkeiten.

Neben dem Energie- und Stofffluss spielt heute der Informationsfluss eine wichtige Rolle: Durch Steuerung und Automatisierung werden Bewegungen und Arbeitsabläufe geplant und kontrolliert. Jede Maschine besitzt individuell angefertigte Teile, mindestens etwa Gestell und Gehäuse, sowie häufig standardisierte Maschinenelemente. Zu den festen Maschinenelementen gehören Schrauben und Dichtungen, zu den beweglichen beispielsweise Zahnräder und Hebel. Eine vollständige Maschine ist im Wesentlichen unabhängig von ihrer Umgebung funktionsfähig; ihre einzelnen Bestandteile sind dagegen meist nicht sinnvoll für sich allein verwendbar.

Mechanische Grundlagen und Funktionsweise

Einfache Maschinen gelten als Grundelemente mechanischer Systeme. Dazu zählen Seil und Stab, Rolle, Hebel sowie die schiefe Ebene. In der Antike wurde auch die Schraube dazu gerechnet; sie lässt sich jedoch als Verbindung von Stab und schiefer Ebene darstellen.

Ein Mechanismus ist ein Komplex aus Bauteilen, bei dem die Bewegung eines Elements zwangsläufig Bewegungen anderer Elemente hervorruft. Maschinen können von einfachen Vorrichtungen mit wenigen verbundenen, beweglichen Teilen bis zu kilometerlangen Anlagen reichen.

Technisch verwendete Maschinen besitzen meist einen Antrieb, zum Beispiel einen Motor, der mehr oder weniger kontinuierlich Energie liefert. Kraftmaschinen wandeln verschiedene Energieformen meistens in rotierende Bewegungsenergie um und stellen mechanische Energie bereit. Arbeitsmaschinen nehmen mechanische Energie auf und verwenden sie zur Ausführung einer Arbeit.

Eine kontinuierlich angetriebene Maschine kann einen Arbeitsvorgang in eine Folge wiederholbarer Schritte zerlegen. Dadurch überschneidet sich der Maschinenbegriff mit dem Begriff des Automaten. Ein Automat ist eine Maschine, die vorgegebene Prozesse selbstständig abarbeitet. Er ersetzt unberechenbare Handlungen von Menschen oder Tieren durch planbare Tätigkeiten nach einem Algorithmus, also einer festgelegten Folge von Handlungsschritten.

Technische Abgrenzungen und Maschinenarten

Im 19. Jahrhundert beschrieb Franz Reuleaux Maschinen als Verbindungen widerstandsfähiger Körper, die so eingerichtet sind, dass mechanische Naturkräfte unter bestimmten Bewegungen wirken müssen. Die Verbindung der Körper verhindert dabei nicht jede Bewegung, sondern nur unnötige und störende Bewegungen. Dadurch bleiben allein die für den Zweck der Maschine vorgesehenen Bewegungen möglich.

Im 20. Jahrhundert entstanden genauere Abgrenzungen verwandter Begriffe:

• Eine Maschine setzt vor allem Energie oder Kraft um. Eine einfache Maschine besteht nur aus einem oder wenigen Elementen und kann oft auch als Werkzeug gelten.

• Ein Gerät setzt vor allem Signale um oder verarbeitet Informationen.

• Ein Apparat setzt vor allem Stoff beziehungsweise Materie um.

• Ein Automat arbeitet vorgegebene Prozesse selbstständig ab.

• Werkzeuge funktionieren nicht eigenständig, sondern werden von Hand geführt oder sind Bestandteile einer Maschine.

• Instrumente dienen nicht der Umsetzung von Arbeit, sondern der Anzeige.

• Anlagen sind komplexe Systeme aus Maschinen, Apparaten, Geräten, Werkzeugen oder Instrumenten.

Nach ihrem Zweck werden weitere Maschinenarten unterschieden. Eine Werkzeugmaschine bearbeitet Material, etwa durch Bohren, Drehen oder Fräsen, wobei die Bewegungen von Werkzeug und Werkstück genau festgelegt sind. Eine Sondermaschine wird für einen bestimmten Zweck konstruiert und gebaut. Ein Motor wandelt zugeführte Energie in Bewegung um. Auch Prothesen zur Wiederherstellung körperlicher Fähigkeiten können als Maschinen bezeichnet werden. In Gebäude eingebaute Maschinen gehören zur Technischen Gebäudeausrüstung; Beispiele sind Lüftungsanlagen, Aufzüge, Kältemaschinen, Klimaanlagen und Rückkühlwerke.

Durch Elektronisierung und Automatisierung wurde der Maschinenbegriff im 20. Jahrhundert auch auf Computerprogramme ausgedehnt, die Maschinen simulieren. In der Ingenieurtechnik wird dennoch meist zwischen mechanischen Maschinen und elektronischen Automaten unterschieden.

Rechtliche Definition in Europa

Die Richtlinie 2006/42/EG, die Maschinenrichtlinie, regelt ein einheitliches Schutzniveau zur Unfallverhütung beim Inverkehrbringen von Maschinen im Europäischen Wirtschaftsraum (EWR), in der Schweiz und in der Türkei. Nach Artikel 2 Buchstabe a beziehungsweise der deutschen Umsetzung in 9. ProdSV § 2 Absatz 2 gilt insbesondere als Maschine:

• eine Gesamtheit miteinander verbundener Teile oder Vorrichtungen, von denen mindestens eines beweglich ist, die für eine bestimmte Anwendung zusammengefügt ist und einen anderen Antrieb als die unmittelbar eingesetzte menschliche oder tierische Kraft besitzt oder dafür vorgesehen ist;

• eine solche Gesamtheit, der nur die Verbindungsteile zum Einsatzort oder zu ihren Energie- und Antriebsquellen fehlen;

• eine einbaufertige Gesamtheit, die erst nach der Anbringung auf einem Beförderungsmittel oder nach der Installation in einem Gebäude oder Bauwerk funktionsfähig ist;

• mehrere Maschinen oder unvollständige Maschinen, die so angeordnet und betätigt werden, dass sie zusammen als eine Gesamtheit funktionieren;

• eine Gesamtheit verbundener Teile oder Vorrichtungen für Hebevorgänge, bei der mindestens ein Teil beweglich ist und die ausschließlich durch unmittelbar eingesetzte menschliche Kraft angetrieben wird.

Grundsätzlich fallen Maschinen, deren einzige Kraftquelle die unmittelbar angewandte menschliche Arbeitskraft ist, nicht unter die Richtlinie. Eine Ausnahme bilden Maschinen zum Heben von Lasten. Deshalb können Gegenstände, die im Alltag als Maschinen bezeichnet werden, rechtlich ausgeschlossen sein. Die Richtlinie enthält weitere Ausnahmen und Ergänzungen.

Eine unvollständige Maschine kann für sich allein noch keine bestimmte Anwendung erfüllen. Sie ist dafür vorgesehen, in eine andere Maschine oder unvollständige Maschine eingebaut oder mit ihr zusammengefügt zu werden, sodass daraus eine Maschine im Sinne der Richtlinie entsteht.

Eine Spannvorrichtung für Werkstücke, die Energie und Signale von einer übergeordneten Maschine bezieht, ist keine eigenständige Maschine, weil sie ohne diese nicht funktioniert; für sie ist eine Einbauerklärung vorgesehen. Eine Heugabel ist ebenfalls keine Maschine im Sinne der Richtlinie: Sie wird nicht an eine Maschine angebaut, besitzt keine beweglichen Teile, arbeitet nur mit Muskelkraft und verwendet keine gespeicherte Energie. Daher benötigt sie keine entsprechende Kennzeichnung.

Wichtige Entwicklungsschritte

Der planmäßige Einsatz von Hebel und Rad war grundlegend für die Entwicklung von Maschinen. Um 700 v. Chr. entstanden babylonische Schöpfwerke in Assyrien. Um 550 v. Chr. gab es mit der Drehbank erste Werkzeugmaschinen. Um 340 v. Chr. bezeichnete Aristoteles Hebel und Schraube als Maschinen. Um 50 n. Chr. entwickelte Heron von Alexandria eine erste Wärmekraftmaschine.

Seit der Renaissance wurde der Mechanismus genauer als ein System verstanden, in dem die Bewegung eines Bauteils zwangsläufig weitere Bewegungen auslöst. Ein bedeutendes antikes Beispiel ist der Mechanismus von Antikythera, der die Himmelsmechanik nachbildete.

1712 baute Thomas Newcomen die erste verwendbare Dampfmaschine; James Watt verbesserte sie 1769 erheblich. Um 1900 setzte sich die Unterscheidung zwischen Sondermaschine und Werkzeugmaschine durch. 1957 wurde die Maschine als Bestandteil eines Mensch-Maschine-Systems betrachtet.