Maschinenbau

Grundidee und Aufgabenbereich

Der Maschinenbau, auch Maschinenwesen genannt, ist eine klassische Ingenieurwissenschaft. Er befasst sich mit Entwicklung, Konstruktion und Produktion von Maschinen und Anlagen. Dazu gehören sowohl einzelne Maschinenelemente als auch sehr komplexe Produkte wie Fertigungsstraßen, technische Anlagen oder ganze Fabriken.

Im Maschinenbau arbeiten Ingenieure, Techniker und Facharbeiter je nach Betrieb an Idee, Entwurf, Kalkulation, Design, Konstruktion, Optimierung, Forschung und Entwicklung, Produktion und Vertrieb. Wichtige Arbeitsmittel sind Normen, zum Beispiel DIN-Normen, Technische Zeichnungen, CAD-Programme zur rechnergestützten Konstruktion, Simulationen wie die Finite-Elemente-Methode und CNC-Maschinen zur rechnergestützten Fertigung. Beim Reverse Engineering wird aus einem vorhandenen Körper ein Computermodell hergestellt, das weiterbearbeitet werden kann. Moderne technische Anlagen enthalten wegen der Automatisierung oft komplexe Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik.

Historische Entwicklung

Der Maschinenbau entstand aus Handwerken der Metallbearbeitung, besonders aus Schmieden, Schlossern und Mühlenbauern. Als institutionalisierte Wissenschaft entwickelte er sich im Laufe der Industrialisierung, seine Grundlagen sind aber viel älter. Schon frühe Werkzeuge wie Faustkeile dienten zum Schaben, Kratzen und Schneiden; später kamen Werkzeuge zum Bohren und Sägen hinzu. In der Bronzezeit wurden Schmelzen, Schmieden und Gießen wichtig. In frühen Hochkulturen Mesopotamiens wurden Ingenieure an Palast- oder Tempelschulen im Lesen, Schreiben und Rechnen ausgebildet. Rad und Schiefe Ebene waren wichtige Entdeckungen.

In der Antike entstanden mit der Mechanik wichtige theoretische Grundlagen. Archimedes, Aristoteles und Heron von Alexandria schrieben über Hebel, Schraube, Schiefe Ebene, Seil, Flaschenzug und weitere Erfindungen. Heron baute eine erste Dampfmaschine; im griechischen Theater gab es Automaten. Im Mittelalter wurden Wind- und Wassermühlen in Europa zur wichtigsten Energiequelle. Mühlenbauer sammelten Erfahrungen mit Rädern, Getrieben, Transmissionen und mechanischen Übertragungselementen. Gegen Ende des Mittelalters entwickelte sich die Feinmechanik für Uhren und Messgeräte.

Im 18. Jahrhundert baute Thomas Newcomen in England die erste funktionsfähige Dampfmaschine, die James Watt entscheidend verbesserte. Mit Dampfmaschinen, Textilmaschinen, Werkzeugmaschinen und dem Puddelverfahren entstand in England zu Beginn des 19. Jahrhunderts ein industrieller Maschinenbau. 1818 wurde mit der Institution of Mechanical Engineers die erste Vereinigung von Maschinenbau-Ingenieuren gegründet. In Frankreich entstand 1794 die École polytechnique; im deutschsprachigen Raum wurden im 19. Jahrhundert viele Polytechnische Schulen gegründet, später Technische Hochschulen. Zu den Begründern des wissenschaftlichen Maschinenbaus in Deutschland zählen Franz Reuleaux, Karl Karmarsch und Ferdinand Redtenbacher. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war ein akademischer Abschluss für junge Ingenieure bereits Standard; Rudolf Diesel entwickelte aus theoretischen Erkenntnissen den ersten funktionsfähigen Dieselmotor.

Maschinen, Anlagen und Anwendungen

Der Maschinenbau beschäftigt sich mit Maschinen und Anlagen für technische Produkte, Rohstoffgewinnung, Erzeugungs- und Hüttentechnik, Verkehr zu Land, Wasser und Luft, Energie- und Wasserversorgung, Abwasser- und Abfallentsorgung, Land- und Forstwirtschaft sowie Militär- und Wehrtechnik.

Zu den wichtigen Maschinentypen gehören Kraftmaschinen wie Dampfmaschine, Motor und Turbine, Arbeitsmaschinen wie Gebläse, Pumpen und Verdichter, Werkzeugmaschinen wie Fräs-, Bohr-, Hobel- und Schleifmaschinen sowie Förderanlagen wie Krane, Aufzüge, Förderbänder und Seilbahnen. Weitere Bereiche sind Fahrzeugtechnik zu Land und Wasser, Luft- und Raumfahrttechnik, Sondermaschinen, Apparate und Geräte des Rationalisierungsmittelbaus sowie das Prüfen und Überwachen technischer Anlagen, etwa durch den TÜV.

Grundlagen und zentrale Disziplinen

Welche Disziplinen genau zum Maschinenbau gehören, ist teilweise umstritten; auch eine allgemein anerkannte Definition von Maschine gibt es nicht. Trotzdem gibt es Kerngebiete, die in Gesamtwerken, Studiengängen und Lehrstühlen regelmäßig behandelt werden. Dazu zählen Technische Mechanik, Konstruktionslehre und Fertigungstechnik. Man kann die Gebiete nach Konstruktion und Fertigung, nach Grundlagen- und Anwendungsfächern oder nach Technikfeldern wie Fahrzeugtechnik, Fördertechnik, Luft- und Raumfahrttechnik und Medizintechnik einteilen.

Die Technische Mechanik liefert Berechnungsverfahren für Kräfte und Momente. Ihre Teilgebiete sind Statik für ruhende starre Körper, Festigkeitslehre für ruhende deformierbare Körper und Dynamik für bewegte Körper. Die Strömungsmechanik oder Fluidmechanik beschreibt Fluide, also vor allem Gase und Flüssigkeiten. Sie nutzt unter anderem Kontinuitätsgleichung, Erhaltungssätze für Masse, Energie und Impuls sowie die Navier-Stokes-Gleichungen. Die Technische Thermodynamik, auch Wärmelehre, behandelt Energie, ihre Erscheinungsformen und die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Im Maschinenbau dient sie etwa zur Berechnung des Wirkungsgrads und zur Analyse von Wärmekraftmaschinen wie Otto- und Dieselmotoren, Gas- und Dampfturbinen.

Die Werkstofftechnik untersucht Werkstoffe und ihre Eigenschaften. Im Maschinenbau sind vor allem Härte, Festigkeit, Elastizitätsmodul und Verschleißfestigkeit wichtig, außerdem Korrosionsbeständigkeit. Häufig verwendete Werkstoffe sind Keramiken, Polymere und Metalle, besonders Stahl, Gusseisen und Aluminium. Die Konstruktionslehre umfasst Methoden, um für eine technische Aufgabe eine möglichst gute Lösung zu finden, zu bewerten und zu dokumentieren, etwa durch Lasten- und Pflichtenhefte und Technische Zeichnungen. Maschinenelemente sind häufig verwendete kleinste Bauteile oder Komponenten wie Schrauben, Bolzen, Zahnräder, Federn, Dichtungen, Kugellager, Getriebe, Kupplungen und Bremsen.

Fertigung, Antrieb und Spezialgebiete

Die Fertigungstechnik beschäftigt sich damit, Werkstücke ausgehend von Konstruktionsunterlagen möglichst wirtschaftlich herzustellen. Zu den Verfahren gehören Gießen, Schmieden, Fräsen, Bohren, Schleifen, Löten, Schweißen, Beschichten und Härten. Verfahren werden in Gruppen eingeordnet: Beim Fräsen, Plasmaschneiden und Stanzen wird Material entfernt, sie gehören zum Trennen; beim Schweißen, Verschrauben und Löten werden Teile verbunden, sie gehören zum Fügen. Behandelt werden auch Werkzeuge, Maschinen, Fertigungsmesstechnik sowie Fertigungsplanung und -steuerung.

Die Antriebstechnik macht eine Maschine laut EU-Richtlinie erst zu einer vollständigen Maschine, weil sich erst durch einen Antrieb Maschinenteile selbstständig bewegen können. Ein Motor erzeugt Bewegung, die über Wellen, Keilriemen oder Getriebe weitergeleitet wird. In ortsfesten Maschinen werden heute häufig Elektromotoren wie Synchronmaschinen oder Schrittmotoren eingesetzt. Früher wurde oft eine zentrale Drehbewegung über Königswelle und Treibriemen verteilt; heute werden zunehmend dezentrale Antriebe mit vielen kleinen Motoren verwendet, oft Servomotoren.

Kraftmaschinen wandeln Energie in mechanische Antriebsenergie um; Beispiele sind Otto- und Dieselmotoren, Gasturbinen, Wasserturbinen und Dampfturbinen. Arbeitsmaschinen nutzen mechanische Energie, um Arbeit zu verrichten, etwa Pumpen, Verdichter, Kompressoren und Gebläse. Die Fördertechnik befasst sich mit innerbetrieblichem Transport über kurze Strecken, etwa durch Förderbänder, Gabelstapler, Krane oder Rohrleitungen. Die Fahrzeugtechnik behandelt Fahrzeuge, im engeren Sinn vor allem PKWs und LKWs mit Fahrwerk, Antrieb, Karosserie und Innenraum. Werkzeugmaschinen dienen zur Bearbeitung von Werkstücken; wichtige Eigenschaften sind Arbeitsgenauigkeit und Produktivität.

Ausbildung und Studium

Maschinenbau ist an Universitäten, Technischen Universitäten, Technischen Hochschulen und Fachhochschulen neben Elektrotechnik und Bauingenieurwesen einer der drei klassischen Ausbildungswege für angehende Ingenieure. Früher war meist eine Regelstudienzeit von 10 Semestern vorgesehen, mit dem Abschluss Dipl.-Ing. oder Dipl.-Ing. (FH). Durch den Bologna-Prozess sollten die Diplomstudiengänge bis 2010 weitgehend durch Bachelor- und Masterstudiengänge ersetzt werden. Bachelorabschlüsse wie Bachelor of Science oder Bachelor of Engineering werden nach 6 bis 8 Semestern Regelstudienzeit erreicht, Masterabschlüsse wie Master of Science oder Master of Engineering nach weiteren 2 bis 4 Semestern. Einige Hochschulen bieten weiterhin Diplomstudiengänge an.

Da Maschinenbauprodukte von kleinen Uhrwerken über Haushaltsgeräte und Motoren bis zu riesigen Schaufelradbaggern reichen, spezialisieren sich Studierende später auf Fachrichtungen wie Leichtbau, Stahlbau, Kranbau, Fahrzeugbau, Flugzeugbau, Schiffstechnik oder Fertigungstechnik. Teilweise sind daraus eigene Studiengänge entstanden, etwa Maschinenbauinformatik, Produktion und Logistik, Verfahrenstechnik, Energietechnik, Luft- und Raumfahrttechnik oder Mechatronik.

Neben der Hochschulausbildung ist im deutschsprachigen Raum die außeruniversitäre Ausbildung zum Maschinenbautechniker wichtig. In Deutschland setzt das 4-semestrige Fachschulstudium eine fachspezifische Berufsausbildung und mehrjährige Berufserfahrung voraus und endet mit der Prüfung zum staatlich geprüften Techniker. In der Schweiz ist nach sechs Semestern und bestandener Diplomprüfung der Titel dipl. Techniker TS/HF möglich. In Österreich kann zusätzlich eine Ausbildung zum Ingenieur an einer HTL absolviert werden. Außerdem gibt es im dualen System viele gewerblich-technische Berufsausbildungen, etwa Technischer Zeichner, Konstruktionsmechaniker, Zerspanungsmechaniker, Industriemechaniker, Werkzeugmechaniker und Mechatroniker.