Maschinenbau

Der Maschinenbau (auch als Maschinenwesen bezeichnet) ist ein klassischer Zweig der Industrie und eine klassische Ingenieurdisziplin. Dieses Arbeitsgebiet enthält die Konstruktion und die Produktion von Maschinen.

Als Industriezweig entstand der Maschinenbau aus dem Handwerk der Metallbearbeitung durch Schmiede und Schlosser, als Ingenieurdisziplin nach modernem Verständnis durch systematischen wissenschaftlichen Bezug auf die klassische Physik, insbesondere auf die klassische Mechanik.

Nähmaschine, etwa 1900; die Funktion der Maschine ist bis heute prinzipiell gleich geblieben

Maschine zum Abfüllen und Dosieren, Beispiel für eine moderne Maschine

Themen des Maschinenbaus

Der Maschinenbau umfasst unter anderem folgende Themengebiete:

1. Mechanik
2. Konstruktionslehre
3. Maschinen
4. Maschinenelemente
5. Fertigungs- und Montagetechnik
6. Werkstofftechnik
7. Automatisierungstechnik
8. Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik
9. Adaptronik und Mechatronik (Mechanik, Elektronik, Informatik)
10. Verfahrenstechnik
11. Instandhaltungstechnik
12. Fluidtechnik
13. Logistik
14. Kenngrößen und Kennwerte
15. Verwandte Themen

Maschinenbau als Industriezweig

Nationales zur Branche Maschinenbau

Europa

Der Maschinenbau hat in Europa durch die Bildung der EU eine starke Erleichterung erhalten. Bisher musste jede Maschine den entsprechenden nationalen Normen des Landes des Betreibers entsprechen. Durch die Umsetzung der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG, die seit dem 29. Dezember 2009 für die Länder der EU verbindlich ist, kann dieselbe Maschine in alle EU-Mitgliedsstaaten exportiert werden.

Deutschland

Der Maschinenbau ist einer der führenden Industriezweige Deutschlands, der sehr auf den Export ausgelegt ist.

Mit mehr als 900.000 Beschäftigten ^[1] in Deutschland und ungefähr 300.000 Beschäftigten im Ausland, wird ein Umsatz von rund 130 Mrd. € (davon 60 % im Export) erwirtschaftet. Er ist mit seinen rund 6.600 Unternehmen, wovon 95 % weniger als 500 Beschäftigte haben, mittelständisch/unternehmerisch geprägt. Der Pro-Kopf-Umsatz im Maschinenbau beträgt rund 148.000 Euro.

Laut Angaben des Statistischen Bundesamts fand zwischen 2003 (Index 100) und 2006 folgendes Wachstum statt: Aufträge (Index 117), Beschäftigung (Index 112). Von der Wirtschaftskrise zwischen Herbst 2008 und Frühjahr 2010 war auch der Maschinenbau betroffen, konnte sich aber im zweiten Halbjahr 2010 wieder erholen. Derzeit profitiert der Maschinenbau wieder durch Aufträge aus dem Ausland, insbesondere aus China^[2] und durch Aufträge aus der Branche der Erneuerbaren Energien^[3].

Der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) ist die größte Vereinigung von Ingenieuren und Naturwissenschaftlern in Deutschland.

Rund 3.000 Unternehmen der Investitionsgüterindustrie sind im Industrieverband VDMA organisiert.

Die Automobilhersteller und -zulieferer werden durch den Verband der Automobilindustrie (VDA) vertreten.

Schweiz

Bis zur Jahrtausendwende war der Maschinenbau jene Branche der Schweiz, die das größte Exportvolumen generierte. Heute liegt er mit einem Anteil von 14,9 % an zweiter Stelle hinter der führenden Chemischen- und Pharmazeutischen Industrie und vor der Uhrenindustrie.^[4] Strukturell setzt er sich zusammen aus zahlreichen kleinen und mittelgrossen Unternehmen (KMU); zudem gibt es auch einige größere und Großkonzerne.

Maschinenbau als Ingenieurdisziplin

Maschinenbau ist eine der ältesten Ingenieursdisziplinen, deren wissenschaftlicher Hintergrund die klassische Physik (insbesondere die klassische Mechanik) ist.

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 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 u.a 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.

Grundlagenfächer

Grundlagenfächer, die am Anfang des Maschinenbaustudiums vermittelt werden, sind die naturwissenschaftlichen Fächer Mathematik, Physik, Chemie, technische Thermodynamik, technische Mechanik, Elektrotechnik und Strömungsmechanik/Fluidmechanik und die technischen Grundlagenfächer Informatik, Werkstoffkunde/Werkstoffwissenschaften, Produktions- und Fertigungstechnik, Konstruktionstechnik, Maschinenelemente und Mess- und Regelungstechnik.

Mathematik

Die Mathematik ist eine der wichtigsten Disziplinen des Maschinenbaus. Mit ihr werden Modelle erstellt, die für Simulationsalgorithmen, Differentialgleichungen und Gleichungssysteme gebraucht werden. Mit den Simulationen kann man dann zum Beispiel am Computer Bauteile auf ihre Festigkeit hin überprüfen oder Strömungen vorausberechnen, die beispielsweise in Turbinen entstehen. Die mathematischen Modelle werden durch die Algebra, Analysis (durch Newton und Leibniz eingeführt und mit den komplexen Zahlen durch Gauß erweitert), die Differentialgleichungen und Vektoranalysis (wichtige Erkenntnisse durch Bernoulli, Laplace, Stokes) oder die Numerik bereitgestellt.

Werkstoffwissenschaft

Die Werkstoffwissenschaft zählt zur Materialwissenschaft und ist ein Gebiet der Ingenieurwissenschaft, das mit den Methoden der Werkstoffkunde versucht, anwendungsorientiert Beziehungen zwischen der Struktur und den Eigenschaften der Werkstoffe herzustellen. Darauf aufbauend werden durch gezielte Strukturveränderungen gewünschte Eigenschaftsprofile eingestellt.

Technische Thermodynamik

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

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

Technische Mechanik

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

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

Fertigungstechnik

Die Fertigungstechnik ist eine Disziplin des Maschinenbaus, die sich mit der Herstellung von Bauteilen beschäftigt, insbesondere mit den Fragen, wie ein Bauteil mit einer gewissen Toleranz hergestellt werden kann und wie man es am kostengünstigsten fertigen kann. Die Fertigungsverfahren werden dabei von der DIN 8580 festgelegt. Diese sind:

• Urformen
• Umformen
• Trennen
• Fügen
• Beschichten
• Stoffeigenschaften ändern

Elektrotechnik

Die Elektrotechnik oder auch E-Technik genannt, ist die systematische technische Anwendung der Elektrodynamik und beschäftigt sich mit den Ursachen und Auswirkungen von Strom und Spannung und insbesondere den Möglichkeiten zu deren technischer Nutzung.
Nachdem u.a. von Galvani, Volta und Ampère wichtige theoretische Erkenntnisse zu Strom und Spannung gewonnen wurden, entdeckte Ohm mit der Proportionalität zwischen diesen Größen einer der wichtigsten Beziehungen, welches im Ohmschen Gesetz wiedergegeben wird. Durch weitere Entdeckungen, wie z.B. dem Magnetismus und den Funkwellen wurden die elektrischen Geräte immer komplexer und erhielten immer größeren Einzug in das tägliche Leben. Mit dem ersten Computer Z3 von Zuse startete auch das Digitalzeitalter. Durch die Erfindung des Transistors 1947 konnten Schaltungen, besonders in Computern, extrem verkleinert werden. Ebenfalls eine wichtige Erfindung war die Entwicklung des Thyristors. Mit diesem Halbleiter konnte die Leistungselektronik nun gesteuert und geregelt werden. Dies ist eine wichtige Grundlage, um effizientere elektrische Antriebe zu bauen und um effizienter elektrische Energie wandeln zu können.

Strömungsmechanik/Fluidmechanik

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

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 nötig 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 10V±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.

Antriebstechnik

Siehe Getriebe, Keilriemen, Treibriemen, Riemengetriebe, Koppelgetriebe, Drehstrom-Synchronmaschine, Schrittmotor, Servomotor etc.

Konstruktionstechnik

Technisches Zeichnen und CAD.

Ausbildung und Studium

Universität, Fachhochschule

An Universitäten (auch an Technischen Universitäten) und Fachhochschulen ist das Maschinenbaustudium einer der drei klassischen Ausbildungswege (neben Elektrotechnik und Bauingenieurwesen) für angehende Ingenieure.
In der Regel nach 10 Semestern Regelstudienzeit, bzw. 8 Semestern an Fachhochschulen und bei erfolgreichem Studienabschluss wurde 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 den Diplomstudiengang abschaffen und durch einen Bachelorstudiengang ersetzen. Die Studienanfänger konnten dann die akademischen Grade Bachelor of Science und Master of Science bzw. Bachelor of Engineering und Master of Engineering erreichen.

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

Fachschule, Technikerschule

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

In Deutschland bietet der Maschinenbau eine Vielzahl von gewerblich-technischen Berufsausbildungen innerhalb des dualen Systems an. Typische Berufsausbildungen sind Technischer Zeichner, Konstruktionsmechaniker, Zerspanungsmechaniker, Industriemechaniker oder Mechatroniker.

Literatur

• Karl-Heinrich Grote, Jörg Feldhusen (Hrsg.): Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau. 22. Auflage. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-49714-1. (Standardwerk)
• Alfred Böge (Hrsg.): Handbuch Maschinenbau: Grundlagen und Anwendungen der Maschinenbau-Technik. 19., überarb. und. erw. Auflage. Vieweg, Braunschweig 2009, ISBN 978-3-8348-0487-7.
• Ekbert Hering, Karl-Heinz Modler (Hrsg.): Grundwissen des Ingenieurs. 14., aktualisierte, Auflage. Fachbuchverlag Leipzig, Leipzig 2007, ISBN 978-3-446-22814-6.
• Horst Czichos, Manfred Hennecke: Hütte. Das Ingenieurswissen. 33. Auflage. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-20325-4.
• Jürgen Dispan, Stefan Pfeifer, et al.: Werkzeugmaschinenbau. Strukturwandel und strategische Herausforderungen. Branchenreport. Frankfurt 2006 (online PDF; 692 KB)

Weblinks

 Commons: Maschinenbau – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wikibooks: Regal:Maschinenbau – Lern- und Lehrmaterialien

• Portal Maschinenbau: Themenliste
• Branchenskizze des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit
• Internetseite des VDI

Einzelnachweise

1. ↑ Maschinenbau brummt
2. ↑ Maschinenbauer optimistisch - Artikel von n-tv.de
3. ↑ Renews Spezial, Wirtschaftsstandort Deutschland
4. ↑ Swiss Issues Branchen: Aussenhandel Schweiz – Fakten und Trends von Credit Suisse