Der Maschinenbau (auch als Maschinenwesen bezeichnet) ist eine klassische Ingenieurwissenschaft und erstreckt sich auf Entwicklung, Konstruktion und Produktion von Maschinen und Anlagen.
Geschichte
mini|hochkant=1.25|Nähmaschine, etwa 1900; die Funktion der Maschine ist bis heute prinzipiell gleich geblieben Der Wirtschaftszweig Maschinenbau entstand aus dem Handwerk der Metallbearbeitung, Schmiede und Schlosser, u. a. durch Mühlenbauer.Paulinyi, Troitzsch: Propyläen Technikgeschichte. Band 3, 1997, S. 45. Der Maschinenbau als institutionalisierte Wissenschaft nahm seinen Anfang 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.König, Kaiser: Geschichte des Ingenieurs.
In der Antike wurde die Mechanik als wichtige theoretische Grundlage vieler heutiger Ingenieurwissenschaften begründetDas lateinische Wort māchĭna, ae, f (die Maschine) ist nur die praktische Adaption des griechischen Wortes μηχανή über Mechanik.. 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.Propyläen (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte.
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 École 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 École 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.Agricola-Gesellschaft (Hrsg.): Technik und Bildung.
Im deutschsprachigen Raum wollte man zu Beginn des 19. Jahrhunderts den industriellen Rückstand gegenüber dem Vereinigten Königreich möglichst schnell aufholen und gründete daher eine Vielzahl sogenannter Polytechnischer Schulen, nach dem Vorbild der École 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.Agricola-Gesellschaft (Hrsg.): Technik und Wissenschaft.
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 Automobile und Flugzeuge, die dann auch mit Strahltriebwerken angetrieben wurden.
Maschinen und Anlagen mini|hochkant=1.5|Anlage zum Abfüllen und Dosieren, Beispiel für eine moderne Maschine Der Maschinenbau beschäftigt sich u. a. mit folgenden Maschinen und Anlagen: Maschinen und Anlagen für technische Produkte aller Art Maschinen und Anlagen für die Rohstoffgewinnung Maschinen und Anlagen für Erzeugungs- und Hüttentechnik Maschinen und Anlagen für den Verkehr (zu Land, Wasser, Luft) Maschinen und Anlagen für Energie- und Wasserversorgung Maschinen und Anlagen für Abwasser- und Abfallentsorgung Maschinen und Fahrzeuge für Land- und Forstwirtschaft Militärtechnik, Fahrzeuge und Wehrtechnik Im Einzelnen u. a. Kraftmaschinen (Dampfmaschine, Motor, Turbine) Arbeitsmaschinen (Gebläse, Pumpen, Verdichter) Werkzeugmaschinen (Fräs-, Bohr-, Hobel-, Schleifmaschine) Förderanlagen (Kran, Aufzugsanlage, Förderband, Seilbahn) Fahrzeugtechnik zu Land und Wasser Luft- und Raumfahrttechnik Sondermaschinen, Apparate und Geräte des Rationalisierungsmittelbaus Prüfen und überwachen von technischen Anlagen TÜV
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 Welche Disziplinen genau zum Maschinenbau zählen und wie sie eingeteilt werden sollen, ist – wie bei vielen anderen Ingenieurwissenschaften – zum Teil umstritten. Eine genaue Definition für Maschinenbau gibt es ebenso wenig, wie es eine allgemein anerkannte Definition für Maschine gibt. Welche Gegenstände als Maschine, Apparat oder Gerät bezeichnet werden, ist oft zufällig oder historisch bedingt.Günter Ropohl: Wie die Technik zur Vernunft kommt – Beiträge zum Paradigmenwechsel in den Technikwissenschaften. 1998, S. 32 f., 88. In Gesamtwerken zum Maschinenbau,Der Dubbel, Hütte – Des Ingenieurs Taschenbuch oder Handbuch Maschinenbau von Alfred Böge der Einteilung der Lehrstühle an Maschinenbaufakultäten der Hochschulen und in den Studiengängen gibt es jedoch zahlreiche Themen, die immer behandelt werden und somit die Kerngebiete des Maschinenbaus ausmachen. Dazu zählen beispielsweise die Technische Mechanik, Konstruktionslehre und die Fertigungstechnik.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, diese Gebiete einzuteilen:Skolaut: Maschinenbau. 2014, S. 2. Fächer, die sich mehr mit der Konstruktion befassen, und solche, die sich mehr mit der Fertigung befassen. Diese Einteilung hängt mit der Arbeitsteilung in der Industriellen Praxis zusammen, in der Konstrukteure letztlich Konstruktionsunterlagen erstellen und diese an die Produktionsingenieure weitergeben, die die Fertigungsverfahren und Maschinen auswählen und beschaffen. Grundlagenfächer und anwendungsorientierte Fächer. Diese Einteilung findet sich vor allem in den Studiengängen, in denen zu Beginn meistens Fächer unterrichtet werden, die den Naturwissenschaften nahestehen, wie die Technische Mechanik, die Technische Thermodynamik oder die Technische Strömungsmechanik, und später (zum Teil auch parallel) Technisches Zeichnen, Normen, Fertigungstechnik der spezielle Maschinen wie Turbinen oder Dieselmotoren. Einteilung nach der Technik: Fahrzeugtechnik, Fördertechnik, Luft- und Raumfahrttechnik, Medizintechnik sind typische Vertiefungsfächer im Studium.