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Maschinenbau#

Was ist Maschinenbau?#


Von

Univ.-Prof. Dr. R. Haberfellner, TU Graz, März 2917


Der Maschinenbau beschäftigt sich mit der Entwicklung, Konstruktion und Produktion von Maschinen aller Art.

1. Welche Arten von Maschinen unterscheidet man traditionell?#

Traditionell unterscheidet man primär nach dem Verwendungszweck von Maschinen. Bei der Gliederung von Fakultäten an Technischen Universitäten sind diese wieder zu finden, aber durch eine Reihe von Fachgebieten ergänzt, die keine Maschinen im Fokus haben, aber für deren Entwicklung wesentlich sind: Mechanik, Festigkeitslehre, Werkstofftechnik etc.
  • Kraftmaschinen als Maschinen, die Kraft erzeugen, welche zum Antrieb verschiedenster anderer Maschinen, Anlagen oder Geräte benötigt wird: Verbrennungsmotoren, Elektromotoren, Dampfmaschinen, Turbinen,...
  • Arbeitsmaschinen: Pumpen, Verdichter, Gebläse
  • Werkzeugmaschinen, mit denen Material formgebend bearbeitet wird: Drehmaschinen, Fräs-, Bohr-, Schleifmaschinen, …
  • Fördertechnik: Hebetechnik (Krane), Transporttechnik (Förderbänder, Regalbedienungsgeräte, Stapler), Handhabungsgeräte, Manipulationstechnik (Roboter,...)
  • Fahrzeugtechnik, wozu Geräte zählen, die zum Transport von Menschen und/oder Sachgütern dienen: Fahrräder, Krafträder, Personenkraftwagen, Nutzfahrzeuge (zum Transport von Personen und Gütern), Schienenfahrzeuge (spurgeführte Fahrzeuge), bewegliche Arbeitsmaschinen (Erdbewegung, Zugmaschinen, Land- oder Forstwirtschaft, Anhänger, …)
  • Produktionsmaschinen: Mischen, Rühren, Sortieren, Trennen, Abfüllen, Verpacken, Weben, Spinnen, Ernten, Bearbeiten, …
  • Bearbeitungszentren: die eine komplexe Kombination verschiedener Werkzeugmaschinen und Handhabungsgeräte darstellen (Beispiel: vollständige Bearbeitung eines Motorengehäuses in einer einzigen Aufspannung)
Symbolbild Maschinenbau
Symbolbild Maschinenbau. Foto: pixabay.com
Bei vielen dieser Maschinen kann eine Unterteilung in ortsgebundene (stationäre) und nicht ortsgebundene vorgenommen werden.

2. Welche Disziplinen sind im Studium des Maschinenbaus nötig?#

Hier ist zu unterscheiden zwischen den klassischen Maschinenbaufächern, die zur Entwicklung, Konstruktion und Herstellung des mechanischen Teils von Maschinen benötigt werden und weiteren Fächern, welche die Steuerung und damit erst die eigentliche Funktion der Mechanik ermöglichen, wie z.B. Elektronik, Informatik (Software) Zu den allgemeinen Maschinenbaufächer zählen: i) Mechanik (Statik, Dynamik, Festigkeitslehre, ..), ii) Werkstofftechnik, iii) Strömungslehre, Fluidmechanik: Strömung von Gasen und Flüssigkeiten, in Rohren, Verbrennungsräumen (Motoren, Kesseln, ..), an Körpern (Luftwiderstand, Auftrieb …), iv) Thermodynamik (Energie, Fähigkeit eines Prozesses zur Verrichtung von Arbeit, …), v) Konstruktionslehre, vi) Maschinenelemente zur Verwendung in der Konstruktion, vii) Wärmeübertragung, Kältetechnik, viii) Mess- und Regelungstechnik, ix) Fertigungs- Produktionstechnik, x) Antriebstechnik: Verbrennungsmotoren, Elektromotoren, Getriebe, Wellen, … xi) Fördertechnik, xii) Werkzeugmaschinen u.a.m.

3. Veränderung der Denkweisen im Maschinenbau durch die Elektronik bzw. Informatik#

Die Beschränkung der Ausbildung eines Maschinenbauingenieurs auf die oben genannten allgemeinen Maschinenbaufächer ist bei weitem nicht ausreichend, wenn man – wie bereits erwähnt - bedenkt, dass Maschinen nicht nur aus mechanischen Teilen bestehen, sondern einer Steuerung bedürfen, mit der Geschwindigkeit, Leistung, Temperatur, Kraftanwendung u.a.m. verändert bzw. wechselnden Bedürfnissen angepasst werden können. Einfache Maschinen konnten früher mit einer mechanischen Steuerung versehen werden (Gestänge, Zahnräder, Nockenwelle, Fliehkraftregler etc.), sodass die Entwicklung der Steuerung der Maschinen auch den Maschinenbauern oblag. Mittlerweile hat sich allerdings die Erkenntnis durchgesetzt, dass die Mechanik zwar unerlässlich für die Übertragung von Kräften ist, die zur Steuerung nötige Informationsverarbeitung aber besser elektronisch erfolgt, da sie dadurch wesentlich schneller, genauer, flexibler, einfacher und anpassungsfähiger wird. Viele Funktionen werden heute nicht durch eine Anpassung der Hardware, sondern durch die Software erledigt. Damit musste sich auch die Denkweise der Maschinenbauingenieure ändern. Sie können sich nicht mehr auf den mechanischen Teil einer Maschine beschränken und die Entwicklung der Steuerung im Anschluss daran Elektronikern übergeben bzw. überlassen. Die Entwicklung der Mechanik und der Elektronik inkl. Software muss schritthaltend, quasiparallel, in wechselseitiger Zusammenarbeit erfolgen. Das kann im Teamwork zwischen mechanischen Konstrukteuren und Elektronikern erfolgen, die gemeinsam die Funktionen der zu entwickelnden Maschine definieren und später im Detail erarbeiten müssen. Praktisch hat sich auch hier bewährt, die Studienpläne für Maschinenbauingenieure zunehmend mit elektronischen und informationstechnischen Inhalten anzureichern. Die Annäherung des jeweiligen Wissens harmonisiert die Denkweisen und erleichtert die Kommunikation von Maschinenbauern und Elektronikern/Informatikern.

Aber nicht nur die Funktionsweisen der Produkte und damit ihr konstruktiver Aufbau haben sich durch die Elektronik bzw. Informatik verändert, sondern auch die Arbeitsweise der Maschinenbauingenieure bei der Entwicklung von Produkten. Hier seien beispielhaft erwähnt:

Die i) CAD-Technologie (Computer Aided Design), die dazu führt, dass Konstruktionszeichnungen nicht mehr am Reißbrett entstehen, sondern am Bildschirm erarbeitet werden, dabei Teile früherer Konstruktionen verwendet und modulartig zusammengesetzt werden, zwischendurch Festigkeits-Berechnungen zur Dimensionierung von Bauteilen durchgeführt werden u.a.m.

Die ii) CAM-Technologie (Computer Aided Manufacturing) ermöglicht es, die digital vorhandenen Geometrien von Bauteilen zur nächsten Aufgabe weiterzuleiten und aus der Geometrie und zusätzlichen Daten die Bearbeitungsprogramme für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen automatisch zu erstellen. Die Bewegungsvorgänge der Bearbeitungsmaschinen können im Vorfeld simuliert werden, um Bearbeitungsfehler zu vermeiden.

Die sog iii) Virtuelle Entwicklung von Produkten ermöglicht es z.B. im Fahrzeugbau, virtuelle Bewegungen von Produkten zu simulieren (Öffnen und Schließen von Türen, Montagevorgänge), das Fahrverhalten von Fahrzeugen unter verschiedenen Bedingungen zu beurteilen, Crashtests durchzuführen, womit die Zahl der körperlich hergestellten Prototypen reduziert werden kann und woraus Zeit- und Kostenersparnisse entstehen bzw. zusätzliche Varianten überlegt werden können, Verbrennungsprozesse und Strömungsverhältnisse virtuell zu analysieren u.v.a.m.

Quellen#

Die virtuelle Fahrzeugentwicklungsgesellschaft vif ist - als Beteiligungsgesellschaft der TU Graz - ein international agierendes Forschungs- und Entwicklungszentrum, das sich mit der anwendungsnahen Fahrzeugentwicklung und zukünftigen Fahrzeugkonzepten für Straße und Schiene befasst. Mittlerweile sind rund 200 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am Standort in Graz beschäftigt - ihre Expertise ermöglicht die effiziente Entwicklung von leistbaren, sicheren und umweltfreundlichen Fahrzeugen. Das Ziel des Zentrums ist es, eine tragfähige, dauerhafte Verbindung von universitärer Forschung und industrieller Entwicklung zu schaffen und somit Innovationen für die Industrie zu realisieren. Durch die Mitarbeit in zahlreichen nationalen und internationalen Projekten etabliert sich das Unternehmen als gefragter Forschungspartner. Dies gelingt nicht nur über die Rekrutierung und Ausbildung von Spitzenforschern, sondern auch durch die langfristigen Kooperationen mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft. Nicht zuletzt ist es ein weiteres Ziel, die Steiermark als attraktive Region für internationale Forscher zu fördern und Graz als Forschungsstandort zu stärken.

Weiterführendes#