Text 3 Maschinenbau als Ingenieurdisziplin

 

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

 

8.4 Text 4 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. 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.

 

Text 5 Automatisierung (I)

 

Was heißt eigentlich «Automatisierung»? Zunächst kann man auf diese Frage einfach antworten: «Automatisierung heißt Ausstellung und Verwendung der Automaten und technischen Geräte». Was ist aber ein «Automat»? Richten wir unsere Aufmerksamkeit zuerst auf die Geräte unseres Alltags: Automaten für gasiertes Wasser, Zeitungsautomaten, Flaschenfüllautomaten, automatische Werkzeugmaschinen, Rechenautomaten usw. Alle derartigen technischen Geräte weisen einige Besonderheiten auf: Immer dient ein Automat dem Einsatz bestimmter menschlicher Tätigkeit. Der Automat arbeitet über längere Zeit selbstständig und reagiert auf «äußere Einwirkungen» entsprechend dem Zweck seiner Funktion.

In der Industrie befasst sich die Automatisierung mit einzelnen Arbeitsgängen bis zu kompletten Prozessen. Die Automatisierung in der Fertigungstechnik umfasst alle Prozessstufen vom Rohmaterial bis zum Fertigteil, wie Bearbeitungs-, Transport- und Hilfsprozesse. Die Vorstufe der Automatisierung ist die Mechanisierung. Für die Mechanisierung ist die Verwendung einer technischen Hilfsenergie charakteristisch. Die Führung des Arbeitsablaufes verbleibt beim Menschen.

Die Automatisierung ist die höchste Form der Organisation der modernen Massenproduktion. Unter Automatisierung der Produktion versteht man die Anwendung von Geräten, Vorrichtungen und Maschinen in den Fertigprozessen ohne direkte Beteiligung des Menschen. Der Mensch hat in diesem Zusammenhang nur Kontrollfunktionen. Nach dem Umfang der Automatisierung unterscheidet man: 1) Automatisierung einzelner Aggregate und Maschinen (Kleinautomatisierung), 2) Automatisierung eines ganzen Maschinensystems (automatische Linien), 3) Komplex- oder Vollautomatisierung (automatische Verwirklichung des ganzen Fertigungsprozesses von der Vorbereitung des Rohmaterials bis zur Fertigstellung des Produktes).

 

Text 6 Automatisierung (II)

 

Im Maschinenbau gibt es viele Möglichkeiten der Automatisierung des Arbeitsprozesses. Am häufigsten findet man in den Maschinenbaubetrieben folgende Formen der automatisierten Anlagen: 1) automatisierte Spezialmaschinen, 2) lose Verkettung von Maschinen und Anlagen gleicher oder verschiedener Technologie, 3) starre Verkettung von Maschinen meist gleicher Technologie. Bei der losen Verkettung werden die einzelnen Einrichtungen individuell gesteuert. Die Umstellung auf einen anderen technologischen Arbeitsprozess ist durch Austausch einzelner Maschinen leicht möglich. Bei der starren Verkettung dagegen ist die Umstellung der Maschinen auf eine andere Operation sehr schwer.

Bei der vollen Automatisierung der technologischen Prozesse in einer Halle oder einem Werkteil ist die Kombination der losen und starren Verkettung möglich. Die wichtigsten Vorzüge der Automatisierung im Maschinenbau sind folgende: a) der Mensch wird von der ständigen Bedienung, Steuerung und Beaufsichtigung des Produktionsprozesses befreit; b) der Mensch kontrolliert nur die Arbeit der Geräte und Mechanismen.

In jeder Fertigung sind folgende Vorrichtungen nötig: 1 Transport des Werkstoffes zur Maschine, 2 Zuführen des Werkstoffes zur Maschine,
3 Ausrichten und Spannen, 4 Bearbeiten und Messen, 5 Ausspannen und Transport zur nächsten Maschine. Diese einzelnen Verrichtungen können von Hand erledigt werden, sie können aber auch mechanisiert oder aber automatisiert ablaufen. Je nach Grad des selbsttätigen Ablaufs unterscheidet man bis zur automatischen Fließfertigung mehrere Stufen für alle Fertigungsgruppen und verschiedenartigen Kombinationen. Die höchste Automatisierungsstufe ist erreicht, wenn der Messautomat mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung an der Maschine selbsttätig notwendige Einstellungen und Korrekturen vornimmt und damit die vorgegebenen Maße sichert.

 

8.7 Text 7 Hauptbegriffe und Struktur der technologischen Vorgänge

Die Fertigung der Erzeugnisse in den Maschinenbaubetrieben verläuft während der Produktionsvorgänge. Der Produktionsvorgang ist die Gesamtheit aller Tätigkeiten der Menschen und nötigen Arbeitsmittel. Der Produktionsvorgang im Maschinenbau umfasst Vorbereitung der Produktionsmittel und Organisierung der Bedienung der Arbeitsplätze; Erhalten und Lagerung der Werkstoffe und Halbfabrikate; alle Etappen der Fertigung der Maschinenelemente; Montage der Erzeugnisse; Förderung der Werkstoffe, Werkteile, Fertigprodukte und ihrer Elemente; technische Prüfung in allen Ebenen der Produktion; Verpackung der Fertigprodukte und andere Vorgänge.

Das wichtigste Element des Produktionsvorgangs ist der Technologische Produktionsprozess (TP). Den Technologische Produktionsprozess (TP) nennt man den Teil des Produktionsvorganges mit zielgerichteten Tätigkeiten bei der Veränderung und Bestimmung des Zustandes des Arbeitsgegenstandes. Zu den Arbeitsgegenständen gehören Werkstücke und Werkstoffe.

Der Ausführungsfolgerung nach unterscheidet man solche technologische Prozesse wie TP der Fertigung der Urwerkstücke, TP der thermischen Bearbeitung, TP der mechanischen Behandlung, TP der Montage der Erzeugnisse.

Für die Verwirklichung aller Arten von TP braucht man in der Maschinenbauproduktion die Verwendung der Gesamtheit der Produktionsmittel. Diese Produktionsmittel nennt man die Mittel der technischen Ausstattung oder technischen Ausrüstung. Als Beispiele der technologischen Ausrüstung dienen Gießmaschinen, Pressen, spanabhebende Werkzeuge, Ofen, halvanische Bäder, Prüfstände u.a. Die zusätzlichen technologischen Ausrüstungen für die Ausführung eines bestimmten Teiles des Produktionsprozesses nennt man technologische Ausstattung. Das sind Schneidwerkzeuge, Stanzen, Vorrichtungen, Kaliber u.a. Den TP erfüllt man auf den Arbeitsplätzen. Der Arbeitsplatz ist ein Teil der Betriebsfläche mit entsprechender Ausrüstung und Ausstattung.

Die technologische Operation ist der abgeschlossene Teil des Produktionsprozesses auf einem Arbeitsplatz. Die Operation umfasst alle Arbeitshandlungen der Ausrüstung und Arbeiter mit einem oder einigen zusammenbearbeitenden oder montierenden Objekten der Produktion. Der Inhalt, die Zusammensetzung und Aufeinandersetzung der technologischen Operationen bestimmen die Struktur der TP.

 

Text 8 Maschinenbau heute

 

Der wissenschaftliche Fortschritt hat die äußerst wichtige Aufgabe gestellt, den Übergang zum qualitativ neuen Zustand der Gesellschaft, zur höheren Organisation und Effektivität der Ökonomie zu verwirklichen. Und diese Aufgabe ist ohne erfolgreiche Entwicklung des Maschinenbaus, als materielle Grundlage des technischen Fortschritts, nicht zu lösen. Es werden neue Arbeitswerkzeuge, neue Maschinensysteme geschaffen, die den Fortschritt auf anderen Gebieten der Volkswirtschaft bestimmen. Im Maschinenbau werden die Grundlagen der prinzipiell neuen Arten der Technologien und der Produktionsqualität festgelegt. Die weitere Entwicklung des Maschinenbaus ist tatsächich als ein allgemeinstaatliches Programm der Modernisierung der Industrie zu betrachten. Es handelt sich um komplexe Probleme. Der Fortschritt im Maschinenbau gründet sich nicht nur auf neue konstruktive Lösungen, sondern auch auf progressive Technologien, die nötige Ressource, Zuverlässigkeit der Maschinen und Ausrüstung zu gewährleisten haben, und auf Erforschungen und Ausarbeitungen auf dem Gebiete der Probleme der Automatisierung der Arbeitsprozesse.

Entsprechend den Forderungen der neuen Technologien hat sich intensiv die Ausstattung der Werke zu entwickeln. Sehr große Bedeutung hat die erfolgreiche Entwicklung der Werkzeugmaschinen und Werkzeugindustrie. Mit der Entwicklung des Bauwesens erweitert sich im Maschinenbau von Jahr zu Jahr entsprechend den veränderten und komplizierten Produktions- und Betriebsforderungen die Anwendung neuer Werkstoffe. Vom Maschinenbau hängt die Lösung gewaltiger volkswirtschaftlicher Aufgaben ab, wie die Mechanisierung zeitraubender Arbeitsprozesse, die weitere Ausrüstung des Verkehrswesens mit neuen technischen Hilfsmitteln, die Ausstattung der Landwirtschaft mit modernen Maschinen, die Neuausrüstung und Erweiterung mehrerer Zweige der Schwer- und Leichtindustrie.