Maschinenbau

Maschinenbau
Beruf
Namen Maschinenbauingenieur
Aktivitätssektoren
 angewandte Mechanik, Dynamik, Thermodynamik, Strömungsmechanik, Wärmeübertragung, Produktionstechnologie und andere
Beschreibung
Kompetenzen Technisches Wissen, Managementfähigkeiten, Design (siehe auch Glossar des Maschinenbaues)
Ausbildung erforderlich
 Sehen Professionelle Anforderungen unter
Felder von
Beschäftigung
 Technologie, Wissenschaft, Erkundung, Militär-

Maschinenbau ist ein Engineering Branch Das kombiniert sich technische Physik und Mathematik Prinzipien mit Materialwissenschaften, zu Entwurf, analysieren, herstellen und pflegen mechanische Systeme.[1] Es ist einer der ältesten und breitesten der technische Zweige.

Das Gebiet der Maschinenbau erfordert ein Verständnis der Kernbereiche, einschließlich Mechanik, Dynamik, Thermodynamik, Materialwissenschaften, Strukturanalyse, und Elektrizität. Zusätzlich zu diesen Kernprinzipien verwenden Maschineningenieure Tools wie z. computergestütztes Design (CAD), Computergestützte Herstellung (Cam) und Produktlebensdauer Management zum Entwerfen und Analysen Fertigungsanlagen, industrielle Ausrüstung und Maschinen, Heiz- und Kühlsysteme, Transport Systeme, Flugzeug, Wasserfahrzeug, Robotik, medizinische Geräte, Waffen, und andere. Es ist der Zweig der Ingenieurwesen, der das Design, die Produktion und den Betrieb von betrifft Maschinen.[2][3]

Maschinenbau trat während der ein Feld auf Industrielle Revolution in Europa im 18. Jahrhundert; Seine Entwicklung kann jedoch mehrere tausend Jahre auf der ganzen Welt zurückverfolgt werden. Im 19. Jahrhundert entwickelten Entwicklungen in Physik führte zur Entwicklung der mechanischen Ingenieurwissenschaft. Das Feld hat sich ständig entwickelt, um Fortschritte zu berücksichtigen. Heute verfolgen Maschinenbauingenieure Entwicklungen in Bereichen wie Verbundwerkstoffe, Mechatronik, und Nanotechnologie. Es überschneidet sich auch mit Raumfahrttechnik, Metallurgische Technik, Tiefbau, Baustatik, Elektrotechnik, Fertigungstechnik, Chemieingenieurwesen, Wirtschaftsingenieurwesenund andere technische Disziplinen in unterschiedlichen Mengen. Maschineningenieure können auch im Bereich von arbeiten Biomedizintechnikspeziell mit Biomechanik, Transportphänomene, Biomechatronik, Bionanotechnologieund Modellierung biologischer Systeme.

W16 Motor des Bugatti Veyron. Maschinenbauingenieure Design Motoren, Kraftwerke, andere Maschinen ...
...Strukturen, und Fahrzeuge aller Größen.

Geschichte

Hauptartikel: Maschinenbaugeschichte

Die Anwendung von Maschinenbau ist in den Archiven verschiedener alter und mittelalterlicher Gesellschaften zu sehen. Der Six Classic einfache Maschinen waren in der bekannt Altes Nahen Osten. Das Keil und die schiefe Ebene (Ramp) waren seitdem bekannt prähistorisch mal.[4] Das Rad, zusammen mit Rad und Achse Mechanismus, wurde erfunden in Mesopotamien (Moderner Irak) Während des 5. Jahrtausends v. Chr.[5] Das Hebel Der Mechanismus erschien erstmals vor etwa 5.000 Jahren im Nahen Osten, wo er in einem einfachen verwendet wurde Balkenwaage,[6] und große Objekte in bewegen Antike ägyptische Technologie.[7] Der Hebel wurde auch in der verwendet Shadoof Wasserhebungsvorrichtung, das erste Kran Maschine, die in Mesopotamien um 3000 v. Chr. erschien.[6] Der früheste Beweis von Riemenscheiben stammen aus dem frühen 2. Jahrtausend v. Chr. Nach Mesopotamien.[8]

Das Sakia wurde in der entwickelt Königreich Kush Im 4. Jahrhundert v. Chr. Es stützte sich auf tierische Kraft, die den Schlepptau auf das Erfordernis der menschlichen Energie reduzierte.[9] Reservoire in Form von Hafirs wurden in Kush entwickelt, um Wasser zu speichern und die Bewässerung zu steigern.[10] Bloomeries und Hochöfen wurden im siebten Jahrhundert v. Chr. In entwickelt in Meroe.[11][12][13][14] Kushit Sonnenuhr Angewandte Mathematik in Form einer fortschrittlichen Trigonometrie.[15][16]

Das früheste praktische wasserbetrieben Maschinen, die Wasserrad und Wassermühle, erschien zuerst in der persisches Königreich, in dem heutigen Irak und Iran, bis zum frühen 4. Jahrhundert v. Chr.[17] Im Altes Griechenland, die Werke von Archimedes (287–212 v. Chr.) Beeinflusste die Mechanik in der westlichen Tradition. Im Römisch Ägypten, Heron von Alexandria (ca. 10–70 n.) Erstellt das erste dampfbetrieben Gerät (Aeolipile).[18] Im China, Zhang Heng (78–139 n. Chr.) Verbesserte a Wasseruhr und erfand a Seismometer, und MA Jun (200–265 n. Chr.) Erfunden einen Streitwagen mit Differential Getriebe. Der mittelalterliche chinesische Horologe und Ingenieur Su Song (1020–1101 n. Chr.) Eingebautes ein Hemmung Mechanismus in seine astronomisch Glockenturm Zwei Jahrhunderte vor Fluchtgeräten wurden in mittelalterlichen europäischen Uhren gefunden. Er erfand auch die weltweit erster endlosen Kraftübertragung Kettenantrieb.[19]

Während der Islamisches goldenes Zeitalter (7. bis 15. Jahrhundert), Muslimische Erfinder leistete bemerkenswerte Beiträge im Bereich der mechanischen Technologie. Al-Jazari, der einer von ihnen war, schrieb sein berühmtes Buch mit genialen Geräten 1206 und präsentierte viele mechanische Konstruktionen.

Im 17. Jahrhundert ereigneten sich wichtige Durchbrüche in den Grundlagen des Maschinenbaues in England und die Kontinent. Der niederländische Mathematiker und Physiker Christiaan Huygens erfand die Pendeluhr Im Jahr 1657, der seit fast 300 Jahren der erste zuverlässige Zeitnehmer war, und veröffentlichte ein Werk Den Taktentwürfen und der Theorie dahinter gewidmet.[20][21] In England, Isaac Newton formuliert Newtons Bewegungsgesetze und entwickelte die Infinitesimalrechnung, was zur mathematischen Grundlage der Physik werden würde. Newton zögerte, seine Werke jahrelang zu veröffentlichen, aber er war schließlich von seinen Kollegen, wie sie Edmond Halley. Gottfried Wilhelm Leibniz, der früher a entworfen hat mechanischer Taschenrechner, wird auch die Entwicklung des Kalküls im gleichen Zeitraum zugeschrieben.[22]

Während des frühen 19. Jahrhunderts Industrial Revolution, Werkzeugmaschinen wurden in England entwickelt, Deutschland, und Schottland. Dies ermöglichte es Maschinenbau, sich als separates Feld innerhalb des Engineering zu entwickeln. Sie brachten Produktionsmaschinen und die Motoren mit, um sie mit Strom zu versorgen.[23] Die erste British Professional Society of Mechanical Engineers wurde 1847 gegründet Institution der Maschinenbauingenieuredreißig Jahre nachdem die Bauingenieure die erste derartige professionelle Gesellschaft gegründet hatten Institution der Bauingenieure.[24] Auf der Europäischer KontinentJohann von Zimmermann (1820–1901) gründete die erste Fabrik zum Schleifmaschinen in Chemnitz, Deutschland im Jahr 1848.

In den Vereinigten Staaten die Die Amerikanische Gesellschaft der Maschinenbauingenieure (ASME) wurde 1880 gegründet und wurde nach der Amerikanische Gesellschaft der Bauingenieure (1852) und die Amerikanisches Institut für Bergbauingenieure (1871).[25] Die ersten Schulen in den USA, die eine Ingenieurausbildung anbieten, waren die Militärakademie der Vereinigten Staaten Im Jahr 1817 eine Institution, die jetzt als bekannt ist Norwich University im Jahr 1819 und und Rensselaer Polytechnic Institute 1825. Bildung im Maschinenbau basiert historisch gesehen auf einer starken Stiftung in Mathematik und Naturwissenschaften.[26]

Ausbildung

Archimedes 'Schraube wurde von Hand betrieben und konnte effizient Wasser anheben, wie der animierte rote Ball zeigt.

An verschiedenen Universitäten weltweit werden Abschlüsse in Maschinenbau angeboten. Mechanische Ingenieurprogramme dauern in der Regel vier bis fünf Jahre Studien, je nach Ort und Universität und führen zu einem Bachelor im Ingenieurwesen (B.Eng. Oder B.E.), Bachelor of Science (B.Sc. oder B.S.), Bachelor of Science Engineering (B.Sc.Eng.), Bachelor of Technology (B.Tech.), Bachelor of Maschinenbau (B.M.E.) oder Bachelor der angewandten Wissenschaft (B.A.Sc.) Abschluss, in oder mit Schwerpunkt in Maschinenbau. In Spanien, Portugal und den größten Teil Südamerikas, wo weder B.S. noch B.Tech. Programme wurden angenommen, der formale Name für den Abschluss ist "Maschinenbauingenieur" und die Kursarbeit basiert auf fünf oder sechs Jahren Schulung. In Italien basiert die Kursarbeit auf fünf Jahren Ausbildung und Ausbildung, aber um sich als Ingenieur zu qualifizieren, muss man am Ende des Kurses eine staatliche Prüfung bestehen. In Griechenland basiert die Kursarbeit auf einem fünfjährigen Lehrplan.[27]

In den Vereinigten Staaten die meisten Bachelor Maschinenbauprogramme sind akkreditiert bis zum Akkreditierungsbehörde für Ingenieurwesen und Technologie (ABET), um ähnliche Kursanforderungen und -standards der Universitäten zu gewährleisten. Auf der ABET -Website listet 302 akkreditierte Maschinenbauprogramme zum 11. März 2014 auf.[28] Maschinenbauprogramme in Kanada werden vom Canadian Engineering Accreditation Board (CEAB) akkreditiert.[29] Und die meisten anderen Länder, die Ingenieurabschlüsse anbieten, haben ähnliche Akkreditierungsgesellschaften.

Im Australien, Maschinenbauabschlüsse werden als Bachelor of Engineering (mechanisch) oder eine ähnliche Nomenklatur ausgezeichnet, obwohl es immer mehr Spezialisierungen gibt. Der Abschluss dauert vier Jahre Vollzeitstudie. Um die Qualität in Engineering -Abschlüssen zu gewährleisten, Ingenieure Australien Akkreditiert Engineering -Abschlüsse von australischen Universitäten gemäß der globalen Washington Accord. Bevor der Abschluss vergeben werden kann, muss der Student mindestens 3 Monate in der Arbeitserfahrung in einem Ingenieurbüro absolvieren.[30] Ähnliche Systeme sind auch in Südafrika vorhanden und werden vom Ingenieurrat von Südafrika (ECSA) überwacht.

In Indien, um Ingenieur zu werden, muss man einen Ingenieurstudium wie ein B.Tech oder B.E haben, ein Diplom in Engineering oder einen Kurs in einem technischen Handel wie Monteur aus dem abschließen Industrial Training Institute (ITIS) erhalten ein "ITI -Handelszertifikat" und bestehen auch den All India Trade Test (AITT) mit einem technischen Handel, der vom Nationalen Rat für Berufsausbildung (NCVT) durchgeführt wird, mit dem man eine "nationale Handelszertifikat" erhält. Ein ähnliches System wird in Nepal verwendet.[31]

Einige Maschinenbauingenieure machen einen Postgraduierten -Abschluss wie a Master of Engineering, Meister der Technologie, Master in Wissenschaften, Master of Engineering Management (M.Eng.Mgt. Oder M.E.M.), a Doktor der Philosophie in Engineering (eng.d. oder Ph.D.) oder ein Diplomingenieur. Die Abschlüsse des Master- und Ingenieurs können oder können nicht enthalten Forschung. Der Doktor der Philosophie umfasst eine bedeutende Forschungskomponente und wird häufig als Einstiegspunkt angesehen Akademie.[32] Der Abschluss des Ingenieurs existiert in einigen Institutionen auf einer Zwischenebene zwischen dem Master -Abschluss und dem Doktortitel.

Kursarbeit

Standards der Akkreditierungsgesellschaft jedes Landes sollen einheitlich im fundamentalen Fachmaterial einheitlich sein, die Kompetenz zwischen Absolventeningenieuren fördern und das Vertrauen in den Ingenieurberuf als Ganzes aufrechterhalten. In den USA werden beispielsweise ABET -Programme in den USA verlangt, um zu zeigen, dass ihre Schüler "sowohl in Bereichen Wärme als auch mechanische Systeme professionell arbeiten können".[33] Die spezifischen Kurse, die für den Abschluss erforderlich sind, können sich jedoch von Programm zu Programm unterscheiden. Universitäten und Technologieinstitute Kombiniert oft mehrere Fächer in eine einzelne Klasse oder teilen ein Thema in mehreren Klassen auf, abhängig von der verfügbaren Fakultät und dem Hauptbereich der Universität der Forschung.

Zu den grundlegenden Themen, die für das Maschinenbau erforderlich sind, gehören normalerweise:

Es wird auch erwartet Tribologie, Chemieingenieurwesen, Tiefbau, und Elektrotechnik. Alle Maschinenbauprogramme umfassen mehrere Semester mathematischer Klassen, einschließlich Kalkül, und fortgeschrittene mathematische Konzepte, einschließlich Differentialgleichung, partielle Differentialgleichungen, Lineare Algebra, Zusammenfassung Algebra, und Differentialgeometrie, unter anderen.

Zusätzlich zum Lehrplan für Maschinenbautechnik bieten viele Programme für Maschinenbau spezialisiertere Programme und Klassen, wie z. Kontroll systeme, Robotik, Transport und Logistik, Kryogene, Treibstoff Technologie, Fahrzeugtechnik, Biomechanik, Vibration, Optik und andere, wenn eine separate Abteilung für diese Themen nicht existiert.[36]

Die meisten Maschinenbauprogramme erfordern auch unterschiedliche Mengen an Forschungs- oder Gemeinschaftsprojekten, um praktische Erfahrungen mit Problemlösungen zu sammeln. In den Vereinigten Staaten ist es für Studierende der Maschinenbau üblich, einen oder mehrere zu vervollständigen Praktika Während des Studiums, obwohl dies normalerweise von der Universität nicht vorgeschrieben wird. Kooperative Bildung ist eine weitere Option. Zukünftige Arbeitsfähigkeiten[37] Forschung stellt die Nachfrage nach Studienkomponenten, die die Kreativität und Innovation des Schülers füttern.[38]

Beruflichen Pflichten

Mechanische Ingenieure forschen, entwerfen, entwickeln, bauen und testen, mechanische und thermische Geräte, einschließlich Werkzeuge, Motoren und Maschinen.

Maschinenbauingenieure machen normalerweise Folgendes:

  • Analysieren Sie Probleme, um festzustellen, wie mechanische und thermische Geräte dazu beitragen können, das Problem zu lösen.
  • Design oder Neugestaltung mechanischer und thermischer Geräte mit Analyse und computergestütztem Design.
  • Entwickeln und testen Sie Prototypen von Geräten, die sie entwerfen.
  • Analysieren Sie die Testergebnisse und ändern Sie das Design nach Bedarf.
  • Überwachen Sie den Herstellungsprozess für das Gerät.
  • Verwalten Sie ein Team von Fachleuten in spezialisierten Bereichen wie mechanischer Entwurf und Entwerfen, Prototyping, 3D -Druck- oder//CNC -Maschinenspezialisten.

Maschinenbauingenieure entwerfen und überwachen die Herstellung vieler Produkte, die von medizinischen Geräten bis zu neuen Batterien reichen. Sie entwickeln auch Stromausbauermaschinen wie elektrische Generatoren, Verbrennungsmotoren sowie Dampf- und Gasturbinen sowie Stromverbrauchsmaschinen wie Kühl- und Klimaanlagen.

Wie andere Ingenieure verwenden Maschineningenieure Computer, um Designs zu erstellen und zu analysieren, Simulationen auszuführen und zu testen, wie eine Maschine wahrscheinlich funktioniert.

Lizenz und Regulierung

Ingenieure können suchen Lizenz von einem Staat, einer Provinz oder einer nationalen Regierung. Der Zweck dieses Prozesses besteht darin, sicherzustellen, dass Ingenieure über die erforderlichen technischen Kenntnisse, Erfahrung in der realen Welt und das Kenntnis des örtlichen Rechtssystems verfügen, um Engineering auf professioneller Ebene zu praktizieren. Nach der Zertifizierung erhält der Ingenieur den Titel von Professioneller Ingenieur (USA, Kanada, Japan, Südkorea, Bangladesch und Südafrika), Diplom-Ingenieur (in Großbritannien, Irland, Indien und Simbabwe), Chartered Professional Engineer (in Australien und Neuseeland) oder Europäischer Ingenieur (Ein Großteil der Europäischen Union).

In den USA muss ein Ingenieur die umfassende FE -FE -Prüfung (Fundamentals of Engineering) als lizenzierter Profi -Ingenieur (PE) werden, der mindestens 4 Jahre als mindestens 4 Jahre arbeitet Ingenieurpraktikant (EI) oder Ingenieur in Training (EIT)und bestehen die "Prinzipien und Praxis" oder PE -Prüfungen (praktizierender Ingenieur oder professionelles Ingenieur). Die Anforderungen und Schritte dieses Prozesses werden von der dargelegt Nationaler Prüfungsrat für Ingenieurwesen und Vermessung (NCEEES), bestehend aus Ingenieur- und Landbefugnis -Lizenzentwicklungen, die alle US -Bundesstaaten und Gebiete vertreten.

In Großbritannien benötigen derzeitige Absolventen a Beng plus einen angemessenen Master -Abschluss oder ein integriertes Abschluss Meng Abschluss, mindestens 4 Jahre nach Absolvent der Arbeitskompetenzentwicklung und ein Peer -Review -Projektbericht, um ein Chartered -Maschinenbauingenieur (CENG, MIMECHE) durch die Institution der Maschinenbauingenieure. Ceng Mimeche kann auch über eine von der verwaltete Prüfungsroute erhalten werden City und Gilden des Londoner Instituts.[39]

In den meisten Industrieländern müssen bestimmte technische Aufgaben wie das Design von Brücken, Elektroscheiben und Chemieanlagen von a zugelassen werden professioneller Ingenieur oder ein Diplom-Ingenieur. "Nur ein lizenzierter Ingenieur kann beispielsweise Ingenieurpläne und Zeichnungen für die Genehmigung vorbereiten, unterschreiben und vorlegen, oder um technische Arbeiten für öffentliche und private Kunden zu versiegeln."[40] Diese Anforderung kann in staatliche und provinzielle Gesetze geschrieben werden, wie z. B. in den kanadischen Provinzen, beispielsweise im Ingenieurgesetz von Ontario oder Quebec.[41]

In anderen Ländern wie Australien und Großbritannien gibt es keine solche Gesetzgebung; Praktisch alle zertifizierenden Stellen behalten jedoch a Ethikkodex Unabhängig von der Gesetzgebung erwarten sie, dass alle Mitglieder sich an einhalten oder Risikoausweisungen haben.[42]

Weitere Informationen: Fe -Prüfung, Professioneller Ingenieur, Inbonierte Ingenieur, Washington Accord, und Regulierung und Lizenz im Ingenieurwesen

Gehälter und Belegschaftsstatistiken

Die Gesamtzahl der in den USA im Jahr 2015 beschäftigten Ingenieure betrug rund 1,6 Millionen. Davon waren 278.340 Maschineningenieure (17,28%), die größte Disziplin nach Größe.[43] Im Jahr 2012 betrug das mittlere jährliche Einkommen der Maschinenbauingenieure in den US -amerikanischen Belegschaft 80.580 USD. Das Durchschnittseinkommen war bei der Arbeit für die Regierung am höchsten (92.030 US -Dollar) und am niedrigsten in der Bildung (57.090 USD).[44] Im Jahr 2014 wurde die Gesamtzahl der Arbeitsplätze für Maschinenbau im nächsten Jahrzehnt voraussichtlich um 5% wachsen.[45] Ab 2009 betrug das durchschnittliche Startgehalt 58.800 US -Dollar mit einem Bachelor -Abschluss.[46]

Subdisziplinen

Das Gebiet der Maschinenbau kann als Sammlung vieler Disziplinen für mechanische Ingenieurwissenschaften angesehen werden. Einige dieser Subdisziplinen, die normalerweise auf der Ebene der Grundstudie unterrichtet werden, sind unten mit einer kurzen Erklärung und der häufigsten Anwendung jeweils aufgeführt. Einige dieser Subdisziplinen sind einzigartig für Maschinenbau, andere sind eine Kombination aus Maschinenbau und einer oder mehreren anderen Disziplinen. Die meisten Arbeiten, die ein Maschinenbauingenieur macht, nutzt Fähigkeiten und Techniken aus mehreren dieser Unterdisziplinen sowie spezialisierte Unterdisziplinen. Spezialisierte Subdisziplinen, wie in diesem Artikel verwendet, sind eher Gegenstand eines Graduiertenstudiums oder der Ausbildung von On-the-Jobs als im Bachelorforschung. In diesem Abschnitt werden mehrere spezialisierte Unterdisziplinen erörtert.

Mechanik

Mohrs Kreis, ein gemeinsames Instrument zum Lernen Stress in einem mechanischen Element
Hauptartikel: Mechanik

Mechanik ist im Allgemeinen das Studium der Studie von Kräfte und ihre Wirkung auf Angelegenheit. In der Regel wird die technische Mechanik zur Analyse und Vorhersage der Beschleunigung und Deformation verwendet (beide elastisch und Plastik) von Objekten unter bekannten Kräften (auch als Lasten bezeichnet) oder Stress. Zu den Subdisziplinen von Mechanikern gehören

  • Statik, Die Untersuchung von nicht bewegenden Körpern unter bekannten Belastungen, wie Kräfte sich auf statische Körper auswirken
  • Dynamik Die Untersuchung, wie Kräfte sich auf bewegliche Körper auswirken. Die Dynamik umfasst Kinematik (über Bewegung, Geschwindigkeit und Beschleunigung) und Kinetik (über Kräfte und daraus resultierende Beschleunigungen).
  • Werkstoffmechanikdie Untersuchung, wie unterschiedliche Materialien unter verschiedenen Arten von Stress verformt werden
  • Strömungsmechanikdie Untersuchung, wie Flüssigkeiten auf Kräfte reagieren[47]
  • Kinematik, die Untersuchung der Bewegung von Körpern (Objekten) und Systemen (Gruppen von Objekten), während die Kräfte ignoriert werden, die die Bewegung verursachen. Kinematik wird häufig für das Design und die Analyse von verwendet Mechanismen.
  • Kontinuumsmechanik, eine Methode zur Anwendung von Mechanik, die davon ausgeht, dass Objekte kontinuierlich sind (und nicht diskret)

Maschinenbauingenieure verwenden in der Regel Mechanik in den Konstruktions- oder Analysephasen des Engineerings. Wenn das Ingenieurprojekt das Design eines Fahrzeugs wäre, könnten Statik verwendet werden, um den Rahmen des Fahrzeugs zu entwerfen, um zu bewerten, wo die Belastungen am intensivsten sind. Dynamik kann beim Entwerfen des Autos des Autos verwendet werden, um die Kräfte in der zu bewerten Kolben und Cams als Motorzyklen. Mechanik von Materialien kann verwendet werden, um geeignete Materialien für Rahmen und Motor auszuwählen. Die Flüssigkeitsmechanik kann verwendet werden, um ein Lüftungssystem für das Fahrzeug zu entwerfen (siehe HVAC) oder um die zu entwerfen Aufnahme System für den Motor.

Mechatronik und Robotik

Training von FMs mit Lernroboter Scorbot-er 4U, Workbench CNC Mill und CNC Drehmaschine
Hauptartikel: Mechatronik und Robotik

Mechatronik ist eine Kombination aus Mechanik und Elektronik. Es ist ein interdisziplinärer Zweig der Maschinenbau. Elektrotechnik und Softwareentwicklung Dies befasst sich mit der Integration von Elektro- und Maschinenbau, um Hybridautomationssysteme zu erstellen. Auf diese Weise können Maschinen durch die Verwendung von automatisiert werden Elektromotoren, Servo-Mechanismenund andere elektrische Systeme in Verbindung mit einer speziellen Software. Ein häufiges Beispiel für ein Mechatroniksystem ist ein CD-ROM-Laufwerk. Mechanische Systeme öffnen und schließen Sie den Laufwerk, drehen Sie die CD und bewegen Bits. Die integrierte Software steuert den Prozess und vermittelt den Inhalt der CD mit dem Computer.

Robotik ist die Anwendung von Mechatronik zur Erstellung von Robotern, die häufig in der Industrie verwendet werden, um Aufgaben auszuführen, die gefährlich, unangenehm oder sich wiederholt. Diese Roboter mögen jede Form und Größe haben, aber alle sind vorprogrammiert und interagieren physisch mit der Welt. Um einen Roboter zu erstellen, verwendet ein Ingenieur normalerweise Kinematik (um den Bewegungsbereich des Roboters) und die Mechanik (um die Spannungen innerhalb des Roboters zu bestimmen).

Roboter werden ausgiebig im Industrieautomationstechnik eingesetzt. Sie ermöglichen es Unternehmen, Geld für Arbeit zu sparen, Aufgaben auszuführen, die entweder zu gefährlich oder zu präzise sind, als dass Menschen sie wirtschaftlich ausführen, und um eine bessere Qualität zu gewährleisten. Viele Unternehmen beschäftigen sich Montagelinien von Robotern, insbesondere in Automobilindustrien und einige Fabriken, werden so roboterisiert, dass sie laufen können selbst. Außerhalb der Fabrik wurden Roboter in der Bombenentsorgung beschäftigt, Weltraumforschungund viele andere Felder. Roboter werden auch für verschiedene Wohnanwendungen verkauft, von der Erholung bis hin zu inländischen Anwendungen.[48]

Strukturanalyse

Hauptartikel: Strukturanalyse und Fehleranalyse

Die Strukturanalyse ist der Zweig der Maschinenbau (und auch des Bauingenieurwesens), der der Untersuchung dessen, warum und wie Objekte versagen, und die Behebung der Objekte und deren Leistung gewidmet ist. In zwei allgemeinen Modi treten strukturelle Fehler auf: statisches Versagen und Ermüdungsversagen. Statisches strukturelles Versagen tritt auf, wenn nach Beladung (mit einer Kraft angewendet) das Objekt entweder bricht oder deformiert ist plastischabhängig vom Kriterium für das Scheitern. Ermüdungsversagen tritt auf, wenn ein Objekt nach einer Reihe von wiederholten Lade- und Entladezyklen fehlschlägt. Ermüdungsversagen tritt aufgrund von Unvollkommenheiten im Objekt auf letztendliches Versagen.[49]

Das Versagen wird jedoch nicht einfach definiert, wenn ein Teil bricht. Es ist definiert, wenn ein Teil nicht wie beabsichtigt funktioniert. Einige Systeme, wie die perforierten oberen Abschnitte einiger Plastiktüten, sind so ausgelegt, dass sie brechen. Wenn diese Systeme nicht brechen, kann die Ausfallanalyse verwendet werden, um die Ursache zu bestimmen.

Die Strukturanalyse wird häufig von Maschineningenieuren nach einem Ausfall oder beim Entwerfen zur Verhinderung eines Ausfalls verwendet. Ingenieure verwenden häufig Online -Dokumente und Bücher, wie z. B. die von ASM veröffentlichten[50] um ihnen bei der Bestimmung der Art des Versagens und der möglichen Ursachen zu helfen.

Sobald die Theorie auf ein mechanisches Design angewendet wird, wird häufig physikalische Tests durchgeführt, um die berechneten Ergebnisse zu überprüfen. Die Strukturanalyse kann in einem Büro verwendet werden, wenn Teile im Feld zur Analyse fehlgeschlagener Teile oder in Laboratorien, in denen Teile kontrollierte Fehlerprüfungen durchlaufen, verwendet werden können.

Thermodynamik und Thermowissenschaft

Hauptartikel: Thermodynamik

Thermodynamik ist eine angewandte Wissenschaft, die in mehreren Ingenieurzweigen verwendet wird, einschließlich Maschinen- und Chemieingenieurwesen. Die Thermodynamik ist im einfachsten Fall das Studium der Energie, deren Verwendung und Transformation durch a System.[51] In der Regel befasst sich die technische Thermodynamik mit der Veränderung der Energie von einer Form in eine andere. Als Beispiel konvertieren Automotoren chemische Energie (enthalpy) vom Kraftstoff in Wärme und dann in mechanische Arbeit, die schließlich die Räder verwandelt.

Thermodynamikprinzipien werden von Maschineningenieuren in den Feldern von verwendet Wärmeübertragung, Thermfluide, und Energieumwandlung. Maschinenbauingenieure verwenden die Thermowissenschaft, um zu gestalten Motoren und Kraftwerke, Heizungs-, Belüftungs- und Klimaanlagen (HLK-Systeme), Wärmetauscher, Temperatur fällt, Heizkörper, Kühlung, Isolierung, und andere.[52]

Entwerfen und Entwurf

Ein CAD -Modell von a mechanische Doppeldichtung
Hauptartikel: Technische Zeichnung und CNC

Abfassung oder technische Zeichnung ist das Mittel, mit dem Maschineningenieure Produkte entwerfen und Anweisungen für die Erstellung von Anweisungen für Herstellung Teile. Eine technische Zeichnung kann ein Computermodell oder ein handgezeichnetes Schema sein, das alle Dimensionen zeigt, die zur Herstellung eines Teils sowie Montagenoten, eine Liste der erforderlichen Materialien und andere relevante Informationen erforderlich sind.[53] Ein US -amerikanischer Maschinenbauingenieur oder ein qualifizierter Mitarbeiter, der technische Zeichnungen erstellt, kann als Verfasser oder Zeichner bezeichnet werden. Die Ausarbeitung war historisch gesehen ein zweidimensionaler Prozess, aber aber computergestütztes Design (CAD) -Programme ermöglichen es dem Designer nun, in drei Dimensionen zu erstellen.

Anweisungen für die Herstellung eines Teils müssen entweder manuell durch programmierte Anweisungen oder durch die Verwendung von a an die erforderlichen Maschinen übertragen werden Computergestützte Herstellung (CAM) oder kombiniertes CAD/CAM -Programm. Optional kann ein Ingenieur auch einen Teil mit den technischen Zeichnungen manuell herstellen. Jedoch mit dem Aufkommen von Computer numerisch gesteuert (CNC) Herstellung, Teile können jetzt ohne die Notwendigkeit eines konstanten Technikers hergestellt werden. Manuell hergestellte Teile bestehen im Allgemeinen aus Sprühbeschichtungen, Oberflächenbewegungen und andere Prozesse, die von einer Maschine wirtschaftlich oder praktisch nicht durchgeführt werden können.

Die Ausarbeitung wird in nahezu jeder Subdisziplin der Maschinenbau und in vielen anderen Zweigen für Ingenieurwesen und Architektur verwendet. Dreidimensionale Modelle, die mit CAD-Software erstellt wurden Finite -Elemente -Analyse (FEA) und Computerflüssigkeitsdynamik (CFD).

Moderne Werkzeuge

Eine schräge Ansicht einer Vierzylinder-Inline-Kurbelwelle mit Pistons

Viele Maschinenbauunternehmen, insbesondere diejenigen in Industrieländern, haben begonnen zu einbeziehen computergestütztes Ingenieurwesen (CAE) -Programme in ihre vorhandenen Design- und Analyseprozesse, einschließlich 2D und 3D solide Modellierung computergestütztes Design (CAD). Diese Methode hat viele Vorteile, einschließlich einer einfacheren und umfassenderen Visualisierung von Produkten, der Fähigkeit, virtuelle Anordnungen von Teilen zu erstellen, und die Benutzerfreundlichkeit bei der Gestaltung von Paarungsschnittstellen und -Toleranzen.

Andere CAE -Programme umfassen üblicherweise von Maschineningenieuren verwendet Produktlebenszyklusmanagement (PLM) Tools und Analysetools, die zur Durchführung komplexer Simulationen verwendet werden. Analysewerkzeuge können verwendet werden, um die Produktreaktion auf erwartete Lasten, einschließlich der Lebensdauer und der Herstellung von Ermüdung, vorherzusagen. Diese Tools umfassen Finite -Elemente -Analyse (FEA), Computerflüssigkeitsdynamik (CFD) und Computergestützte Herstellung (NOCKEN).

Mit CAE -Programmen kann ein mechanisches Designteam den Entwurfsprozess schnell und billig wiederholen, um ein Produkt zu entwickeln, das besser Kosten, Leistung und anderen Einschränkungen entspricht. Es muss kein physischer Prototyp erstellt werden, bis sich das Design nähert, und es ermöglicht es, Hunderte oder Tausende von Designs zu bewerten, anstatt einige relative wenige. Darüber hinaus können CAE -Analyseprogramme komplizierte physikalische Phänomene modellieren, die von Hand nicht gelöst werden können, wie z. Viskoelastizität, komplexer Kontakt zwischen Paarungsteilen oder Nicht-Newton-Ströme.

Als Maschinenbau beginnt sich mit anderen Disziplinen zu verschmelzen, wie in gesehen Mechatronik, Multidisziplinäre Designoptimierung (MDO) wird mit anderen CAE -Programmen verwendet, um den iterativen Entwurfsprozess zu automatisieren und zu verbessern. MDO -Tools wickeln vorhandene CAE -Prozesse ein und ermöglichen die Produktbewertung, auch nachdem der Analyst für diesen Tag nach Hause gegangen ist. Sie verwenden auch ausgefeilte Optimierungsalgorithmen, um mögliche Designs intelligenter zu erforschen, und finden häufig bessere, innovative Lösungen für schwierige multidisziplinäre Designprobleme.

Forschungsbereiche

Mechanische Ingenieure überschreiten ständig die Grenzen dessen, was physisch möglich ist, um sicherere, billigere und effizientere Maschinen und mechanische Systeme zu erzeugen. Einige Technologien in der Schneide zum Maschinenbau sind unten aufgeführt (siehe auch Erkundungstechnik).

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS)

Mechanische Komponenten wie Federn, Zahnräder, Fluidik- und Wärmeübertragungsgeräte werden aus einer Vielzahl von Substratmaterialien wie Silizium, Glas und Polymeren wie in einer Vielzahl von Substratmaterialien hergestellt SU8. Beispiele von Mems Komponenten sind die Beschleunigungsmesser, die als Auto -Airbag -Sensoren, moderne Mobiltelefone, Gyroskope für präzise Positionierung und mikrofluidische Geräte verwendet werden, die in biomedizinischen Anwendungen verwendet werden.

Reibung Schweißschweißen (FSW)

Hauptartikel: Reibung Schweißschweißen

Reibung Schweißschweißen, eine neue Art von Art von Schweißen, wurde 1991 von entdeckt von Das Schweißinstitut (TWI). Die innovative Schweißtechnik für Steady State (Nicht-Fusion) schließt sich bisher nicht geschriebene Materialien an, einschließlich mehrerer Aluminium Legierungen. Es spielt eine wichtige Rolle beim künftigen Bau von Flugzeugen und ersetzt möglicherweise Nieten. Die derzeitige Verwendung dieser Technologie bisher umfasst das Schweißen der Nähte des Aluminium -Haupt -Space -Shuttle -Außentank SpaceX Falcon 1 Rakete, Panzerplattierung für amphibische Angriffsschiffe und Schweißen der Flügel und Rumpfplatten des neuen Flugzeugs 500 Flugzeuge aus der Eclipse Aviation unter einem zunehmend wachsenden Nutzungsbecken.[54][55][56]

Verbundwerkstoffe

Verbundtuch bestehend aus gewebter Kohlefaser
Hauptartikel: Verbundwerkstoff

Verbundwerkstoffe oder Verbundwerkstoffe sind eine Kombination von Materialien, die unterschiedliche physikalische Eigenschaften liefern als ein Materials getrennt. Zusammengesetzte materielle Forschung innerhalb der Maschinenbauung konzentriert sich typischerweise auf das Entwerfen (und anschließend finden Sie Anwendungen für) stärkere oder strengere Materialien beim Versuch, zu reduzieren Gewicht, Anfälligkeit für Korrosion und andere unerwünschte Faktoren. Beispielsweise wurden in verschiedenen Anwendungen wie Raumfahrzeugen und Angelruten mit Kohlefaser verstärkten Verbundwerkstoffe eingesetzt.

Mechatronik

Mechatronik ist die synergistische Kombination von Maschinenbau, elektronisches Ingenieurwesen, und Software Engineering. Die Disziplin der Mechatronik begann, um mechanische Prinzipien mit Elektrotechnik zu kombinieren. Mechatronische Konzepte werden in den meisten elektromechanischen Systemen verwendet.[57] Typische elektromechanische Sensoren, die in Mechatronik verwendet werden, sind Dehnungsmessgeräte, Thermoelemente und Druckwandler.

Nanotechnologie

Hauptartikel: Nanotechnologie

Auf der kleinsten Ebene wird Maschinenbau Nanotechnologie - ein spekulatives Ziel ist es, a zu schaffen molekularer Assembler Moleküle und Materialien aufbauen Mechanosynthese. Im Moment bleibt dieses Ziel innen Erkundungstechnik. Zu den Bereichen der aktuellen mechanischen Ingenieurforschung in Nanotechnologie gehören Nanofilter,[58] Nanofilme,[59] und Nanostrukturen,[60] unter anderen.

Siehe auch: Picotechnologie

Finite -Elemente -Analyse

Hauptartikel: Finite -Elemente -Analyse

Die Finite -Elemente -Analyse ist ein Rechenwerkzeug, das zur Abschätzung von Spannung, Dehnung und Ablenkung von festen Körpern verwendet wird. Es verwendet ein Mesh-Setup mit benutzerdefinierten Größen, um die physikalischen Mengen an einem Knoten zu messen. Je mehr Knoten es gibt, desto höher ist die Präzision.[61] Dieses Feld ist nicht neu, da die Grundlage für die Finite -Elemente -Analyse (FEA) oder die Finite -Elemente -Methode (FEM) auf 1941 zurückreicht. Viele kommerzielle Codes wie z. Nastran, Ansys, und Abaqus werden in der Industrie für Forschung und das Design von Komponenten häufig eingesetzt. Einige 3D -Modellierungs- und CAD -Softwarepakete haben FEA -Module hinzugefügt. In jüngster Zeit mögen Cloud -Simulation -Plattformen Plattformen Simscale werden häufiger.

Andere Techniken wie Finite-Differenz-Methoden (FDM) und Finite-Volumen-Methode (FVM) werden verwendet, um Probleme in Bezug auf Wärme- und Massenübertragung, Flüssigkeitsströme, Flüssigkeitsoberflächenwechselwirkung usw. zu lösen.

Biomechanik

Hauptartikel: Biomechanik

Biomechanik ist die Anwendung mechanischer Prinzipien auf biologische Systeme, wie z. Menschen, Tiere, Pflanzen, Organe, und Zellen.[62] Die Biomechanik hilft auch bei der Schaffung von Prothesen und künstlichen Organen für den Menschen. Die Biomechanik ist eng miteinander verbunden mit Ingenieurwesen, weil es häufig traditionelle technische Wissenschaften verwendet, um biologische Systeme zu analysieren. Einige einfache Anwendungen von Newtonsche Mechanik und/oder Materialwissenschaften Kann die Mechanik vieler biologischer Systeme korrekte Annäherungen liefern.

In den letzten zehn Jahren hat die in der Natur gefundene Reverse -Engineering von Materialien wie Knochenmaterie in der Wissenschaft finanziert. Die Struktur der Knochenmasse wird optimiert, um eine große Menge Druckspannung pro Gewicht des Einheitseinheiten zu tragen.[63] Ziel ist es, den Rohstahl durch Biomaterial für das strukturelle Design zu ersetzen.

In den letzten zehn Jahren das Finite -Elemente -Methode (FEM) hat auch in den biomedizinischen Sektor eingetreten, in dem weitere technische Aspekte der Biomechanik hervorgehoben werden. Fem hat sich seitdem als Alternative zu etabliert In vivo Chirurgische Bewertung und die breite Akzeptanz von Wissenschaft. Der Hauptvorteil der Computerbiomechanik liegt in seiner Fähigkeit, die endo-anatomische Reaktion einer Anatomie zu bestimmen, ohne ethischen Einschränkungen ausgesetzt zu sein.[64] Dies hat die FE -Modellierung so veranlasst, in mehreren Bereichen Biomechanik allgegenwärtig zu werden, während mehrere Projekte sogar eine Open -Source -Philosophie (z. B. Biospine) übernommen haben.

Computerflüssigkeitsdynamik

Hauptartikel: Computerflüssigkeitsdynamik

Computerflüssigkeitsdynamik, die normalerweise als CFD abgekürzt wird, ist ein Zweig der Fluidmechanik, der numerische Methoden und Algorithmen verwendet, um Probleme mit Flüssigkeitsströmen zu lösen und zu analysieren. Computer werden verwendet, um die Berechnungen durchzuführen, die erforderlich sind, um die Wechselwirkung von Flüssigkeiten und Gasen mit Oberflächen zu simulieren, die durch Randbedingungen definiert sind.[65] Bei Hochgeschwindigkeits-Supercomputern können bessere Lösungen erreicht werden. Die laufende Forschung liefert Software, die die Genauigkeit und Geschwindigkeit komplexer Simulationsszenarien wie turbulente Strömungen verbessert. Die erste Validierung dieser Software wird unter Verwendung eines Windkanals mit der endgültigen Validierung in vollem Maßstab durchgeführt, z. Flugtests.

Akustische Technik

Hauptartikel: Akustische Technik

Die Akustik ist eine von vielen anderen Unterdisziplinen der Maschinenbau und die Anwendung von Akustik. Akustische Technik ist das Studium von Klang und Vibration. Diese Ingenieure arbeiten effektiv, um zu reduzieren Lärmbelästigung in mechanischen Geräten und in Gebäuden durch Schalldämpfer oder Entfernen von Quellen unerwünschter Rauschen. Die Untersuchung der Akustik kann von der Gestaltung eines effizienteren Hörgeräts, einem Mikrofon, dem Kopfhörer oder einem Aufnahmestudio bis hin zur Verbesserung der Klangqualität einer Orchesterhalle reichen. Die Akustische Technik befasst sich auch mit der Schwingung verschiedener mechanischer Systeme.[66]

Verwandte Felder

Fertigungstechnik, Raumfahrttechnik und Fahrzeugtechnik werden zeitweise mit Maschinenbau gruppiert. Ein Bachelor -Abschluss in diesen Bereichen hat in der Regel einen Unterschied in einigen speziellen Klassen.

Siehe auch

Listen
Assoziationen
Wikibooks
  • Technische Mechanik
  • Technische Thermodynamik
  • Engineering -Akustik
  • Strömungsmechanik
  • Wärmeübertragung
  • Mikrotechnologie
  • Nanotechnologie
  • Pro/Ingenieur (Proe CAD)
  • Stärke der Materialien/Feststoffmechanik

Verweise

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Weitere Lektüre

Externe Links

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