Maschinen sind physische Systeme, die Energie in Aktion umwandeln. Beispiele für einfache Maschinen sind Keile, Hebel und Riemenscheiben. Komplexe Maschinen haben viele Teile, die zusammenarbeiten, darunter mechanische, elektrische und elektronische Komponenten. Viele moderne Maschinen sind computergesteuert und werden über eine Softwareschnittstelle programmiert und überwacht.

Maschinenkonstruktion bezeichnet den Prozess des Entwerfens und Erstellens von physischen Systemen, die die Anforderungen von Kunden in Branchen wie Energie, Luft- und Raumfahrt, Automotive, Landwirtschaft, Schiffbau und Fertigung erfüllen.

Der Maschinenkonstruktionsprozess umfasst das Verstehen der physikalischen Zusammenhänge, die erforderlich sind, um Energie in eine Aktion umzusetzen und so die beabsichtigte Aufgabe auszuführen, das Planen des Zusammenspiels von Komponenten, das Sicherstellen der korrekten Passform innerhalb der Konstruktionsabhängigkeiten und das Festlegen von Materialien unter Berücksichtigung von Projektzeitplänen und der Gewinnspanne.

Technische Zeichnungen und 3D-CAD-Modelle werden in der Regel erstellt, um den Konstruktionsentwurf zu präsentieren und zu überprüfen und den Konstruktionsprozess zwischen den Projektbeteiligten zu koordinieren.

Das Endergebnis des Maschinenkonstruktionsprozesses sind die Informationen, die für die Herstellung, Inbetriebnahme und Wartung der Maschinenkonstruktion erforderlich sind. Sie können technische Zeichnungen, eine schriftliche Spezifikation und eine Materialliste umfassen.

Zu den Berufen im Bereich Maschinenkonstruktion zählen Industriedesigner, Maschinenbauingenieure, Elektrotechniker oder Elektroniker, Simulationsspezialisten, CAD-Konstrukteure und CAD-Zeichner.

Maschinenkonstrukteure nutzen mathematische, technische und physikalische Prinzipien, Branchenwissen und spezielle Software, um Probleme von Kunden zu lösen und aus einer Idee in der Konzeptphase eine detaillierte Konstruktion zu entwickeln.

Die detaillierte Konstruktion muss die Kundenanforderungen erfüllen und profitabel umsetzbar sein. Die Konstruktion wird den Projektbeteiligten wie Kunden, Mitarbeitenden in der Fertigung und der Beschaffung über ein CAD-Modell, technische Zeichnungen, eine Stückliste und eine Spezifikation übermittelt.

Der Maschinenkonstruktionsprozess basiert auf Zusammenarbeit und kann mehrere Fachbereiche, darunter Industriedesign, mechanische, elektrische und elektronische Konstruktion, aber auch das Feedback von Kunden, Lieferanten, Fertigungsexperten und Projektmanagementteams umfassen.

Der Konstruktionsentwicklungsprozess ist für ein erfolgreiches Maschinenbauunternehmen von entscheidender Bedeutung. Das Ziel des Konstruktionsentwicklungsprozesses ist es, eine Maschine zu entwerfen und zu entwickeln, von der sowohl der Kunde als auch das Unternehmen profitieren. Die Konstruktionsentwicklung unterliegt gewissen Einschränkungen hinsichtlich Budget, Konstruktionskapazitäten und Markteinführungszeit.

Der Maschinenkonstruktionsprozess basiert auf Zusammenarbeit und kann daher Spezialisten aus Fachbereichen wie Industriedesign sowie mechanische, elektrische und elektronische Konstruktion umfassen. Auch Feedback von Projektbeteiligten wie Kunden, Projektmanagement, Beschaffung, Fertigung, Installation und Kundendienst kann einbezogen werden.

Der Maschinenkonstruktionsprozess verläuft iterativ und zyklisch, wobei die Ideen mehreren Prototypen- und anderen Tests, Bewertungen und Überarbeitungen unterzogen werden, bis das endgültige Design als optimal und zuverlässig genug für die Produktion angesehen wird.

Der Maschinenkonstruktionsprozess beginnt mit der Definition des Problems. Anschließend werden mögliche Lösungsideen zusammengetragen, bevor Prototypen erstellt und getestet werden, Feedback eingeholt und bewertet wird, ob die Problembeschreibung weiter verfeinert werden kann, ob die vorgeschlagenen Lösungen abgelehnt oder akzeptiert werden sollen oder ob die Lösungen durch einen weiteren Entwicklungszyklus verbessert werden können.

Eine Maschinenkonstruktionssoftware dient dazu, die Konstrukteure durch die Automatisierung von Aufgaben, die Nachverfolgung von Prozessen und die Möglichkeit der Zusammenarbeit zwischen Konstrukteuren und Projektbeteiligten wie Projektmanagement, Beschaffung, Fertigung oder Kunden zu unterstützen.

Beispiele für eine Maschinenkonstruktionssoftware sind Softwarelösungen für Computer-Aided Design (CAD) in 3D, mit denen Konstrukteure virtuelle Modelle ihrer Konstruktionen erstellen, um die physikalischen Eigenschaften der Konstruktion zu berechnen oder um sicherzustellen, dass bewegliche Komponenten nicht kollidieren. Dies spart Zeit bei der Prototypenerstellung. Darüber hinaus können aus dem 3D-CAD-Modell technische Zeichnungen erstellt werden, wodurch die Dokumentation und die Übermittlung der Konstruktion beschleunigt werden.

Softwarelösungen für Computer-Aided Engineering (CAE) unterstützen Konstrukteure bei der Erstellung von Simulationsstudien, die die Berechnung von Parametern wie Spannung, Flüssigkeitsströmung, thermischer Dynamik und Vibration automatisieren. Dies spart Zeit beim Testen physischer Prototypen.

Die zunehmende Verfügbarkeit von cloudbasiertem Datenmanagement beschleunigt den Einsatz modellbasierter Definitionen (MBD) bzw. die Verwendung von 3D-CAD-Modellen zur Unterstützung nachgelagerter Fertigungsprozesse und verringert den Bedarf an technischen Zeichnungen.

Softwarelösungen zum Konstruieren von Maschinen können Folgendes umfassen:

• CAD (Computer-Aided Design): 3D-CAD wird zum Erstellen virtueller Modelle von mechanischen, elektrischen oder elektronischen Komponenten und deren Beziehungen verwendet. Aus dem 3D-Modell werden automatisch technische Zeichnungen und eine Stückliste erstellt.
• MCAD: Dies ist eine CAD-Software, die speziell für die mechanische Konstruktion optimiert wurde. Sie bietet Werkzeuge für die Konstruktion mechanischer Elemente wie Wellen, Zahnräder, Federn, Nocken, Riemen, Schraubenverbindungen und Strukturrahmen.
• ECAD: ECAD-Software ist speziell für die Elektroplanung und die Konstruktion von Leiterplatten (PCBs) optimiert, einschließlich Stromlaufplänen, 2D-Leiterbahn-Layouts und 3D-Modellierung.
• Visualisierung: Visualisierungssoftware wird zum Erstellen von computergeneriertem Bildmaterial (CGI, Computer Generated Imagery) oder digitalen Renderings von Entwürfen verwendet, um Kunden oder Partnern die Konstruktion zu vermitteln. Renderings können fotorealistische Standbilder oder Animationen sein, die zeigen, wie die Konstruktion zusammengesetzt ist oder funktioniert.
  • Software und Hardware für virtuelle Realität (VR) oder erweiterte Realität (AR) können verwendet werden, damit Menschen direkt mit CGI interagieren können, um sich die Konstruktion besser vorstellen zu können oder um Bediener in einer sicheren Umgebung zu schulen.
  • Das digitale Abbild ergänzt das CGI um Daten von in die Maschine eingebetteten Sensoren, um Wartung und Betrieb der Maschine und der unterstützenden Dienste zu optimieren.
• Computer-Aided Engineering (CAE): CAE- oder Simulationssoftware wird zum Analysieren der Leistung einer Konstruktion verwendet. Beispiele sind die Finite-Elemente-Berechnung (FEM), die zum Simulieren von Spannungen verwendet wird, oder die numerische Strömungsmechanik (CFD), die zur Simulation des Flusses von Flüssigkeiten und Gasen verwendet wird.
• Toleranzanalyse: Die Toleranzanalyse dient der Automatisierung der Berechnung von Toleranzstapeln und der Optimierung von Toleranzen, um die Umsetzbarkeit von austauschbaren Bauteilen sicherzustellen und gleichzeitig die Fertigungskosten zu minimieren.
• Generatives Design: Generatives Design ist ein einzigartiger Ansatz, der sich von Simulation oder Optimierung des Gewichts unterscheidet. Während die Simulation ein 3D-CAD-Modell einer Komponente verwendet, um die Auswirkungen von Spannungen auf die Konstruktion zu analysieren, arbeitet das generative Design umgekehrt. Der Konstrukteur legt Abhängigkeiten wie z. B. physische Lasten, Materialien und Fertigungsmethoden fest, und die generative Designfunktion erzeugt mehrere Modelle von realisierbaren Komponenten, die die Leistungskriterien erfüllen. Der Konstrukteur kann dann Konstruktionsoptionen auf der Grundlage von Faktoren wie Gewicht, Sicherheitsfaktor, Kosten oder Ästhetik eliminieren und schließlich aus den verbleibenden Optionen seine bevorzugte Konstruktion auswählen.

Autodesk unterstützt innovative Köpfe mit Konstruktions- und Fertigungstechnologien für Produktentwicklung und -konstruktion und stattet Maschinenkonstrukteure mit den Funktionen aus, die sie für eine reibungslose projekt-, fachbereichs- und branchenübergreifende Zusammenarbeit benötigen.

Autodesk-Lösungen für Maschinenkonstruktion:

• Die Product Design & Manufacturing Collection umfasst Folgendes:
  • Autodesk Inventor: eine professionelle Software für Produktentwicklung und mechanische 3D-Konstruktion, Simulation, Visualisierung und Dokumentation
  • Inventor Nastran (Englisch): eine in CAD eingebettete Software für die Simulation von nichtlinearer Spannung, thermischer Spannung, Vibration und Ermüdung
  • Inventor Tolerance Analysis (Englisch): eine Software für die Toleranzstapelanalyse zur Bewertung der Auswirkungen von Bemaßungsabweichungen
  • Inventor Nesting (Englisch): eine True-Form-Verschachtelungssoftware für Inventor zur Optimierung der Ausbeute aus Rohmaterial
  • Inventor CAM (Englisch): eine integrierte 2,5- bis 5-Achsen-CAD-/CAM-Lösung für Inventor
  • Vault: eine Produktdatenmanagement-Software zur Verwaltung von Konstruktionsdateien
  • AutoCAD: 2D- und 3D-CAD-Software mit branchenspezifischen Werkzeugen
  • Factory Design Utilities (Englisch): eine Software für die Fabrikplanung zum Konzipieren, Planen und Umsetzen eines effizienten Produktionslayouts
  • Navisworks: eine Software zur Überprüfung umfangreicher Konstruktionen mit Kollisionserkennung und Planungsfunktionen
  • ReCap Pro: eine Software und Services für Realitätserfassung und 3D-Scans
  • 3ds Max: eine Software für Rendering und Animation in 3D zur Konstruktionsvisualisierung
  • Fusion 360: eine cloudbasierte CAD-/CAM-/CAE-Software für Produktentwicklung und Fertigung
  • Fusion 360 Manage mit Upchain: eine cloudbasierte PLM- und PDM-Lösung, die Ihre Daten, Personen und Prozesse auf einfache Weise verbindet
  • Design Review: ein kostenloser CAD-Viewer, mit dem Sie 2D- und 3D-Dateien ansehen, markieren, drucken und Änderungen daran nachverfolgen können – ohne die ursprüngliche Designsoftware

Maschinenbauzeichnungen sind technische Zeichnungen, die zur Vermittlung der Konstruktionsabsicht, zur Schematisierung von Prozessen, zur Berechnung von Abwicklungen gefalteter Bleche, zur Optimierung der Fertigung durch Verschachtelung oder zur Bereitstellung von Anweisungen für Installation und Wartung erstellt wurden. Maschinenbauzeichnungen werden mit einer Konstruktionssoftware erstellt, die der CAD-Kategorie angehört.

• CAD-Software wie Autodesk AutoCAD automatisiert den herkömmlichen Prozess technischer 2D-Zeichnungen mit Werkzeugen wie Kopieren und Einfügen, Blöcken und dem Manager für Planungsunterlagen.
• CAD-Software wie Autodesk Inventor geht noch einen Schritt weiter: Die automatische Erstellung von Zeichnungen erfolgt direkt aus einem 3D-CAD-Modell, das vom Konstrukteur erstellt wurde. Dadurch wird die Erstellung von Fertigungszeichnungen beschleunigt, und es wird sichergestellt, dass Aktualisierungen der Konstruktion automatisch in allen Zeichnungen, die das Modell referenzieren, übernommen werden.
• CAD-Software wie Autodesk Fusion 360 vereint Entwicklungs-, Konstruktions-, Elektronik- und Fertigungssoftware in einer einzigen Lösung, die den gesamten Produktentwicklungsprozess in einer integrierten, cloudbasierten Software zusammenführt, einschließlich 3D-CAD, CAM, CAE und Leiterplatten.

Die beste Software für mechanische Konstruktionen bietet die computergestützte Konstruktion (CAD), die für den mechanischen Konstruktionsprozess (MCAD) optimiert wurde. Wenn Sie eine MCAD-Software in Betracht ziehen, achten Sie auf Folgendes:

• 3D-Modellierung von Bauteilen und Baugruppen zur Konzeptualisierung der physischen Bemaßungen und räumlichen Beziehungen der Konstruktion
• Erweiterbare Bibliotheken für mechanische und elektrische Komponenten, z. B. Muttern, Schrauben, Unterlegscheiben, O-Ringe, Lager, Schlüssel, Zähne, Riemen und Federn
• Assistenten für die mechanische Konstruktion zur Automatisierung der Konstruktion und der Modellierung von Elementen wie z. B. Schraubenverbindungen, Wellen, Nocken und Riemenscheiben
• Spezielle Toolsets für die Automatisierung der Konstruktion und der Modellierung von Blechkomponenten, Strukturprofilen, Leiterplatten, Kabelbäumen, Rohrleitungssystemen und Kunststoffgehäusen
• Die Möglichkeit, CAD-Modelle zur Bewertung von Konstruktionen hinsichtlich physikalischer Eigenschaften wie Spannung, Wärme, Schwingung und Flüssigkeitsströmung zu verwenden
• Die Möglichkeit, modellbasierte Konstruktion (MBD) mit Werkzeugen für modellbasierte Beschriftung (MBA), geometrische Bemaßung und Toleranzerstellung (GD&T) und Toleranzstapelanalyse zu implementieren
• Visualisierungswerkzeuge zur Erstellung von CGI-Bildmaterial für Kommunikation, Vertrieb und Marketing, einschließlich fotorealistischer Renderings und animierter Videos
• Die Möglichkeit zur Zusammenarbeit durch sichere gemeinsame Nutzung von Konstruktionen für Feedback, Prüfung und Freigabe
• Die Möglichkeit zur Zusammenarbeit an einem gemeinsam genutzten CAD-Modell mit Spezialisten aus anderen Branchen, z. B. Tragwerksplanung, Tiefbauplanung oder BIM
• Die Möglichkeit, das CAD-Modell für Vorbereitungsaufgaben wie Fertigungszeichnungen, Stücklistenerstellung, Blechverschachtelung und CNC-Programmierung zu verwenden
• Integriertes Produktdatenmanagement (PDM) für die sichere Verwaltung von Dateien mit Berechtigungssteuerung, Freigabeprozess und Änderungsaufträgen

Unternehmen, die Maschinen als Produkte herstellen, spüren den Druck, innovative Lösungen bereitstellen zu müssen, um den Kundenansprüchen gerecht zu werden, und diese Lösungen auf den Markt zu bringen, bevor es der Konkurrenz gelingt.

Der Schlüssel zu einer erfolgreichen Maschinenentwicklung liegt in der Konstruktionsplanung, die sicherstellt, dass die Maschinen nicht nur die Kundenanforderungen erfüllen, sondern auch den Gewinn für das Unternehmen steigern.

Die Entscheidungen, die während der Konstruktionsentwicklung getroffen werden, können sich auf die Qualität, die Komponenten, die Materialien, die Fertigungsprozesse und die Benutzerfreundlichkeit der Maschine während ihres gesamten Lebenszyklus auswirken.

Maschinenkonstruktionssoftware wie CAD (Computer-Aided Design) und CAE (Computer-Aided Engineering) automatisieren Konstruktionsprozesse und die Verwaltung von Daten-Insights und ermöglichen es Konstrukteuren und Ingenieuren, zeitnahe und effektive Entscheidungen zu treffen, die den Erfolg des Produkts steigern, die betriebliche Effizienz verbessern und die Markteinführung beschleunigen.

CAD-Software (Computer-Aided Design) wird an mehreren Stellen im Fertigungsprozess eingesetzt.

Während der Konstruktionsphase werden CAD-Konstruktionen an das Fertigungsteam weitergeleitet, um die Konstruktion für die Fertigung und Montage (DfMA) zu bewerten. Das Feedback des Fertigungsteams kann in die Konstruktion integriert werden, sodass die Konstruktion effizienter und damit rentabler gefertigt werden kann.

Wenn die Konstruktionsentwicklung abgeschlossen ist, werden die Konstruktionen zur Fertigung freigegeben. CAD wird vom Fertigungsteam bei der Konstruktion von Spannmitteln, Vorrichtungen und „Stopp-Go“-Vorrichtungen zur Qualitätskontrolle eingesetzt.

CAM (Computer-Aided Manufacturing) (Englisch) verwendet das 3D-CAD-Modell für die CNC-Programmierung, mit der die Bewegungen von Fertigungsmaschinen automatisiert werden. Die Konvergenz von CAD und CAM ermöglicht die CNC-Programmierung mit derselben Software wie CAD. Das hat den Vorteil, dass bei Änderungen am CAD-Modell auch die CAM-Werkzeugwege automatisch aktualisiert werden.

Nach der Herstellung der Komponenten werden CAD- und CAM-Daten für die computergestützte Inspektion (CAI) und die Qualitätskontrolle gemeinsam verwendet. Die gefertigte Komponente wird mithilfe von Messgeräten mit dem CAD-Modell verglichen, um die Einhaltung der festgelegten Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheiten zu bewerten.