DIE HISTORISCHE ENTWICKLUNG DES · PDF fileDiplom-Ingenieur (Dipl.-Ing.), Doktor-Ingenieur...

DIE HISTORISCHE ENTWICKLUNG DES

WISSENSCHAFTLICHEN MASCHINENWESENS

Vorlesung im Studium generale WS 2011/12

Montag, 5. DS, Hörsaalzentrum, HS 03

Lehrbeauftragter: PD Dr.-Ing. Mauersberger / Kustodie

Klaus.Mauersberger@tu-dresden.de

Sprechzeit: Dienstag, 10-14 Uhr

Bürogebäude Zellescher Weg 17 (BZW)

linker Eingang, Erdgeschoss links

Vorlesungsankündigung und -plan: Homepage der Kustodie unter Lehre

www.tu-dresden.de/kustodie

Den Abschluss der Vorlesung bildet eine Klausur am 30. Januar 2012

Zur Vorbereitung der Klausur kann auf dieserHomepage Mitte Januar ein Studienmaterial

heruntergeladen werden.

Wichtig: Berechtigt zur Teilnahme an der Klausur sind nur jene Studenten, die sich in die Einschreibelisten

zu Beginn der Vorlesung eingetragen haben.

Die historische Entwicklung des wissenschaftlichen Maschinenwesens

1. Einführung: Ziel der Vorlesung, Begriffe, Periodisierung2. Technisches Wissen um die mechanischen Potenzen des

Altertums3. Die Blütezeit der mechanischen Künste in Mittelalter und

Renaissance4. Künstler-Ingenieure - Vorboten der Mechanisierung

Uhr und Mühle als Prototypen der modernen Maschinerie5. Vom Künstler-Ingenieur zum Mechanicus und

Maschinentechniker - Stand und Entwicklung des maschinentechnischen Wissens im 17./18. Jahrhundert

6. Kernprozesse der Industriellen Revolution -Mechanisierung der Produktion, umfassender Einsatz von Maschinen und Herausbildung des dreigeteilten Maschinensystems.

Die historische Entwicklung des wissenschaftlichen Maschinenwesens

7. Technischer Wandel im Maschinenwesen -von der mechanischen Werkstätte zur Maschinenfabrik

8. Die energetische Basis der großen Industrie: Wasserräder und Dampfmaschinen

9. Grenzen empirischen Wissens im Maschinenbau -Beginn der Verwissenschaftlichung des Maschinenwesens

10. Hochindustrialisierung - technischer Wandel in Systemzusammenhängen: Verkehrswesen, Landwirtschaft, Kommunikation und „junge Industrien“

11. Ausblick: Massenfertigung, elektrische Antriebe und automatische Steuersysteme - das Bild der modernen Maschinenwissenschaften im 20. Jahrhundert

12. Die Entstehung und Entwicklung der Fakultät Maschinenwesen an der TH Dresden

Literaturhinweise:

Buchheim, G. / Sonnemann, R. (Hg.): Geschichte der Technikwissenschaften. Basel, Boston, Berlin 1990.

König, W. (Hg.): Propyläen Technikgeschichte. Bd. 3-5, Berlin 1997.

Paulinyi, A.: Industrielle Revolution - Vom Ursprung der modernenTechnik. Reinbek bei Hamburg 1989.

Radkau, J.: Technik in Deutschland. Vom 18. Jahrhundert bis zur Gegenwart. Frankfurt/M. 1989.

Wagebreth, O. / Wächtler, E. (Hg.): Dampfmaschinen. Die Kolbendampfmaschine als historische Erscheinung und technisches Denkmal. Leipzig 1986.

Troitzsch, U. / Weber, W. (Hg.): Die Technik. Von den Anfängen bis zur Gegenwart. Stuttgart 1987.

Mauersberger, K.: Maschinenbau an der TU Dresden. Ein Beitrag zur Geschichte der Fakultät Maschinenwesen. Dresden 2007.

Technik-Begriffe (nach Ropohl)

als angewandte Naturwissenschaft

als Komplex instrumenteller Hilfsmittel zur Arbeitsersparnis

als Ausdruck menschlichen Gestaltungswillens

als Emanzipation von den Schranken der Natur

als Ersatz der natürlichen Umwelt durch eine Kulturwelt

als Erzeugung des „Objektiv-Überflüssigen“

Definition des Technikbegriffs (nach Ropohl 1979)Seinem Umfang nach umfaßt der Technikbegriff

Den Bereich der Artefakte selbst (vorwiegend künstliche Objekte, von Menschenerzeugt und für bestimmte Zwecke verwendet)

Den Bereich der Entstehung von Artefaktendurch menschliches Handeln

Den Bereich der Verwendung von Artefaktenim Rahmen menschlichen Handelns

Historische Epochen in der Wechselwirkung Mensch - Technik

Mensch - Werkzeug: STOFF(Handwerk)

Mensch - Maschine: STOFF, ENERGIE(Industrie)

Mensch - „Automat“: STOFF, ENERGIE, INFORMATION(moderne „Wissensgesellschaft“)

Die soziale, naturale und humane Dimension der Technik

Bestimmungsgrößen technischer Verfahren und Systeme in einem Siebenstern(nach Rapp 1980)

Vorperiode 18. Jh. Herausbildung Konsolidierung Beginn 20. Jh.

Statik höhere Statik Graphostatik

Festigkeitslehre (techn.) ElastizitätstheorieKinematik Getriebelehre

Maschinendynamik Schwingungslehre

techn MechanikBaustatik

Maschinenkunde Maschinenlehre

theoretische Maschinenlehre

technische MaschinenlehreMaschinenelemente

DampfmaschinenElektromaschinenWerkzeugmaschinen

deskriptiveGeometrie

Maschinenzeichnen(technisches Zeichnen)

Konstruktionslehre Konstruktionssystematik

Wassersäulenmaschinen

Wasseräder

Wasserturbinen

Schiffstheorie

Propeller u.a.

HydraulikStrömungslehre(technische Hydromechanik)

Theorie der Strömungsmaschinen

Wärmestofftheorie Wärmelehre technische Thermodynamik

Kältetechnik

Wärmekraftmaschinen

thermische Stofftrennung u.a.

mechanischeTechnologie Fertigungs- und Verarbeitungstechnik

ZerspanungstechnikUmformtechnik

Schweißtechnik u.a.

MaterialprüfungWerkstoffprüfung Metallografie

Werkstoffkunde

19. Jh.

Werkstoffwissenschaften

Übersicht Disziplinengefüge des wissenschaftlichen Maschinenwesens

Übersicht Allgemeines Periodisierungsmuster zur Geschichte der Technikwissenschaften

Vorperiode Moderne Periode„Klassische“ Periode

Schaffung der Voraussetzungen

Heraus-bildung

Konsoli-dierung

Voraus-setzung

Herausbildung

Frühe NeuzeitPostindustrielle

WissensgesellschaftIndustrielle Revolution

1950um 1550 um 1770 1860 1900

Übersicht Abweichungen in den Einzeldisziplinen

ElektrotechnikElektronik

Verfahrenstechnik

wiss. Maschinenwesen

Bauingenieurwesen

Montanwissenschaften

19001800

Konzept der Disziplingenese

Disziplinbegriff - als Erscheinungsweise der Wissenschaft

Ausgangspunkt : tätigkeitsorientierter Wissenschaftsbegriffd.h. gegenstandsorientiertes System wissenschaftlicher Tätigkeit

- Gegenstand / Inhalte Produktion und- Methoden Reproduktion- Institutionen von Wissen als - Organisationsstrukturen sozialer Prozess

Disziplingenese:

Suche nach Entwicklungsmechanismen und Herausbildungsprinzipien:

Einheit von kognitiven und sozialen Aspekten

Begriffe zur Technikgeschichte Maschinenwesen

Vorrichtung, Werkzeugtechné, technai (grch.)

Kunstgriff, List

ars (lat.) - Kunst

artes mechanicae - mechan. Künste (Webkunst, Waffenschmiedekunst, Baukunst, Schiffahrt,

Ackerbau, Jagd, Heilkunst, Schauspielkunst)

artes liberales - freie Künste(Grammatik, Dialektik, Rhetorik - trivium

Geometrie, Arithmetik, Musik, Astronomie - quadrivium)

Artefakte - artis facere -Technikobjekte, künstlich geschaffen

machina (lat.) - Maschine („deus ex machina“)(Rüstzeug, Kriegsmaschine, Baugerüst, Hebezeug)

Prototypen neuzeitlicher Maschinerie: Uhr und Mühle

Ingenieur - von ingenium (lat.) - wunderbarer Einfall(ingenium - engina - ursprünglich: Kriegsmaschine)

Ingenieurberuf (Antike): militärische Herkunft, niedere „banausische“ Künste („mechanopoios“)

Künstler-Ingenieure (Renaissance): engineri, architecti, mechanici...

Spezialisierung / Akademisierung (19. Jh.): Bauingenieur (Civil-Engineer), Maschinenbauer (Mechanical Engineer) / Diplom-Ingenieur (Dipl.-Ing.), Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.)

Mechaniker der Antike

Aristotelische Schule des „Peripatos“ (3.Jh. v.Chr.)„Problemata Mechanica“

Archimedes von Syracus (287-212 v.Chr.): Hebelgesetz, Auftriebsprinzip, Flächenberechnungen

Ktesibios (um 250 v. Chr.), Philon von Byzanz (um 250 v.Chr.), und Heron von Alexandria (1.Jh. n.Chr.): mechanische Spielereien, Automatentheater, Pneumatik

überlieferte Werke desVitruv (1.Jh. v.Chr.) und Pappos (um 300 n.Chr.)„De Architectura libri decem“

Die mechanischen Potenzen der Antike

Baukunst, Manufakturen und MontanwesenWandel in Technik und Produktion

- Geistiger und sozialer Hintergrund: Spitzenstellung / Sonderweg des europäischen Kulturkreises 1200-1500

- Ausprägung okzidentaler Rationalität (Vernunft, Freiheit, Individualität)

- Neubewertung der Arbeit – Desakralisierung der Natur (ora et labora)

- Herausbildung einer neuen Wirtschaftsgesinnung –Entdeckung des Marktes (Fernhandel)

- Dynamisierung der Technikentwicklung und –nutzung- Entschlossene Erwerbsbestrebungen- Entdeckung der Neuen Welt – Geburt der modernen

Naturwissenschaften- Frühe Neuzeit = „Musterbuch der Moderne“

Beginn des „Europäischen Jahrtausends“

Warum nicht China oder andere Kulturkreise ?

Der Weg der europäischen Selbstmodernisierung insIndustriezeitalter

Die Renaissance als „Schwellenzeit“

Die lange „Inkubationszeit“ seit dem Mittelalter

Frage: industrielle Evolution versus industrielle Revolution ?

Die Zeichentechniken des Mittelalters

- Fortführen der Umklapptechniken der alten Kulturen (ägyptische Grabdarstellungen)

- „Byzantinische Manier“: Mischung aus Umklapptechnik und unvollkommener Perspektive in der Malerei

- Hervorhebung von Details – Maßangaben - Marginalien aus dem Alltagsleben in der technischen Darstellung

- Renaissance: Durchbruch der Zentralperspektive(Brunelleschi, Alberti, Da Vinci)

Künstler-Ingenieure - Vorboten der Mechanisierung Uhr und Mühle als Prototypen der modernen Maschinerie

• Künstler-Ingenieure – eine privilegierte Berufsgruppe

• Visionen, Erfindungen und Entwürfe von Leonardo da Vinci

• Verbales und visualisiertes technischen Wissens bei Leonardo

• Transport und Versetzung des Vatikanischen Obelisken im Jahr 1586 – ein technisches Großereignis der Renaissance

Der Künstler-lngenieur Leonardo da Vinci (1452-1519)Lebensstationen und Umfeld

1452geboren in einem kleinen toskanischen MarktfleckenLehre bei dem Maler und Bildhauer Verrocchio in Florenz

1472Aufnahme in die Meistergilde; Zeitgenossen: Donatello, Alberti, Brunelleschi u.a.

Im Dienst bzw. unter Protektion hoher Potentaten: Sforzas (Mailand), Cesare Borgia, Papst Leo X. (Medici)Ludwig XII. (König von Frankreich)

1519letzte Jahre auf dem Schloß Cloux bei Amboise inFrankreich verbracht und dort verstorben

Tätigkeiten Leonardos

anatomische-, mathematische- und Naturstudien

als Militäringenieur: Beaufsichtigung von Wasserbaumaßnahmen, Berater und Gutachter, Projektemacher, Erfinder, Ausstatter von Hoffestlichkeiten

Maler, Bildhauer: Planung eines monumentalen Reiterstandbildes

technisches Schrifttum (vor allem zwischen 1480 und 1500)

Erfindungen und Entwürfe: mechanische Werkzeugmaschinen (Feilenhaumaschine), Kugellager, Fahrrad, Fallschirm, Flugmaschinen, federgetriebenerWagen, Bagger und Kräne, Feuermaschine, Taucherausrüstung, Sprenggeschosse, Riesenarmbrust, Hubschrauber, diverse Maschinenelemente und Getriebe, Uhrwerke

Leonardos Skizzensammlungen

Codex Atlanticus, Codex Forster, Codex Madrid, Codex Arundel: riesiges Arsenal an technischen Aufzeichnungen (Schrift und Bild)

technische Entwürfe Leonardos: Antizipation (geistige Vorwegnahme) eines neuen (industriellen) Technik-Typs

besondere Leistungen:Maschinenelemente (Herauslösung aus der Ganzheit einer Maschine)

wechselvolle Geschichte seiner Skizzenblätter: teils zerstreut in viele Länder, verlustig gegangen und wiederaufgefunden (Codex Madrid erst 1965) -Leonardo-Renaissance im 19. Jh.

Herangehensweisen:geheimnisumwittert, verschlüsselt (C.A.)systematisch, didaktisch durchgearbeitet (C.M.)

Leonardos „technischer Denkstil“

Aufbruch zu neuem Denken in der Wissenschaft: Vision einer umfassenden Einheitswissenschaft

neues Naturverständnis gemäß einer kritischen Rezeption der Antike: Naturbeherrschung durch rationale Mittel

Fixieren des technischen Wissens: Elementarisieren Strukturieren Systematisieren Quantifizieren

Eindringen in die Natur technischer Vorgänge

Ergebnis: einfache Regeln (Rechenregeln)Ansätze physikalischer Durchdringungneue grafische DarstellungsformenAusformung der technischen Fachbegriffe (termini technici)Ingenieurmethodik zwischen Erfahrung und Erkenntnis

Ganzheitlichkeit

und

Elementarisierung

Leonardos Zeichentechnik

Durchbruch zur perspektivischen Abbildung - Ausprägung des räumlichen Darstellungsvermögens

Zerlegung (Zergliederung) der Objekte in entsprechenden Zeichentechniken nachvollzogen (Ansatzpunkt für wissenschaftliche Durchdringung)

- Rissdarstellung, Details, Schnitte, Bemaßung, Auseinanderrückung

- Herausschälen von Maschinenelementen und Mechanismen- Freilegung entsprechender (mechanischer, hydraulischer)

Wirkprinzipe- in summa: hohe visuelle Qualität, Nüchternheit und

Transparenz, Präzision, Herausheben konstruktiv-funktionaler Zusammenhänge

Anzeichen einer beginnenden Verwissenschaftlichung

technischer Sprachstil: Versachlichung (vorher auch Poetik), eindeutige Begriffszuordnung, Durchbruch vom mittelalterlichen Musterbuch zum Renaissancetraktat

Geometrisierung technischer Sachverhalte

grundlegende Methodik des Ingenieurschaffens -- Wechselwirkung von Empirie und Theorie

Eindringen in die physikalischen Phänomene (Experiment) und Versuch einer „mathematisch-theoretischen“ Begründung(elementare Rechenexempel)

Suche nach allgemeinen Prinzipien der Konstruktion: Einfachheit, alternative Lösungen, Übertragbarkeit auf andere Maßstäbe, Anschaulichkeit, Schönheit --- hierin liegt die besondere innovative Leistung Leonardos

Die wissenschaftliche Durchdringung technischer Gebilde und Verfahren

Gedankenexperiment am elementaren Baustein (Darstellung der Kräfte am Keil)

Erklärung der Phänomene(Reibung, Keilwirkung)

Formulierung eines Modellansatzes(Schnittprinzip, Gleichgewicht der kräfte, Optimierung von Wirkungen)

Übertragung auf konkrete technische Strukturen (Bogen, Gewölbe)

Einbeziehung technischer Charakteristika (qualitativ)

Besonderheiten in Leonardos Werk

1. Einsatz von Mechanismen zunächst für Kraftübertragung (Arbeitserleichterung) - dann erst für selbsttätige Steuerung (Auslösen eines Prozesses, Vorschub des Werkzeuges oder Materials, Stellglieder)

2. zielgerichtete Synthese solcher maschinellen Anordnungen nach zu gewährleistender Funktion

3. Vervielfachung durch Mehrfachanordnung (Bündelung)

4. beginnende Mechanisierung (Prototypen) in feinmechanischen Prozessen (Übertragung großer Kräfte)

5. Steigerung des Kraftbedarfes --- Sprengen der Möglichkeiten menschlicher Muskelkräfte impliziert Suche nach neuen Antriebsquellen (Federn, Feuer, Wasser...)

Zusammenfassung – Wirkungen Leonardos

die in der Renaissance einsetzende Protomechanisierung wird begleitetund gefördert durch einen gewaltigen Aufschwung des technischen Wissens

ausreichende Beherrschung von Material und Fertigungstechniken sowie theoretische Voraussetzungen für eine umfassende geistige Durchdringung technischer Prozesse sind noch nicht gegeben

Wiederkehr voraus gedachter Konstruktionsprinzipien auf höherer ökonomischer und technologischer Stufe in späteren Jahrhunderten (historische Kontinuität)

direkte Wirkungen Leonardos auf seine Zeit gering - aber Spiegelbild eines neuen Zeitgeistes

Spieltrieb, Gestaltungswille,überschäumende Phantasie

(noch) unlösbares Spannungsfeld vontechnisch-ökonomische Realität

Einberufung eines Ingenieurkongresses („Congregazione“) 1586

Vorführen von Plänen, Modellen und Zeichnungen

Sieger unter 500 Bewerbern:Domenico FontanaPäpstlicher Baumeister

Domenico Fontana:„Del modo tenuto neltrasportare l‘obeliscovaticano“ (1590)

Vom Künstler-Ingenieur zum Mechanicus und Maschinentechniker - Stand und Entwicklung des

maschinentechnischen Wissens im 17./18. Jh.

• Einführung: Die literarische Entdeckung der Produktion

• Die Geburt der modernen Naturwissenschaften

• Kunst und Technik im Barock• Aufklärung und Rationalismus• Praktische Mechanik und Maschinenkunde• Die Herausbildung des Ingenieurberufes

Maschinenbücher der frühen Neuzeit

Georgius Agricola: De re metallica (1556)Jaques Besson: Theatrum instrumentorum et machinarum

(1569)Agostino Ramelli: Le Diverse et artificiose machine (1588)Vittorio Zonca: Nouvo Teatro di Machine (1607)Johann Zeising: Theatri machinarum (1612-13)Salomon de Caus: Von gewaltsamen Bewegungen… (1615)Fausto Veranzio: Machinae novae (1616)Jacob de Strada á Rossberg: Künstlicher Abriss allerhand

Mühlen… (1618)Giovanni Branca: Le machine (1629)Georg Andreas Böckler: Theatrum machinarum novum (1662)Jacob Leupold: Theatrum machinarum (1724-27)

Zitat zur Industriellen Revolution

„Während in Frankreich der Orkan der Revolution das Land ausfegte, ging in England eine stillere, aber darum nicht minder gewaltige Umwälzung vor sich. Der Dampf und die neue Werkzeugmaschinerie verwandelten die Manufaktur in die moderne große Industrie und revolutionierten damit die ganze Grundlage der bürgerlichen Gesellschaft.“

Friedrich Engels: „Anti-Dühring“

Bevölkerungsstatistik Grossbritannien

Einwohnerzahl:

1760 7,4 Millionen EW1830 16,4 Millionen EW

Beschäftigung in Branchen:

6 Handel / Industrie1800 ----

5 Landwirtschaft

2 Handel / Industrie1830 ----

1 Landwirtschaft

Faktoren des Industrialisierungsprozesses

1. Wirtschaftlicher Zugang: sektoraler Strukturwandel

Industriesektor wird bestimmend hinsichtlich Beschäftigten und Wertschöpfung

3 Sektoren Primärproduktion (Landwirtschaft)Sekundärproduktion (Gewerbe / Industrie)Tertiärproduktion (Dienstleistungen)

2. Institutionalisierung eines stabilen Wirtschaftswachstums

marktinduziert - getragen vom IndustriesektorÜbergang zur Dienstleistungsgesellschaft (USA)Wandel in der Arbeitswelt (Wissenschaft + Technik)Tendenz zur Deindustrialisierung (tertiäre Zivilisiation)

Anteile der drei Sektoren der Wirtschaft an Sozialprodukt (SP) und Bevölkerung (B) in Großbritannien

(Quelle: Fischer)

Wachstum des Sozialproduktes und der Bevölkerung in Großbritannien

(Quelle: Fischer, Léon)

BSPin Mill. ₤

Bevölkerungin Millionen

Faktoren des Industrialisierungsprozesses

4. Bestimmungsstücke der Industrie

maschinelle Fertigung + FabriksystemIndustrieproduktion wird zum qualitativen Bestimmungsstück der gewerblichen Produktion (Hier entscheidende Dynamisierung)

5. Kulturelle und soziale Wandlungen

Industrielle Revolution auch soziale Revolution

Entstehung eines neuen Gesellschaftsmodells

Faktoren des Industrialisierungsprozesses

5. Technischer Kern der industriellen Revolution

Durchbruch zur MaschinenproduktionMechanisierung in den Hauptzweigen der Wirtschaft (Maschinisierung) in den Hauptprozessen der Produktion

- Nutzung standortunabhängiger Kraftmaschinen(Dampfmaschine)

- Zentralisierung der Produktion in Fabriken

- Revolutionierung des Transportwesens (Eisenbahnen, Dampfschiffe)

- Marktwirtschaft und modernes Unternehmertum setzen sich durch

Das dreigeteilte Fabriksystem

Zeitrahmen für die industrielle RevolutionEngland („Mutterland der IR“)

1750/60 bis 1830 (take off)

europäischer RahmenBelgien 1820 bis 1850Frankreich 1820 bis 1860

Deutschland im Mittel Beginn Frühindustrialisierung um 1800Durchbruch um 1840Expansion um 1850Ende um 1870

regionalspezifische AspekteSachsen 1800 bis 1830 (Frühindustrialisierung)Preußen 1830 bis 1850

Industrielle Revolution in England- besonders günstiges Bedingungsgeflecht -

1. Liberales politisches System - „offene Gesellschaft“kulturelles und institutionelle Milieu: innovationsfreudig und kommunikativ

2. Rolle des Staates: vertrauensbildend (Patentgesetze, staatliche Schuldenverwaltung etc.) Wirtschaftsliberalismus (keine Zunfthemmungen)

3. Britische Aufklärung und Utilitarismus, puritanische Traditionen und Wissenstransfer durch Hugenotten

4. Frühe Kapitalisierung der Landwirtschaft („Einhegungen“, Ertragssteigerungen, Dynamisierung)Freisetzung von Arbeitskräften

5. Bevölkerungsanstieg --- Bedarfsexplosion(„Konsumrevolution“)

6. Wissenschaftliches Klima - Rolle der Societies(shop culture versus school culture)

Bevölkerungsentwicklung europäischer Länder zwischen 1000 und 1900 (nach Hinrichs)

_ _ _ _ Frankreich_____ Deutschland……… Großbritannien

Die Rolle der Baumwollproduktion in der Industrialisierung

(Quelle: Paulinyi 1989)

Standorte der führenden

Industriespartenin Großbritannien

während der Industriellen

Revolution

(Quelle: PropyläenTechnikgeschichte

1997)

Zusammenfassung

• Übergang von der Agrar- zur Dienstleistungsgesellschaft• völlig neue Organisation der Arbeit im verarbeitenden

Gewerbe• Arbeitsteilung und Mechanisierung auf neuem Niveau• strategisches Zentrum: „Werkzeugmaschine“• technischer Wandel und Wirtschaftswachstum werden

zum „Tempomacher der Moderne“• Überwindung naturwüchsiger Beschränkung durch

Handarbeit• Deindustrialisierung: „Triumph der industriellen

Revolution“, die sich selber abschafft

Technischer Wandel im Maschinenwesen

• Die Mechanisierung des Spinnens• Auflösung in mechanisierte

Arbeitsprozesse• Aufschaukeln der Prozesse:

Spinnen und Weben• Die Fabrik in der Textilindustrie• Die Entwicklung der Werkzeugmaschine:

Maschinen fertigen Maschinen• Vom Holz zum Eisen: Kohle - Eisen - Stahl

als Voraussetzung für industriellen Maschinenbau

• Technischer Wandel und industrielle Kultur

„Aufschaukeln“ der textilen HauptprozesseSpinnen und Weben

Die Drehmaschine als „Verbesserungserfindung“

Verfahren zurEisen- undStahlgewinnung

Vom Roheisen zum Fluss-Stahl

DurchschnittlicheRoheisenerzeugungje Hochofen und Jahrin Rheinland/Westfalen

(Quelle: PropyläenTechnikgeschichte 1997)

AnteileVerschiedenerVerfahrenan derStahlherstellung

Die energetische Basis der großen Industrie:Wasserräder und Dampfmaschinen

• Die energetische Basis von Handwerk, Manufaktur und Industrie am Beispiel Preußen – Sachsen

• Dampfmaschine und industrielle Revolution• James Watt und die Entwicklung der

Betriebsdampfmaschine• alternativen Bauformen und

Maschinenbaustil• Der Aufstieg des sächsischen

Maschinenbaus

Die energetische Basis von Handwerk, Manufaktur und Industrie

Wind- und Wasserkraft seit dem Mittelalter als energetische Basis handwerklicher und manufakturellerProduktion

Vorherrschen der Handarbeit (plus Einsatz Tierkräfte)

Industrielle Revolution: zunächst handbetriebene Arbeitsmaschinerie („Spinning Jenny“)

mit der Massenhaftigkeit der Arbeitsmaschinerie, wachsender Baugröße und Arbeitsgeschwindigkeit wird die Nutzung von Naturkräften in großem Maßstabunabdingbar (Wasser- und Dampfenergie)

in wasserreichen Gegenden: lange Zeit Vorherrschen der Wasserkraft gegenüber dem Einsatz von Dampfmaschinen

Wasser- oder Dampfkraft Vergleich Preußen - Sachsen

Dampfkraft in Preußen:

1830: 220 PS1846/47: 21714 PS (in Industrie und Bergbau)

1830 40 % aller Dampfmaschinen im Deutschland sind im Bergbau eingesetzt

75 % aller dt. Dampfmaschinen sind in den Ländern des Zollvereins eingesetzt

Wasser- oder Dampfkraft Vergleich Preußen - Sachsen

energetische Basis in Sachsen um 1830:Pferdekraft: 38 % der GesamtantriebsenergieWasserkraft als Antrieb in:

40 % der Kamm- und Streichgarnspinnereien80 % der Baumwollspinnereien

Dampfkraft:1830 - insgesamt nur 10 Dampfmaschinen1846/47 angewachsen auf (nur) 2732 PS (9 %)

menschliche Muskelkraft: noch immer 13,5 %

Standorte und Anzahl der Wassermühlen und Dampfmaschinen

im Raum Berlin und in Sachsen /Erzgebirgsvorland um 1830

Quelle: Produktivkräfte in Deutschland 1800-1870

Anzahl der Baumwollspinnereien im Deutschen Zollverein (1846-1861)

Spindelzahl pro Spinnerei auf dem Gebiet des Deutschen Zollvereins (1846-1861)

Quelle: Produktivkräfte in Deutschland 1800-1870

Verschiebungen in den Einsatzfeldern der Dampfmaschine in Preußen (1830-1846)

Quelle: Produktivkräfte in Deutschland 1800-1870

Einsatzfelder und Kapazitäten der Dampfmaschinen in Deutschland im Jahr 1875

Quelle: Produktivkräfte in Deutschland 1800-1870

Die energetische Basis von Handwerk, Manufaktur und Industrie

Dampfmaschine: als bergbauliche Pumpmaschine entstanden, zunächst atmosphärische Balancierdampfmaschine

Betriebsdampfmaschine („Agent der großen Industrie“)- doppeltwirkende Maschine mit Geradführung- Rotationsbewegung : Planetengetriebe / Kurbelwelle- thermische Vervollkommnung : getrennter

Kondensator- Verbundmaschinen mit höheren Dampfdrücken

wird zur mobilen, standortunabhängigenAntriebsquelle

Dampfkraft und Industrielle Revolution

• Die Dampfmaschine hat die Industrielle Revolution zwar nicht ausgelöst, sie hat aber wesentlich zur Ausbreitung des modernen Fabrikbetriebes beigetragen

• Die Dampfmaschine als „Verbesserungserfindung“ist das Produkt von Generationen Handwerker, Wissenschaftler und Techniker

• Der entscheidende Durchbruch zur standortunabhängigen Betriebsdampfmaschine ist dem schottischen Erfinder James Watt (1736-1819) zu verdanken

Dampfkraft und Industrielle Revolution:der Weg zur Betriebsdampfmaschine

Zu Watts wesentlichen Verbesserungen in der konstruktiven Entwicklung einer technisch ausgereiften und wirtschaftlich leistungsfähigen Wärmekraftmaschine zählen: 1. getrennter Kondensator mit Luftpumpe2. Dampfmantel gegen Wärmeverluste3. zweiseitige Beaufschlagung des Kolbens mit

Dampf (doppeltwirkende Maschine)4. Parallelogrammführung der Kolbenstange5. Mechanismen zur Bewegungswandlung6. Fliehkraftregulator

Dampfkraft und Industrielle Revolution

• Die Dampfmaschine (erste "wissenschaftliche Maschine„) ist nicht allein auf dem Boden handwerklicher Erfahrung gewachsen; in ihren Entwicklungsprozess sind auch wissenschaftliche Kenntnisse und Methoden eingeflossen

• Die Entwicklung der Kolbendampfmaschine ist ein wechselvoller, von Rückschlägen und alternativen Wegen gekennzeichneter Prozess

• Der Siegeszug der Dampfmaschine im 19. Jh. ist in vielen Bereichen von Industrie, Verkehrswesen und Landwirtschaft abzulesen

Lebensdaten zu James Watt

1736 Am 19. Januar als Sohn eines Schiffszimmermanns in Greenock am Clyde (Schottland) geboren

1754 Lehre als Feinmechaniker in Glasgow und London1757 Universitätsmechaniker in Glasgow1763 Die Reparatur des Modells einer Newcomen-Maschine

gibt den Anstoß, sich mit dem Wirkprinzip der Dampfmaschine zu beschäftigen. Anregungen bekommt Watt in der Folgezeit auch aus dem Umfeld der „LunarSociety“, namentlich von dem Physiker J. Robison(1739-1805) und dem Chemiker J. Black (1728-1799)

1765 Erfindung des Kondensators1769 Erteilung des Patentes für den separierten Kondensator

und damit für Watts Niederdruckmaschine1773 Nachdem die Zusammenarbeit mit dem Industriellen und

Erfinder J. Roebuk (1718-1794) in einem finanziellen Fiasko endet, lernt er seinen späteren Geschäftspartner und Freund M. Boulton (1728-1809) kennen

Lebensdaten zu James Watt

1774 Gründung der ersten Dampfmaschinenfabrik der Welt „Boulton und Watt“ in Soho bei Birmingham und Herstellung des ersten Prototyps der Niederdruck-Pumpmaschine

1782 Patente zur doppeltwirkenden Betriebsdampfmaschine

1783 Die erste rotierende Maschine außerhalb Sohos wird errichtet

1784 Patent auf die Geradführung der Kolbenstange am Balancier („Wattsches Parallelogramm“)

1800 Mit Ablauf der Dampfmaschinenpatente zieht sich Watt aus der Geschäftstätigkeit zurück

1819 Am 9. August in Heathfield bei Birmingham verstorben

Arbeitsweise der atmosphärischen Dampfmaschine

Möglichkeiten der Geradführungder Kolbenstange

(Quelle: Wagenbreth/Wächtler)

mit BalancierBogensegment - NewconmenParallelogramm – WattLenker – Evans

ohne BalancierGeradführung – WattRollenkreuzkopfKreuzkopf in Gleitbahn

Entwicklung der Betriebsdampf-maschine und ihrer alternativen Bauformen(Quelle:Wagenbreth)

Balanciermaschineliegende MaschineTurmmaschineBockmaschineBügelmaschineoszillierende Maschine

Entwicklung von Platzbedarf und Zylindergröße der Kolbendampfmaschine bezogen auf die Leistung

Quelle: Wagenbreth / Wächtler 1986)

Beginn der Verwissenschaftlichung des Maschinenwesen an den polytechnischen Schulen

• Aufstieg der polytechnischen Schulen -die Pariser École Polytechnique

• Einsatz neuer Materialien und Fertigungstechniken -Grenzen empirischen Wissens im Maschinenbau

• Pioniere des wissenschaftlichen Maschinenwesens in Dresden: Schubert und Hülsse

• Weisbach-Redtenbacher-Periode: Herausbildung der modernen Maschinentheorie - Maschinenlehre als ingenieurwissenschaftliche Disziplin

• Reuleaux und Grashof: theoretische Konsolidierung und Methodenstreit

• Bach, Stodola und Riedler: das moderne technikwissenschaftliche Experimentalwesen -Maschinenlaboratorien und Materialprüfungsanstalten

Vorläufer der französischen Ingenieurausbildung

Corps des Ponts et Chaussées 1716École des Ponts et Chaussées 1747

École des Ingenieures Militaires in Mézieres 1748

École des Mines 1778

École Centrale des Travaux publics 1794

École Polytechnique in Paris 1795

Programm der École Polytechnique

- Mobilisierung der Wissenschaft für die Verteidigung der Republik

- Grundlagenausbildung für die Écoles d‘Applikation- Zusammengehörigkeit aller Zweige des technischen

Wissens (=Polytechnik)- Tragendes Curriculum: Darstellende Geometrie- Technische Zeichnung (Projektion) als „Sprache des

Ingenieurs“ zur Abbildung und Beschreibung technischer Gebilde und Verfahren

- Hauptgrundlage der Maschinelehre: technische Mechanik- Wechsel von theoretischen Studien und praktischen

Übungen- Schulung des Entwurfsdenkens (Antizipation)

Hauptzweige der technischen Mechanik und Maschinenlehre in Frankreich

1. Kinematische Maschinenlehre(Monge, L. Carnot, Hachette, Lanz/Betancourt, Dupin)

2. Molekulartheoretische (physikalische) Mechanik(Laplace, Lagrange, Poisson, Cauchy)

3. Technische Statik (Poisson)

4. Dynamisch-energetísche Maschinenlehre(Coulomb, Navier, Coriolis, Poncelet)

Hauptwerke der französischen technischen Mechanik

Poncelet: Mechanique appliquée aux machines (1826)Mechanique industrielle (1839)

Navier: Résumedes lecons…sur l‘application de la mechanique à l‘etablissement..de machines(1826)

Standorte der Schule:

Technische Bildungsanstalt

Polytechnische Schule

Polytechnikum

Johann Andreas Schubert - Werk

Kurzvita Ferdinand Redtenbacher

25.7.1809 in Steyr (Oberösterreich) geboren1820-1824 kaufmännische Lehre im Spezerei- und

Schnittwarengeschäft des Onkels1825 Technischer Zeichner bei der k.k. Baudirektion Linz1825-1829 Studium am Polytechnikum und an der Universität Wien:

Vorlesungen in Mathematik, Mechanik, Maschinenlehre, mechanische Technologie, Astronomie, Feldmesskunst und Straßenbaukunde

1829-1834 Assistent bei Johann Arzberger (Maschinenlehre)1835-1840 Lehrer und Professor für Mathematik und geometrisches

Zeichnen an der höheren Industrieschule in Zürich; Zusammenarbeit mit der Maschinenfabrik Escher & Wyss

1841-1863 Professor für Mechanik und Maschinenlehre am Polytechnikum Karlsruhe

1857-1862 Direktor des Karlsruher Polytechnikums16.4.1863 in Karlsruhe gestorben

Redtenbachers ingenieurwissenschaftliche Methode

Vorstufe: „Methode der Verhältniszahlen“ – Einführung von Koeffizienten und Verhältniszahlen in halbempirischen Näherungslösungen (praktikable Handbücher)

Fernziel: „Maschinenwissenschaft der Deduktion“, d.h. Hinführen zu theoretischen Verallgemeinerungen durch mathematische Modellbildung und Experiment

Methode: Entwicklung von Haupt- und Nebengrößen für eine vorteilhafte Maschinenkonstruktion – technisch-ökonomische Optimierung der Hauptgrößen (Leistung, Wirkungsgrad, Festigkeit) in einem System von Bedingungsgleichungen

Zulassen von Methodenvielfalt – Einbeziehung eines Reservoirs an verbalen und nichtverbalen (visuellen) Techniken bei der didaktischen Vermittlung maschinentechnischer Sachverhalte

Theorie des Zwanglaufes

Elementpaare und kinematische Ketten:

Eine geschlossene kinematische Kette, von welcher ein Glied festgestellt ist, heisseein Mechanismusoder Getriebe

Reuleaux (1875)

Kinematische Symbolsprachen

Vorgänger:- Verzeichnung von Zähnen und Wellen bei Uhrmachern- Ch. Babbage: A Method of Expressing by Signs… (1826)- R. Willis: Principles of Mechanisms (1841)

Reuleaux (1875):- Gattungs- oder Namenszeichen (Schraube S, Prisma P…)- Art- oder Formzeichen (Vollkörper +, Hohlkörper -…)- Beziehungszeichen (gleich =, parallel ||, planar 0…)

Nach 1945: J. Denavit; R. S. Hartenberg: Operationalisierung der kinematischen Synthese in modernen Matrix-Systemen

„Hochindustrialisierung“industrieller Aufstieg Deutschlands und der USA (1850-1914)

- Wandel in technischen Systemzusammenhängen -

1. Neue technische Systeme wachsen zusammen (Systemcharakter der Industrialisierung)

2. Entwicklung im Mensch-Technik-Verhältnis („Normierung“ des Menschen und der Gesellschaft)

3. Akkumulation und Verdichtung von Technik führt zu beschleunigtem technischen Wandel („Aufschaukeln“ neuer Systeme und Prinzipe)

4. Industrie erzwingt staatliche Kontrolle und Regulierung (Der Staat als Versorgungsorgan und Gesetzgeber)

5. Das Militärwesen bemächtigt sich der Industrie (Militärische Erfindungskomponente)

6. Technik weitet menschliche Handlungsspielräume aus (Expertenwissen, gesellschaftliche Stellung des Ingenieurs)

Anteil an der Weltindustrie-produktion

(nach Fischer)

(Quelle: OECD, Historical Statistics)

(Quelle: OECD, Historical Statistics)

Mechanisierung weiterer Bereiche von Technik und Produktion im 19. Jahrhundert

• Siegeszug der Dampf- und Werkzeugmaschinerie im Fabrikwesen

• Ausbau der Verkehrswege : Eisenbahn und Dampfschiffahrt, Verkehrswege- und Brückenbau

• Mechanisierung in der Landwirtschaft : Dampfpflug und Mähmaschine

• Druckerei und Kommunikation : Schnellpresse, Linotype, Telegrafie- und Telefonnetze

• Zyklopen der Technik : Ozeanriesen und Großdampfmaschine

• Mechanisierung der jungen Industrien : Nähmaschine und Fahrrad am Beginn der Massenfertigung - Einzug der Maschine in den Alltag

Neue Antriebe ausgangs des 19. Jahrhunderts

• kompakte Maschinen: Hochdruckdampfmotoren, Wasser-und Dampfturbinen (Stromerzeugung, hohe Drehzahlen)

• Gaskraftmaschinen und Verbrennungsmotoren: Kleinindustrie und erste „Motorkutschen“ (Lenoir, Langen, Otto, Benz)

• technische Realisierung des elektrodynamischen Prinzips(Siemens, Halske)

• elektrische Kraftzentralen und Fernübertragung des elektrischen Stromes (Edison), zunächst vor allem zu Beleuchtungszwecken

• Nutzung der Elektroenergie als „saubere Antriebsquelle“seit ca. 1900: vom elektrischen Gruppenantrieb zum Einzelantrieb mit Elektromotor

• Vorzüge des Dieselmotors (seit 1897): hoher Wirkungsgrad, nichtexplosiver Brennstoff, geringerer Kraftstoffverbrauch

Massenproduktion – Massenkonsum

Industrialisierung:enorme Gütervermehrung und Einkommenssteigerung

Wandel:• Entbehrung - Begehren• Mangel - Überfluß(gesellschaft)• Armut - Wohlstand(sgesellschaft)• Arbeit - Freizeit(sgesellschaft)• Produktion - Konsum(gesellschaft)

Maschineneinsatz und Arbeitsorganisation schaffen:• Massenproduktion (Economies of Scale)• Fließfertigung• Austauschbau (Standardisierung, Normierung)

Massenproduktion – Massenkonsum

Konsumverstärkung: Mode, Werbung, Verpackung

Taylorismus:• Arbeitszeitstudien• Ergonomie / Psychotechnik• Wissenschaftliche Betriebsführung• Arbeitswissenschaften

Durchschnittliches Prokopfeinkommen 1914 ($/Jahr):• USA 334• Großbritannien 243• Frankreich 185• Deutschland 146

Kriegs- und Zwischenkriegszeit 1914-1945

Krieg der Ingenieure - Technisierung des Schlachtfeldes- neue Qualität der Wechselwirkung zivile - militärische

Technik- die Industrialisierung des Tötens- die Rolle des militärisch-industriellen-(akademischen)

Komplexes- Pfadabhängigkeit von technischer Entwicklung in

Rüstung und Krieg - Kriegstechnik als zentrale Ressource

Der Erste Weltkrieg als “Urkatastrophe des 20. Jhs.”- die neue Dimension des Krieges- die Innovationssysteme des Krieges- kriegstechnische Entwicklungen

Kriegs- und Zwischenkriegszeit 1914-1945

Technik, Wissenschaft und Ingenieure im Nationalsozialismus

- eine Grundfrage: “Missbrauchsformel” oder Kollaboration / Selbstmobilisierung ?

- die Unterordnung der Wissenschaft unter Aufrüstung und Kriegswirtschaft: Autarkiebestrebungen, Entwicklung einer “Deutschen Technik” und “Gleichschaltung” der Akteure

- Wissenschaftspolitik des NS-Staates- Beispiele für die “Selbstmobilisierung” der Ingenieure- kriegstechnische Innovationen und Fehlinnovationen

Entwicklung der Mechanischen Abteilung bis 19051829 Ausbildung von praktischen Mechanikern in den Gründungsjahren

der Technischen Bildungsanstalt1835 Reform der mathematisch-mechanischen Richtung in der oberen

Abteilung1850 Schubert und Hülsse als die bedeutenden Lehrer auf dem

Gebiet des wissenschaftlichen Maschinenwesens an der Polytechnischen Schule

1851 Teilung in Sektionen des Fachstudiums - Sektion A: Maschinenbau und mechanische Technik

1865 Gründung einer eigenen Mechanisch-Technischen Abteilung1871 Die Mechanische Abteilung als Kernstück des Polytechnikums -

Ausbau der Fächer des Maschinenwesens. Die Ära Zeuner –hoher theoretischer Anspruch

1860 ff. Ausbau der Sammlungen des Maschinenwesens1880 ff. Etablierung der experimentellen Forschung im Zuge des Campus-

Ausbaus: Hartig - technologisches Experiment (dynamometrische Messungen an Maschinen); L. und E. Lewicki, Mollier - Aufbau des Maschinenlaboratoriums; Stribeck und Scheit - Aufbau der Mechanisch-Technischen Versuchsanstalt

1905 Einweihung der Neubauten der Mechanischen Abteilung in der Südvorstadt

Von der Mechanischen Abteilung zur Fakultät

1908 Maschinen-Lehrausstellung auf Betreiben des VDI

1900ff. Die Zeuner-Schule und ihre Wirkungen auf den thermischen Maschinenbau: Mollier, Leonidas undErnst Lewicki, Nusselt, Plank und Merkel

1918ff Das moderne wissenschaftliche Maschinenwesen im Zeichen der Rationalisierung der Industrie: Berndt, Sachsenberg, Nägel und KutzbachEinführung der Lehrgebiete Kraftfahrzeugtechnik (Wawrziniok), Getriebetechnik (Alt), Wärmewirtschaft (Pauer)

1939-45 Die Fakultät Maschinenwesen (Benennung 1941) im Dienst der Rüstungsforschung des NS-Staates

Von der Mechanischen Abteilung zur Fakultät1945 Neubeginn nach dem Zweiten Weltkrieg: Heidebroek

als Rektor und Dekan1946-48 Die Abteilung für Maschinenwesen in der Fakultät

für Kommunale Wirtschaft1949 Neugründung der Fakultät für Maschinenwesen -

neue Fächer, neue Namen: Lichtenheldt, Frenzel, Jante, Koloc, Faltin, Albring, Eisenkolb, Boie, Neuber

1952 ff. Herauslösung der Fakultäten für Elektrotechnik (1952), Technologie (1954) und Leichtbau (1954-1956), später Luftfahrwesen (1956) aus dem Maschinenwesen

1968 III. Hochschulreform: Auflösung der Fakultät in vier Sektionen - namhafte Hochschullehrer: Fronius, Kienast, Tränkner, Berthold, Gruner, Oehmichen, Elsner, Weigand, Richter, Schatt und andere

1989 Neugründung der Fakultät Maschinenwesen im Zuge der Hochschulerneuerung nach der Wiedervereinigung -prägende Hochschullehrer: Landgraf als Rektor und Holzweißig als Dekan

Die wissenschaftlichen Schule von G. A. Zeuner(Quelle: Krug 1981)

Wissenschaftsprofil der Zeuner-Mollier-Schule(Quelle: Krug 1981 und Kaiser 1996)