Unter Maschinenkonstruktion versteht man die Entwicklung einer Maschine oder Anlage zu einem fertigungsreifen Ganzen. Das Endergebnis besteht aus einem 3D-Modell, Arbeits- und Montagezeichnungen sowie einer Dokumentation, anhand derer die Maschinenbauwerkstatt die Maschine fertigt und der Hersteller nachweist, dass sie die Sicherheitsanforderungen erfüllt. Die eigentliche Aufgabe des Konstrukteurs besteht in der Abstimmung der Anforderungen: Funktion, Sicherheit, Herstellbarkeit, Kosten und Wartungsfreundlichkeit ziehen oft in unterschiedliche Richtungen, und eine gute Lösung erfüllt sie alle in ausreichendem Maße.
Ein schlecht definiertes Problem führt leicht zu einer zwar gut umgesetzten, aber falschen Maschine. Deshalb trifft der Konstrukteur die wichtigsten Entscheidungen, bevor er das CAD-Programm öffnet.
Maschinenkonstruktion, mechanische Konstruktion und Gerätekonstruktion – worin besteht der Unterschied?
In der Praxis überschneiden sich die Begriffe, und viele verwenden sie als Synonyme. Grob lassen sie sich nach der Ebene unterscheiden: Die Konstruktion von Maschinenelementen ist die Komponentenebene, die Maschinenkonstruktion die Ebene des funktionalen Ganzen und die mechanische Konstruktion ein Oberbegriff, der sich durch alle Ebenen zieht. Die Bedeutung der Gerätekonstruktion variiert je nach Branche.
| Begriff | Was konstruiert wird | Typisches Ergebnis |
|---|---|---|
| Mechanische Konstruktion | Oberbegriff: alle mechanischen Konstruktionen, von Einzelteilen bis hin zu kompletten Anlagen | 3D-Modelle, Arbeits- und Montagezeichnungen, gegebenenfalls Festigkeitsberechnungen |
| Maschinenkonstruktion | Die Maschine als Ganzes: bewegliche Teile, Antriebe, Steuerung und Sicherheit als ein einheitliches System | Zeichnungssatz und Dokumentation zum Nachweis der Konformität, z. B. Risikobeurteilung und technische Unterlagen |
| Gerätekonstruktion | In der Prozessindustrie: eine stationäre Prozessanlage, wie beispielsweise ein Behälter, ein Druckbehälter oder ein Wärmetauscher. In der Produktentwicklung: ein auf den Anwender ausgerichtetes Produkt, in dem Mechanik, Elektronik und Software miteinander vereint sind | In der Prozessindustrie: Apparatezeichnungen, Datenblätter und Beschaffungsspezifikationen. In der Produktentwicklung: Produktspezifikation, Prototyp und Fertigungsdokumentation |
| Konstruktion von Maschinenelementen | Einzelne Maschinenelemente wie Wellen, Lagerungen, Zahnräder, Schraub- und Schweißverbindungen sowie Federn | Dimensionierungsberechnungen, Einzelteilzeichnungen und Auswahl von Standardbauteilen |
Die Gerätekonstruktion ist der unschärfste dieser Begriffe. In der Prozess- und Energieindustrie wird sie von der Rohrleitungs- und Layoutplanung abgegrenzt, und bei Anlagenprojekten kann sie auch die Auswahl und Spezifikation von Apparaten umfassen. Beiden Bedeutungen ist gemeinsam, dass das Gerät nicht unbedingt eine nennenswerte eigene Bewegung oder Kraftübertragung hat.
Bei der Konstruktion von Maschinenelementen stehen Festigkeit, Ermüdung, Toleranzen und Passungen, Werkstoffe sowie die Auswahl von Normteilen im Mittelpunkt. Sie ist in der Regel eine Teilaufgabe der Maschinenkonstruktion und keine eigenständige Dienstleistung. Zusätzliche Verwirrung entsteht dadurch, dass Maschinenkonstruktion auch die Bezeichnung eines Lehrgebiets im Maschinenbau ist und dann auch Maschinenelemente und Festigkeitslehre umfasst.
Bei Hefmec ist die Maschinen- und Gerätekonstruktion Teil der mechanischen Konstruktion, und wir konstruieren bei Bedarf im Rahmen ein und desselben Projekts sowohl die gesamte Maschine als auch ihre einzelnen Bauteile. Eine genauere Erläuterung dieses Begriffs finden Sie im Artikel „Mechanische Konstruktion“.
Wie verläuft ein Maschinenkonstruktionsprojekt?
Die Projekte reichen von einer einzelnen Vorrichtung bis hin zu einer kompletten Produktionszelle, doch der Konstrukteur trifft seine Entscheidungen fast immer in derselben Reihenfolge. Die dritte Spalte der Tabelle zeigt, dass die Risikobeurteilung nicht nur eine Phase unter vielen ist, sondern sich durch das gesamte Projekt zieht.
| Schritt | Was der Konstrukteur entscheidet | Rolle der Risikobeurteilung | Ergebnis |
|---|---|---|---|
| 1. Anforderungen | Verwendungszweck, Kapazität, Belastungen und Auslastungsgrad, Einsatzumgebung, Schnittstellen, Wartung und Reinigung, Produktionsmenge und Kostenziel | Grenzen der Maschine: Verwendungszweck, vernünftigerweise vorhersehbarer Missbrauch, Benutzer und Phasen des Lebenszyklus von der Installation bis zur Demontage | Anforderungsspezifikation, z. B. URS |
| 2. Konzept | 2–3 Funktionsprinzipien parallel; Vergleich auf der Grundlage von Funktion, Risiko, Herstellbarkeit, Wartbarkeit, Kosten und Zeitplan | Vorzugsweise eine Lösung, bei der keinerlei Gefahr entsteht | Ausgewähltes Konzept und vorläufiger Kostenvoranschlag |
| 3. Detailkonstruktion | Aufbau, Komponenten, Werkstoffe, Toleranzen | Schutzvorrichtungen und Sicherheitsfunktionen sowie das von ihnen geforderte Zuverlässigkeitsniveau, das die Auslegung des Steuerungssystems bestimmt | 3D-Modell |
| 4. Dimensionierung | Lastfälle, Handrechnung oder FEM, Ermüdung und Knicken | Störfälle und vorhersehbarer Missbrauch werden zu Lastfällen | Festigkeitsberechnungen |
| 5. Zeichnungen und Begutachtung | Arbeits- und Zusammenbauzeichnungen, Überprüfungen der Herstellbarkeit | Lösungen zur Risikominderung sind in den Zeichnungen dargestellt | Fertigungsreife Dokumentation |
| 6. Konformität | Zusammenstellung der technischen Unterlagen | Abschluss der Risikobeurteilung und Dokumentation der Restrisiken | Risikobeurteilung, technische Unterlagen, Inhalt der Betriebsanleitung |
| 7. Herstellung und Inbetriebnahme | Fertigung, Montage, Prüfung | Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Sicherheitsfunktionen | Funktionsfähige Maschine, Betriebsanleitung und EU-Konformitätserklärung des Herstellers |
Die erste Phase ist oft entscheidend. Wenn der Bedarf sorgfältig dokumentiert wurde, beispielsweise in Form einer Anforderungsspezifikation (URS), weiß der Konstrukteur, auf welche Rahmenbedingungen er die Lösung auslegen muss, und es sind in späteren Phasen weniger Änderungen erforderlich. In der Konzeptphase sollte die erste funktionsfähige Idee nicht sofort detailliert ausgearbeitet werden. Der Vergleich von zwei oder drei Alternativen dauert zwar nur wenige Tage, doch ein falsches Funktionsprinzip kann das gesamte Projektbudget verschlingen.
Die Norm EN ISO 12100 beschreibt die Schritte der Risikobeurteilung: Festlegung der Grenzen der Maschine, Erkennung von Gefahren, Risikoeinschätzung und Risikominderung. Der Konstrukteur mindert das Risiko in dieser Reihenfolge: zunächst durch konstruktive Lösungen, dann durch Schutzeinrichtungen und Sicherheitsfunktionen und erst zuletzt durch Betriebsanleitungen und Warnhinweise. Je später eine Gefahr erkannt wird, desto häufiger bleibt nur noch eine Schutzvorrichtung oder ein Warnhinweis übrig.
Der Hersteller der Maschine führt eine Risikobeurteilung durch, erstellt die technischen Unterlagen und unterzeichnet die Konformitätserklärung, bevor er die CE-Kennzeichnung an der Maschine anbringt. Die Maschinenverordnung (EU) 2023/1230 ersetzt die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und gilt ab dem 20. Januar 2027.
Die Herstellbarkeit entscheidet sich bereits am Reißbrett
Die Herstellbarkeit sollte bereits in der Konzeptphase berücksichtigt werden. Wenn der Konstrukteur die Schweißreihenfolge, die Zugänglichkeit der zu bearbeitenden Flächen oder die Montagereihenfolge erst in den Arbeitszeichnungen berücksichtigt, sind Änderungen an der Konstruktion in einer Phase erforderlich, in der diese bereits zeitaufwendig und kostspielig sind. Der Konstrukteur sollte mindestens folgende Punkte prüfen:
- Geschweißte Konstruktionen: Die beim Schweißen entstehende Wärme führt zu einer Verformung der Konstruktion. Aus diesem Grund bearbeitet die Werkstatt die präzisen Passflächen in der Regel erst nach dem Schweißen, und der Konstrukteur wählt die Schweißreihenfolge so, dass die Verformungen unter Kontrolle bleiben.
- Zu bearbeitende Oberflächen: Die Aufspannung des Werkstücks während der Bearbeitung und der Zugang des Werkzeugs zur Oberfläche sind entscheidend dafür, wie viele Aufspannungen und Arbeitsschritte das Teil erfordert.
- Standardkomponenten: Ein fertiges Lagergehäuse, eine Linearführung oder ein Zylinder ist oft kostengünstiger, schneller lieferbar und einfacher auszutauschen als ein Sonderteil.
- Montage: Die Konstruktion bestimmt, in welcher Reihenfolge die Teile montiert werden können. Wenn eine Schraube nach der Montage nicht mehr zugänglich ist, kann sie auch nicht gewartet werden.
- Transport und Aufstellung: Der Konstrukteur unterteilt die große Maschine in Module, die mit Hebepunkten versehen sind und die sich für den Transport eignen sowie durch die Türöffnungen am Aufstellungsort passen.
Ismo Lehtinen, Projektleiter bei Valmet Automotive, beschreibt unser gemeinsames Vorentwurfsprojekt wie folgt: „Hefmec hat für uns ein Vorentwurfsprojekt durchgeführt, in dessen Rahmen die Schweißprozesse für die Fertigung des gesamten Golfwagen-Rahmens festgelegt wurden. Im Rahmen eines Folgeprojekts lieferten sie uns zudem Schweißvorrichtungen. Das Projekt begann mit der Vorplanung und führte zu einer Projektlieferung. Wir arbeiteten eng mit Hefmec und der Produktentwicklung zusammen, wodurch das Produkt so fertigungsfreundlich wie möglich gestaltet werden konnte.“
Festigkeitsberechnung als Teil der Konstruktion
Die Festigkeitsberechnung ist keine Überprüfung eines fertigen Modells, sondern Teil der Bemessung. Bevor der Konstrukteur Berechnungen durchführt, legt er die Lastfälle fest: Normalbetrieb, Grenzfälle, Transport und Montage sowie vorhersehbare Fehlerfälle. Ein falsch gewählter Lastfall liefert eine exakte Antwort auf die falsche Frage.
Eine Handrechnung reicht oft für Träger, Verbindungen und Wellen aus und liefert schnell eine Größenordnung, mit der sich das FEM-Ergebnis vergleichen lässt. Die FEM-Analyse ist bei komplexer Geometrie, bei der Untersuchung von Spannungskonzentrationen und dann von Nutzen, wenn der Konstrukteur die Konstruktion leichter gestaltet. Die FEM allein macht eine Konstruktion jedoch noch nicht sicher: Die Qualität des Ergebnisses hängt vom Modell, den Randbedingungen, den Lasten und davon ab, ob der Auswerter einen tatsächlichen Spannungsspitzenwert von einem durch das Modell verursachten unterscheiden kann.
Bei wiederholt belasteten geschweißten Konstruktionen ist die Ermüdung oft ausschlaggebend für die Bemessung, noch bevor die statische Festigkeit eine Rolle spielt, und bei schlanken Konstruktionen prüft der Konstrukteur zusätzlich die Knickfestigkeit. Die Grundlagen finden Sie im Artikel „Was ist eine Festigkeitsberechnung?“, und wir führen die Festigkeitsberechnung sowie die FEM-Analyse im Rahmen desselben Projekts gemeinsam mit der Konstruktion durch.
Materialien und Toleranzen – die Kosten entstehen bereits in der Zeichnung
Der Konstrukteur wählt das Material nicht allein aufgrund seiner Festigkeit aus. Schweißbarkeit, Bearbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Betriebstemperatur, Verfügbarkeit in Standardabmessungen und Preis spielen eine ebenso wichtige Rolle. Ein höherfester Stahl führt nicht automatisch zu einer leichteren oder kostengünstigeren Konstruktion: Wenn die Ermüdung ausschlaggebend für die Bemessung ist, verbessert sich die Festigkeit einer Schweißverbindung durch einen Wechsel der Stahlsorte kaum, während das Schweißen jedoch schwieriger werden kann.
Die Toleranzen bestimmen maßgeblich, wie viel die Fertigung eines Bauteils kostet. Eine zu enge Toleranz erhöht die Fertigungskosten, ohne einen funktionalen Nutzen zu bieten, während eine zu große Toleranz zu Problemen bei der Montage, der Funktion oder der Lebensdauer führt. Der Konstrukteur beschränkt strenge Toleranzen auf funktionskritische Flächen und überprüft die Toleranzketten, d. h. wo sich die Abweichungen einzelner Teile bei der Montage summieren.
Wartungsfreundlichkeit und Lebenszyklus
Da die Maschine über Jahre hinweg im Einsatz ist, sollte die Wartungsfreundlichkeit bereits in der Konstruktion berücksichtigt werden und nicht erst im Werk. Der Konstrukteur stellt sicher, dass Verschleißteile ausgetauscht werden können, ohne die übrige Konstruktion zu demontieren, dass die zu prüfenden Stellen sichtbar und gut erreichbar sind und dass Standardkomponenten als Ersatzteile verwendet werden können. In Reinräumen und in der Lebensmittelindustrie gehört dazu auch die Reinigbarkeit: Die Konstruktion darf keine Stellen aufweisen, an denen sich Schmutz ansammeln kann.
Typische Fehler bei der Maschinenkonstruktion
| Fehler | Folge |
|---|---|
| Detailkonstruktion vor der Festlegung der Anforderungen | Jede Änderung betrifft mehrere Zeichnungen |
| Überspringen der Konzeptphase: die erste Idee direkt in die Detailkonstruktion | Ein besseres Funktionsprinzip lässt sich erst dann finden, wenn dessen Einführung kostspielig ist |
| Berücksichtigung der Fertigung erst in den Arbeitszeichnungen | Zusätzliche Zeichnungsrunden, kostspielige Arbeitsschritte und Verformungen beim Schweißen |
| Übernahme von Toleranzen aus früheren Zeichnungen | Die Herstellungskosten steigen, ohne dass ein funktionaler Nutzen entsteht |
| Vertrauen auf FEM-Ergebnisse, ohne die Lasten und Randbedingungen zu bewerten | Die Konstruktion ist über- oder unterdimensioniert, obwohl die Berechnung korrekt erscheint |
| Wartungsraum und Aufstellung vergessen | Der Austausch eines Verschleißteils erfordert eine Demontage, und die Aufstellung verzögert sich |
| Sicherheit erst nach Fertigstellung der Konstruktion behandeln | Es bleiben lediglich Schutzvorrichtungen und Warnhinweise übrig, die die Nutzung verlangsamen |
Beispiele für die Maschinenkonstruktion bei Hefmec
Wir konstruieren sowohl neue Maschinen als auch Umbauten und Modernisierungen bestehender Anlagen. Einer unserer Kunden aus der Maschinenbauindustrie benötigte eine Lösung zum Heben und Drehen eines kugelförmigen Produkts in verschiedenen Produktionsphasen. Mithilfe des von uns entwickelten Lastaufnahmemittels kann der Kunde schwere und unhandliche Werkstücke sicher, effizient und in gleichbleibender Qualität handhaben, wobei alle Arbeitsschritte mit ein und demselben Gerät durchgeführt werden können.
Weitere Beispiele für unsere Projekte:
- Druckprüfvorrichtung für Ventile
- Schweißvorrichtung für die Plattenbauteile einer Fahrzeugbatterie
- Lastaufnahmemittel zum Heben und Drehen der Kugel eines Kugelhahns
- Mechanische Konstruktion einer beweglichen Wartungsbrücke
- Stahlkonstruktionen zur Abstützung von Produktionsanlagen
- Formatteilwagen für Reinräume
Wenn es sich um eine komplette Produktionszelle oder -linie handelt, erstreckt sich die Konstruktion auch auf Spezialmaschinen und Produktionszellen, die wir ebenfalls als Komplettlösung liefern können.
Wann ist es sinnvoll, die Maschinenkonstruktion auszulagern?
Eine Auslagerung ist in der Regel sinnvoll, wenn die eigenen Konstruktionskapazitäten nicht ausreichen, der Zeitplan eng ist oder die Aufgabe Fachkenntnisse erfordert, über die das Unternehmen nicht verfügt, wie beispielsweise Festigkeitsberechnungen oder die CE-Dokumentation. Ein externer Konstrukteur bringt zudem eine unabhängige Perspektive ein: Wir prüfen den von einem anderen erstellten Entwurf oder das Konzept, bevor der Kunde sein Fertigungsbudget dafür bindet. Bei der Modernisierung einer alten Maschine prüfen wir, welche Teile der Konstruktion beibehalten und welche erneuert werden sollten.
Konstruktionsunterstützung können Sie flexibel für das gesamte Projekt oder für eine einzelne Phase erwerben – sogar nur für einen Tag. Teilen Sie uns Ihre Anforderungen mit, dann prüfen wir gemeinsam, in welcher Phase es sich lohnt, zu beginnen.
Häufig gestellte Fragen
Was kostet die Maschinenkonstruktion?
Der Preis hängt vom Umfang des Projekts ab, davon, in welcher Phase der Konstrukteur einsteigt, und davon, wie weit die Anforderungsspezifikation bereits ausgearbeitet ist. Kurze, begrenzte Aufgaben wie Vorentwurf und Konzeptkonstruktion oder Festigkeitsnachweise berechnen wir auch auf Tagesbasis: 680 € zzgl. MwSt. pro Tag (2026) für Aufträge mit einem Umfang von 1 bis 5 Tagen. Eine einzelne Vorrichtung erfordert einige Tage oder wenige Wochen Arbeit, eine komplette Maschine hingegen mehrere Wochen oder Monate. Eine möglichst genaue Schätzung erhalten Sie, wenn Sie uns Ihre Anforderungen und Ihren Zeitplan mitteilen.
Wer ist für die CE-Kennzeichnung verantwortlich, wenn wir den Entwurf von Hefmec beziehen und die Maschine an einem anderen Ort fertigen lassen?
Für die CE-Kennzeichnung ist der Hersteller der Maschine verantwortlich, d. h. derjenige, der die Maschine in Verkehr bringt, und nicht der Konstrukteur. Wir erstellen die Risikobeurteilung und die technischen Unterlagen für den Hersteller, auf deren Grundlage dieser die Konformitätserklärung ausstellen kann. Wenn wir die Maschine selbst liefern, sind wir auch für die CE-Kennzeichnung verantwortlich. Handelt es sich bei der zu liefernden Baugruppe lediglich um einen Teil einer später zusammenzubauenden Maschine (unvollständige Maschine), erstellt der Hersteller anstelle der CE-Kennzeichnung eine Montageanleitung sowie eine Einbauerklärung für die endgültige Maschine.
Können wir die Ergebnisse der Konstruktion für unsere eigenen Zwecke nutzen?
Ja. Wir liefern Ihnen die 3D-Modelle und Zeichnungen im vereinbarten Format, sodass Sie die Maschine in einer Werkstatt Ihrer Wahl fertigen lassen oder die Konstruktion selbst fortsetzen können.
Haben Sie noch Fragen?
Teilen Sie uns die Anforderungen Ihrer Maschine oder Ihres Geräts mit, dann werden wir gemeinsam prüfen, wie wir vorgehen können. Erfahren Sie mehr über die Mechanik- und Maschinenkonstruktion bei Hefmec oder wenden Sie sich direkt an Produktmanager Juho Seppälä unter +358 50 525 7504.
