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20.07.2017

Meilensteine der Konstruktion

Konstrukteure und ihre Ideen haben die Geschichte der Menschheit geprägt: Wir stellen die wichtigsten vor.

  • Auf hölzernen Gleisen fahrende Wagen, gezogen von Menschen oder Pferden, gibt es im Bergbau seit dem 16. Jahrhundert. Die Idee, eine Dampfmaschine auf Räder zu setzen und als Antriebseinheit zu verwenden, hatte als erster der aus armen Verhältnissen stammende britische Maschinenbauer Richard Trevithick 1803, nachdem er zuvor einen Dampfwagen entwickelt hatte. Seine erste Lokomotive erwies sich aber als viel zu schwer und zerbrach die für Pferdewagen konzipierten gusseisernen Schienen. Spätere nach seiner Lizenz gebaute Loks sollen aber jahrzehntlang erfolgreich in Bergwerken gefahren sein. Trevithick erfand auch Dampfkrane und -bagger, starb jedoch völlig verarmt.

  • Mitte des 19. Jahrhunderts begann die Vernetzung der Welt mittels unterseeischer Telegrafenkabel. Zunächst scheiterten viele Projekte: Es fehlte an der nötigen Technik wie einer Kabelbremse, mit der man das Abrollen des Kabels auch bei großen Wassertiefen steuern konnte. Diese wurde erst mit dem Bremsdynamometer von Werner Siemens (kl. Foto) verfügbar. 1874/75 verlegten die Siemens-Brüder Werner, William und Carl ein mehr als 3.000 Kilometer langes Telegrafenkabel zwischen Europa und den USA. Mit Hilfe des eigens gebauten Kabeldampfers Faraday wurde es von Irland über Neufundland an die US-Küste verlegt. Dank der Qualität der Verbindung erhielt Siemens zahlreiche Folgeaufträge.

  • Die Aufgabe: Drei Menschen auf eine Reise über 1,5 Millionen Kilometer zu schicken und sie dabei vor dem sicheren Tod durch extreme Kälte, Hitze, Vakuum und Strahlung zu schützen. Die Lösung: Das Command Module der Apollo 11 Mission. Die 3,23 Meter hohe und knapp 6 Tonnen schwere Kapsel ist ein frühes Beispiel für Leichtbau. Bestehend aus einer stählernen Außenwand und einer Aluminium-Druckkabine, jeweils mit innerer Wabenstruktur, brachte sie Neil Armstrong und Kollegen 1969 zum Mond und wieder zurück. Konstrukteur war der NASA-Ingenieur Maxime Faget (kl. Foto), der schon die Mercury- und Gemini-Kapseln designt hatte.

  • Es ist bis heute der stärkste je gebaute Raketenmotor mit einzelner Brennkammer: Das F1-Triebwerk der Saturn-V-Rakete, die Menschen zum Mond gebracht hat. Das mehr als 8 Tonnen schwere Aggregat lieferte einen Schub von fast sieben Mega-Newton. Entwickelt wurde es Ende der 1950er-Jahre vom Rocketdyne-Ingenieur Ernest A. Lamont. Das Geniale seines Designs: Um Treibstoff und Oxydator schnell genug in die Brennkammer zu bringen, trieb ein Gasgenerator eine Turbine mit 41 Megawatt Leistung an, auf deren Welle zwei Hochleistungspumpen für Kerosin und Flüssigsauerstoff saßen. Das Bild zeigt den Chefdesigner der Saturn V, Wernher von Braun, vor dem F1-Motor.

  • Der Lilienthal-Gleiter, mit dem 1891 erstmals ein Mensch nach dem Prinzip »schwerer als Luft« geflogen ist, gilt als Heiliger Gral der Luftfahrt. Der 1848 in Anklam geborene Kaufmannssohn Otto Lilienthal begann 1867 ein Studium an der Gewerbeakademie Berlin (später Technische Hochschule Charlottenburg). Fasziniert vom Vogelflug begann er etwa zur gleichen Zeit mit Experimenten den Zusammenhang zwischen Luftströmung und Auftrieb genauer zu erforschen. Während sein Patent für einen Schlangenrohrkessel für wirtschaftlichen Erfolg sorgte, begann Lilienthal 1889 mit der Konstruktion seiner Gleiter aus Weidenholz und gewachstem Baumwollstoff. Damit unternahm er rund 2000 Flugversuche. Bei einem dieser Flüge am 9. August 1896 stürzte Lilienthal ab und starb kurz Zeit später an seinen Verletzungen.

  • Auf der Berliner Gewerbeausstellung 1879 präsentierte Werner von Siemens die welterste elektrische Lokomotive. Interessenten dafür gab es viele, doch sie wollten erst einen Beweis für die Alltagstauglichkeit. In Berlin Lichterfelde erwarb Siemens eine Trasse, auf der zuvor Baumaterial für eine Kadettenanstalt transportiert worden war. Siemens & Halske rüstete dafür drei Pferdebahnwagen um. Jeder hatte einen DC-Motor mit 10 PS, der seinen Fahrstrom (180 V) über die Schienen erhielt. Am 12. Mai 1881 ging die erste elektrische Straßenbahn der Welt in Betrieb. Am 23. Mai schon schrieb Werner von Siemens seinem Bruder William: »Vom Arbeitsminister bis zum einfachen Eisenbahnbaumeister sind jetzt alle Leute von der großen Zukunft des elektrischen Betriebes überzeugt!«

  • Als »Lösung auf der Suche nach einem Problem« wurde der Laser nach seiner Entdeckung einmal bezeichnet – und zwar vom Erfinder selbst, dem US-Physiker Theodore Maiman (1927-2007). Maiman schickte bei der Arbeit für den Luftfahrthersteller Hughes 1960 Licht in einen Rubinstab mit verspiegelten Enden und erzeugte so einen verstärkten, monochromatischen und extrem fokussierten Strahl. Trotz Maimans erster Einschätzung hat der Laser seitdem unzählige wichtige Anwendungen gefunden: In der Fertigungstechnik etwa ist er unverzichtbar als Schneidwerkzeug, bei der Oberflächenvergütung (Foto) oder im pulverbasierten 3D-Druck.

  • Dass erhitztes Wasser in Form von Dampf in der Lage ist, Arbeit zu leisten, war schon in der Antike bekannt. Die erste anwendbare Dampfmaschine wurde aber erst 1712 vom Schmied Thomas Newcomen konstruiert und diente zur Wasserhebung in Bergwerken – jedoch mit einem Wirkungsgrad von nur 0,5 %. Erst dem schottischen Erfinder James Watt (Foto) gelang es, die wesentlichen Probleme der frühen Dampfmaschinen zu beheben. Durch einen separaten Kondensator (für den er 1769 das berühmte Patent No. 913 bekam) und andere Verbesserungen steigerte er den Wirkungsgrad maßgeblich – und löste die erste industrielle Revolution aus.

  • Bis 1975 war das Hale-Teleskop auf dem Mount Palomar in Kalifornien mit seinem massiven Fünf-Meter- Spiegel das größte Fernrohr der Welt. Es ist benannt nach seinem Konstrukteur, dem Astronomen George Ellery Hale (1868 - 1938). Der Absolvent des Massachussets Institute of Technology begann 1927 für den Bau des Riesenteleskops zu werben, 1947 wurde es vollendet. Damit der riesige, 13 Tonnen schwere Spiegel sich durch die Schwerkraft nicht verformt, ruht er auf 36 individuell konstruierten Auflagern, die den Spiegel rein mechanisch durch Gewichte, Hebel und Federn in der perfekten Form halten.

  • Die Demonstration ließ bei den Zuschauern den Atem stocken. Auf der Weltausstellung in New York 1853 stand Mechanikermeister Elisha Graves Otis auf einer Aufzugplattform hoch über dem Publikum – und ließ von einem Assistenten das Tragseil kappen. Statt abzustürzen, sackte die Plattform nur wenige Zentimeter ab. Graves hatte die Sicherheitsbremse erfunden, bei der eine Stahlfeder Seil und Kabine verbindet und durch das Gewicht gespannt ist. Reißt das Seil, entspannt sich die Feder und rastet in Zahnschienen ein. Die Vorführung überzeugte: Bis 1856 konnte die Otis Elevator Company 27 Aufzüge verkaufen. Durch den sicheren Aufzug begann auch der Siegeszug der Wolkenkratzer.

  • Die Beobachtung des Sternenhimmels ist der Menschheit in die Wiege gelegt. Unabhängig von Ort, Zeit und Wetter wurde die Himmelsbeobachtung erst durch das Projektionsplanetarium. Aus- löser war die Gründung des Deutschen Museum in München. Um dort den ganzen Sternenhimmel mitsamt seinen täglichen und jahreszeitlichen Bewegungen zeigen zu können, entwickelte der Zeiss-Konstrukteur Walther Bauersfeld (kl. Foto) in fünfjähriger Arbeit das Model I (Foto) mit hochkomplexer Mechanik, das am 21. Oktober 1923 erstmals in München vorgeführt wurde.

  • Versuche, es Vögeln gleichzutun und sich in die Lüfte zu schwingen, gab es schon zuvor – mehr oder minder erfolgreich. Doch der Flug der Brüder Wilbur und Orville Wright am 17. Dezember 1903 am Strand von Kitty Hawk (North Carolina) gilt als Geburtsstunde der motorisierten Fliegerei. Angestachelt von einem Gummiband-betriebenen »Schraubenflieger«, den sie als Kinder hatten, begannen die Brüder, systematisch die nötige Technik zu entwickeln – während sie gleichzeitig als Fahrrad-Hersteller arbeiteten. Nach jahrelanger Detailarbeit und Versuchen mit Gleitern gelang ihnen der Durchbruch mit dem zwölfsekündigen Flug des Propeller-betriebenen Flyer.

  • Diese Erfindung hat die Arbeit von Konstrukteuren verändert: Mit dem Taschenrechner wurden schwierige Berechnungen am Schreibtisch viel schneller, der Rechenschieber hatte ausgedient. Erfinder war US-Physiker Jack Kilby (1923-2005). Beim Elektronikkonzern Texas Instruments entwickelte er 1958 den Integrierten Schaltkeis (IC), die Kombination elektronischer Bauelemente auf einem Substrat. Das brachte ihm 2000 den Physik-Nobelpreis. Eigentlich nur als Anwendungsbeispiel schuf Kilby 1967 den elektronischen Taschenrechner. Der 1,5 Kilogramm schweren Aluminiumkasten konnte die Grundrechenarten und und druckte die Ergebnisse auf einem dünnen Streifen Thermopapier aus.

  • Nachdem er mit Ballons die Stratosphäre erforscht hatte, verlegte sich der Schweizer Maschineningenieur Auguste Piccard auf die Entdeckung der Tiefsee. Das von ihm entwickelte Tauchboot (Batyscaph) ›Trieste‹ lief 1953 vom Stapel. Kernstück war eine von Krupp in Essen geschmiedete Hohlkugel mit zwei Metern Durchmesser und 12 Zentimetern Wandstärke aus Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl, die zwei Menschen und ein paar wissenchaftlichen Geräten gerade so Platz bot. Am 23. Januar 1960 tauchten damit Piccards Sohn Jacques und der US-Marineoffizier Don Walsh fast 11.000 Meter tief auf den Grund des Marianengrabens.

  • Heute ist sie fast völlig vom Computer verdrängt, doch über mehr als 100 Jahre war die Schreibmaschine die schnellste Methode, Text zu Papier zu bringen. Ihr Urvater, die Schreibkugel, wurde vom dänischen Pastor Hans Rasmus Johann Malling Hansen um 1865 entwickelt. 54 konzentrische Tastenstangen druckten auf ein zylindrisch eingespanntes Blatt Papier. Prominentester Nutzer war wohl der Philosoph Friedrich Nietzsche, der der Konstruktion sogar ein Gedicht widmete: »Schreibkugel ist ein Ding gleich mir von Eisen/Und doch leicht zu verdreh‘n zumal auf Reisen/Geduld und Takt muss reichlich man besitzen/Und feine Fingerchen, um‘s zu benützen.«

  • An der Aufgabe bissen sich die klügsten Köpfe des britischen Empire die Zähne aus: Wie lässt sich auf hoher See der Längengrad bestimmen? Gelöst wurde sie von einem Autodidakten: John Harrison (1693-1776), Tischler und Uhrmacher. In jahrzehntelanger Arbeit baute er eine Uhr, die präzise und robust genug war, um auch bei Seegang genau zu arbeiten. Nun konnte zu einem genauen Zeitpunkt die Stellung eines Himmelkörpers erfasst werden, woraus sich mittels Tabellen die Schiffsposition errechnen ließ. Harrisons 1759 vollendete H4 (Foto) wich auf einer 81 Tage langen Seefahrt nach Jamaika nur fünf Sekunden ab. Das Parlament hatte 1714 den Longitude Act mit 20.000 Pfund Preisgeld für eine Lösung erlassen. Harrison musste aber lange kämpfen, ehe er das Preisgeld teilweise zugesprochen bekam.

  • Synthetische Diamanten sind in der Industrie für viele Anwendungen unverzichtbar, etwa im Bereich Schleifen und Polieren. Wer genau als erstes künst­liche Diamanten in der ersten Hälfte der 1950er-­Jahre hergestellt hat, ist umstritten. Maßgeblich ­ für ihre industrielle Fertigung war jedoch der US-Chemiker Tracy Hall (Foto, r.) und die von ihm entwickelte tetrahedrale Presse, die Drücke von mehr als 25 GPa und Temperaturen über 2500 °C ­erzeugen kann – notwendig, um aus Graphit ­Diamant zu erzeugen. 1966 gründete Hall mit Bill Pope (l.) und Duane Horton (M.) die Firma Megadiamond für künstliche Diamanten.

  • Die Anfänge von Bosch sind holprig: Nach der Gründung 1886 dümpelt die Elektrotechnik-Firma lange am Rand der Insolvenz vor sich hin. Erst der Trend zum Automobil bringt den Umschwung: Ein Kunde wünscht sich eine Zündung, die in einem Benzinmotor eingesetzt werden kann – etwas, was es bis dahin nicht gibt. Robert Bosch (l.) beauftragt 1897 seinen Werkmeister ­Arnold Zähringer mit dem Projekt. Dessen ­Magnetzündung, vom Bosch-Mitarbeiter ­Gottlob Honold weiterentwickelt zur Hochspannung-Magnetzündung, erweist sich über Jahrzehnte als einziges zuverlässiges System für das Auto und legt die Grundlage für den Aufstieg von Bosch zum Weltkonzern.

  • Kaum eine Erfindung hat die Lebensgewohnheiten unserer Gesellschaft so nachhaltig verändert wie die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips durch Werner von Siemens anno 1866. Mit Hilfe der Dynamomaschine wurde es möglich, »Arbeitskraft in ­jeden Betrag in elektrischen Strom umzuwandeln, um diesen zur elektrischen Beleuchtung, zu metallurgischen Prozessen, zur Kraftübertragung und ­vielleicht künftig zu anderen uns noch unbekannten Zwecken zu benutzen« (Werner von Siemens). Diese Innovation begründete die Elektrifizierung der Welt, verhalf elektrischen Maschinen zum Durchbruch und beschleunigte damit die industriellen Abläufe nachhaltig.

  • Wohl kaum eine Kamera hat die Fotografie stärker beeinflusst als die Leica I, die 1925 auf den Markt kam. Der von Oskar Barnack, Entwicklungschef bei Leitz, erdachte Fotoapparat verwendete erstmals 35-mm-Kinofilm als Negativmaterial. Weil er unter Asthma litt, war Barnack nicht in der Lage, die damals üblichen, recht schweren Großformatkameras zu transportieren. Die Leica war durch den verwendeten Kinofilm klein und leicht und definierte das Negativformat 24 x 36 mm, das über Jahrzehnte die Kleinbildfotografie dominiert hat.

  • Wenn es ein Bauteil gibt, das den Maschinenbau ­repräsentiert wie wohl kein zweites, dann das Wälzlager. Seine Geschichte reicht mehr als 2700 Jahre zurück bis in keltische Zeit. Die industrielle Fertigung in großem Maßstab begann 1883: Nach langwierigen Versuchen war es dem Schweinfurter Dreher Friedrich Fischer (l.) erstmals gelungen, mit der von ihm entwickelten »Kugelmühle« (oben) gehärtete Kugeln aus Gussstahl gleich groß, genau rund und in hohen Stückzahlen zu fertigen – mit einer Präzision von 0,020 Millimetern. Aktuell werden pro Jahr Kugellager im Wert von etwa 40 Milliarden US-Dollar produziert.

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