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機械工学は、力や動きを伴う可能性のある物理的な機械や機構の研究です。これは、工学物理学と数学の原理を材料科学と組み合わせ、機械システムの設計、解析、製造、保守を行う工学分野です。[ 1 ]これは、最も古く、最も幅広い工学分野の1つです。
機械工学では、力学、動力学、熱力学、材料科学、設計、構造解析、電子工学、電気などのコア分野の理解が求められます。これらのコア原理に加えて、機械エンジニアは、コンピュータ支援設計(CAD)、コンピュータ支援製造(CAM)、コンピュータ支援エンジニアリング(CAE)、製品ライフサイクル管理などのツールを使用して、製造工場、産業機器および機械、暖房および冷房システム、輸送システム、自動車、航空機、船舶、ロボット、医療機器、武器などの設計および解析を行います。 [ 2 ] [ 3 ]
機械工学は18世紀のヨーロッパにおける産業革命期に分野として確立されましたが、その発展の歴史は世界各地で数千年前に遡ることができます。19世紀には、物理学の発展が機械工学の発展につながりました。この分野は絶えず進化を続け、最新の技術を取り入れてきました。今日、機械エンジニアは複合材料、メカトロニクス、ナノテクノロジーといった分野の発展に取り組んでいます。また、航空宇宙工学、冶金工学、土木工学、構造工学、電気工学、製造工学、化学工学、産業工学、その他の工学分野とも、程度は異なりますが重なり合っています。さらに、機械エンジニアは生物医学工学の分野、特に生体力学、輸送現象、バイオメカトロニクス、バイオナノテクノロジー、生物システムのモデリングといった分野で活躍することもあります。
機械工学の応用は、さまざまな古代および中世社会の記録に見ることができます。 6 つの古典的な単純機械は、古代近東で知られていました。くさびと傾斜面(スロープ) は先史時代から知られていました。[ 4 ] 車輪の発明は、主に古い資料のいくつかによってメソポタミア文明によるものとされています。 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]しかし、最近の資料の中には、車輪はメソポタミアと東ヨーロッパの両方で独立して発明されたと示唆するものや、先史時代の東ヨーロッパ人が車輪を発明したとするものもあります。 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]てこの機構は、約 5,000 年前に近東で初めて登場し、単純な天秤[ 12 ]や古代エジプトの技術で大きな物体を動かすために使用されました。[ 13 ]レバーは、紀元前3000年頃にメソポタミアに現れた最初のクレーン機械であるシャドゥーフ揚水装置にも使用されました。 [ 12 ]滑車の最も古い証拠は、紀元前2千年紀初頭のメソポタミアに遡ります。[ 14 ]
サキヤは紀元前4世紀にクシュ王国で開発されました。動物の力に依存していたため、人間のエネルギーの必要量を減らしました。 [ 15 ]ハフィルの形をした貯水池は、水を貯蔵して灌漑を促進するためにクシュで開発されました。[ 16 ]溶鉱炉と高炉は、紀元前7世紀にメロエで開発されました。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]クシュの日時計は、高度な三角法の形で数学を応用していました。[ 21 ] [ 22 ]
最も初期の実用的な水力機械である水車と水車は、紀元前4世紀初頭までに、現在のイラクとイランにあたるペルシャ帝国で初めて登場しました。 [ 23 ]古代ギリシャでは、アルキメデス（紀元前287～212年）の業績が西洋の力学に影響を与えました。歯車式のアンティキティラ島の機械は、紀元前2世紀頃に発明されたアナログコンピュータでした。 [ 24 ]
ローマ時代のエジプトでは、アレクサンドリアのヘロン（紀元10～70年頃）が最初の蒸気動力装置（アイオロピレ）を製作した。[ 25 ]中国では、張衡（紀元78～139年）が水時計を改良し、地震計を発明し、馬軍（紀元200～265年）が差動ギア付きの戦車を発明した。中世中国の時計職人で技術者の蘇松（紀元1020～1101年）は、中世ヨーロッパの時計に脱進機が見られる2世紀も前に、自身の天文時計塔に脱進機機構を組み込んだ。彼はまた、世界で初めて知られている無限動力伝達チェーン駆動装置を発明した。[ 26 ]
綿繰り機は西暦6世紀までにインドで発明され[ 27 ]、紡績機は11世紀初頭までにイスラム世界で発明された[ 28 ]。二重ローラー式綿繰り機は12世紀から14世紀にかけてインドと中国に現れた[ 29 ] 。ウォームギア式ローラー式綿繰り機は13世紀から14世紀のデリー・スルタン朝初期にインド亜大陸に現れた[ 30 ] 。
イスラム黄金時代（7世紀から15世紀）には、イスラム教徒の発明家たちが機械技術の分野で目覚ましい貢献をした。その一人であるアル・ジャザリーは、1206年に有名な『巧妙な機械装置の知識の書』を著し、多くの機械設計を紹介した。[ 31 ]
17 世紀には、機械工学の基礎において重要なブレークスルーがイギリスと大陸で起こりました。オランダの数学者で物理学者のクリスティアーン・ホイヘンスは1657 年に振り子時計を発明し、これは約 300 年ぶりに信頼できる時計となり、時計の設計とその背後にある理論に関する著作を発表しました。 [ 32 ] [ 33 ]イギリスでは、アイザック・ニュートンが運動の法則を定式化し、物理学の数学的基礎となる微積分を開発しました。ニュートンは長年自分の著作を発表することに消極的でしたが、エドモンド・ハレーなどの同僚に説得されて最終的に発表しました。以前に機械式計算機を設計したゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツも、同時期に微積分を開発したとされています。[ 34 ]
19世紀初頭の産業革命期には、イギリス、ドイツ、スコットランドで工作機械が開発されました。これにより、機械工学が工学分野の中で独立した分野として発展することが可能になりました。工作機械は、製造機械とそれを動かすエンジンをもたらしました。[ 35 ]イギリスで最初の機械技術者専門協会は、土木技術者が最初の専門協会である土木技術者協会を設立してから30年後の1847年に機械技術者協会として設立されました。[ 36 ]ヨーロッパ大陸では、ヨハン・フォン・ツィンマーマン（1820～1901）が1848年にドイツのケムニッツに最初の研削盤工場を設立しました。
米国では、 1880 年に米国機械学会(ASME) が設立され、米国土木学会(1852 年) と米国鉱山技術者協会(1871 年) に次ぐ 3 番目の専門技術者協会となった。[ 37 ]米国で最初に工学教育を提供した学校は、1817 年の米国陸軍士官学校、1819 年の現在のノーウィッチ大学、 1825 年のレンセラー工科大学である。機械工学の教育は、歴史的に数学と科学の強固な基礎に基づいている。[ 38 ]
機械工学の学位は、世界中のさまざまな大学で提供されています。機械工学プログラムは、場所や大学によって異なりますが、通常4～5年間の学習が必要で、機械工学を専攻または重点とする工学士（B.Eng.またはBE）、理学士（B.Sc.またはBS）、理学工学士（B.Sc.Eng.）、技術学士（B.Tech.）、機械工学学士（BME）、または応用科学学士（BASc.）の学位が取得できます。スペイン、ポルトガル、および南米のほとんどの国では、BSまたはB.Tech.プログラムが採用されていないため、学位の正式名称は「機械技師」であり、コースワークは5年または6年の訓練に基づいています。イタリアでは、コースワークは5年間の教育と訓練に基づいていますが、エンジニアとして資格を得るには、コースの最後に国家試験に合格する必要があります。ギリシャでは、コースワークは5年間のカリキュラムに基づいています。[ 39 ]
米国では、ほとんどの学部機械工学プログラムは、大学間で同様のコース要件と基準を確保するために、工学技術認定委員会（ABET）によって認定されています。ABETのウェブサイトには、2014年3月11日現在、302の認定機械工学プログラムが掲載されています。 [ 40 ]カナダの機械工学プログラムは、カナダ工学認定委員会（CEAB）によって認定されており、[ 41 ]工学の学位を提供する他のほとんどの国にも同様の認定機関があります。
オーストラリアでは、機械工学の学位は、工学士（機械）または同様の名称で授与されますが、専門分野は増加傾向にあります。学位取得には、4年間のフルタイム学習が必要です。エンジニアリング学位の質を保証するために、オーストラリア技術者協会は、世界的なワシントン協定に従って、オーストラリアの大学が授与するエンジニアリング学位を認定しています。学位が授与される前に、学生はエンジニアリング会社で少なくとも3か月の実務経験を積む必要があります。[ 42 ]同様のシステムは南アフリカにも存在し、南アフリカ技術者評議会（ECSA）によって監督されています。
インドでは、エンジニアになるには、B.Tech.やBEなどの工学の学位、工学のディプロマ、または工業訓練校（ITI）でフィッターなどの工学系のコースを修了して「ITI技能証明書」を取得し、さらに国家職業訓練評議会（NCVT）が実施する工学系の全インド技能試験（AITT）に合格して「国家技能証明書」を取得する必要があります。ネパールでも同様の制度が採用されています。[ 43 ]
機械工学の卒業生の中には、工学修士、技術修士、理学修士、工学経営学修士（M.Eng.Mgt. または MEM）、工学博士（Eng.D. または Ph.D.）、またはエンジニアの学位などの大学院課程に進む人もいます。修士号とエンジニアの学位には研究が含まれる場合と含まれない場合があります。博士号には重要な研究要素が含まれており、学術界への入り口と見なされることがよくあります。[ 44 ]エンジニアの学位は、修士号と博士号の中間レベルとして、いくつかの教育機関に存在します。
各国の認定機関が定める基準は、基礎的な教科内容の統一性を確保し、卒業するエンジニアの能力向上を図り、工学専門職全体に対する信頼を維持することを目的としています。例えば、米国の工学プログラムは、ABETによって、学生が「熱システムと機械システムの両方の分野で専門的に働くことができる」ことを示すことが求められています。[ 45 ]ただし、卒業に必要な具体的なコースは、プログラムによって異なる場合があります。大学や工科大学では、教員の配置状況や大学の主要な研究分野に応じて、複数の科目を1つのクラスにまとめたり、1つの科目を複数のクラスに分割したりすることがよくあります。
機械工学に必要な基礎科目は通常以下の通りである。
機械工学のエンジニアには、化学、物理学、摩擦学、化学工学、土木工学、電気工学といった分野の基礎概念を理解し、応用できることが求められます。すべての機械工学プログラムには、微積分を含む複数の学期にわたる数学の授業、および微分方程式、偏微分方程式、線形代数、微分幾何学、統計学などの高度な数学概念が含まれています。
機械工学の中核カリキュラムに加えて、多くの機械工学プログラムでは、制御システム、ロボット工学、輸送と物流、極低温工学、燃料技術、自動車工学、生体力学、振動、光学など、より専門的なプログラムや授業を提供しています。これらの科目のための独立した学科が存在しない場合です。[ 48 ]
ほとんどの機械工学プログラムでは、実践的な問題解決経験を積むために、研究や地域プロジェクトに様々な量で参加することが求められます。米国では、機械工学の学生が在学中に1つ以上のインターンシップを修了することが一般的ですが、これは通常、大学によって義務付けられているわけではありません。協同教育も選択肢の一つです。研究は、学生の創造性と革新性を高める学習要素に要求を課します。[ 49 ]
機械技術者は、工具、エンジン、機械などを含む機械的および熱的装置の研究、設計、開発、製造、および試験を行います。
機械エンジニアは通常、次のような業務を行います。
機械技術者は、医療機器から新型バッテリーまで、多岐にわたる製品の設計と製造管理を行います。また、発電機、内燃機関、蒸気タービン、ガスタービンなどの発電機械や、冷凍・空調システムなどの電力利用機械の設計も担当します。
他のエンジニアと同様に、機械エンジニアもコンピュータを使用して設計の作成と分析、シミュレーションの実行、機械がどのように動作するかのテストを行います。
技術者は、州、地方、または国の政府から免許を取得することができます。この手続きの目的は、技術者が専門的なレベルでエンジニアリング業務を行うために必要な技術的知識、実務経験、および現地の法制度に関する知識を有していることを確認することです。認定を受けると、技術者はプロフェッショナルエンジニア（米国、カナダ、日本、韓国、バングラデシュ、南アフリカ）の称号を与えられます。英国、アイルランド、インド、ジンバブエではチャータードエンジニア、オーストラリアとニュージーランドではチャータードプロフェッショナルエンジニア、欧州連合の多くの国ではヨーロピアンエンジニアという称号が用いられています。
米国では、公認プロフェッショナルエンジニア（PE）になるには、総合的なFE（工学基礎）試験に合格し、エンジニアリングインターン（EI）またはエンジニア研修生（EIT）として最低4年間勤務した後、「原理と実践」またはPE（実務エンジニアまたはプロフェッショナルエンジニア）試験に合格する必要があります。このプロセスの要件と手順は、米国のすべての州と準州を代表するエンジニアリングおよび測量免許委員会で構成される全米エンジニアリングおよび測量審査評議会（NCEES）によって定められています。
オーストラリア（クイーンズランド州とビクトリア州）では、技術者は業務を行う州において専門技術者として登録されなければなりません。例えば、クイーンズランド州登録専門技術者（RPEQ）またはビクトリア州登録専門技術者（RPEV）などです。
英国では、現在の卒業生は、機械技術者協会を通じて公認機械技術者（CEng、MIMechE）になるには、工学士（BEng ）に加えて適切な修士号または統合工学修士号、最低4年間の卒業後の実務能力開発、および査読付きプロジェクトレポートが必要です。CEng MIMechEは、シティ・アンド・ギルズ・オブ・ロンドン・インスティテュートが実施する試験ルートを通じて取得することもできます。[ 50 ]
ほとんどの先進国では、橋梁、発電所、化学プラントの設計など、特定のエンジニアリング業務は、専門技術者または公認技術者の承認を得なければなりません。「例えば、認可を受けた技術者のみが、エンジニアリング計画や図面を作成、署名、捺印し、承認のために公的機関に提出したり、公的および民間の顧客のためにエンジニアリング業務を捺印したりすることができます。」[ 51 ]この要件は、カナダの州、例えばオンタリオ州やケベック州の技術者法のように、州や地方の法律に明記することができます。[ 52 ]
英国などの他の国では、そのような法律は存在しませんが、事実上すべての認証機関は法律とは独立した倫理規定を維持しており、すべての会員がそれに従うことを期待しており、従わない場合は除名される可能性があります。[ 53 ]
2015年に米国で雇用されたエンジニアの総数は約160万人でした。そのうち、278,340人が機械エンジニア（17.28%）で、規模で最大の分野でした。[ 54 ] 2012年、米国の労働力における機械エンジニアの年間収入の中央値は80,580ドルでした。中央値は政府機関で働いている場合が最も高く（92,030ドル）、教育機関で働いている場合が最も低くなっています（57,090ドル）。[ 55 ] 2014年、機械工学の求人総数は今後10年間で5%増加すると予測されました。[ 56 ] 2009年時点で、学士号取得者の平均初任給は58,800ドルでした。[ 57 ]
機械工学の分野は、多くの機械工学科学分野の集合体と考えることができます。学部レベルで一般的に教えられるこれらの下位分野のいくつかを以下に挙げ、それぞれについて簡単な説明と最も一般的な応用例を示します。これらの下位分野の中には、機械工学に固有のものもあれば、機械工学と他の1つ以上の分野の組み合わせであるものもあります。機械エンジニアが行う仕事のほとんどは、これらの下位分野のいくつか、および専門的な下位分野のスキルと技術を使用します。この記事で使用される専門的な下位分野は、学部研究よりも大学院の研究や実務研修の対象となる可能性が高いものです。このセクションでは、いくつかの専門的な下位分野について説明します。
力学とは、最も一般的な意味では、力とその物質への影響を研究する学問である。一般的に、工学力学は、既知の力（荷重とも呼ばれる）または応力の下での物体の加速度と変形（弾性変形と塑性変形の両方）を解析および予測するために用いられる。力学の下位分野には、
機械工学者は、通常、設計または解析の段階で力学を利用します。例えば、車両の設計であれば、静力学を用いて車両のフレームを設計し、応力が最も集中する箇所を評価することができます。動力学は、エンジンの作動サイクルにおけるピストンやカムにかかる力を評価するために、エンジンの設計に用いられることがあります。材料力学は、フレームやエンジンに適した材料を選択するために用いられます。流体力学は、車両の換気システム（HVACを参照）やエンジンの吸気システムの設計に用いられることがあります。
メカトロニクスは、機械工学と電子工学を組み合わせた学際的な分野です。機械工学、電気工学、ソフトウェア工学の分野を横断的に扱い、電気工学と機械工学を統合してハイブリッド自動化システムを構築することを目的としています。このようにして、電気モーター、サーボ機構、その他の電気システムを専用ソフトウェアと組み合わせることで、機械を自動化することができます。メカトロニクスシステムの一般的な例としては、CD-ROMドライブが挙げられます。機械システムがドライブの開閉、CDの回転、レーザーの移動を行い、光学システムがCD上のデータを読み取り、ビットに変換します。統合されたソフトウェアがプロセスを制御し、CDの内容をコンピュータに伝達します。
ロボット工学とは、メカトロニクスを応用してロボットを製作する学問であり、これらのロボットは、危険な作業、不快な作業、あるいは反復作業を行うために産業界で広く利用されている。ロボットの形状や大きさは様々だが、いずれも事前にプログラムされており、物理的に外界と相互作用する。ロボットを製作する際、エンジニアは通常、運動学（ロボットの可動範囲を決定するため）と力学（ロボット内部の応力を決定するため）の知識を活用する。
ロボットは産業オートメーション工学で広く使用されています。ロボットを使用することで、企業は人件費を削減し、人間が経済的に行うには危険すぎる、または精密すぎる作業を実行し、品質を向上させることができます。多くの企業、特に自動車産業ではロボットの組立ラインを採用しており、一部の工場は完全にロボット化されているため、自動で稼働できます。工場外では、ロボットは爆弾処理、宇宙探査、その他多くの分野で使用されています。ロボットは、レクリエーションから家庭用まで、さまざまな住宅用途向けにも販売されています。[ 59 ]
構造解析は、物体がなぜ、どのように破損するのかを調べ、物体とその性能を修復することに専念する機械工学（および土木工学）の一分野です。構造的破損は、静的破損と疲労破損という 2 つの一般的なモードで発生します。静的構造的破損は、荷重が加えられたとき（力が加えられたとき）、解析対象の物体が破損基準に応じて破壊されるか、塑性変形するときに発生します。疲労破損は、物体が多数の荷重と除荷の繰り返しサイクル後に破損するときに発生します。疲労破損は、物体の不完全性によって発生します。たとえば、物体の表面にある微細な亀裂は、各サイクルでわずかに成長（伝播）し、最終的に破損を引き起こすのに十分な大きさになるまで続きます。[ 60 ]
故障とは、単に部品が破損した状態を指すのではなく、部品が意図したとおりに機能しない状態を指します。例えば、一部のビニール袋の穴あき上部など、意図的に破損するように設計されたシステムもあります。これらのシステムが破損しない場合、故障解析を用いて原因を特定することができます。
構造解析は、機械エンジニアが故障が発生した後、または故障を防止するための設計を行う際によく使用されます。エンジニアは、故障の種類と考えられる原因を特定するために、 ASM [ 61 ]が発行したオンライン文書や書籍をよく使用します。
理論を機械設計に適用した後、計算結果を検証するために物理的な試験が行われることがよくあります。構造解析は、部品設計を行うオフィス、故障した部品を分析する現場、または部品が制御された故障試験を受ける可能性のある研究所など、さまざまな場面で使用されます。
熱力学は、熱、仕事、エネルギー、および物質の物理的性質に関する物理科学です。[ 62 ]機械工学や化学工学を含む、いくつかの工学分野で使用されています。工学熱力学は、エネルギーをある形態から別の形態に変換するシステムに焦点を当てています。
より広義には、熱工学は熱力学と輸送現象の科学を組み合わせて、工学システムにおける熱伝達、燃焼、圧縮性流体の流れを研究します。機械エンジニアは、エンジン、発電所、熱交換器、ヒートシンク、ラジエーター、冷蔵庫、断熱材、暖房、換気、空調（HVAC）システムなどの機器を設計するために熱工学を使用します。[ 63 ]
例えば、自動車のエンジンは燃料の化学エネルギー（エンタルピー）を熱に変換し、さらにそれを車の車輪を回転させる機械的な仕事に変換します。機械エンジニアは、熱や摩擦として失われる化学エネルギーの割合を最大化し、機械的な仕事に変換される割合を最大化するエンジン設計を目指します。理想的な設計はカルノー効率に近づくでしょう。（実際、サディ・カルノーはフランスの軍事技術者でした。）
製図または技術図面は、機械エンジニアが製品を設計し、部品の製造手順を作成する手段です。技術図面は、部品の製造に必要なすべての寸法、組み立てに関する注記、必要な材料のリスト、およびその他の関連情報を示すコンピュータ モデルまたは手描きの概略図です。[ 64 ]技術図面を作成する米国の機械エンジニアまたは熟練労働者は、製図者または製図工と呼ばれることがあります。製図は歴史的に2次元のプロセスでしたが、現在ではコンピュータ支援設計（CAD）プログラムにより、設計者は3次元で作成することができます。
部品を製造するための指示は、手動、プログラムされた指示、またはコンピュータ支援製造（CAM）もしくはCAD/CAM複合プログラムの使用によって、必要な機械に入力する必要があります。場合によっては、技術者が技術図面を使用して手動で部品を製造することもあります。しかし、コンピュータ数値制御（CNC）製造の登場により、現在では技術者の継続的な入力なしに部品を製造できるようになりました。手動で製造される部品は、一般的に、スプレーコーティング、表面仕上げ、および機械では経済的にも実用的にも実行できないその他の工程で構成されています。
製図は、機械工学のほぼすべての分野、そして他の多くの工学および建築分野で用いられています。CADソフトウェアを用いて作成された3次元モデルは、有限要素解析（FEA）や計算流体力学（CFD）でも一般的に使用されています。
多くの機械工学企業、特に先進国の企業は、2Dおよび3Dソリッドモデリングによるコンピュータ支援設計（CAD）を含む、コンピュータ支援エンジニアリング（CAE）プログラムを既存の設計および解析プロセスに組み込んでいます。この手法には、製品の視覚化が容易かつ包括的になること、部品の仮想アセンブリを作成できること、嵌合インターフェースや公差の設計が容易であることなど、多くの利点があります。
機械エンジニアが一般的に使用するその他のCAEプログラムには、製品ライフサイクル管理（PLM）ツールや、複雑なシミュレーションを実行するための解析ツールなどがあります。解析ツールは、疲労寿命や製造性など、想定される負荷に対する製品の応答を予測するために使用できます。これらのツールには、有限要素解析（FEA）、計算流体力学（CFD）、コンピュータ支援製造（CAM）などがあります。
CAEプログラムを使用することで、機械設計チームは設計プロセスを迅速かつ低コストで反復し、コスト、性能、その他の制約条件をより適切に満たす製品を開発できます。設計がほぼ完了するまで物理的なプロトタイプを作成する必要がないため、ごく少数の設計ではなく、数百、数千もの設計を評価することが可能になります。さらに、CAE解析プログラムは、粘弾性、嵌合部品間の複雑な接触、非ニュートン流体など、手作業では解決できない複雑な物理現象をモデル化できます。
メカトロニクスに見られるように、機械工学が他の分野と融合し始めるにつれ、多分野設計最適化（MDO）が他のCAEプログラムと連携して、反復的な設計プロセスを自動化および改善するために活用されるようになっています。MDOツールは既存のCAEプロセスを補完し、アナリストが業務を終えて帰宅した後でも製品評価を継続できるようにします。また、高度な最適化アルゴリズムを用いて、よりインテリジェントに設計の可能性を探り、困難な多分野設計問題に対して、より優れた革新的な解決策を見出すことがよくあります。
エンジニアリング チームは、オンデマンド プラットフォームを通じて外部の有限要素解析 (FEA) の専門知識にアクセスできます。CAD または FEA 入力ファイル、荷重ケース、境界条件、必要な成果物などの構造化されたプロジェクト入力を送信することで、ユーザーは即座に見積もりを受け取り、事前資格認定済みのシミュレーション エンジニアとつながることができます。プロバイダーはワークフロー全体をリモートで管理し、多くの場合、クラウドおよび GPU ベースのインフラストラクチャでシミュレーションを実行してターンアラウンドを短縮します。これは、社内の CPU ベースのシステムよりも大幅に高速になる可能性があります。[ 65 ] [ 66 ]このモデルは、拡張性、CFD やマルチフィジックスなどのニッチなシミュレーション領域へのアクセスを提供し、従来の調達サイクルの遅延、ライセンスの負担、オーバーヘッドを回避します。これは、厳しい納期や限られた社内能力で作業する小規模チームにとって特に価値があります。
機械技術者は、より安全で、より安価で、より効率的な機械や機械システムを開発するために、物理的に可能な限界を常に押し広げています。機械工学の最先端技術の一部を以下に示します（探究型工学も参照）。
バネ、歯車、流体デバイス、熱伝達デバイスなどのミクロンサイズの機械部品は、シリコン、ガラス、SU8などのポリマーといった様々な基板材料から製造されます。MEMS部品の例としては、自動車のエアバッグセンサーとして使用される加速度計、最新の携帯電話、精密な位置決めに使用されるジャイロスコープ、生体医療用途で使用されるマイクロ流体デバイスなどが挙げられます。
摩擦攪拌溶接は、新しいタイプの溶接で、1991 年に溶接協会(TWI) によって発見されました。この革新的な定常状態 (非溶融) 溶接技術は、これまで溶接できなかった材料、例えばいくつかのアルミニウム合金などを接合します。これは、将来の航空機の製造において重要な役割を果たし、リベットに取って代わる可能性があります。現在までにこの技術が使用されている用途には、スペースシャトルのアルミニウム製メイン外部燃料タンク、オリオン乗員輸送車、ボーイング デルタ II およびデルタ IV 使い捨てロケット、スペースXファルコン 1 ロケットの継ぎ目の溶接、水陸両用強襲艦の装甲板、エクリプス アビエーションの新型エクリプス 500 航空機の翼と胴体パネルの溶接などがあり、用途はますます拡大しています。[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]
複合材料とは、複数の材料を組み合わせたもので、それぞれの材料単体では得られない異なる物理的特性を持つ。機械工学における複合材料の研究は、一般的に、より強度や剛性の高い材料を設計し（そして、その用途を見出す）ことに重点を置きながら、重量、腐食感受性、その他の望ましくない要素を低減することを目指している。例えば、炭素繊維強化複合材料は、宇宙船や釣り竿など、多岐にわたる用途で使用されている。
メカトロニクスは、機械工学、電子工学、ソフトウェア工学の相乗的な組み合わせです。メカトロニクスの分野は、機械原理と電気工学を組み合わせる方法として始まりました。メカトロニクスの概念は、ほとんどの電気機械システムで使用されています。[ 70 ]メカトロニクスで使用される典型的な電気機械センサーは、ひずみゲージ、熱電対、圧力変換器です。
最小スケールでは、機械工学はナノテクノロジーになります。一つの仮説的な目標は、メカノシンセシスによって分子や材料を構築する分子アセンブラーを作成することですが、その目標は探索的工学の範囲内にとどまっています。ナノテクノロジーにおける現在の機械工学研究の分野には、ナノフィルター[ 71 ]、ナノフィルム[ 72 ]、ナノ構造[ 73 ]などがあります。
有限要素解析は、固体の応力、ひずみ、たわみを推定するために使用される計算ツールです。ユーザー定義サイズのメッシュ設定を使用して、ノードでの物理量を測定します。ノードが多いほど精度が高くなります。[ 74 ]この分野は新しいものではなく、有限要素解析（FEA）または有限要素法（FEM）の基礎は1941年に遡ります。しかし、コンピュータの進化により、FEA/FEMは構造問題の解析に実行可能なオプションになりました。NASTRAN、ANSYS、ABAQUSなどの多くの商用ソフトウェアアプリケーションは、研究やコンポーネントの設計のために産業界で広く使用されています。一部の3DモデリングおよびCADソフトウェアパッケージには、FEAモジュールが追加されています。最近では、SimScaleのようなクラウドシミュレーションプラットフォームがより一般的になっています。
熱や物質の移動、流体の流れ、流体と表面の相互作用などに関する問題を解決するために、有限差分法（FDM）や有限体積法（FVM）などの他の手法が用いられます。
生体力学は、人間、動物、植物、臓器、細胞などの生物システムに力学的原理を応用する学問です。[ 75 ]生体力学は、人間の義肢や人工臓器の作成にも役立ちます。[ 76 ]生体力学は、生物システムを分析するために伝統的な工学科学を頻繁に使用するため、工学と密接に関連しています。ニュートン力学や材料科学のいくつかの単純な応用により、多くの生物システムの力学に対する正しい近似値が得られます。
過去10年間、骨組織などの自然界に存在する材料のリバースエンジニアリングは、学術界で資金援助を受けてきた。骨組織の構造は、単位重量あたり大量の圧縮応力に耐えるという目的に最適化されている。[ 77 ]目標は、構造設計において粗鋼をバイオマテリアルに置き換えることである。
過去 10 年間で、有限要素法(FEM) は生物医学分野にも進出し、バイオメカニクスのさらなる工学的側面を強調してきました。それ以来、FEM は生体内外科的評価の代替手段として確立され、学術界で広く受け入れられるようになりました。計算バイオメカニクスの主な利点は、倫理的制約を受けることなく、解剖学的構造の内部解剖学的反応を決定できることにあります。[ 78 ]これにより、FE モデリングはバイオメカニクスのいくつかの分野で普及するようになり、いくつかのプロジェクトではオープンソースの理念を採用しています (例: BioSpine)。
計算流体力学（CFDと略されることが多い）は、流体の流れに関わる問題を解決および解析するために数値的手法とアルゴリズムを使用する流体力学の一分野です。コンピュータは、境界条件によって定義された表面と液体および気体の相互作用をシミュレートするために必要な計算を実行するために使用されます。[ 79 ]高速スーパーコンピュータを使用すると、より良いソリューションが実現できます。継続的な研究により、乱流などの複雑なシミュレーションシナリオの精度と速度を向上させるソフトウェアが生まれています。このようなソフトウェアの初期検証は風洞を使用して実行され、最終的な検証は、たとえば飛行試験などのフルスケールテストで行われます。
音響工学は、機械工学の多くの下位分野の1つであり、音響学の応用です。音響工学は、音と振動の研究です。音響エンジニアは、防音や不要な騒音源の除去によって、機械装置や建物の騒音公害を低減するために活動します。音響学の研究は、より効率的な補聴器、マイクロホン、ヘッドホン、またはレコーディングスタジオの設計から、オーケストラホールの音質の向上まで多岐にわたります。音響工学は、さまざまな機械システムの振動も扱います。[ 80 ]
製造工学、航空宇宙工学、自動車工学、海洋工学は、機械工学とまとめて扱われる場合がある。これらの分野の学士号は、通常、いくつかの専門科目の違いがある。