11.04.2022 – Kategorie: Fertigung & Prototyping

3D-Druck in der Produktentwicklung: Unsere Expertenumfrage

3D-Druck in der ProduktentwicklungQuelle: Mikedotta/Shutterstock

Die Experten-Antworten auf unsere Fragen zeigen, dass „der“ 3D-Druck nicht nur einfach neue Fertigungsverfahren mit sich bringt. Wie beeinflusst er die Welt der (Serien-)Fertigung und der Produktentwicklung?

3D-Druck in der Produktentwicklung in der Praxis: Die Welt des 3D-CAD besteht in vielen Branchen bis dato vorwiegend aus Zylindern, Kegeln und Quadern sowie weiteren geometrischen Grundelementen, die der Konstrukteur zusammensetzt und verrundet. Etwa im Maschinenbau. Das hängt auch mit dem Rohmaterial zusammen: Platten, Stangen und Rohre. Eine „Platte“ mit zwei Bohrungen ist einfach zu fertigen und lässt sich bedenkenlos auf Lager fertigen, wenn sie in jeder Maschine vorkommt.

Das war und ist ausreichend für die Anwendung und die einfachsten eingesetzten Fertigungsverfahren: Sägen und Bohren aus der Stange. Auch aus der Tafel könnte man sie mittels Plasmaschneiden konturieren. Viele Platten ergeben zusammengeschweißt ganze Maschinenbetten. In einigen Branchen dürfte das sogar künftig die Methode der Wahl bleiben.

Die geometrische Freiheit der additive Verfahren könnten das in einigen Bereichen zu Gunsten der Freiformfläche auflösen. Mal sehen, was unsere Experten auf unsere drei Fragen antworten.


Unsere Fragen an die Experten:

  1. Ist der 3D-Druck bereits fit für die Serienfertigung von Teilen und welche Branchen betrifft dies besonders?
  2. Welche Trends im 3D-Druck sind besonders wichtig für Produktentwickler?
  3. Wie beeinflusst 3D-Druck den Entwicklungsprozess und hat dies Auswirkungen auf Konstruktions- und Simulations-Software?

3D-Druck in der Produktentwicklung: Entscheidener Faktor

1. Ja, der 3D-Druck ist bereits fit für die Serienfertigung – vor allem in der Medizin- und Zahntechnik sowie in der Luft- und Raumfahrt. Es besteht ein hoher Bedarf an personalisierten medizinischen Geräten, die für jeden Patienten individuell angepasst sein müssen. Wir unterstützen hier quasi täglich bei der Produktion von über 700.000 Einzelteilen. Auch in der Luft- und Raumfahrt ist 3D-Druck bereits in der Serie angekommen. Optimierungen treiben den Einsatz weiter voran. Neu gedachte Konstruktionen ermöglichen es beispielsweise, Komponenten für Düsentriebwerke mit einer integrierten Hochleistungskühlung in einem Arbeitsschritt zu fertigen.

2. Das oben genannte Beispiel zeigt, dass Design for Additive Manufacturing (DfAM) ein entscheidender Faktor für Produktentwickler ist. Wenn Entwickler ihr Design nicht für den Herstellungsprozess optimieren, wird das Produkt am Ende nicht den Erwartungen entsprechen. Wir beobachten aktuell, dass immer mehr Entwickler das volle Potenzial der additiven Fertigung erkennen und auch ausschöpfen.

3. Der 3D-Druck hat einen erheblichen Einfluss auf den Entwicklungsprozess – denn die Technologie ermöglicht es Ingenieuren, in sehr kurzer Zeit hochwertige Prototypen zu erstellen. Dies fördert, was wir als „radikale Innovation“ bezeichnen. Ein Entwickler kann hier dutzende Versionen in einer deutlich kürzeren Zeitspanne erstellen und validieren als je zuvor. Der 3D-Druck in der Produktentwicklung ist eine Ergänzung zur Konstruktions- und Simulationssoftware. Entwickler können nun Produkte und Prototypen fertigen, die vorher unmöglich so zu produzieren waren.


1. Die Antwort ist schlicht: Ja! Nach meiner Erfahrung ist die Automobilbranche hier Vorreiter und bestimmt das Geschehen. So kam bei der BMW Gruppe bereits 2018 ein 3D-gedrucktes Bauteil in einer Serienproduktion erfolgreich zum Einsatz. Die Metall-Dachhalterung des BMW i8 Roadsters wurde mit Selective Laser Melting (SLM) realisiert. Diese Lösung ermöglichte eine Gewichtseinsparung von 44 Prozent und eine kosteneffizientere Produktion. Sie wurde deshalb mit dem Altair Enlighten Award 2018 ausgezeichnet. Ebenfalls gute Perspektiven für den 3D-Druck bietet das Binder-Sinter-Verfahren, mit dem kundenspezifische Serien mit Hunderten bis Tausenden Teilen möglich sind.

2. Es entstehen ständig neue Technologien und damit verbunden, neue Möglichkeiten, so dass es für Produktentwickler wichtig ist, am Ball zu bleiben und einen Überblick über Prozessanforderungen, neue Methoden sowie maßgeschneiderte Materialien zu bewahren. So kann er von neuen Trends profitieren und das aktuelle Potenzial des 3D-Drucks für seine Anwendung voll ausschöpfen.

3. Die Gestaltungsfreiheit im 3D-Druck beeinflusst den Entwicklungsprozess nachhaltig und ermöglicht zahlreiche Funktionsintegrationen. Wie alle Fertigungsverfahren hat aber auch der 3D-Druck in der Produktentwicklung seine eigenen Anforderungen. Die Konstruktionssoftware muss flexibel genug sein, um Geometrien verarbeiten zu können, die für unterschiedliche Verfahren geeignet sind. Die Simulation des Herstellungsprozesses muss konstruktionskritische Ergebnisse erfassen, um den Entwickler mit aussagekräftigen Erkenntnissen bei der Optimierung des Designs zu unterstützen. Ein Beispiel dafür ist die präzise Vorhersage der endgültigen Netzform sowie und deren Kompensation..


Mehrwert für die Fertigung

3D-Druck in der Produktentwicklung
Bild: Arburg

1. Die additive Fertigung von Kunststoffteilen etabliert sich neben dem Spritzgießen als ergänzendes Verfahren für industrielle Anwendungen. Viele Kunden verarbeiten mit dem Freeformer ihre Originalmaterialien und haben dabei sehr innovative Anwendungen im Blick. Das reicht von der Verarbeitung von Klebstoffen für die Montage von Smartphones über funktionale Hart-Weich-Verbindungen im Automobil bis zu patientenspezifischen Implantaten in der Medizintechnik. Einzigartig ist auch die stoffschlüssige Kombination von teilkristallinem PP und weichem TPE, etwa für Funktionsbauteile in der Pharmabranche. Ein weiterer interessanter Einsatzbereich sind individuell angepasste Komponenten für Betriebsmittel und Automation.

2. Echter Mehrwert entsteht dann, wenn sich ganz neue Anwendungen realisieren lassen. Dazu muss aber verfahrensgerecht konstruiert werden – beispielsweise um belastbare Funktionsbauteile im Multimaterial-Design, integrierte Funktionen oder individualisierte Implantate additiv zu fertigen. Bei unserem Freeformer-Verfahren kann man sogar innerhalb eines Bauteils die Dichte und den Füllgehalt variieren. Über den tropfenweisen Austrag erfolgt der Aufbau der einzelnen Schichten sehr homogen, was in hoher Festigkeit resultiert. Ein wichtiger Aspekt ist bei unserem Verfahren, ist breite Spektrum an Originalmaterialien, die Ingenieure nutzen können. Zudem bieten wir den Freeformer nun auch in einer Hochtemperaturausführung an.

3. Durch die schnelle und wirtschaftliche additive Fertigung von Prototypen lässt sich die wichtige Kenngröße „Time-to-market“ deutlich beschleunigen. Arburg hat etwa beim Corona-Projekt „Mund-Nasen-Maske“ mit dem Freeformer Prototypen gefertigt und optimiert. Dadurch konnten die Masken in einer Rekordzeit von nur 41 Tagen in Großserie spritzgegossen werden. Das Beispiel zeigt, welche Power die additive Fertigung in Verbindung mit dem Spritzgießen entwickeln kann.


1. Die Kleinserien- und Ersatzteilfertigung von nicht zu großen, komplexen Kunststoffteilen im Pulverbettverfahren ist bereits auf einem guten Weg, traditionelle Fertigungsverfahren nach und nach abzulösen. Potential sehe ich hierfür zunächst in der Automobilindustrie sowie im Maschinen- und Anlagenbau. Wichtig, um dies umzusetzen, ist die Automatisierung des Workflows; angefangen bei der automatischen Positionierung, über das Nesting aus einer Teiledatenbank heraus, bis hin zur direkten Verbindung der 3D-Druck-Software mit der Maschine.

2. 3D-Druck bietet neue Freiheitsgrade und Möglichkeiten in Sachen Leichtbau sowie Funktionsintegration. Bauteile, die ideal den Simulationsergebnissen entsprechen sind damit umsetzbar, weil sich komplexe Strukturen realisieren lassen. Ingenieure müssen diese neuen Möglichkeiten zunächst verinnerlichen und dann für ihre Produkte nutzen. Ich denke, dies ist ein längerer Prozess, aber es wird sicher noch sehr interessant.

3. Teilweise ist die Konstruktion von 3D-Druck-Bauteilen einfacher, da fertigungstechnische Anforderungen wie Entformungsschrägen nicht berücksichtigt werden müssen. Durch die Additive Fertigung mit ihren vielen unterschiedlichen, neuen Verfahren ergeben jedoch sich enorme Anforderungen an 3D-Druck-Software, die spezifische Belange in Sachen Datenaufbereitung und Maschinensteuerung abdecken müssen. Wir sehen das aus den zahlreichen Anfragen, die wir von Maschinenherstellern, vor allem solchen mit neuen Druckverfahren, bekommen.


Unsere Fragen an die Experten:

  1. Ist der 3D-Druck bereits fit für die Serienfertigung von Teilen und welche Branchen betrifft dies besonders?
  2. Welche Trends im 3D-Druck sind besonders wichtig für Produktentwickler?
  3. Wie beeinflusst 3D-Druck den Entwicklungsprozess und hat dies Auswirkungen auf Konstruktions- und Simulations-Software?

Bild: Igus

1. Der 3D-Druck in der Produktentwicklung bietet die Möglichkeit, schnell und kostengünstig Prototypen und Kleinserien herzustellen. So sind es bei uns Privatkunden, denen ein einzelnes Teil kaputt gegangen ist, ebenso wie Industriekunden aus einer Vielzahl an Branchen, für die wir Tribopolymer-Teile von bis zu 10.000 Stück per Lasersintern herstellen.

2. Die gedruckten Komponenten „intelligent“ zu machen, das ist eine spannende Entwicklung, die wir vorantreiben. Sie kommen insbesondere dort zum Einsatz, wo Ausfall- und Stillstandkosten sehr hoch sind oder wo Anwendungen zusätzliche Sensordaten benötigen. Ein anderes Thema ist der Multimaterial-Druck. Er ist für Anwendungen interessant, bei denen unter anderem reguläre Kunststoffbauteile an ihre Grenzen kommen und zusätzliche Eigenschaften benötigt werden, wie hohe Festigkeit. Zudem ist damit eine zusätzliche Funktionsintegration möglich, da sich zum Beispiel Dichtlippen direkt mit an das Bauteil drucken lassen.

3. Allen Kunden wollen wir mit unseren schmier- und wartungsfreien Kunststoffen einen Lebensdauer-, Kosten- oder Zeitvorteil verschaffen. Neue Konstruktions-Ideen lassen sich schnell und unkompliziert ausprobieren, neue Anwendungen testen und weiter optimieren. Dank unseres Online-3D-Druckservices können die CAD-Daten unkompliziert hochgeladen werden und der Kunde erhält in nur wenigen Tagen sein gedrucktes individuelles Teil.


3D-Druck in der Produktentwicklung: Auf die Software kommt es an

1. Es gibt bereits viele Anwendungen, in denen sich Produkte mit Mehrwert oder auch günstiger additiv in Serie fertigen lassen. Um die Technologie weiter voran zu bringen, sind Entwicklungen bei Kosteneffizienz, Materialvielfalt, Automatisierung, Produktivität und Prozessstabilität nötig. Insofern erwarten wir insbesondere noch produktivere AM-Anlagen, neue Materialien und Legierungen, stärkere Automatisierung in der Nachbearbeitung sowie Softwarelösungen zur Steigerung der Kosteneffizienz und Prozessintegration.

2. Durch Lieferengpässe und die verstärkte Nutzung additiver Fertigung für Ersatzteile und Endprodukte hat sich auch der Blick der Entwickler auf diese Technologie verändert. Es wird seitens der Entscheider immer klarer, dass sich 3D-Druck auch abseits des Prototyping rechnen kann. Kurze Entwicklungszeiten, zeitliche und räumliche Flexibilität sowie die damit möglichen Verbesserungen in Logistik und Kundenservice machen die Technologie attraktiv. Dabei sollten die Konstrukteure weg von der Betrachtung der reinen Produktkosten. Die Total-Cost-of-Ownership ist entscheidend dafür, ob AM die richtige Technologie für dieses Bauteil ist.

3. Die Möglichkeiten im 3D-Druck können schnell zu abstrakten und sehr komplexen Geometrien führen. Herkömmliche Konstruktionssoftware ist darauf nicht ausgelegt. Die Basis der meisten CAD-Tools sind die konventionellen Bearbeitungen wie Drehen oder Fräsen mit planen Flächen und geraden Bohrungen. Freiformflächen oder komplexe Kanalführungen lassen sich meist nur schwer realisieren und führen schnell zu massiven Datensätzen. Auch bei dem Einsatz von Simulationssoftware ändert sich einiges. Im Grunde wurde der Prozess der Simulation umgekehrt. Das Bauteil wird nicht mehr nach der Konstruktion simuliert und eventuell angepasst, sondern es erfolgt im ersten Schritt eine sogenannte Topologie-Optimierung. Diese kam bis dato seltener zum Einsatz, da sie zu komplexen Strukturen führt, die in der Regel nicht konventionell zu fertigen sind. Die Konstrukteure sind lediglich an für den Druckprozess wichtige Aspekte wie eine optimale Bauteilorientierung gebunden und nicht fertigbare Überhänge. Auch hier helfen Simulationen, Fehler zu vermeiden.


3D-Druck in der Produktentwicklung
Bild: Protolabs

1. Trotz der ursprünglichen Konzentration auf die Prototypenfertigung hat sich der 3D-Druck in der Produktentwicklung zu einem Standardverfahren entwickelt. In der Medizintechnik und Luft- und Raumfahrt ist er bereits in der Serie angekommen. Das gilt jedoch nicht für alle Sparten gleichermaßen. Marktpotenzial besteht in Branchen, in denen bei gleichen Geometrien eine höhere Stückzahl benötigt wird, wie im Automobilbau. Dabei ist die additive Fertigung auch hier bereits ein Trendthema.

2. Um den 3D-Druck auch für die Serienfertigung wirtschaftlich zu gestalten, werden immer schnellere Bauzeiten umgesetzt. Daneben sind aber auch die Prozesse rund um den eigentlichen Druck heute im Fokus. Zudem sind neue Materialien mit optimierten Eigenschaften essenziell, aber auch verbesserte Oberflächeneigenschaften. Solche lassen sich beispielsweise durch Vapour Smoothing erreichen, einem automatisierten und speziell für den 3D-Druck entwickelten Nachbearbeitungsverfahren.

3. Ein zentraler Vorteil der additiven Fertigung ist, dass das Verfahren bereits von Anfang an auf 3D-CAD basierte. Darüber hinaus stellen auch sehr komplexe Bauteile für den 3D-Druck ebenso keine Herausforderung dar, wie organische Formen. Vielmehr passen diese optimal zu einem generativen Design. Die Fertigung kann starten, sobald eine CAD-Datei erstellt ist – ohne komplexe Zwischen- und Hilfsprozesse. Das spart Zeit und verringert Lieferzeiten. Je nach Geometrie und Stückzahlen können die Teile bereits am nächsten Tag fertig sein. Der 3D-Druck macht den sonst üblichen Entwicklungsprozess schneller und günstiger. Er eröffnet damit neue Möglichkeiten.


Durch Simulationen neue Möglichkeiten erkennen

3D-Druck in der Produktentwicklung
Bild: Replique

1. 3D-Druck ist auf jeden Fall reif für die Serienproduktion. Natürlich werden Großserien in den meisten Fällen weiterhin – noch – konventionell gefertigt. Die Stärke des 3D-Drucks liegt jedoch in der kostengünstigen Produktion von Serien mit geringen Stückzahlen. Denn beim 3D-Druck werden keine speziellen Formen und Werkzeuge benötigt, wodurch die Fixkosten stark sinken. Parallelisiert man nun noch Druckvorgänge, so ist eine Massenproduktion mit 3D-Druck gar nicht mehr so fern.

2. Zertifizierung spielt gerade eine große Rolle in der Welt des 3D-Drucks. Für unseren Kunden Miele konnten wir beispielsweise gemeinsam mit Forward AM einen 3D-Druck-Prozess für Lebensmittelkontakt durch das TÜV Rheinland zertifizieren lassen. Dabei muss nicht nur das Material, sondern der gesamte Druckvorgang und alles, was damit verbunden ist, hohen Anforderungen entsprechen. Ein weiterer Trend sind AM-Dienstleister und -Plattformen. Es entsteht zurzeit ein großes Ökosystem, das Unternehmen in den häufig noch unbekannten 3D-Druck-Prozessen vollumfänglich unterstützen kann. Dadurch wird es einfacherer, 3D-Druck in der Produktentwicklung in bestehende Prozesse zu integrieren. Beispielsweise benötigen Anwender keine eigenen Maschinen. Jedoch wird es auch zunehmend unübersichtlich, mit welchen Partnern man arbeiten sollte. Da hilft eine Plattform wie unsere sehr.

3. Aktuelle Entwicklungsprozesse sind durch bestehende Produktionsprozesse limitiert. Traditionell designte Bauteile lassen sich zudem nur bedingt drucken und erfordern meist Anpassung. In Zukunft dagegen werden vermehrt Bauteile von Anfang an für den 3D-Druck konstruiert. Auch der Entwicklungsprozess selbst verändert sich dadurch: Produkte aus dem 3D-Drucker lassen sich im Trial-and-Error-Verfahren innerhalb kürzester Zeit entwickeln: Entwurf erstellen, drucken, testen, optimieren – bis das Produkt wie geplant funktioniert. Unterstützen kann auch Simulation: Sie hilft ebenfalls dem Produkt durch clevere Formgebung bessere Eigenschaften zu geben, ohne beispielsweise das Material anpassen zu müssen.


Bild: Stratasys

1. Der 3D-Druck entwickelt sich immer weiter, und findet Relevanz in den unterschiedlichsten Branchen. Für kleine bis mittlere Stückzahlen ermöglichen neue Entwicklungen in der Technologie und bei den Materialien, beispielsweise teure Spritzgusswerkzeuge zu umgehen und Serienteile direkt zu drucken. Hier legen wir einen Schwerpunkt und treiben die additive Fertigung für die Serienproduktion voran. Mit unseren jüngsten Technologien P3 – Programmable PhotoPolymerization – und SAF – Selective Absorption Fusion – lassen sich Teile in Spritzgussqualität zu Stückkosten fertigen, die wir bisher in der additiven Fertigung noch nicht gesehen haben. Dies ermöglicht einem Maßstab von Tausenden bis zu Hunderttausenden von Teilen.

2. Im Produktdesign ist Prototyping heute eine Grundvoraussetzung, denn Designer stehen unter zunehmendem Druck, die Markteinführung zu beschleunigen und Produktdesigns anzupassen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Dank der Fortschritte im 3D-Vollfarb- und Multimaterialdruck können sie ein Produkt im Prototypenstadium in Sachen Farbe, Material und Oberfläche realistisch nachbilden. Dies kann die Kosten für die Produktentwicklung senken und die Design-Iterationen beschleunigen. Ein Beispiel ist Volkswagen: Das Unternehmen nutzt unsere Technologie, um die Realitätsnähe von Prototypen für den Fahrzeuginnenraum zu verbessern und gleichzeitig die Kosten zu senken.

3. Während des Produktdesigns ist der 3D-Druck in der Produktentwicklung heute das gängige Werkzeug im Prototyping-Prozess, von originalgetreuen Konzeptmodellen über die Designvalidierung bis hin zu voll funktionsfähigen Prototypen für Gebrauchstests. Software spielt hierbei natürlich eine wichtige Rolle, um einen optimierten, digitalen Workflow herzustellen und die Umsetzung von Daten in physische Modelle oder Bauteile exakt und schnell umzusetzen. Unsere 3D-Drucker arbeiten mit GrabCAD-Print-Software, die optimal auf unsere Technologie abgestimmt ist.

Die Fragen stellte Jan Bihn, Redakteur Digital Engineering Magazin.

Lesen Sie auch: Expertenumfrage: Simulation in der Produktentwicklung


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