• Nadine Rinderknecht

4D Printing (Sheet Nr. 2)

Aktualisiert: 15. Dez 2021

Das 4D Printing ermöglicht vielseitige Transformationen des Druckerzeugnisses. Doch was genau ist das 4D Printing und welche Rolle spielen dabei die sog. Smart Materials?


Abbildung 1

Zeit für die nächste Dimension

If yesterday we programmed computers and machines, today we program matter itself. - Skylar Tibbits

Das 3D-Druckverfahren, sprich ein Verfahren zum schichtweisen Auftragen von Materialien zur Herstellung körperlicher Objekte, wurde bereits in den 1980er Jahren zum Patent angemeldet. Doch erst sinkende Preise für 3D-Drucker und Druckrohstoffe sowie steigende Baugeschwindigkeit und -genauigkeit haben zu einer wachsenden kommerziellen und privaten Nutzergruppe geführt. Die kommerzielle Nutzung ermöglicht Unternehmen unter anderem Prototypen oder individualisierte Produkte herzustellen. Daneben können private Nutzer direkt von Zuhause aus Erzeugnisse drucken. Mit dieser Verbreitung der 3D-Drucker geht infolge der digitalen Plattformen für 3D-Modelle ein globales Nutzernetzwerk, gleichzeitig aber auch ein lokales Drucken einher. Die Herstellung mittels 3D-Druck wirkt sich denn auch massgeblich auf die Wertschöpfungs- und Lieferketten aus: Indem der (kommerzielle oder private) Endverbraucher Erzeugnisse selbst bzw. lokal druckt, kann er eine Vielzahl der traditionellen Wertschöpfungsstufen wie Produktion und Transport umgehen, was wiederum Unternehmen zu neuen Geschäftsmodellen anreizt.

Allerdings sind die Erzeugnisse aus dem 3D-Drucker nur statischer Natur: Sie können weder ihre Form noch ihre Funktion in programmierbarer Weise verändern; sich dem Nutzer oder seiner Umgebung anpassen. Denn dazu bedarf es einer Transformation in der Zeit. Die Zeit, sprich die vierte Dimension, ist denn auch das Novum der nächsten „Generation” der Druckverfahren. Mittels 4D-Druck wird ein Erzeugnis, das zu bestimmten Transformationen programmiert worden ist, gedruckt. Damit zeichnet sich nach der Revolution im Hard- und Softwarebereich in den letzten 50 Jahren eine neue Revolution ab: die „materials revolution”. So können nicht mehr nur Computer und Maschinen programmiert werden, sondern auch die Materie selbst, denn auch diese kann digitale Informationen in physische Performance und Funktionalität umwandeln.

Wie zuvor beim 3D-Druck wird wohl auch die Nutzergruppe von 4D-Druckern wachsen, wenn die 4D-Drucker und Druckrohstoffe wie Smart Materials einem Preisverfall ausgesetzt sein werden. Zurzeit ist eine breite Nutzung des 4D-Drucks auch wegen des relativ tiefen Forschungsniveaus in Bezug auf 4D-Software und Smart Materials aber noch nicht absehbar. Demgemäss wurde die Technologie in den Gartner Hype Cycles for Emerging Technologies der Jahre 2016 bis 2018 noch mit mehr als 10 Jahren bis zum Plateau der Produktivität bewertet (Mainstream). Im aktuellen Hype Cycle von 2019 wird sie gar weggelassen. Folglich wird in den nächsten Jahren die kommerzielle Nutzung klar im Vordergrund stehen.

Die Auswirkungen des 3D-Drucks auf die Wertschöpfungs- und Lieferketten sowie die innovativen Geschäftsmodelle sind sodann auch beim 4D-Druck erkennbar. Nicht zuletzt besteht eine weitere Gemeinsamkeit zwischen den beiden Drucktechnologien: Der kommerzielle und private Einsatz des 4D-Drucks erzeugt neue rechtliche Herausforderungen – auch für das Urheberrecht.


3D Printing

Die 3D Printing Technology (oder auch nur „3D Printing” oder „3D-Druck”) ist ein Oberbegriff für additive Fertigungsverfahren, bei denen ein oder mehrere Materialien anhand eines digitalen CAD-Modells schichtweise auf den Baugrund aufgetragen werden, sodass ein dreidimensionales Objekt entsteht.

Als erster Schritt im Druckprozess ist ein 3D-Modell des zu druckenden Objekts in einer Computer-Aided Design (CAD)-Datei zu erstellen (sog. CAD-Modell). Dieses kann mithilfe CAD-Software oder durch Lasermessung bzw. optisches Scanning erstellt werden. Üblicherweise wird dann die CAD-Datei in das Stereo Lithography (STL)-Format konvertiert. Dadurch wird die Oberfläche des 3D-Modells mittels kleinen Dreiecken dargestellt und kann so – nach erfolgter Aufbereitung der STL-Datei und Einrichtung des 3D-Druckers (z.B. Einstellung der Druckgeschwindigkeit) – gedruckt werden. Hierbei werden die Schichten computerbasiert nach und nach auf den Baugrund aufgetragen. Nachdem die Schichten ausgekühlt bzw. ausgehärtet sind, kann das Bauteil entnommen und bei Bedarf nachbearbeitet werden (z.B. schleifen, polieren).


4D Printing

Die 4D Printing Technology (oder auch nur „4D Printing” oder „4D-Druck”) ist eine Weiterentwicklung des 3D-Druck(erzeugnisse)s um die Zeit als vierte Dimension. Bereits 2013 prägte Skylar Tibbits, Gründer und Direktor des Self-Assembly Labs am Massachusetts Institute of Technology (MIT), den Begriff des „4D Printing” an einer TED-Konferenz:

The idea behind 4D printing is that you take multi-material 3D printing […] and you add a new capability, which is transformation, that right off the bed, the parts can transform from one shape to another shape directly on their own. And this is like robotics without wires or motors. - Skylar Tibbits

Es werden also sog. Smart Materials (intelligente Werkstoffe) mittels 3D-Druckverfahren gedruckt, die nach Beendigung des Drucks bei bestimmten auslösenden Stimuli (z.B. Wasser, ultraviolettes Licht, Hitze, Druck) ihre Form und/oder Funktion in programmierbarer Weise verändern.

Ein prominentes Beispiel für ein 4D-Druckerzeugnis ist ein Strang, der aus sog. active und rigid Materials besteht. Wird der Strang ins Wasser eingetaucht, bleiben die Teile aus rigid Material starr, während sich diejenigen aus active Material derart ausdehnen, das sich der Strang zu den Buchstaben „MIT” verformt (Abbildung 2). Ein weiteres Beispiel ist ein Rohr, welches das Wasser mit Wellenbewegungen befördert und damit Pumpen weitestgehend überflüssig machen könnte.

Abbildung 2

Eine Art des 4D-Drucks ist das sog. Self-assembly. Diese wird von Tibbits wie folgt beschrieben: „Self-assembly can be defined as the process by which disordered parts build an ordered structure without humans or machines.” Werden also einzelne, ungeordnete Druckerzeugnisse in eine bestimmte Umgebung gegeben (z.B. Wasser), bauen sie sich selbständig zu einer geordneten Struktur zusammen. Diese Struktur kann sodann unveränderlich, d.h. statisch (sog. static Self-assembly) oder sich immer weiter verändern, d.h. dynamisch sein (sog. dynamic Self-assembly). Als Beispiel für das static Self-assembly ist an 240 Einzelteile zu denken, die sich in einem bewegten Behälter zu roten und weissen Dodekaeder zusammensetzen. Andere (zukünftige) Beispiele sind sich selbst aufbauende Satelliten im Weltraum. Beispiele für das dynamic Self-assembly sind Metallkugeln, die sich zu einer grösseren Struktur zusammensetzen und wieder in kleinere Teile zerfallen. Dieser Prozess kann sich potentiell unendliche Male wiederholen. Auf der anderen Seite können sich bestimmte Materialsysteme auch wieder in ihre Einzelteile zwecks Recycling oder Funktionswechsel zerlegen (sog. Self-disassembly).

Darüber hinaus kann ein Druckerzeugnis auch derart programmiert werden, dass es sich selbst repariert (sog. Self-repair). So können etwa bestimmte Rohre ihre Risse selbst ausbessern.


Vor- und Nachteile des 4D Printings

Als besonders vorteilhaft erweist sich beim 4D Printing die selbständige Anpassungsfähigkeit der Druckerzeugnisse. Die Erzeugnisse können sich selbst verändern, ohne auf (stromverbrauchende) externe Geräte oder elektromechanische Systeme (z.B. Motorantrieb) zurückgreifen zu müssen. Infolgedessen lassen sich Komponentenanzahl, Montagezeit, Fehleranfälligkeit sowie Herstellungskosten minimieren. Zudem passen sich die Druckerzeugnisse an die Bedürfnisse der Nutzer oder an veränderte Umgebungsbedingungen an. Z.B. werden Schuhe bei Regen wasserdicht, Wasserleitungen passen sich Bodenveränderungen an oder veraltete Objekte lassen sich mittels Self-disassembly leichter recyclieren.

Allerdings wirkt sich die Komplexität dieser neuen Technologie nachteilig auf die zu benutzende Hard- und Software aus. Die Hardware (Druckerzeugnis) erfordert eine komplexe Programmierung (z.B. durch Nanotechnologie). Zudem muss sie meist multi-materiell, d.h. aus mehreren (intelligenten) Werkstoffen, und präzise gedruckt werden können. Ausserdem muss die Software den zu druckenden Gegenstand und seine Transformationen möglichst präzise simulieren sowie Materialoptimierungen zwecks effizienteren Strukturen vornehmen können.

Wie jede Technologie kann auch der 4D-Druck bzw. sein Erzeugnis missbraucht werden, indem es etwa gehackt wird. In Zukunft könnten also beispielsweise Flugzeugflügel aus Smart Materials, die ihre Form den Aussenbedingungen zwecks maximalem Auftrieb und minimalem Luftwiderstand anpassen, gehackt und verformt werden, um das Flugzeug zum Absturz zu bringen. Infolgedessen sollten bereits mit der Programmierung Schutzmassnahmen in das Erzeugnis integriert werden, um solchen Hackerangriffen zuvorzukommen.


Key Take-Aways: Sheet Nr. 2 (Schweizerisches Urheberrecht)

  • Das 4D-Druckerzeugnis, das sich infolge Stimuli in Form und/oder Funktion transformiert, ist Ausdruck der vom Menschen vorgenommenen Programmierung und gerade nicht des Zufalls. Deshalb ist es eine geistige Schöpfung i.S.d. Urheberrechts.

  • Die unmittelbare Wahrnehmbarkeit des Werks besteht nur dann, wenn die Stimuli tatsächlich auf das Erzeugnis einwirken und es in der Folge den ganzen Transformationsprozess durchläuft. Allerdings genügt eine mittelbare Wahrnehmbarkeit durch ein technisches Hilfsmittel (z.B. 4D-Modell).

  • Ein sich veränderndes Objekt, welches das Werk verkörpert, ist dem Werkbegriff nicht unbekannt (z.B. ephemere Werke).

  • 4D-Werke lassen sich oft als Werke der bildenden oder angewandten Kunst qualifizieren.

  • Auch wenn die 4D-Druckerzeugnisse infolge ihres programmierbaren 4D-Bezugs tendenziell mehr Gestaltungsmöglichkeiten eröffnen, ist die Individualität nicht strenger zu beurteilen.

  • Einem Erzeugnis, das ein gescanntes Naturobjekt wie eine Wasserpflanze verkörpert und sich infolge Programmierung wie eine solche Pflanze im Wasser bewegt, soll keinen urheberrechtlichen Schutz geniessen (keine ästhetische Eigenleistung). Allerdings könnte ein patentrechtlicher Schutz bestehen (technische Eigenleistung der Programmierung).

  • Die Transformation ist Teil der Individualität, da auch sie als Ausdrucksmittel fungiert. Bei 4D-Werken bezieht sich der Gesamteindruck also nicht nur auf einen bestimmten Zeitpunkt wie den Anfangs- oder Endpunkt der Transformation, sondern auf den ganzen Transformationsprozess bzw. das gesamte Werk (4D-Gesamteindruck). Denn das 4D-Werk ist (beim Self-assembly) gerade in Einzelteilen verkörpert, welche – durch die Transformation zusammengehalten – nach dem Wille des Urhebers ein Ganzes bilden sollen.

  • Der 4D-Gesamteindruck kann aber aus Praktikabilitätsgründen eingeschränkt werden.

  • Die Fähigkeit eines Werks, seine Schäden selbständig zu reparieren, hat grundsätzlich nur einen Gebrauchswert und damit gerade keine Individualität.

  • Die Transformationsvielfalt eines einzigen Werks kann seine Zuordnung zu einer einzigen Werkgattung erschweren. Theoretisch könnte ein Erzeugnis in einem Zeitpunkt der Gattung A und in einem anderen der Gattung B zuzuordnen sein.

  • Ein 4D-Gesamtwerk besteht dann, wenn die Verbindung zwischen den einzelnen Werken – besonders in der Form der Transformation – selbst individuell ist.

Für mehr Informationen gehe zum Sheet Nr. 2!


Weiterführende Literatur

  • Alessandra Ghi/Francesca Rossetti, 4D Printing: An Emerging Technology in Manufacturing?, in: Leonardo Caporarello et al. (Hrsg.), Digitally Supported Innovation: A Multi-Disciplinary View on Enterprise, Public Sector and User Innovation, Cham 2016

  • Ana Ramalho/Eduardo Lauro, What will happen when 4D printing hits design town? Copyright and Design law perspectives, in: B. Pasa (Hrsg.), Il Design, L’Innovazione Tecnologica e Digitale, Neapel 2020

  • Antje Brambrink, 4D printing and the medical patent landscape, 16. August 2019

  • Athina Papadopoulou/Jared Laucks/Skylar Tibbits, From Self-Assembly to Evolutionary Structures, in: Architectural Design 87(4) (2017), 28 ff.

  • Laura E. Powell, The Patentability of Digital “Manufactures” as 3D Printing Expands Into the 4D World, in: Vanderbilt Journal of Entertainment and Technology Law 19(1) (2016), 177 ff.

  • Ma SuQian et al., Recent progress in 4D printing of stimuli-responsive polymeric materials, in: Science China Technological Sciences 63(4) (2020), 532 ff.

  • Nayef Al-Rodhan, Programmable Matter: 4D Printing’s Promises and Risks, in: Georgetown Journal of International Affairs (2014)

  • Skylar Tibbits et al., 4D Printing and Universal Transformation, in: Proceedings of the Association for Computer Aided Design in Architecture (2014), 539 ff.

  • Skylar Tibbits, 4D Printing: Multi-Material Shape Change, in: Architectural Design 84(1) (2014), 116 ff.

  • Skylar Tibbits, An Introduction to Active Matter, in: Skylar Tibbits (Hrsg.), Active Matter, Cambridge 2017

  • Skylar Tibbits, Special Issue: Autonomous Assembly: Designing for a New Era of Collective Construction, in: Architectural Design 87(4) (2017), 6 ff.

  • Sungwook Chung/Sang Eun Song/Young Tae Cho, Effective Software Solutions for 4D Printing: A Review and Proposal, in: International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology 4(3) (2017), 359 ff.

  • Thomas A. Campbell/Skylar Tibbits/Banning Garrett, The next Wave: 4D Printing, Programming the material World, Washington 2014


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