#composite fiber

[research-news-blog]

The global Composites market is estimated to grow with a CAGR of 3.7% during the forecast period and will reach $30.63m in 2021. Backed by increased consumption of carbon fibers reinforced plastic materials in industries where quality id more important than price, the industry has registered a swift growth across the world over the past few years. 

[benjaminwuerkner]

FIBER SPIDER - Generative composite fiber

Generative manufacturing of composite components allows us to place each fiber individually - and thus optimized on forces - and produce space frame structures.

The impressive example of a natural creature from the deep sea points out the potential of space frame structures made with composite fiber.

The Venus' Flower Basket is a sponge and has a space frame structure made of silicates. The silicates are very similar to the industrially processed glass fiber. The enormous stability, which is achieved with little material, makes this sponge quite impressive. His skeleton is considered to be unbreakable. At a length of 28 cm and a diameter of 3.5 cm it weighs approximately 5 g.

The structure of the silicate skeleton consists of hierarchical organized material -from nano-scale to macro scale. It starts with the formation of the fiber and goes on with the fiber bundle up to the formation of the macro-scale space frame structure. This space frame structure consists of struts that are arranged in a rectangular grid, supported by diagonal cross braces. Thus the sponge can ideally withstand tensile and shear stresses.

With generative design methods a space frame structure like that, composed of 3D printed glass fiber composite, was created.Fiber Spider is a parametrically programmed machine, that uses an extruder, gravity and magnetic pull to apply glass fibers in the shape of catenaries, creating a space frame. Each fiber is individually placed in space and optimized on forces by programming and automation.

A custom fiber extruder with three axes X, Y and Z makes it possible to generate the fiber networks in conjunction with the information of the digital calculations and form findings. The magnetically manipulated catenaries of the lightweight composite connect to force optimization strategies of lightweight constructions in architecture. Architects have used catenary models to find force optimized forms to achieve a reduction of material and weight in their constructions.

Additive Manufacturing becomes more and more relevant for industry. The additive manufacturing process is going to be an important part for a customizable and resource-efficient industrial production.For fiber composites, the additive manufacturing is still little or not developed. But the method offers the possibility to reduce the presently high proportion of manual labor in the manufacture of fiber composite components and also the potential to optimize the component part in terms of weight and resource-saving.

Unlike the conventional processing, the fiber is arranged in a three-dimensionally extended structure. The concept is, to produce lightweight components with maximum stability and minimal weight on an additive method.

Graduation project 2015 Benjamin Würkner Department Design University of Art and Design Offenbach am Main Prof. Dr. Markus Holzbach Institute for Materialdesign IMD

FIBER SPIDER

Generative Faserverbundstrukturen

Die Materialstudie ‚Fiber Spider‘ setzt sich mit dem Potential leichter Tragwerksstrukturen aus Faserverbundmaterial und generativer Entwurfs- und Herstellungsmethoden auseinander.

Welches Potential räumliche Tragwerke aus Faserverbund aufweisen können, zeigt das beeindruckende Beispiel eines natürlichen Schwamms.

Das Lebewesen besitzt eine Tragstruktur aus Silikaten, die der industriell verarbeiteten Glasfaser sehr ähnlich sind. Das beeindruckende an seinem Skelett ist die enorme Stabilität, die mit geringem Materialaufwand erreicht wird. Das Skelett gilt als praktisch unzerbrechlich und wiegt bei einer Länge von 28 cm und einem Durchmesser von 3,5 cm ca. 5 g.

Das Silikat-Skelett weist in seiner Struktur eine hierarchische Organisation des Materials von der Nanoskalierung bis zur Makroskalierung auf - von der Entstehung der Faser und der Faserbündel bis zur Ausbildung der makroskaligen räumlichen Tragstruktur. Diese Tragstruktur besteht aus Verstrebungen, die in einem rechtwinkligen Gitter angeordnet sind und durch diagonale Querstreben unterstützt werden, wodurch der Schwamm ideal Zug- und Scherspannungen widerstehen kann.

Mit generativen Designmethoden wurde eine dergestaltige räumliche Tragstruktur aus 3D gedrucktem Glasfaserverbund erstmals erzeugt.

Fiber Spider ist eine parametrisch programmierte Maschine, die mit einem Extruder und den Anziehungskräften Gravitation und Magnetismus Glasfasern als räumliches Tragwerk anlegt. Jede Faser wird über Software und Automatisierung individuell und kräfteoptimiert im Raum organisiert. Die digitale Simulation der physischen Parameter Gravitation und Magnetismus dient als Entwurfswerkzeug zur Generierung unterschiedlicher ‚Hängemodell‘-Strukturen. Die Werte des Algorythmus werden genutzt um den GCODE, die Programmierung der Maschine, zu schreiben. Ein speziell angefertigter Faser-Extruder mit drei Achsen X, Y und Z realisiert mit den Informationen die Glasfaser-Raumfachwerke. Durch den Einsatz realer Parameter in digitaler Software  entsteht ein Wechselspiel zwischen digitaler und physischer Formgenerierung.

Die magnetisch manipulierten Kettenlinien-Fasern des leichten Komposits schließen an Kräfteoptimierungs-Strategien aus der Architektur wie bspw. den Arbeiten des katalanischen Architekten Antoni Gaudi und des deutschen Architekten Frei Otto an. Das vertikal gespiegelte Hängemodell lässt anstelle von Zugkräften reine Druckkräfte erwarten, was material- und gewichtsreduziertes Bauen ermöglicht. Die Verwendung des Glasfaser-Komposit als Material überträgt das Hängemodell in ein theoretisch strukturelles Endprodukt. Der Einsatz des Magnetismus als zusätzliche Anziehungskraft stellt die Faser auf weitere Beanspruchungs-Richtungen neben der Schwerkraft ein.

Entgegen der herkömmlichen Verarbeitung der Faser in einer Fläche, wird sie in einer dreidimensional ausgedehnten Gitterstruktur angeordnet. Die Idee eines dergestaltigen Gitters findet Anlehnung an der leichten Skelett-Struktur des  Gießkannenschwamms aus der Tiefsee.

Additive Fertigungsverfahren gewinnen industriell an Bedeutung und spielen in Zukunft eine wichtige Rolle. Besonders für die Industrie 4.0 sind additive Fertigungsverfahren ein wichtiger Bestandteil für eine individualisierbare und ressourcenschonende Fertigung.

Für Faserverbundwerkstoffe hat die additive Fertigung ein hohes und vielversprechendes Entwicklungspotential. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, den bisher großen Anteil an handarbeit bei der Fertigung von Faserverbundbauteile zu reduzieren sowie das Bauteil hinsichtlich Leichtbau und Ressourceneinsparung zu optimieren.

Diplomarbeit 2015 Benjamin Würkner Fachbereich Design Hochschule für Gestaltung Offenbach am Main Prof. Dr. Markus Holzbach Institut für Materialdesign IMD

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Bauer NME 7 Goalie Mask

Bauer NME 7 Goalie Mask * Designed and handcrafted in Canada * Exclusive Revolutionary Lightweight Composite fiber construction * Featuring highly durable ABS outer layer surface for excellent chip and crack resistance * Improved vibration dampening system reduces overall resonation * Quad-density technologically advance inner liner featuring lightweight memory foam for maximum fit and comfort * Unique Integrated Flat Wire Technology strategically positioned for optimal vision * Large window provides enhanced peripheral vision * Fully adjustable five-point back plate strap for a controlled fit * 1 adjustable elastic straps * Additional sweatband and protective carrying bag included * CSA, HECC, CE Certified