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Letzte Aktualisierung: März 25, 2021

Mario Goduco

Dieser Artikel setzt die FOC-Reihe zu optischen Spezialfasern fort. Ein Artikel aus dem Januar 2021, Herstellung dotierter Faservorformlingediskutierten Probleme bei der Herstellung von Vorformlingen für Spezialfasern. Der folgende Artikel konzentriert sich auf den zweiten Teil des Herstellungsprozesses für optische Fasern - das Zeichnen des Vorformlings zur Herstellung von Fasern mit dem angegebenen Außendurchmesser. Wie bei der Vorformling-Verarbeitung stellen Spezialfasern dem Faserhersteller viele Anforderungen, die beim Ziehen von Standard-Kommunikationsfasern nicht gestellt werden.

Ziele des Faserziehprozesses

Beim Ziehvorgang wird ein Spezialfaser-Vorformling mit einer Länge von einem Meter verwendet, der sich auf Hunderte von Metern oder sogar mehrere Kilometer Faser erstreckt. Der Vorformling wird mit sorgfältig platzierten Dotierstoffen und anderen Elementen entworfen und hergestellt, damit die gezogene Faser den richtigen Brechungsindex sowie die richtigen chemischen, mechanischen und geometrischen Eigenschaften aufweist. Dann muss der Ziehprozess strengen, hochgenauen Verfahren folgen, damit die fertige und beschichtete Faser die gewünschten Eigenschaften aufweist, die in den Vorformling „eingebrannt“ wurden. Insbesondere hat der Zeichenprozess die folgenden Ziele:

  • hochfeste Fasern bekommen; zB Erfüllung der Spezifikation für die Zugfestigkeit;
  • Erreichen geometrischer Spezifikationen - Faseraußendurchmesser und für einige Spezialfasern die Form;
  • Aufbringen und Aushärten der Faserbeschichtung mit der richtigen Haftung, Dicke, Konzentrizität; und mechanische Eigenschaften;

Wenn Sie sich den Zugturm als ein System zur Umwandlung des Vorformlings in gezogene Faser vorstellen, ist es wichtig zu beachten, dass mehrere Subsysteme erforderlich sind, um die oben genannten Ziele zu erreichen. Zu den wichtigsten Subsystemen gehören das Preform-Feed-Modul, die Wärmequelle, die Winde unten und die Beschichtungsvorrichtung. Diese Systeme arbeiten zusammen, um das richtige Temperaturgleichgewicht zu erreichen, das die Glasviskosität beeinflusst, und ziehen „Spannung“. Andere Subsysteme tragen dazu bei, Vibrationen zu vermeiden und sicherzustellen, dass die blanke Faser nicht Staub, Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen ausgesetzt ist.

Eine mehrstöckige Maschine mit präziser Ausrichtung

Die Faser wird vertikal gezogen, wobei sich der Vorformling oben auf dem Turm und die Aufwickelspulen unten befinden. Ein mehrstöckiger Turm lässt die Faser abkühlen, bevor die Beschichtung aufgebracht wird. Ein höherer Turm ermöglicht schnellere Ziehgeschwindigkeiten. In Spezialfaserfabriken liegen die Zugturmhöhen normalerweise zwischen 7 und 14 Metern. Hersteller von Telekommunikationsfasern streben höhere Geschwindigkeiten an, um eine Massenproduktion zu erreichen. Sie verwenden normalerweise Zugtürme mit einer Höhe von mehr als 30 oder 40 Metern.

Hersteller von Zugtürmen, wie z. B. Special Gas Controls, bauen Zugtürme mit vorgefertigten Abschnitten, sodass die Höhen für bestimmte Einrichtungen angepasst werden können. Die Abschnitte sind so bearbeitet, dass der Turm perfekt gerade ist. Anschließend wird der Turm mit Laserausrichtungssystemen zusammengebaut. Auch die Steifigkeit ist entscheidend, und dies bedeutet wiederum, dass der Zugturm gegen Vibrationen isoliert werden muss - isoliert vom Gebäude und vom Boden darunter. Dies erfordert ein spezielles Fundament und spezielle Füße am Zugturm.

Diese strukturelle Anforderung bedeutet, dass die Herstellung und das Zeichnen des Vorformlings in verschiedenen Räumen oder in verschiedenen Gebäuden erfolgen. Vor dem Transport des Vorformlings zum Turm und dem Beginn des Ziehvorgangs müssen jedoch vorbereitende Verfahren durchgeführt werden: Reinigen und Feuerpolieren des Vorformlings. Nach diesen Schritten wird der Vorformling an die Spitze des Turms gebracht, um die Auslosung zu starten.

Zeichnen Sie Turmsubsysteme von oben nach unten

Eine Liste der Ausrüstung auf dem Zugturm kann je nach Art der hergestellten Faser variieren. Hersteller von Telekommunikationsfasern können beispielsweise Gehäuse oder Rohre zum Arbeiten mit Kühlgasen aufweisen, um die Ziehgeschwindigkeit zu beschleunigen. Das Proof-Test-System kann am unteren Rand des Zugturms oder „offline“ an einem anderen Ort durchgeführt werden.

In der folgenden Tabelle sind die Haupttypen von Geräten aufgeführt, die normalerweise von Spezialfaserherstellern verwendet werden. Die Ausrüstung ist auf dem Zugturm von oben nach unten aufgeführt. Es gibt auch verschiedene Anbieter und viele Optionen für einige Geräteeinheiten. Beispiele hierfür sind die Wahl des Ofens (Wärmequelle), Messinstrumente mit unterschiedlichen Bereichen und Optionen zum Aushärten von Lampen und Öfen in den Beschichtungssystemen.

Subsysteme / Ausrüstung für Spezialfaser-Rohtürme

  • Preform-Feed-Modul
  • Ofen
  • Inbetriebnahme der Traktorbaugruppe
  • Gasversorgungssystem (für Argon)
  • HEPA-Filter
  • Faserdurchmessermessung
  • Faserbeschichtungssystem
  • UV- und thermisch härtende Öfen
  • Messung des Beschichtungsdurchmessers
  • Steuerung der Faserzentrierung
  • Kontrolle der Konzentrizität der Faserbeschichtung
  • Faserspannungsmessung
  • Capstan / Faserzieher
  • Faserwickler / Trommelwechsler
  • Faserbeständiger Tester / Aufwickler
Verfahren zum Zeichnen von Spezialfasern

Das Fiber Optic Center arbeitet direkt mit SG Controls und deren gesamten Werkzeugen zur Herstellung von optischen Fasern für den Ziehprozess zusammen. Sowohl Larry als auch Rick können unter kontaktiert werden FiberOpticCenter@focenter.com zur Beratung über den Prozess und die oben aufgeführten Geräte.

Vorformlingsvorschubmodul. Der Vorformling wird unter sorgfältiger Kontrolle der Geschwindigkeit und Positionierung in den Ofen eingespeist. Die Ausrüstung umfasst einen Motor mit Schraubenantrieb, ein Spannfutter zum Halten des Vorformlings und xy-Positionierungssysteme, um ihn über dem Ofen zu zentrieren. Die Geschwindigkeit, mit der der Vorformling nach unten in den Ofen eingespeist wird, wird durch die Ziehgeschwindigkeit, den Vorformlingdurchmesser und den angegebenen Faserdurchmesser bestimmt. Sobald die Ziehung begonnen hat, wird der Vorschubvorschub normalerweise nicht angepasst. Der Faserdurchmesser ist mit der Ziehgeschwindigkeit fein abgestimmt. Die Zugspannung wird durch die Ofentemperatur gesteuert. Diese Spannung ist eine Schlüsselvariable zur Überwachung und Steuerung während des Ziehens. Das Ziel ist es, es konstant zu halten. Am Fuß des Turms befindet sich direkt über der Winde ein Spannungsmesser.

Ofen. Der Vorformling steigt in ein Loch am oberen Ende eines Ofens ab, das zylindrisch mit einer vertikalen Achse ist. Die Unterseite hat ein Loch, aus dem die Faser mit kleinem Durchmesser austritt. Beide Löcher haben Iris, um den Durchmesser zu ändern, so dass der Bediener den Gasfluss im Ofen steuern kann. Der Ofen verwendet ein elektrisches Hochspannungselement - normalerweise eine Graphitwiderstandseinheit. In der Vergangenheit wurden Zirkonoxid-Induktionsöfen verwendet, aber die meisten Spezialfaserhersteller verwenden jetzt Graphitbeständigkeitsöfen.

Um mit dem Ziehen zu beginnen, wird der Vorformling in den Ofen abgesenkt. Der Ziehbereich wird auf über 1,900 ° C erwärmt, wo das Glas weich wird und sich mit einem tropfenförmigen Tropfen verlängert, der die Faser nach unten zieht. Die Faser passiert einen Einschnürungsbereich im Ofen und tritt aus dem Bodenloch aus.

Inbetriebnahme der Traktorbaugruppe. Unterhalb des Ofens wird der Tropfen abgeschnitten und die Faser durch eine Zweirad-Traktoranordnung geleitet, die die Faser nach unten zieht und die Verringerung des Durchmessers fortsetzt. Wenn der Durchmesser die richtige Spezifikation erreicht hat, wird die Faser durch das Beschichtungssystem und den Turm hinunter zum Boden geführt, wo die Winde eingreift. Die Winde übernimmt die Auslosung und der Traktor unter dem Ofen wird zurückgezogen. Danach steuert die Winde unten die Geschwindigkeit des Ziehens in einer Rückkopplungsschleife mit dem Durchmessermesser. (Beachten Sie, dass einige Ziehvorgänge ohne Verwendung eines Traktors gestartet werden. Dies hängt von der manuellen Verarbeitung und den Fähigkeiten des Bedieners ab.)

Gasversorgung für den Ofen.
Der Ofen arbeitet bei Temperaturen nahe 2,000 ° C, aber Graphit kann oxidieren und in einigen Fällen bei Temperaturen über 600 bis 800 ° C abbrennen. Um dies zu vermeiden, wird Argon, ein Inertgas, durch den Ofen geleitet. Der Abbau des Graphitelements könnte eine Kontaminationsquelle für die blanke Faser erzeugen und auch die Ofenlebensdauer beeinflussen.

Der kontrollierte Argonstrom hilft auch dabei, Turbulenzen zu vermeiden, die durch den Luftstrom um das Hochtemperaturelement verursacht werden könnten. Wie bereits erwähnt, müssen selbst kleinste Vibrationen vermieden werden, sodass Luftturbulenzen im Ofen minimiert werden müssen. Das Argon passiert den Ofen, wobei die Iris dabei hilft, den Fluss zu kontrollieren. Es gibt verschiedene „Tricks des Handels“ zur Überwachung und Aufrechterhaltung des korrekten Argongasdurchflusses.

Luftfiltration. Bei den langsameren Ziehgeschwindigkeiten, die für Spezialfasern verwendet werden, passiert die unbeschichtete Faser typischerweise Luft, um sie vor dem Beschichten abzukühlen. Größere Telekommunikationsfaserfabriken haben Abschnitte des Zugturms zur Verwendung mit Kühlgasen eingeschlossen. Einige Betriebe haben auch Ziehtürme in Reinräumen. Die meisten Hersteller von Spezialfasern verwenden jedoch saubere Umgebungsluft - gereinigt mit HEPA-Filtern, die hinter dem Vorformling und dem Ofen und teilweise auf dem Turm montiert sind.

Faserdurchmessermessung. Spezialfaserdurchmesser können von unter 50 µm bis über 1,000 µm (1 mm) reichen. Zu den weit verbreiteten Größen gehören 80, 125 und 400 µm. Der Durchmesser wird durch die Ziehgeschwindigkeit bestimmt.

Kleine Änderungen der Ofen- oder Vorformlingstemperatur, des Inertgasstroms oder anderer Ziehbedingungen können kleine Schwankungen des Faserdurchmessers verursachen. Um dies zu vermeiden, verfügt der Turm über ein Durchmessermesssystem, das kontinuierlich läuft. Die Messdaten werden in einen Durchmesserregelkreis eingespeist, der die Ziehgeschwindigkeit der Winde einstellen kann. In einigen Fällen kann es einen sekundären Regelkreis geben, um den Vorformling-Vorschub einzustellen. Diese Regelkreise verwenden die Durchmessermessungen, um schnelle Einstellungen vorzunehmen.

Mehrere Unternehmen bieten Durchmessermessgeräte für Faserzugtürme an, die Laser für genaue Messungen verwenden und eine Genauigkeit in der Größenordnung von Hunderten von Mikrometern erreichen. Einige dieser Unternehmen liefern auch Instrumente zur Messung der Schichtdicke, der Konzentrizität und sogar der Luftblasen. Die Messsysteme liefern auch eine Aufzeichnung der Durchmesserdaten.

Beschichtungssystem. Faserbeschichtungen sind entscheidend für den Schutz der Glasfasern, die Aufrechterhaltung der mechanischen Eigenschaften der Fasern und für einige Spezialfasern, die zur optischen Leistung beitragen. Einige mit Seltenen Erden dotierte Fasern weisen beispielsweise Polymerbeschichtungen mit niedrigem Index auf, die als zweite Ummantelung dienen, um die Moden von den optischen "Pump" -Quellen zu leiten.

Die meisten Beschichtungen bestehen aus zwei Schichten - einer weicheren Innenschicht, die am Glas haftet, und einer härteren Außenbeschichtung. Dies bedeutet, dass das Beschichtungssystem zwei separate Harze auftragen und aushärten muss. Nach der Durchmessermessung gelangt die Faser in die erste Düse oder den „Becher“ des Beschichtungssystems, in dem die Primärbeschichtung (die innere Schicht) aufgetragen wird. Einige Sekundärbeschichtungen, die als "nass in nass" bezeichnet werden, können vor dem Aushärten der Primärbeschichtung aufgetragen werden. In "nass auf trocken" Beschichtungssystemen durchläuft die Primärbeschichtung ein thermisches oder UV-Härtungssystem, bevor sie in die Sekundärbeschichtungsdüse eintritt. In solchen Fällen gibt es ein anderes UV- oder thermisches System zum Aushärten der Sekundärbeschichtung.

Konzentrizitätsmessung. Die beschichtete Faser muss geometrischen Messungen unterzogen werden - Außendurchmesser und Beschichtungskonzentrizität. Messungen des Durchmessers beschichteter Fasern verwenden auch laserbasierte Instrumente und können eine Rückkopplungsschleife zur Anpassung enthalten. Die Flüssigkeitsströmungskräfte des Beschichtungsmaterials innerhalb der Düse tragen dazu bei, dass die Faser in der Düse zentriert bleibt. Wenn der Konzentrizitätsmonitor ein Problem anzeigt, muss die Zeichnung möglicherweise gestoppt und erneut gestartet werden. Die Konzentrizität der Faserbeschichtung ist wichtig, um Mikrobiegeverluste zu vermeiden, die zu Dämpfungsproblemen führen können. Bei einigen Spezialfasern mit geformten Glasverkleidungen ist es auch wichtig sicherzustellen, dass die Beschichtung das gesamte Glas korrekt bedeckt.

Winde und Rollen aufnehmen. Die Winde am Boden des Vorformlings ist die Quelle der Ziehgeschwindigkeit, die die Faser vom Ende des Vorformlings nach unten zieht. Zusätzlich gibt es ein zweites System, um die Faser mit der richtigen Spannung auf die Speicherspulen zu wickeln. Beide Systeme verfügen über Präzisionssteuerungen, um die richtige Ziehgeschwindigkeit und die richtige Spannung zum Aufwickeln der Faser auf die Aufwickelspulen sicherzustellen.

Proof Tester und Aufwickler. Die Zugfestigkeit ist eine kritische Spezifikation für die fertige Faser. Diese Messung ist auch in der Faserfabrik wichtig, da Zugfestigkeitsfehler als Indikatoren für Probleme dienen können, die im Vorformling und im Ziehprozess angegangen werden müssen. Proof-Tester enthalten normalerweise eine Auszahlungsrolle, zwei Capstans, die für kontinuierliche Spannungstests gesteuert werden können, und eine Aufwickelspule. Probleme mit der Zugfestigkeit resultieren aus Fehlern auf der Glasoberfläche, und das Ziel der Proof-Prüfung besteht darin, die großen Fehler auszusortieren.

Der Proof-Tester kann sich neben der Hauptwinde des Zugturms oder in einem separaten Raum befinden. Einige Spezialfaserhersteller verfügen auch über Rückspulsysteme, mit denen die Ausgabe eines Vorformlings auf mehrere Rollen aufgeteilt werden kann - für die von den Faserkunden angegebenen Längen.

Andere Zugturmausrüstung. . In der Welt der Spezialfasern mit so vielen Varianten erfordern einige Typen zusätzliche Subsysteme, um bestimmte Merkmale zu erreichen oder zu steuern. Zirkular polarisierte Fasern und einige andere Arten müssen möglicherweise während des Ziehvorgangs gesponnen oder verdrillt werden. Diese Verfahren können mit einem Spinner im Vorformfutter oder einer Dreh- oder Schaukelvorrichtung unten durchgeführt werden. Das Zeichnen von photonischen Kristallfasern mit Luftspalten, Hohlräumen und anderen Merkmalen erfordert möglicherweise zusätzliche Gasfluss- und Gasdrucksysteme, um den Innendruck und die Feuchtigkeit zu steuern.

Optimierung des Zeichenprozesses

Bei mehreren Subsystemen in einem Tower gibt es mehrere potenzielle Ursachen für Fehler oder Ertragsprobleme. In diesem Fall kann ein „Fehler“ darin bestehen, dass eine der Spezifikationen der Faser nicht erfüllt wird. Oder positiv ausgedrückt, alle Subsysteme müssen einwandfrei zusammenarbeiten, um mit einem Vorformling die maximale Ausbeute zu erzielen.

Als Komplikation bei diesem Ziel stellen wir fest, dass die verschiedenen Spezialfasertypen unterschiedliche Vorformlinge aufweisen, die unterschiedliche Einstellungen und Anpassungen am Turm erfordern. Keine zwei Vorformlinge sind vollkommen identisch, und jeder Ziehvorgang muss mit einer erneuten Überprüfung der Einstellungen für Ausrichtung und Durchmesser beginnen - Feinabstimmung von Ziehgeschwindigkeit, Temperatur und Spannung. Wenn es nicht möglich ist, den Durchmesser mit der Aufziehspannung beizubehalten, muss auch der Preform-Downfeed angepasst werden.

Weitere Komplikationen sind die Wartung und Kalibrierung der Messinstrumente. Eine sorgfältige Kontrolle des Gasflusses ist ein weiteres schwieriges Verfahren, das verhindert, dass Verunreinigungen auf die Faser gelangen. Die Erfahrung des Bedieners kann entscheidend sein, um all diese Komplikationen anzugehen und die angegebene Zugfestigkeit, geometrische Ziele und Beschichtungsleistung zu erreichen. Für detailliertere Fragen zu Ausstattungen oder Verfahren für Ziehtürme wenden Sie sich bitte an das technische Beratungsteam von FOC unter FiberOpticCenter@focenter.com .

Autoren

Larry Donalds begann seine Karriere im Fiber Optic Center (FOC) im Jahr 2017 als Business Development, Fiber Design and Manufacturing, Technical Sales. Larry bringt mehr als 35 Jahre Erfahrung von 3M Company in St. Paul, MN, mit, nachdem er kürzlich in den Ruhestand getreten ist. Während seiner Zeit bei 3M Company verbrachte er 24 Jahre in der Entwicklung und Herstellung von optischen Spezialfasern unter Verwendung der „Stimme des Kunden“ und half 3M dabei, optische Fasern zu entwerfen und herzustellen, um bestimmte Kundenanwendungen und Leistungskriterien zu erfüllen. Die Projekte umfassten die Entwicklung und Produktion von PM-, PZ-, EDFA-Fasern (Erbium Doped Fiber Amplifier), strahlungsgehärteten Fasern für Gyroskope, Lösungsdotierung von Vorformlingen, Patententwicklung für Oxyfluorid-Erbiumfasern, metallorganische Seltenerdabscheidung und Seltenerd-Einmodenfasern Biege- und Positionssensor. In seiner Faserposition bei 3M unterhielt und betrieb Larry MCVD-Geräte von SG Controls Ltd aus Cambridge, England, die FOC seit über 25 Jahren in Nordamerika vertritt. Larry hat während seiner Karriere mehrere Auszeichnungen erhalten, darunter den 3M Golden Step Award, den Photonics Circle of Excellence Award, den R & D 100 Award, die 3M Circle of Technical Excellence Awards 1983, 2001 und 2008 sowie den 3M Ideation Challenge Award 2017. Larry und seine Frau wohnen in Arizona. Außerhalb des FOC gehören zu Larrys Hobbys Angeln, Bootfahren, Schneemobilfahren, Landschaftsgestaltung im Freien sowie Decksdesign und -bau.

Richard Tumminelli, AFO-Beratung für Fiber Optic Center, Inc. (FOC), begann seine Karriere bei FOC im Jahr 2020 als Berater für Faserdesign und -herstellung, Experte für Seltenerd-dotierte optische Fasern. Rick hat sich kürzlich von seiner Position als Director of Engineering am Standort Coherent Fiber in Salem, NH, zurückgezogen und ist seit 40 Jahren auf dem Gebiet der mit Seltenen Erden dotierten optischen Fasern tätig. Vor dieser Position leitete er die Spezialfasergruppe bei JDS Uniphase, die sich auf doppelt plattierte Fasern für Faserlaser und Erbium-dotierte Fasern spezialisiert hat. Richard hatte auch Positionen in der Optikgruppe bei Draper Laboratories inne und war Mitglied des Polaroid-Glasfaserteams unter der Leitung von Dr. Elias Snitzer, der einen Großteil der wegweisenden Arbeit an mit Seltenen Erden dotierten Fasern, Faserlasern und Verstärkern leistete. Er ist Miterfinder des doppelt plattierten Faserlaserpumpens, hat 22 Patente erhalten und 20 Veröffentlichungen zu Faserlasern und -verstärkern.
Verfahren zum Zeichnen von Spezialfasern
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