В данной статье описываются процессы нанесения покрытий в ходе дальнейшей обработки оптических волок. Естественно, что кабельщикам известна большая часть этой информации. Однако я все же хотел бы привести краткое описание различных технологий с точки зрения изготовителя маркировочного оборудования. Поэтому я не буду касаться типов оптического волокна и их характеристик.
Рис.1 Образцы оптического волокна с покрытием
В основе всех описанных ниже процессов лежит один и тот же принцип. Так же как при изготовлении эмалированного провода, оптическое волокно протягивается через головку устройства для нанесения краски с фильерой и после этого подвергается сушке. В настоящее время для покрытия оптического волокна используются УФ-отверждаемые краски, которые сушатся интенсивным УФ-излучением. Большая часть исходных материалов, используемых в описанных ниже технологиях, является УФ-отверждаемыми полиакрилатами. При использовании УФ-отверждаемых красок на современном оборудовании можно достичь скоростей нанесения покрытий до 3000 м/мин.
Рис.2 Головка-аппликатор для нанесения краски
Описанные ниже технологии нанесения покрытий на оптическое волокно могут быть реализованы на современном производственном оборудовании.
Рис.3 Окрашенное оптическое волокно
Оптическое волокно обычно поставляется для дальнейшей обработки в виде прозрачного изделия, намотанного на катушки. Как уже говорилось, впоследствии на каждое отдельное волокно наносится покрытие в виде УФ- отверждаемой краски. Толщина такого покрытия может варьироваться от 4 до 6 микрон; отверждение краски происходит с помощью УФ-излучателя в атмосфере азота. Азот является дешевым и безопасным для окружающей среды промышленным газом и позволяет оптимизировать процесс отверждения покрытия, то есть достичь лучшего структурирования покрытия из УФ-отверждаемой краски.
Цветное покрытие служит следующим целям:
К другим важным критериям относятся толщина покрытия, тип полимера, скорость отверждения, повышение коэффициента затухания за счет цветного покрытия, качество намотки после нанесения покрытия. Толщина покрытия составляет 4-6 мкм (конечное увеличение диаметра - примерно 8-12 мкм). Для окрашивания оптического волокна обычно используется 12 различных цветов. Можно также использовать 24 цвета, но это делают редко из-за сложности их распознавания. В качестве альтернативы иногда используют дополнительную кольцевую маркировку.
После нанесения цветного покрытия можно определить степень отверждения в % RAU (остаточная непредельность акрилата); это можно сделать с помощью инфракрасной спектроскопии с фурье- преобразованием. Этот параметр может варьироваться в зависимости от изготовителя краски и типа используемого полимера. При правильном нанесении с использованием современного оборудования этот параметр всегда находится в оптимальном диапазоне (причем самым важным показателем здесь является применимость для дальнейшего производства оптоволоконной ленты, так как ни капли краски не должно сойти с окрашенных УФ-отверждаемой краской волокон при их склеивании в ленту).
Для определения степени отверждения часто применяется и более простой метод – так называемый метод «протирки» ("wipe test”). Для этого чистую белую ткань смачивают растворителем (MEK = метилэтилкетон) и, удерживая ее между большим и указательным пальцами, протирают ею волокно с умеренным усилием примерно 100 раз.
При правильном нанесении краски с использованием современного оборудования увеличение коэффициента затухания на стандартном оптическом волокне (одномодовое волокно - тип E9) практически равно нулю. Типичные значения таковы: <0.02 дБ/км для длины световой волны 1550 нм и 1310 нм. При правильном использовании современного высокотехнологичного оборудования соблюдаются следующие важнейшие требования: правильный выбор шага намотки, отсутствие погрешностей в геометрии намотки на катушку (ровные торцы) и равномерная плотная намотка. Соблюдение этих требований по намотке облегчает хранение волокна и позволяет сохранить качество намотки даже после транспортировки автотранспортом. Это также позволяет избежать проблем при дальнейшей обработке, например, изготовлении кабелей с оптическими модулями, содержащими свободно уложенные оптические волокна (loose tube cables) с высокой степенью натяжения волокна на отдающем устройстве.
Одним из важнейших факторов, обеспечивающих оптимальное качество и надежность изделия при окрашивании оптического волокна, является скорость нанесения покрытия. Современное оборудование работает на скоростях окрашивания до 3000 м/мин.
Рис.4 УФ-излучатель
В этом случае оборудование, состоящее из отдельных модулей, оказалось наиболее эффективным. Модульная конструкция позволяет быстро и легко адаптировать систему окрашивания под широкий диапазон задач и по мере необходимости модернизировать ее при умеренных затратах (например, для нанесения кольцевой маркировки, УФ-сушки более высокой мощности, нанесения на волокно плотного буфера, поверки качества волокна натяжением, изготовления оптоволоконной ленты и пр.).
Специально разработанные УФ-излучатели мягкого действия позволяют обеспечить:
Это изделие потребляется главным образом в США и странах Азии. Европейцы, как правило, предпочитают изделия круглой формы. Для производства ленты оптическое волокно обычно поставляется в виде окрашенного волокна, намотанного на катушки.
 |
 |
Рис.5 Лента из 12 оптических волокон с текстовой маркировкой |
Рис.6 Линия для производства ленты из 12 оптических волокон |
Технологию производства оптоволоконной ленты можно кратко описать следующим образом: несколько оптических волокон разного цвета располагаются рядом параллельно друг другу и на них наносится специальное покрытие, склеивающее их в плоскую ленту. Такой процесс покрытия, или склеивания, предполагает использование УФ-отверждаемого, обычно прозрачного, акрилата.
Основанием изготовления оптоволоконных лент является их компактная конструкция и простота производства; несколько оптических волокон можно соединить одной операцией и достичь высокой плотности укладки в кабеле.
Основные критерии при производстве ленты с использованием стандартных оптических волокон таковы: общая толщина, общая ширина, плоскостность, степень отверждения, шаг, цвет, увеличение затухания из-за формы ленты, качество намотки ленты (важно для последующей обработки), прочность (испытание на скручивание), маркировка (для применения в многослойных конструкциях), количество оптических волокон, которые можно соединить в ленту, скручивание, возможность зачистки для сращивания, прочность покрытия. Методы испытаний и другие подробности можно найти в стандарте GR-20-CORE (Bellcore).
Общая ширина/общая толщина/плоскостность
| Размеры ленты | ||||
| Кол-во оптических волокон | Ширина ленты, w (мкм) | Толщина ленты, h (мкм) | Расстояние между волокнами, b (мкм) | Плоскост ность p (мкм) |
| 4 | 1115 | 300 | 795 | 25 |
| 6 | 1645 | 300 | 1325 | 25 |
| 12 | 3235 | 300 | 2915 | 25 |
| Допуск (мм) | ±0.02 | -0.01 | ±0.02 | |
Для производства оптоволоконной ленты, как правило, используется всего одна операция. Материал оболочки обычно прозрачен, при этом в качестве дополнительного средства идентификации можно использовать полупрозрачные акрилаты.
Испытания на степень отверждения и затухание, а также на качество намотки такие же, как при окраске волокна.
Рис.7 Лента из 4-х пластиковых оптических волокон (POF)
Наиболее часто используются ленты из 4, 6, 8, 12 и 24 волокон (изготавливаются из двух 12-волоконных лент). На современном оборудовании можно достичь следующих скоростей производства оптоволоконной ленты ≤50 микрон):
лента из 4 волокон: 1000 м/мин
лента из 6 волокон: 850 м/мин
лента из 8 волокон: 750 м/мин
лента из 12 волокон: 650 м/мин
притом, что проектная скорость - 2100 м/мин.
Рис.8 Двойное приемное устройство для волоконно-оптической ленты
Поскольку нанесение объемных покрытий на отдельные оптические волокна методом экструзии создает ряд проблем, касающихся, например, характеристик ослабления и гибкости изделия, разумнее изготавливать оптическое волокно с большим диаметром также методом покрытия УФ-отверждаемыми акрилатами. Такие покрытия главным образом служат для повышения механических свойств отдельных волокон. Правильный выбор материалов и возможность наносить многослойное покрытие «мокрым по мокрому» позволяют изготавливать самую разнообразную продукцию, начиная с легко удаляемых оболочек и заканчивая прочно приклеенными покрытиями.
Рис.9 Одиночное волокно в плотном буфере
Как уже говорилось выше, УФ-отверждаемый акрилат используется для покрытия оптических волокон (цветного или бесцветного), и конечные диаметры волокна обычно находятся в пределах 600-900 мкм. Покрытие может состоять из одного слоя (одного материала) или нескольких слоев, например, из трех материалов.
Целью нанесения на волокно плотного буфера является обеспечение повышенных механических свойств и необходимых конечных размеров, например, для простоты подключения к соединителям, или малых размеров с высокой стойкостью к механическим воздействиям
В общем и целом различают следующие варианты плотного буфера:
Однослойный буфер:
Двухслойный буфер (нанесение мокрым-по-мокрому):
Трехслойное покрытие (мокрым-по-мокрому):
В дополнение к достоинствам двухслойного покрытия в этом случае благодаря дополнительной внешней оболочке обеспечивается высокая механическая прочность буфера.
Изделия с плотным буфером оцениваются по следующим показателям:
Чаще всего встречаются следующие изделия:
Компактный волоконно-оптический блок (CFU)
Рис. 10 Компактный волоконно-оптический блок из 12 волокон
В связи с тем, что сырьевые материалы постоянно дорожают, а вес кабель приобретает все большее значение, сегодня микрокабели изготавливают в виде так называемых «компактных волоконно-оптических блоков» (compact fibre unit – CFU). Это позволяет создать изделия с 72 или 96 волокнами с внешним диметром всего в 5,4 мм. Благодаря малому весу и высокой механической прочности такие кабели идеально подходят для пневматической прокладки в кабельных трубопроводах (микрокабели для микротрубопроводов). И вновь для производства таких компактных волоконно-оптических блоков используется обработка УФ- отверждаемыми акрилатами, так как метод экструзии здесь неприменим (усадка и пр.).
Рис.11 Головка-аппликатор для нанесения покрытия на компактный блок из 12 волокон
Благодаря обработке УФ-отверждаемыми акрилатами можно изготавливать компактные пучки из 12 оптических волокон диаметром всего 1,3 мм. В процессе такого производства одновременно на несколько стандартных волокон наносится покрытие из УФ- отверждаемого акрилата, а иногда еще и гелеобразное вещество. Стандартный конечный диаметр такого пучка из 12 волокон – 1200 мкм.
Внешняя оболочка может представлять собой один (очень редко) или два слоя УФ-отверждаемого покрытия, или гелеобразное вещество и один слой УФ-отверждаемого покрытия. Для дополнительной идентификации на внешнюю оболочку с помощью струйного принтера обычно наносится штриховой код (одна полоска для CFU 1, две полоски для CFU 2 и т.д.). Другой способ маркировки – нанесение штрихового кода с помощью УФ-отверждаемого акрилата. Здесь для идентификации кабеля служит цвет штрихов, и в этом недостаток данного способа с точки зрения сложности материально-технического снабжения.
Компактные волоконно-оптические блоки производятся с целью дальнейшего использования в микрокабелях. Преимуществами такого изделия являются низкий расход материалов, малые размеры и высокая механическая прочность в сочетании с низким общим весом и высокой плотностью размещения оптического волокна. В общем и целом различаются следующие варианты компактных волоконно-оптических блоков:
С однослойным покрытием:
С двухслойным покрытием (мокрым-по-мокрому):
Достоинства: простота изготовления, низкая стоимость оборудования, очень хорошие значения коэффициента затухания (даже после температурных циклов в -40°C и + 70°C). Можно изготавливать блок из 12 оптических волокон с высокоточным позиционированием с внешним диаметром в 1,3 мм, при этом обеспечивая отличные механические свойства оболочки.
Обычно производятся следующие волоконно-оптические блоки CFU:
Эти размеры относятся к изделиям с одно- и двухслойным покрытием; необходимо также помнить, что блоки с однослойным покрытием технически возможно изготовить не более чем из 8 волокон. Кольцевая маркировка оптических волокон
Рис.12 Окрашенное волокно с кольцевой маркировкой
Этот тип маркировки обычно наносится в едином процессе с нанесением покрытия и идентификационного штрих-кода (дополнительная одновременная маркировка). Кольцевая маркировка служит для дополнительной идентификации готового волокна, т.е. для того, чтобы отличить отдельное волокно в пучке из нескольких волокон (имеется более 12 различных цветов). В сочетании с окраской оптического волокна кольцевая маркировка позволяет создать пучок из более чем 96 оптических волокон без дополнительных средств идентификации.
Как правило, кольца наносятся с помощью специальной черной краски и значительно видоизмененного струйного принтера. Теоретически можно использовать и другие цвета, но это обычно влечет за собой снижение производительности из-за сложности обращения с красками, снижения контрастности, необходимости модификации машины и пр. Толщина покрытия таких колец обычно менее 2 мкм. Саму структуру колец можно выбирать произвольно, хотя уже установились некоторые стандарты. Маркировочные кольца могут наноситься главным образом двумя способами:
1. Непосредственно на оптическое волокно перед его окрашиванием.
Рис.13 Линия для окраски и кольцевой маркировки оптического волокна
2. Нанесение маркировочных колец на уже окрашенное оптическое волокно (поверх окрашивающего покрытия). И опять, если позволяет конструкция оборудования, обе эти операции можно осуществлять за один проход.
Размер самих колец обычно составляет от 1,5 до 2 мм, и они состоят из 5-7 капель, наносимых вплотную одна к другой.
Стандартная структура кольцевой маркировки:
| Расстояние / кол-во колец | |||||
| 25 мм | Одно кольцо | Два кольца | Три кольца | ||
| 50 мм | Одно кольцо | Два кольца | Три кольца | Четыре кольца | Четыре кольца |
| 75 мм | Три кольца | Четыре кольца | Четыре кольца |
Можно применить дополнительное средство идентификации, изменив ширину колец, например, нанося кольца шириной 5 мм.
Рис.14 Устройство для проверки прочности волокна в перемоточной линии
В процессе контроля за прочностью оптические волокна подвергаются повышенному натяжению. Если в стеклянном проводнике волокна есть какие-либо микротрещины, в результате такой нагрузки на них волокно может порваться.
Этот процесс проводится с использованием системы перемотки. Одновременно оптическое волокно наматывается на транспортабельные стандартные катушки со стандартной длиной волокна (например, 25200 м или 50400 м).
Все оптическое волокно, поступающее из башни для вытягивания волокна, обычно подвергается такому механическому испытанию.
Сила натяжения может варьироваться в зависимости от типа используемого оптического волокна. Имеется определенный стандарт испытаний для нормальных оптических волокон. Это испытание можно проводить на скоростях до 3000 м/мин, обеспечивая необходимое соотношение между испытательной скоростью и прилагаемой силой.
На современном оборудовании такие испытания на прочность можно проводить одновременно с окрашиванием оптического волокна – при условии, что оборудование имеет модульную конструкцию.
Рис.15 Линия для перемотки и проверки прочности оптического волокна с дополнительным модулем окраски и УФ-сушки
Проверка прочности волокна натяжением главным образом используется для обнаружения в стеклянном проводнике дефектов, которые могут привести к проблемам при дальнейшей обработке волокна или в самом кабеле. Такие дефекты не всегда можно обнаружить с помощью оптического рефлектометра временной области (OTDR), и поэтому используется такая процедура, как проверка прочности натяжением. Она также позволяет регулировать длину оптического волокна, наматывая его на транспортабельные катушки, подходящие для дальнейшей обработки волокна.
В процессе проверки прочности волокна натяжением обычно регистрируется диаметр оптического волокна, и все дефекты отмечаются или немедленно отбраковываются. Этот процесс осуществляется высокочувствительными бесконтактными измерительными головками.
На проведение испытаний методом натяжения имеются международные стандарты. Испытание обычно представляет собой определенное соотношение между временем и силой. Правильно настроив производственное оборудование, можно работать на любой испытательной скорости без ущерба для качества испытаний. Современное оборудование настраивает скорость испытания натяжением полностью автоматически.
Благодаря модульности и эксплуатационной гибкости своего оборудования фирма Medek & Schoerner как лидер мирового рынка в области систем для нанесения покрытий на оптическое волокно смогла предложить и другие области применения своего оборудования, не связанные с оптическим волокном.
Пример:
Новая концепция изготовления прецизионного гибкого плоского микро-кабеля Уже на протяжении длительного времени гибкие плоские кабели (FFC) широко применяются в автомобильной промышленности и информационных технологиях. Сейчас для производства этих кабелей используются такие технологии, как ламинирование и экструзия. Недостатком ламинирования является крайне низкая производительность. Экструзия не подходит для производства плоских гибких микро-кабелей из-за высоких температур и давлений в экструзионной головке: это не позволяет поддерживать точность геометрических размеров и позиционирования микро-кабеля.
Рис.16 и 17 Гибкий плоский кабель и головка-аппликатор для нанесения полимера
Фирма Medek & Schoerner разработала новую «холодную» технологию производства гибких плоских микро- кабелей с использованием УФ-отверждаемых полимеров без давления; это позволяет обеспечить высочайшую геометрическую точность кабеля на высоких скоростях производства. Эта технология может использоваться в отдельном процессе или в одной линии с экструдером для того, чтобы точно позиционировать отдельные плоские кабели при входе в экструзионную головку.
