DESCRIPTION
La présente invention est du domaine du revêtement d'un élément filiforme et a plus particulièrement pour sujet un procédé de revêtement en continu d'un élément filiforme défilant de haut en bas, tel qu'une fibre optique en verre de silice fondue, avec une couverture d'une matière en fusion, par exemple métallique, ainsi qu'un dispositif de mise en oeuvre de celui-ci et un élément filiforme revêtu ainsi.
Dans différents domaines techniques, il est souvent nécessaire de revêtir un élément filiforme d'une couche de revêtement relativement épaisse. Par exemple, pour diverses applications utilisant des fibres optiques en verre de silice fondue, il a été démontré que le revêtement de celles-ci avec une couche métallique permet d'augmenter la résistance statique des fibres et donc d'accroître leur durée de vie, et de créer un conducteur électrique si l'épaisseur de la couche est suffisante pour la transmission de signaux de puissance exploitable.
Plusieurs procédés de revêtement d'un élément filiforme ont été utilisés jusqu'à présent, tels que: - l'évaporation sous vide, - la déposition à partir de vapeurs de composés organométalli
ques, - le dépôt galvanique, - la coextrusion, ou - divers procédés par trempage.
Les deux premiers procédés cités, de déposition à partir de vapeurs par des processus physiques ou chimiques, sont des procédés extrêmement lents et coûteux, qui nécessitent de plus des opérateurs très qualifiés. Ils ne sont de ce fait utilisés que pour des revêtements très spécifiques pour lesquels il n'existe pas d'autres méthodes, notamment des revêtements réfractaires et à haute dureté tels que les oxydes, les nitrures et les carbures métalliques. L'épaisseur du revêtement ainsi obtenu est très faible.
Quant au dépôt galvanique, il ne peut être utilisé que pour des couches de revêtement très minces. Ce procédé nécessite une installation polluante et encombrante et est relativement lent.
La coextrusion est largement utilisée pour l'obtention de fils métalliques composites nécessitant une couche d'épaisseur comparable au rayon du fil, mais elle ne peut pas s'adapter au revêtement de fibres optiques. Ce procédé, qui consiste à coextruder la matière de revêtement et le substrat en leur faisant subir une déformation plastique importante, est pratiquement le seul procédé industriel compatible pour ce genre d'application. Il a cependant pour inconvénients la complexité des équipements, la lenteur des opérations et par conséquent le coût élevé du produit final.
Les procédés par trempage consistent à tirer un élément filiforme à travers un bain composé de la matière du revêtement à l'état fondu, perpendiculairement à la surface du bain. Ces procédés sont généralement de deux types:
a) le revêtement par congélation consistant à tirer la fibre de bas en haut à travers la matière de revêtement fondue; la couche de revêtement se forme par congélation et par entraînement visqueux, et son épaisseur est fonction des propriétés thermiques des matières en contact, de la viscosité du bain, de la vitesse d'étirage et des températures réalisées.
Un tel procédé est par exemple décrit dans le brevet suisse CH-616.351;
b) le revêtement par passage dans un orifice ou une fente de distribution de la matière de revêtement; dans une première variante décrite par exemple dans le brevet GB 1.038.534, la fibre est tirée de haut en bas; une autre variante propose de tirer la fibre en bas en haut, avec éventuellement un chauffage au niveau de l'orifice de distribution pour contrôler l'épaisseur du revêtement lorsque celui-ci possède une viscosité importante ou un intervalle de fusion important (cas des alliages non eutectiques).
Ces procédés par trempage sont actuellement ceux qui offrent le plus faible coût de revient, mais ils présentent néanmoins quelques inconvénients qui limitent leur champ d'applications. En particulier, ils ne sont utilisables que pour des revêtements d'épaisseur relativement faible puisque l'épaisseur de la couche est fonction des propriétés thermiques des matières en contact, de la viscosité du bain fondu, de la vitesse de passage de la fibre et des températures réalisées. Il est de ce fait difficile, du moins avec des métaux de revêtement courants tels que le zinc, le cuivre ou l'aluminium, d'obtenir des couches supérieures à 50 à 90 microns selon les cas sur des substrats filiformes de diamètre inférieur à 1 mm. Pour des fils de diamètre inférieur à 0,5 mm, le revêtement maximum obtenu est de l'ordre de 10 à 30 microns environ.
Les revêtements obtenus par passage dans un orifice de distribution présentent de plus pour inconvénient que, le diamètre de l'orifice de distribution n'étant que très légèrement supérieur à celui de la fibre revêtue, l'homogénéité de la couche est très dépendante de la stabilité de la fibre au centre de l'orifice.
En considérant les différentes méthodes décrites ici, on remarque que l'application d'un revêtement sur une fibre optique est possible selon les différents procédés utilisant le défilement de la fibre de haut en bas, à l'exception de la coextrusion ou du dépôt galvanique. En effet, il est indispensable que le revêtement soit appliqué juste après l'étirage de la fibre, pendant que celle-ci descend, car toute modification de sa trajectoire nécessiterait le contact avec au moins une poulie, ce qui détruirait les propriétés mécaniques de la fibre.
On. a déjà indiqué que les seuls procédés permettant d'obtenir un revêtement à faible coût de revient et de manière rapide sont les procédés par trempage, mais les revêtements appliqués selon ces procédés industriels sont de faible épaisseur et l'homogénéité de la couche est souvent insuffisante. L'invention vise à pallier ces inconvénients.
Partant de cet état de la technique, l'invention a en conséquence pour objet un procédé de revêtement en continu d'un élément filiforme défilant de haut en bas avec une matière de revêtement thermofusible, caractérisé par le fait que l'on dirige un jet de la matière de revêtement à l'état fondu vers l'élément filiforme de telle façon qu'au point de rencontre l'élément filiforme pénètre dans le jet de matière fondue et que les forces superficielles produisent une couche de revêtement uniforme. Après l'avoir préalablement nettoyé, on obtient en continu la matière à l'état fondu par passage d'un fil de cette matière thermofusible dans un tube de confinement chauffé, la vitesse d'avance du fil de matière thermofusible étant proportionnelle au débit massique du jet.
En variante, on peut également varier la vitesse de défilement dudit élément filiforme pour varier l'épaisseur du revêtement.
Selon les matières utilisées, on peut réaliser le revêtement sous atmosphère contrôlée et prévoir encore de refroidir l'élément filiforme revêtu pour obtenir la solidification de la couche de revêtement lorsque la chaleur évacuée par le substrat et par la surface extérieure du revêtement n'est pas suffisante pour permettre la solidification du revêtement. On peut prévoir encore de tréfiler l'élément filiforme revêtu.
L'invention propose également un dispositif de mise en oeuvre du procédé comprenant des moyens d'entraînement de haut en bas de l'élément filiforme et un réservoir de matière de revêtement à l'état fondu. Ce réservoir est muni dans sa partie inférieure d'un orifice incliné par rapport à l'axe de l'élément filiforme et est apte à créer un jet dirigé contre l'élément filiforme à revêtir dans une enceinte d'injection. Selon les variantes, l'enceinte comporte une vanne de distribution d'une atmosphère contrôlée et une fente destinée au passage de l'élément filiforme, fente éventuellement masquée par un tablier pour éviter toute projection du jet en dehors de l'enceinte. On peut la munir également d'une ouverture dans sa partie inférieure, permettant la récupération de la matière de revêtement non utilisée.
Dans une forme d'exécution préférentielle, le réservoir est relié à un tube de confinement, en céramique par exemple, disposé dans l'axe d'une bobine de chauffage à induction et éventuellement précédé par un poste de nettoyage du fil constituant la matière de revêtement. On peut encore prévoir des moyens de chauffage complémentaires au niveau de l'injection.
De plus, l'invention s'étend à un élément filiforme revêtu selon le procédé décrit. Cet élément filiforme peut être une fibre optique et la matière de revêtement un métal conducteur. En variante, l'élément filiforme est métallique et la matière de revêtement est un métal dont on utilise les propriétés conductrices d'électricité et/ou de protection contre l'environnement.
Si le fil revêtu est une fibre optique, son revêtement métallique, même mince (jusqu'à 20 microns environ), a pour avantage de préserver par son étanchéité à l'humidité les propriétés mécaniques et optiques de la fibre et d'accroître par conséquent sa longévité. Ce type de revêtement permet aussi une sensibilité réduite à la pression et l'utilisation en haute température.
Par contre, la conduction électrique d'une couche métallique mince ne peut pas être exploitée en raison de la valeur élevée de la résistance électrique résultant de la faible épaisseur du revêtement.
Avec le revêtement selon l'invention qui permet une épaisseur compatible avec la transmission de signaux électriques, il est possible de transmettre un signal électrique de puissance exploitable simultanément avec le signal optique. Ainsi par exemple une couche d'aluminium de 200 microns sur une fibre optique de 125 microns de diamètre équivaut, du point de vue des propriétés électriques de cette fibre composite, à un fil de cuivre de 0,4 mm de diamètre. De même, un revêtement de cuivre de même épaisseur équivaudrait à un fil de cuivre de 0,5 mm de diamètre.
Dans le cas de revêtement de fils métalliques, l'intérêt de l'invention est de permettre de protéger le fil dans les milieux agressifs (par exemple revêtement de zinc ou d'aluminium sur de l'acier), d'améliorer la transmission électrique (revêtement de cuivre ou d'aluminium sur de l'acier) ou d'obtenir un effet décoratif (revêtement en or ou argent sur des fils substrats rigides et bon marché). Quoique, dans la plupart des cas, une couche de revêtement relativement mince soit suffisante, il peut être intéressant, pour des raisons de coût de production, de tréfiler de faibles longueurs de fils composites avec un revêtement épais sur un grand diamètre, pour obtenir de grandes longueurs de fils d'un diamètre final réduit et comprenant une mince couche de revêtement, plutôt que d'appliquer un revêtement de faible épaisseur sur le diamètre final et la longueur finale du fil tréfilé.
Le dessin annexé représente à titre d'exemple une forme d'exécution du dispositif faisant l'objet de la présente invention.
La figure 1 est un schéma général indiquant les différents postes permettant de mettre en oeuvre le procédé décrit.
La figure 2 est une vue latérale, en coupe, de la partie du dispositif propre à l'invention représentant plus particulièrement les éléments provoquant la fusion du revêtement thermofusible et permettant d'en revêtir l'élément filiforme.
La figure 3 est une vue de dessus semblable à la figure 2.
Dans le schéma de principe de la figure 1, on a représenté le réservoir 1 de matière de revêtement, celle-ci étant sous la forme d'un fil 11 solide disposé autour d'une bobine de distribution 12.
Le fil 11 constituant le revêtement, après une poulie de renvoi 2, passe au travers d'un dispositif de nettoyage 3. Ce dispositif de nettoyage 3 du fil solide 11 constituant la matière de revêtement est destiné à débarrasser ce fil de tous corps dont l'accumulation risquerait d'entraver son passage dans les éléments décrits plus loin.
Une fois nettoyé, le fil de revêtement 11 est inséré dans le dispositif de revêtement 4 dont les constituants principaux sont un châssis de fixation 41 regroupant un dispositif d'avance du fil 42, une bobine d'induction 43, un tube de confinement 44 de la matière à l'état fondu, un support 45 contenant le réservoir de matière de revêtement fondue et une enceinte d'injection 46.
Le dispositif de revêtement 4 est déplaçable axialement dans le sens de la flèche 47. Cela permet de l'avancer ou de le retirer du passage de l'élément filiforme à revêtir.
Le dispositif d'avance 42 du fil 11 de revêtement est constitué par un entraînement à rouleaux conventionnel, comprenant deux poulies de pression dont la rotation est commandée par un moteur et régulée électroniquement par des moyens connus de l'homme du métier, afin d'obtenir un débit massique constant. La constance du débit de sortie du jet est tributaire de l'avance de la matière de revêtement, introduite dans cette forme d'exécution dans le dispositif d'avance 42 sous forme de fil solide 11.
La bobine de chauffage à induction 43 est schématisée au dessin par quelques spires et est destinée à obtenir la température nécessaire pour amener le fil de revêtement 11 à sa température de fusion au cours de son passage dans le tube de confinement 44. Il est évident que des moyens de mesure et de réglage automatique de la température sont prévus, quoique non représentés au dessin.
Le support 45 contenant le réservoir de matière de revêtement fondue et l'enceinte d'injection 46 seront détaillés par la suite.
A la figure 1, on a encore représenté une flèche 47, indiquant le mouvement permettant de mettre l'ensemble d'injection dans la trajectoire de l'élément filiforme à revêtir et vice versa. Le bouchon 48 disposé en bout du tube de confinement 44 est destiné à éviter tout reflux de la matière à l'état fondu à l'extrémité du tube opposée à l'enceinte d'injection.
On a encore schématisé à la figure 1 le poste d'alimentation 5 en fibre de verre de silice fondue 51, fibre qui arrive dans le sens de la flèche 52 au niveau du dispositif de revêtement 4. Après passage dans ce dispositif 4, la fibre revêtue 53 traverse encore un dispositif de refroidissement conventionnel 6 pour assurer la solidification du revêtement, puis passe éventuellement par une poulie de renvoi 7 avant d'arriver à un bobinoir 8 de fibre revêtue 53. Le bobinoir 8 comporte des moyens d'entraînement non représentés au dessin permettant de tirer la fibre 11 depuis sa sortie du poste de fabrication 5, à une vitesse déterminée par les besoins.
On a représenté schématiquement en 9 un automate comportant des moyens de mesure et de commandes agissant par exemple sur la vitesse d'enroulement du bobinoir 8 et la vitesse d'avance du fil dans le dispositif 42, et permettant également de réguler les températures de la bobine de chauffage à induction 43 ainsi que celles du dispositif de refroidissement 6.
Les principaux constituants du dispositif de revêtement 4 sont repris à plus grande échelle dans les figures 2 et 3. On y retrouve en particulier le support 45 contenant le réservoir de matière de revêtement fondue et l'enceinte d'injection 46.
Le support 45 présente un évidement latéral cylindrique horizontal 451, destiné à la fixation de l'extrémité 441 du tube de confinement 44, ainsi qu'une ouverture cylindrique 452 inclinée d'un angle a par rapport à la verticale et destinée à recevoir le réservoir 453 de matière de revêtement fondue. L'angle a du réservoir 453 par rapport à la verticale est généralement compris entre 20 et 300. Le réservoir 453 comporte dans sa partie supérieure un bouchon de protection 454 et, dans sa partie inférieure, un orifice d'injection 455 conçu sous la forme d'une tuyère afin d'assurer un coefficient de débit proche de l'unité, d'où des pertes de charge négligeables. L'orifice d'injection 455 distribue un jet 456 de matière de revêtement à l'état fondu. Le débit du jet 456 est contrôlé par le dispositif d'avance 42 du fil solide 11 de revêtement.
A sa sortie de l'orifice d'injection 455, le jet 456 se présente, par rapport à la verticale, avec l'angle o du réservoir 453. Lorsqu'il atteint l'élément filiforme à revêtir, l'angle par rapport à la verticale est ramené à un angle ss en raison de la gravité.
Le support 45 comporte encore, dans sa partie inférieure, un tablier 457 évitant toute projection du jet 456 en dehors de l'enceinte d'injection 46 et, dans sa partie avant, une fente verticale 458 destinée au passage de l'élément filiforme 52 lorsque le dispositif de revêtement est dans la position de fonctionnement représentée au dessin.
Dans la vue en coupe de la figure 2, on remarque que l'enceinte d'injection 46 est fixée par tous moyens connus dans la partie inférieure du support 45. Cette enceinte 46 est de forme générale cylindrique, avec un cône dans sa partie inférieure 461, dont la pointe 462 est tronquée par une ouverture 462 permettant la sortie de récupéra
tion de la matière de revêtement non utilisée. L'enceinte cylindrique
46, tout comme le support 45, est munie d'une fente verticale 463
destinée au passage de l'élément filiforme 52 lorsque le dispositif de
revêtement est dans la position de fonctionnement représentée au dessin.
On peut encore prévoir de munir l'enceinte d'injection 46 d'une vanne 464 permettant l'introduction d'un gaz neutre ou réducteur.
On obtiendra ainsi une enceinte d'injection évitant par exemple
l'oxydation de la matière de revêtement à l'état liquide. Bien sûr, ce
balayage peut être omis lorsque l'oxydation est négligeable et qu'elle
n'influence pas négativement l'adhésion au substrat.
On a schématisé à la figure 3 deux plaques 491 et 492 de chauf
fage destinées à maintenir la masse de revêtement à la température
voulue dans le réservoir 453. Ces plaques sont présentées détachées
au dessin, afin de rendre la figure intelligible.
Le dispositif 6 est plus particulièrement utilisé pour refroidir la
fibre revêtue lorsque la température du jet est nettement supérieure à
la température de fusion du substrat et que l'épaisseur du revêtement est importante.
L'invention n'est pas limitée au dispositif représenté au dessin et décrit jusqu'ici. En variante, on peut envisager d'utiliser par exemple une matière de revêtement fondue dans un réservoir à niveau cons
tant muni d'une buse de giclage.
L'invention décrite jusqu'ici peut être utilisée, comme on l'a déjà
mentionné, pour revêtir une fibre optique en verre de silice fondue.
Pourtant, on peut l'utiliser également pour déposer un revêtement sur un fil métallique, afin de protéger ce fil dans les milieux agressifs
(par exemple revêtement de zinc ou d'aluminium sur de l'acier), d'améliorer la transmission électrique (revêtement de cuivre ou
d'aluminium sur de l'acier) ou d'obtenir un effet décoratif (revête
ment en or ou argent sur des fils substrats rigides et bon marché).
Quoique, dans la plupart des cas, une couche de revêtement relative
ment mince soit suffisante, il peut être intéressant, pour des raisons de coût de production, de tréfiler de faibles longueurs de fils composites avec un revêtement épais sur un grand diamètre, pour obtenir de grandes longueurs de fils d'un diamètre final réduit et comprenant une mince couche de revêtement, plutôt que d'appliquer un re
vêtement de faible épaisseur sur le diamètre final et la longueur
finale du fil tréfilé.
Lorsque le substrat est métallique, on peut prévoir de le préchauffer avant le revêtement, pour améliorer l'adhésion, par exemple à 2000 C, par tout moyen traditionnel tel que chauffage à induction ou effet Joule.
Les quelques exemples ci-dessous permettront de mieux envisager l'intérêt de l'invention.
Exemple 1: Revêtement en aluminium sur fibre optique en verre de silice fondue.
Pour obtenir: - une couche d'aluminium de 70 microns d'épaisseur sur - une fibre optique d'un diamètre de 0,125 mm, - et défilant à une vitesse de 1,7 m/s, - au moyen d'une tuyère inclinée de 25 par rapport à l'axe de défi
lement de la fibre, - avec un orifice d'injection 455 de 0,80 mm de diamètre;
et en fixant: - la cote horizontale de la distance de l'orifice d'injection 455 au
point d'impact à 8 mm, et - le débit volumique du jet à l'état liquide à 0,08 cc/s, soit un débit
massique de 0,20 g/s,
on a pu déterminer que:
1. la cote verticale de la distance de l'orifice d'injection 455 au point d'impact est de 80 mm,
2. l'angle de contact est de 3,2 degrés,
3. la chaleur à évacuer jusqu'à la solidification du revêtement est de 55 W.
Exemple 2: Revêtement en aluminium sur fibre optique en verre de silice fondue.
Pour obtenir: - une couche d'aluminium de 200 microns d'épaisseur sur - une fibre optique défilant à une vitesse de 1,25 m/s - avec un orifice d'injection 455 de 0,90 mm de diamètre
et en fixant: - la cote horizontale de la distance de l'orifice d'injection 455 au
point d'impact à 14 mm, et - le débit volumique du jet à l'état liquide à 0,3 cc/s, soit un débit
massique de 0,7 g/s,
les autres paramètres étant les mêmes que dans l'exemple 1, on a pu déterminer que:
1. la cote verticale de la distance de l'orifice d'injection 455 au point d'impact est de 55 mm,
2. l'angle de contact est de 9,8 degrés,
3. la chaleur à évacuer jusqu'à la solidification du revêtement est de 270 W.
Exemple 3: Revêtement en cuivre sur fibre optique en verre de silice fondue.
Pour obtenir: - une couche de cuivre de 200 microns d'épaisseur sur - une fibre optique défilant à une vitesse de 1,1 m/s - avec un orifice d'injection 455 de 0,90 mm de diamètre
et en fixant: - la cote horizontale de la distance de l'orifice d'injection 455 au
point d'impact à 11 mm, et - le débit volumique du jet à l'état liquide à 0,25 cc/s, soit un débit
massique de 2 g/s,
les autres paramètres étant les mêmes que dans l'exemple 1, on a pu déterminer que:
1. la cote verticale de la distance de l'orifice d'injection 455 au point d'impact est de 46 mm,
2. l'angle de contact est de 9 degrés,
3. la chaleur à évacuer jusqu'à la solidification du revêtement est de 400 W.
Le revêtement de cuivre de ce dernier exemple sera de préférence réalisé sous atmosphère contrôlée de protection. On peut par exemple utiliser un balayage de l'enceinte d'injection avec un mélange d'azote additionné de 10% d'hydrogène.
Exemple 4: Revêtement en aluminium sur substrat en acier
Pour obtenir: - une couche d'aluminium de 300 microns d'épaisseur sur - un fil d'acier d'un diamètre de 0,8 mm, - et défilant à une vitesse de 1,4 m/s, - au moyen d'une tuyère inclinée de 25 par rapport à l'axe de défi
lement de la fibre, - avec un orifice d'injection 455 de 2,2 mm de diamètre
et en fixant: - la cote horizontale de la distance de l'orifice d'injection 455 au
point d'impact à 14 mm, et - le débit volumique du jet à l'état liquide à 1,68 cc/s, soit un débit
massique de 4 g/s,
on a pu déterminer que:
1. la cote verticale de la distance de l'orifice d'injection 455 au point d'impact est de 58 mm,
2. l'angle de contact est de 9,3 degrés.
Exemple 5: Revêtement en cuivre sur substrat en acier
Pour obtenir: - une couche de cuivre de 250 microns d'épaisseur sur - un fil d'acier d'un diamètre de 0,8 mm, - et défilant à une vitesse de 1,6 m/s, - au moyen d'une tuyère inclinée de 25 par rapport à l'axe de défi
lement de la fibre, - avec un orifice d'injection 455 de 2,2 mm de diamètre
et en fixant: - la cote horizontale de la distance de l'orifice d'injection 455 au
point d'impact à 12 mm, et - le débit volumique du jet à l'état liquide à 1,46 cc/s, soit un débit
massique de 12 g/s,
on a pu déterminer que:
1. la cote verticale de la distance de l'orifice d'injection 455 au point d'impact est de 53 mm,
2. l'angle de contact est de 8,6 degrés.
De même que dans l'exemple 3, on peut procéder au revêtement sous atmosphère contrôlée.
Exemple 6: Revêtement en zinc sur substrat en acier
Pour obtenir: - une couche de zinc de 100 microns d'épaisseur sur - un fil d'acier d'un diamètre de 1 mm, - et défilant à une vitesse de 1,2 m/s, - au moyen d'une tuyère inclinée de 25 par rapport à l'axe de défi
lement de la fibre, avec un orifice d'injection 455 de 1,2 mm de diamètre
et en fixant: - la cote horizontale de la distance de l'orifice d'injection 455 au
point d'impact à 11 mm, et - le débit volumique du jet à l'état liquide à 0,45 cc/s, soit un débit
massique de 3 g/s,
on a pu déterminer que:
1. la cote verticale de la distance de l'orifice d'injection 455 au point d'impact est de 44 mm,
2. l'angle de contact est de 9,6 degrés.
Ces différents exemples peuvent être résumés dans le tableau récapitulatif suivant:
EMI5.1
<tb> Revêtement <SEP> Al <SEP> Al <SEP> Cu <SEP> Al <SEP> Cu
<tb> Substrat <SEP> filiforme <SEP> SiO2* <SEP> SiO2* <SEP> SiO2* <SEP> acier <SEP> acier <SEP> acier
<tb> Diamètre <SEP> du <SEP> substrat <SEP> filiforme <SEP> (mm) <SEP> 0,125 <SEP> 0,125 <SEP> 0,125 <SEP> 0,8 <SEP> 0,8 <SEP> 1,0
<tb> Epaisseur <SEP> de <SEP> la <SEP> couche <SEP> (#) <SEP> <SEP> 70 <SEP> 200 <SEP> 200 <SEP> 300 <SEP> 250 <SEP> 100
<tb> Diamètre <SEP> de <SEP> l'orifice <SEP> (mm) <SEP> 0,8 <SEP> 0,9 <SEP> 0,9 <SEP> 2,2 <SEP> 2,2 <SEP> 1,2
<tb> Angle <SEP> de <SEP> sortie <SEP> du <SEP> jet <SEP> () <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25
<tb> Angle <SEP> au <SEP> point <SEP> d'impact <SEP> ( ) <SEP> 3,2 <SEP> 9,8 <SEP> 9,0 <SEP> 9,3 <SEP>
8,6 <SEP> 9,6
<tb> Débit <SEP> massique <SEP> du <SEP> jet <SEP> (g/s) <SEP> 0,2 <SEP> 0,7 <SEP> 2 <SEP> 4 <SEP> 12 <SEP> 3
<tb> Vitesse <SEP> du <SEP> substrat <SEP> filiforme <SEP> (m/s) <SEP> 1,7 <SEP> 1,25 <SEP> 1,1 <SEP> 1,4 <SEP> 1,6 <SEP> 1,2
<tb> Cote <SEP> horizontale <SEP> impact <SEP> (mm) <SEP> 80 <SEP> 14 <SEP> 11 <SEP> 14 <SEP> 12 <SEP> 11
<tb> Cote <SEP> verticale <SEP> impact <SEP> (mm) <SEP> 80 <SEP> 55 <SEP> 46 <SEP> 58 <SEP> 53 <SEP> 44
<tb> Chaleur <SEP> à <SEP> évacuer <SEP> jusqu'à <SEP> solidification <SEP> (W) <SEP> 55 <SEP> 270 <SEP> 400 <SEP> - <SEP> * Fibre optique en verre de silice fondue.
DESCRIPTION
The present invention is in the field of coating a filiform element and more particularly relates to a process for the continuous coating of a filiform element moving up and down, such as an optical fiber made of fused silica glass, with a covering of a molten material, for example metallic, as well as a device for implementing the latter and a filiform element thus coated.
In various technical fields, it is often necessary to coat a filiform element with a relatively thick coating layer. For example, for various applications using optical fibers made of fused silica glass, it has been shown that coating them with a metallic layer makes it possible to increase the static resistance of the fibers and therefore to increase their lifespan, and to create an electrical conductor if the thickness of the layer is sufficient for the transmission of exploitable power signals.
Several methods of coating a filiform element have been used up to now, such as: - evaporation under vacuum, - deposition from vapors of organometallic compounds
ques, - galvanic deposition, - coextrusion, or - various dipping processes.
The first two processes mentioned, deposition from vapors by physical or chemical processes, are extremely slow and costly processes, which moreover require very qualified operators. They are therefore only used for very specific coatings for which there are no other methods, in particular refractory and high hardness coatings such as oxides, nitrides and metal carbides. The thickness of the coating thus obtained is very small.
As for galvanic deposition, it can only be used for very thin coating layers. This process requires a polluting and bulky installation and is relatively slow.
Coextrusion is widely used to obtain composite metal wires requiring a layer of thickness comparable to the radius of the wire, but it cannot be adapted to the coating of optical fibers. This process, which consists of coextruding the coating material and the substrate by subjecting them to significant plastic deformation, is practically the only industrial process compatible for this kind of application. Its drawbacks, however, are the complexity of the equipment, the slowness of operations and therefore the high cost of the final product.
The dipping methods consist in drawing a filiform element through a bath composed of the coating material in the molten state, perpendicular to the surface of the bath. These methods are generally of two types:
a) freezing coating consisting of pulling the fiber from the bottom up through the molten coating material; the coating layer is formed by freezing and by viscous entrainment, and its thickness is a function of the thermal properties of the materials in contact, the viscosity of the bath, the drawing speed and the temperatures achieved.
Such a process is for example described in Swiss patent CH-616,351;
b) coating by passage through an orifice or a slot for distributing the coating material; in a first variant described for example in patent GB 1,038,534, the fiber is pulled from top to bottom; another variant proposes pulling the fiber at the bottom up, possibly with heating at the level of the dispensing orifice to control the thickness of the coating when it has a high viscosity or a significant melting interval (case of alloys non eutectic).
These dipping processes are currently those which offer the lowest cost price, but they nevertheless have some drawbacks which limit their field of application. In particular, they can only be used for coatings of relatively small thickness since the thickness of the layer is a function of the thermal properties of the materials in contact, of the viscosity of the molten bath, of the speed of passage of the fiber and of the temperatures achieved. It is therefore difficult, at least with common coating metals such as zinc, copper or aluminum, to obtain layers greater than 50 to 90 microns depending on the case on filiform substrates of diameter less than 1 mm. For wires of diameter less than 0.5 mm, the maximum coating obtained is of the order of approximately 10 to 30 microns.
The coatings obtained by passing through a dispensing orifice have the further disadvantage that, the diameter of the dispensing orifice being only very slightly greater than that of the coated fiber, the homogeneity of the layer is very dependent on the fiber stability in the center of the hole.
Considering the different methods described here, we note that the application of a coating on an optical fiber is possible according to the different methods using the running of the fiber from top to bottom, with the exception of coextrusion or galvanic deposition. . Indeed, it is essential that the coating is applied just after the drawing of the fiber, while the latter is going down, since any modification of its trajectory would require contact with at least one pulley, which would destroy the mechanical properties of the fiber.
We. has already indicated that the only methods enabling a coating to be obtained at low cost and quickly are the dipping methods, but the coatings applied according to these industrial methods are thin and the homogeneity of the layer is often insufficient . The invention aims to overcome these drawbacks.
On the basis of this state of the art, the subject of the invention is therefore a process for the continuous coating of a threadlike element moving up and down with a hot-melt coating material, characterized in that a jet is directed from the coating material in the molten state to the filiform element so that at the point of encounter the filiform element enters the stream of molten material and the surface forces produce a uniform coating layer. After having previously cleaned it, the material is continuously obtained in the molten state by passing a wire of this hot-melt material through a heated confinement tube, the speed of advance of the wire of hot-melt material being proportional to the mass flow rate. jet.
As a variant, the running speed of said filiform element can also be varied to vary the thickness of the coating.
Depending on the materials used, the coating can be produced under a controlled atmosphere and provision can also be made to cool the coated filiform element in order to solidify the coating layer when the heat evacuated by the substrate and by the external surface of the coating is not sufficient to allow the coating to solidify. Provision may also be made to draw the coated filiform element.
The invention also provides a device for implementing the method comprising means for driving the filiform element from top to bottom and a reservoir of coating material in the molten state. This reservoir is provided in its lower part with an orifice inclined relative to the axis of the filiform element and is capable of creating a jet directed against the filiform element to be coated in an injection enclosure. According to the variants, the enclosure comprises a valve for distributing a controlled atmosphere and a slot intended for the passage of the filiform element, slot possibly masked by an apron to prevent any projection of the jet outside the enclosure. It can also be provided with an opening in its lower part, allowing the recovery of unused coating material.
In a preferred embodiment, the reservoir is connected to a confinement tube, made of ceramic for example, arranged in the axis of an induction heating coil and possibly preceded by a station for cleaning the wire constituting the material of coating. It is also possible to provide additional heating means at the injection level.
In addition, the invention extends to a filiform element coated according to the method described. This filiform element can be an optical fiber and the coating material a conductive metal. As a variant, the filiform element is metallic and the coating material is a metal whose electrically conductive and / or environmental protection properties are used.
If the coated wire is an optical fiber, its metallic coating, even thin (up to about 20 microns), has the advantage of preserving the mechanical and optical properties of the fiber by its moisture resistance and consequently increasing its longevity. This type of coating also allows reduced pressure sensitivity and use at high temperatures.
On the other hand, the electrical conduction of a thin metallic layer cannot be exploited because of the high value of the electrical resistance resulting from the thin thickness of the coating.
With the coating according to the invention which allows a thickness compatible with the transmission of electrical signals, it is possible to transmit an electrical signal of exploitable power simultaneously with the optical signal. For example, an aluminum layer of 200 microns on an optical fiber of 125 microns in diameter is equivalent, from the point of view of the electrical properties of this composite fiber, to a copper wire of 0.4 mm in diameter. Likewise, a copper coating of the same thickness would be equivalent to a copper wire 0.5 mm in diameter.
In the case of coating of metal wires, the advantage of the invention is to allow the wire to be protected in aggressive environments (for example coating of zinc or aluminum on steel), to improve the electrical transmission (coating of copper or aluminum on steel) or of obtaining a decorative effect (coating of gold or silver on rigid and inexpensive substrate wires). Although in most cases a relatively thin coating layer is sufficient, it may be advantageous, for reasons of production cost, to draw short lengths of composite wires with a thick coating over a large diameter, in order to obtain long lengths of wire with a reduced final diameter and comprising a thin coating layer, rather than applying a thin coating on the final diameter and the final length of the drawn wire.
The accompanying drawing shows by way of example an embodiment of the device which is the subject of the present invention.
FIG. 1 is a general diagram indicating the various stations making it possible to implement the method described.
Figure 2 is a side view, in section, of the part of the device specific to the invention showing more particularly the elements causing the melting of the hot-melt coating and making it possible to coat the filiform element.
Figure 3 is a top view similar to Figure 2.
In the block diagram of FIG. 1, the reservoir 1 of coating material has been shown, this being in the form of a solid wire 11 disposed around a distribution coil 12.
The wire 11 constituting the coating, after a return pulley 2, passes through a cleaning device 3. This cleaning device 3 of the solid wire 11 constituting the coating material is intended to rid this wire of all bodies whose l accumulation could hinder its passage through the elements described below.
Once cleaned, the coating wire 11 is inserted into the coating device 4, the main components of which are a fixing frame 41 grouping together a wire advance device 42, an induction coil 43, a containment tube 44 of the material in the molten state, a support 45 containing the reservoir of molten coating material and an injection enclosure 46.
The coating device 4 is axially movable in the direction of arrow 47. This allows it to be advanced or removed from the passage of the filiform element to be coated.
The feed device 42 for the coating wire 11 is constituted by a conventional roller drive, comprising two pressure pulleys whose rotation is controlled by a motor and electronically controlled by means known to those skilled in the art, in order to obtain a constant mass flow. The constancy of the jet output flow rate is dependent on the advance of the coating material, introduced in this embodiment in the advance device 42 in the form of solid wire 11.
The induction heating coil 43 is shown diagrammatically in the drawing by a few turns and is intended to obtain the temperature necessary to bring the coating wire 11 to its melting temperature during its passage through the confinement tube 44. It is obvious that means for measuring and automatically adjusting the temperature are provided, although not shown in the drawing.
The support 45 containing the tank of molten coating material and the injection enclosure 46 will be detailed below.
In Figure 1, there is also shown an arrow 47, indicating the movement for putting the injection assembly in the path of the filiform element to be coated and vice versa. The plug 48 disposed at the end of the confinement tube 44 is intended to prevent any backflow of the material in the molten state at the end of the tube opposite the injection enclosure.
FIG. 1 shows again the supply station 5 made of fused silica glass fiber 51, a fiber which arrives in the direction of arrow 52 at the level of the coating device 4. After passing through this device 4, the fiber coated 53 still crosses a conventional cooling device 6 to solidify the coating, then optionally passes through a deflection pulley 7 before arriving at a winder 8 of coated fiber 53. The winder 8 comprises drive means not shown in the drawing making it possible to pull the fiber 11 from its exit from the manufacturing station 5, at a speed determined by requirements.
There is shown schematically at 9 an automaton comprising measurement and control means acting for example on the winding speed of the winder 8 and the speed of advance of the thread in the device 42, and also making it possible to regulate the temperatures of the induction heating coil 43 as well as those of the cooling device 6.
The main constituents of the coating device 4 are shown on a larger scale in FIGS. 2 and 3. There are in particular the support 45 containing the reservoir of molten coating material and the injection enclosure 46.
The support 45 has a horizontal cylindrical lateral recess 451, intended for fixing the end 441 of the confinement tube 44, as well as a cylindrical opening 452 inclined at an angle a relative to the vertical and intended to receive the reservoir. 453 of molten coating material. The angle a of the reservoir 453 relative to the vertical is generally between 20 and 300. The reservoir 453 has in its upper part a protective cap 454 and, in its lower part, an injection orifice 455 designed in the form a nozzle in order to ensure a flow coefficient close to unity, hence negligible pressure losses. The injection port 455 distributes a jet 456 of coating material in the molten state. The flow rate of the jet 456 is controlled by the device 42 for advancing the solid coating wire 11.
At its exit from the injection orifice 455, the jet 456 presents itself, with respect to the vertical, with the angle o of the reservoir 453. When it reaches the filiform element to be coated, the angle with respect to the vertical is reduced to an angle ss due to gravity.
The support 45 also comprises, in its lower part, an apron 457 preventing any projection of the jet 456 outside the injection enclosure 46 and, in its front part, a vertical slot 458 intended for the passage of the filiform element 52 when the coating device is in the operating position shown in the drawing.
In the sectional view of FIG. 2, it is noted that the injection enclosure 46 is fixed by any known means in the lower part of the support 45. This enclosure 46 is of generally cylindrical shape, with a cone in its lower part 461, the point 462 of which is truncated by an opening 462 allowing the recovery outlet
tion of unused coating material. The cylindrical enclosure
46, like the support 45, is provided with a vertical slot 463
intended for the passage of the filiform element 52 when the
coating is in the operating position shown in the drawing.
It is also possible to provide the injection enclosure 46 with a valve 464 allowing the introduction of a neutral or reducing gas.
An injection enclosure will thus be obtained, for example avoiding
oxidation of the coating material in the liquid state. Of course, this
scanning can be omitted when the oxidation is negligible and it
does not negatively influence adhesion to the substrate.
We have schematized in Figure 3 two plates 491 and 492 of heating
fage intended to maintain the coating mass at the temperature
required in tank 453. These plates are presented detached
to the drawing, in order to make the figure intelligible.
The device 6 is more particularly used to cool the
fiber coated when the jet temperature is significantly higher than
the melting temperature of the substrate and that the thickness of the coating is important.
The invention is not limited to the device shown in the drawing and described so far. As a variant, it is possible to envisage using, for example, a coating material melted in a reservoir at a cons
both provided with a spray nozzle.
The invention described so far can be used, as already mentioned
mentioned, for coating an optical fiber in fused silica glass.
However, it can also be used to deposit a coating on a metal wire, in order to protect this wire in aggressive environments
(for example coating of zinc or aluminum on steel), improving electrical transmission (coating of copper or
aluminum on steel) or to obtain a decorative effect (coated
gold or silver on rigid and inexpensive substrates).
Although in most cases a relative coating layer
ment thin is sufficient, it may be advantageous, for reasons of production cost, to draw short lengths of composite son with a thick coating on a large diameter, to obtain large lengths of son of a reduced final diameter and comprising a thin layer of coating, rather than applying a re
thin clothing on the final diameter and length
end of the drawn wire.
When the substrate is metallic, provision may be made to preheat it before coating, to improve adhesion, for example to 2000 ° C., by any traditional means such as induction heating or Joule effect.
The few examples below will make it possible to better envisage the advantage of the invention.
Example 1: Aluminum coating on fused silica glass optical fiber.
To obtain: - an aluminum layer 70 microns thick on - an optical fiber with a diameter of 0.125 mm, - and traveling at a speed of 1.7 m / s, - by means of an inclined nozzle 25 compared to the challenge axis
fiber, - with a 455 injection port of 0.80 mm in diameter;
and by fixing: - the horizontal dimension of the distance from the injection orifice 455 to
impact point at 8 mm, and - the volume flow rate of the jet in the liquid state at 0.08 cc / s, i.e. a flow rate
mass of 0.20 g / s,
we were able to determine that:
1. the vertical dimension of the distance from the injection orifice 455 to the point of impact is 80 mm,
2. the contact angle is 3.2 degrees,
3. the heat to be removed until the coating solidifies is 55 W.
Example 2: Aluminum coating on fused silica glass optical fiber.
To obtain: - an aluminum layer 200 microns thick on - an optical fiber traveling at a speed of 1.25 m / s - with a 455 injection orifice of 0.90 mm in diameter
and by fixing: - the horizontal dimension of the distance from the injection orifice 455 to
impact point at 14 mm, and - the volume flow of the jet in the liquid state at 0.3 cc / s, i.e. a flow
mass of 0.7 g / s,
the other parameters being the same as in Example 1, it was possible to determine that:
1. the vertical dimension of the distance from the injection orifice 455 to the point of impact is 55 mm,
2. the contact angle is 9.8 degrees,
3. the heat to be removed until the coating solidifies is 270 W.
Example 3: Copper coating on fused silica glass optical fiber.
To obtain: - a layer of copper 200 microns thick on - an optical fiber traveling at a speed of 1.1 m / s - with a 455 injection orifice of 0.90 mm in diameter
and by fixing: - the horizontal dimension of the distance from the injection orifice 455 to
impact point at 11 mm, and - the volume flow of the jet in the liquid state at 0.25 cc / s, i.e. a flow
mass of 2 g / s,
the other parameters being the same as in Example 1, it was possible to determine that:
1. the vertical dimension of the distance from the injection orifice 455 to the point of impact is 46 mm,
2. the contact angle is 9 degrees,
3. the heat to be removed until the coating solidifies is 400 W.
The copper coating of the latter example will preferably be carried out under a controlled protective atmosphere. It is for example possible to use a sweep of the injection enclosure with a mixture of nitrogen added with 10% of hydrogen.
Example 4: Aluminum coating on steel substrate
To obtain: - a layer of aluminum 300 microns thick on - a steel wire with a diameter of 0.8 mm, - and traveling at a speed of 1.4 m / s, - by means of '' a nozzle inclined by 25 with respect to the challenge axis
fiber, - with a 455 injection hole 2.2 mm in diameter
and by fixing: - the horizontal dimension of the distance from the injection orifice 455 to
impact point at 14 mm, and - the volume flow of the jet in the liquid state at 1.68 cc / s, i.e. a flow
mass of 4 g / s,
we were able to determine that:
1. the vertical dimension of the distance from the injection orifice 455 to the point of impact is 58 mm,
2. the contact angle is 9.3 degrees.
Example 5: Copper coating on steel substrate
To obtain: - a layer of copper 250 microns thick on - a steel wire with a diameter of 0.8 mm, - and traveling at a speed of 1.6 m / s, - using a nozzle inclined by 25 relative to the challenge axis
fiber, - with a 455 injection hole 2.2 mm in diameter
and by fixing: - the horizontal dimension of the distance from the injection orifice 455 to
impact point at 12 mm, and - the volume flow of the jet in the liquid state at 1.46 cc / s, i.e. a flow
mass of 12 g / s,
we were able to determine that:
1. the vertical dimension of the distance from the injection orifice 455 to the point of impact is 53 mm,
2. the contact angle is 8.6 degrees.
As in Example 3, the coating can be carried out under a controlled atmosphere.
Example 6: Zinc coating on steel substrate
To obtain: - a layer of zinc 100 microns thick on - a steel wire with a diameter of 1 mm, - and traveling at a speed of 1.2 m / s, - by means of a nozzle tilted 25 from the challenge axis
fiber, with a 455 injection hole of 1.2 mm in diameter
and by fixing: - the horizontal dimension of the distance from the injection orifice 455 to
impact point at 11 mm, and - the volume flow of the jet in the liquid state at 0.45 cc / s, i.e. a flow
mass of 3 g / s,
we were able to determine that:
1. the vertical dimension of the distance from the injection orifice 455 to the point of impact is 44 mm,
2. the contact angle is 9.6 degrees.
These different examples can be summarized in the following summary table:
EMI5.1
<tb> Coating <SEP> Al <SEP> Al <SEP> Cu <SEP> Al <SEP> Cu
<tb> Substrate <SEP> filiform <SEP> SiO2 * <SEP> SiO2 * <SEP> SiO2 * <SEP> steel <SEP> steel <SEP> steel
<tb> Diameter <SEP> of <SEP> substrate <SEP> filiform <SEP> (mm) <SEP> 0.125 <SEP> 0.125 <SEP> 0.125 <SEP> 0.8 <SEP> 0.8 <SEP> 1 .0
<tb> Thickness <SEP> of <SEP> the <SEP> layer <SEP> (#) <SEP> <SEP> 70 <SEP> 200 <SEP> 200 <SEP> 300 <SEP> 250 <SEP> 100
<tb> Diameter <SEP> of <SEP> the orifice <SEP> (mm) <SEP> 0.8 <SEP> 0.9 <SEP> 0.9 <SEP> 2.2 <SEP> 2.2 <SEP> 1,2
<tb> Angle <SEP> of <SEP> output <SEP> of <SEP> jet <SEP> () <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25
<tb> Angle <SEP> at <SEP> point <SEP> of impact <SEP> () <SEP> 3.2 <SEP> 9.8 <SEP> 9.0 <SEP> 9.3 <SEP>
8.6 <SEP> 9.6
<tb> Mass flow <SEP> <SEP> of <SEP> jet <SEP> (g / s) <SEP> 0.2 <SEP> 0.7 <SEP> 2 <SEP> 4 <SEP> 12 <SEP > 3
<tb> Speed <SEP> of <SEP> substrate <SEP> filiform <SEP> (m / s) <SEP> 1.7 <SEP> 1.25 <SEP> 1.1 <SEP> 1.4 <SEP > 1.6 <SEP> 1.2
<tb> Horizontal <SEP> dimension <SEP> impact <SEP> (mm) <SEP> 80 <SEP> 14 <SEP> 11 <SEP> 14 <SEP> 12 <SEP> 11
<tb> Vertical <SEP> dimension <SEP> impact <SEP> (mm) <SEP> 80 <SEP> 55 <SEP> 46 <SEP> 58 <SEP> 53 <SEP> 44
<tb> Heat <SEP> at <SEP> evacuate <SEP> until <SEP> solidification <SEP> (W) <SEP> 55 <SEP> 270 <SEP> 400 <SEP> - <SEP> * Optical fiber in fused silica glass.