DE102004054654B4

DE102004054654B4 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas

Info

Publication number: DE102004054654B4
Application number: DE200410054654
Authority: DE
Inventors: Joachim Peekhaus; Jörg WERNER
Original assignee: Heraeus Tenevo GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2024-11-12
Also published as: DE102004054654A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas durch Elongieren eines koaxialen Verbundes (12) eines eine Zylinderlängsachse (3) aufweisenden Hohlzylinders (1), in dessen Innenbohrung (2) ein Kernstab (4) an einem in der Innenbohrung (2) fixierten Lagerelement (6; 7) anliegt, indem der Verbund (12) einer Heizzone zugeführt, darin mit seinem einen Ende beginnend zonenweise erweicht und aus dem erweichten Bereich das Bauteil kontinuierlich abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement mehrere Klemmkörper (6; 7) aufweist, die in der Innenbohrung (2) fixiert werden, indem sie unter der Wirkung einer Andrückkraft (F) gegen die Innenwandung (11) der Innenbohrung (2) gepresst werden und dabei mit dieser eine kraft- oder formschlüssige Verbindung bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas durch Elongieren eines koaxialen Verbundes eines eine Zylinderlängsachse aufweisenden Hohlzylinders, in dessen Innenbohrung ein Kernstab an einem in der Innenbohrung fixierten Lagerelement anliegt, indem der Verbund einer Heizzone zugeführt, darin mit seinem einen Ende beginnend zonenweise erweicht und aus dem erweichten Bereich das Bauteil kontinuierlich abgezogen wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas durch Elongieren eines koaxialen Verbundes eines eine Zylinderlängsachse aufweisenden Hohlzylinders, in dessen Innenbohrung ein Kernstab an einem in der Innenbohrung fixierten Lagerelement anliegt, indem der Verbund einer Heizzone zugeführt, darin mit seinem unteren Ende beginnend zonenweise erweicht und aus dem erweichten Bereich das Bauteil kontinuierlich abgezogen wird.
Durch Kollabieren und Elongieren einer koaxialen Anordnung von Kernstab und mindestens einem den Kernstab umhüllenden Hohlzylinder werden einfache Vollzylinder oder Zwischenprodukte (Vorformen) für optische Fasern hergestellt. Es ist auch bekannt, einen Hohlzylinder auf einen Kernstab während des Faserziehens aufzukollabieren, wobei das letztgenannte Verfahren als „ODD-Verfahren" (Overclad-During-Drawing) bezeichnet wird. Alle Verfahrensvarianten erfordern eine exakt koaxiale Führung oder Fixierung des Kernstabs im Hohlzylinder.

Um dies zu gewährleisten wird in der EP 1 129 999 A2 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem zur Fixierung des Kernstabes koaxial innerhalb der Innenbohrung eines Mantelglasrohres, dieses im Bereich seines unteren Endes durch Erhitzen mit einer Einschnürung versehen wird. Bei vertikal orientiertem Mantelrohr wird von oben ein Haltering in die Innenbohrung des Mantelrohres eingeführt, dessen Außendurchmesser geringfügig größer ist als der Durchmesser der Einschnürung, so dass sich der Haltering von oben auf die Einschnürung auflegt. Auf den so fixierten Haltering wird der Kernstab aufgesetzt, wobei sich dessen unteres, konisch verjüngtes Ende durch die Mittelbohrung des Halterings erstreckt. Auf dem Haltering kann auch noch ein weiteres Mantelglasrohr gelagert werden. Die dem Haltering gegenüberliegenden Enden der zueinander fixierten Mantelrohre und des Kernstabs werden miteinander verschmolzen, so dass sich eine insgesamt fest fixierte koaxiale Anordnung mit einem abgedichteten Ende ergibt. Diese wird anschließend elongiert und dabei gleichzeitig zu einer optischen Faser gezogen, indem sie mit dem abgedichteten Ende beginnend einer Heizzone zugeführt, darin erweicht, und aus dem erweichten Bereich kontinuierlich eines Faser abgezogen wird.

Aus der zur gleichen Patentfamilie gehörenden US 6,460,378 B1 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Vorform durch Elongieren eines koaxialen Verbundes von Mantelglasrohr und Kernstab bekannt. Zur Fixierung des Kernstabs innerhalb der Innenbohrung des Mantelglasrohres wird vorgeschlagen, an einem Ende des Mantelglasrohres vorab eine konische Einschnürung zu erzeugen, auf der ein Stützring aufliegt, auf dem wiederum der Kernstab mit seinem unteren, als Außenkonus geformten Ende, aufsetzt. Das gegenüberliegende Ende des Mantelglasrohres wird durch Verschmelzen verschlossen und dabei gleichzeitig der Kernstab eingeschmolzen und fixiert. Zum Elongieren wird der so hergestellte Verbund mit dem verschlossenen Ende beginnend der Heizzone zugeführt.

Bei den bekannten Verfahren ist zur Herstellung der Einschnürung ein Heißverformungsschritt notwendig, der zusätzliche Kosten verursacht. Die Herstellung der Einschnürung erfolgt durch glasbläserische Techniken mit Einschränkungen hinsichtlich der Maßhaltigkeit. Die Anordnung von Kernstab und Mantelrohren zueinander ist daher nicht exakt reproduzierbar. Zudem werden vor dem Faserziehen Kernstab und Mantelrohr zur Fixierung teilweise miteinander verschmolzen, wobei ein zusätzlicher Prozessschritt bei hoher Temperatur erforderlich ist.

Um dies zu vermeiden, wird in der EP 1 426 339 A1 eine Modifikation der Lagerung des Kernstabs in der Innenbohrung eines Mantelrohres vorgeschlagen, bei der dieser auf einem die Innenbohrung verschließenden Quarzglas-Stopfen aufliegt, der mittels eines Querstiftes aus Quarzglas gehalten wird. Der Querstift erstreckt sich hierzu senkrecht zur Mantelrohr-Längsachse durch eine Durchgangsbohrung des Mantelrohres, die mit einer entsprechenden Durchgangsbohrung des Stopfens korrespondiert. Die Durchgangsbohrung verläuft durch gegenüberliegende Bereiche der Wandung des Quarzglas-Mantelrohres Die Fixierung des Stopfens erfolgt hierbei rein mechanisch; Heizprozesse sind nicht erforderlich.

Beim Elongieren des so hergestellten Verbundes aus Mantelrohr und Kernstab wird mit dem Ende begonnen, das mit dem Quarzglas-Stopfen verschlossen ist. Dabei kann es vorkommen, dass die Kernstab-Halterung erweicht, bevor die Innenbohrung des Mantelrohres ausreichend kollabiert ist, mit der Folge, dass der Kernstab abrutscht. Um das zu vermeiden sind der Querstift und die Durchgangsbohrungen in der Mantelrohrwandung in einem ausreichend großen Abstand zum unteren Ende des Mantelrohres vorzusehen, was jedoch einen höheren Materialverlust mit sich bringt. Dazu trägt bei, dass die Durchgangsbohrungen des Mantelrohres beim Elongieren lang gezogen werden, was ein frühzeitiges Abdichten des abgezogenen Endes erschwert und damit das Anlegen des beim Elongierprozess notwendigen Unterdruckes in der Mantelrohr-Innenbohrung verzögert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung hochwertiger optischer Bauteile durch Elongieren eines koaxialen Verbundes von Kernstab und Hohlzylinder anzugeben, das mit möglichst geringem Aufwand eine reproduzierbare Fixierung des Kernstabs in der Hohlzylinder-Innenbohrung erlaubt, und bei dem auf einen Heißformprozess und auf Durchgangsbohrungen in der Mantelrohrwandung verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs als erstem genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Lagerelement mehrere Klemmkörper aufweist, die in der Innenbohrung fixiert werden, indem sie unter der Wirkung einer Andrückkraft gegen die Innenwandung der Innenbohrung gepresst werden und dabei mit dieser eine kraft- oder formschlüssige Verbindung bilden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Verfahrensschritt vorgesehen, bei dem der Kernstab in der Innenbohrung des Hohlzylinders mittelbar oder unmittelbar an einem Lagerelement anliegt, das beispielsweise durch Verklemmen, Verkeilen oder Verkanten in der Innenbohrung fixiert wird. Bei all diesen Varianten beruht die Fixierung des Lagerelements in der Hohlzylinder-Innenbohrung zumindest teilweise darauf, dass es mehrere Klemmkörper umfasst, die mittels einer Andrückkraft, die eine in Richtung senkrecht zur Zylinderlängsachse wirkende Kraftkomponente aufweist, so stark in radialer Richtung gegen die Innenwandung gepresst werden, dass die entstehende Reibung eine kraftschlüssige Verbindung bewirkt, die ein Abrutschen des Lagerelements verhindert. Zusätzlich kann beim Anlegen der Klemmkörper an die Innenwandung ein Formschluss entstehen, sofern die Innenwandung im Bereich der Anlage ein mit dem jeweiligen Klemmkörper korrespondierendes Formschluss-Verbindungselement aufweist.

Die Andrückkraft wird durch Aufbringen einer Press- oder Druckkraft und/oder infolge der Wirkung eines Gewichts erzeugt, beispielsweise dem Eigengewicht des Lagerelements oder dem Gewicht des Kernstabs.

Die Fixierung der einzelnen Klemmkörper kann ohne Einwirkung des Kernstabs erfolgen. In der Regel liegt jedoch eine Mitwirkung des Kernstabs vor, beispielsweise indem die Andrückkraft über den am Lagerelement anliegenden Kernstab aufgebracht wird, oder indem der Kernstab durch Verkeilen unmittelbar in der Innenbohrung fixiert wird, wobei in dem Fall der oder die zum Verkeilen eingesetzten Keile gleichzeitig Teile des Lagerelement im Sinne der vorliegenden Erfindung bilden.

Charakteristisch ist, dass die Klemmverbindung an der Innenwandung des Hohlzylinders ansetzt, so dass Bohrungen durch die Hohlzylinder-Wandung, wie im Stand der Technik beschrieben, ebensowenig erforderlich sind, wie eine Verjüngung der Innenbohrung durch plastische Verformung.

Vorzugsweise umfasst das Lagerelement eine Anordnung mindestens zweier Klemmkörper, die infolge der auf die Anordnung wirkenden Andrückkraft auseinander und gegen die Innenwandung der Innenbohrung gespreizt werden.

Hierbei sind mindestens zwei voneinander getrennte Klemmkörper vorgesehen, die infolge einer zwischen ihnen aufgebrachten Andrückkraft auseinander bewegt und dabei gegen die Innenwandung gedrückt werden. Dies ermöglicht eine symmetrische Anordnung der Klemmkörper um den Kernstab, wobei dieser vorteilhaft zum Aufbringen der Andrückkraft eingesetzt werden kann.

Bei einer besonders geeigneten Modifikation dieser Verfahrensweise weisen die Klemmkörper einander zugewandte Seitenflächen auf, die eine Ausnehmung formen, in die ein Spreizkeil hineinragt, auf den die Andrückkraft wirkt.

Als Spreizkeil kann das Ende des Kernstabs selbst wirken oder ein mit dem Kernstab verbundener Körper oder ein separates Bauteil, auf dem der Kernstab mittelbar oder unmittelbar aufliegt. Die Ausnehmung ist in der Regel als axial durchgehende zentrale Öffnung zwischen den Seitenflächen ausgebildet.

Dabei hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn sich die Ausnehmung in Wirkungsrichtung der Andrückkraft verjüngt.

Unter der Wirkung des in die Ausnehmung eingreifenden Spreizkeils ermöglicht die sich verjüngende Ausnehmung die Aufteilung einer in Richtung der Zylinderlängsachse wirkenden Andrückkraft in radial wirkende Kraftkomponenten.

Im Hinblick hierauf ist es günstig, wenn die die Ausnehmung bildenden Seitenflächen einen Innenwinkel einschließen, der größer ist als ein am Spreizkeil ausgeformter Außenwinkel.

Durch den kleineren Außenwinkel des Spreizkeils gegenüber dem Innenwinkel der Ausnehmung neigt das Lagerelement eher zu einer Verkantung an der Innenwand, wodurch ein lokal hoher Anpressdruck entsteht, der ein Abrutschen des Lagerelements verhindert.

In einer alternativen und gleichermaßen bevorzugten Verfahrensvariante schließen die die Ausnehmung bildenden Seitenflächen einen Innenwinkel ein, der einem am Spreizkeil ausgeformten Außenwinkel entspricht.

Dies bewirkt eine eher flächige Anlage des Lagerelements an der Innenwandung und damit ein größere Reib- und Kontaktfläche, die einem Abrutschen des Lagerelements entgegenwirkt.

Als günstig haben sich Außenwinkel im Bereich zwischen 10 und 90 Grad erwiesen.

Bei einem Spreizkeil mit einem Außenwinkel oberhalb von 90 Grad nimmt die in Richtung der Zylinderlängsachse wirkende Kraftkomponente der Andrückkraft zu Lasten der in radialer Richtung wirkenden Kraftkomponente zu. Bei Innenwinkeln unterhalb der genannten Untergrenze können sehr hohe Kräfte radial gegen die Hohlzylinder-Innenwandung anliegen, so dass die Gefahr einer unkontrollierbaren Verformung beim Erweichen besteht, wodurch der Spreizkeil oder das Lagerelement abrutschen können. Der Außenwinkel entspricht hier demjenigen Winkel, den die Außenseiten des Spreizkeile miteinander einschließen.

Es hat sich bewährt wenn der Kernstab als Spreizkeil dient.

Der Kernstab weist hierbei ein sich verjüngendes Ende auf, das sich beispielsweise herstellungsbedingt ergeben kann.

In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante bildet die Klemmkörper-Anordnung eine Klemmscheibe, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Innenbohrung im Bereich ihrer Anlage der an der Innenwandung

Die einzelnen Klemmkörper sind hierbei kreissektorähnlich ausgeführt und bilden zusammen eine Klemmkörper-Anordnung in Scheibenform. Im einfachsten Fall setzt sich die Klemmscheibe aus zwei halbkreisförmigen Klemmkörpern zusammen. Wegen des kleinen Durchmessers können die Klemmkörper leicht in die Innenbohrung eingesetzt werden. Das Einsetzen wird noch weiter erleichtert, wenn im Bereich der Anlage der Scheibenteile an der Innenwandung eine Aussparung vorgesehen ist.

Dabei handelt es sich um eine weitere bevorzugte Verfahrensvariante, die dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens einer der Klemmkörper in eine in der Innenwandung der Innenbohrung vorgesehene Nut ragt.

Die Nut erstreckt sich über einen Teil der Innenwandung oder über die gesamte Innenwandung. Sie verläuft in einer Ebene senkrecht zur Zylinderlängsachse oder in einem Winkel dazu. Sie erleichtert zum einen das Einbringen des Klemmkörpers und sie verhindert ein Abrutschen des Klemmkörpers beim Elongierprozess und trägt damit zu einem betriebssicheren Verfahren bei.

Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Klemmkörper-Anordnung in einem Bereich der Hohlzylinder-Innenbohrung vorgesehen ist, der vom stirnseitigen Ende des Hohlzylinders einen Abstand von mindestens 30 mm hat.

Durch das Zurücksetzen gegenüber dem Ende des Hohlzylinders wird vermieden, dass der Klemmkörper erweicht, bevor die Innenbohrung des Hohlzylinders soweit geschlossen ist, dass ein Abrutschen des Kernstabs verhindert werden kann. Der genannte Mindestabstand gilt für Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser im Bereich zwischen 60 mm und 250 mm und ergibt sich als Kompromiss zwischen möglichst hoher Betriebssicherheit einerseits und einem möglichst geringen Materialverlust andererseits.

Vorzugsweise weist die Innenwandung im Kontaktbereich zur Klemmkörper-Anordnung und/oder gegen die Innenwandung anliegende Flächenbereiche der Klemmkörper eine Oberflächenrauigkeit R_t von 1 μm oder mehr auf.

Durch raue Oberflächenbereiche der Kontaktflächen zwischen Innenwandung und Klemmkörper wird die Reibung erhöht und die Gefahr eines Abrutschens der Klemmkörper-Anordnung vermindert.

Die Rauigkeitskenngröße R_t bezeichnet eine nach DIN EN ISO 4287 nach dem Tastschnittverfahren ermittelte Gesamthöhe eines Oberflächenprofils als Summe der Höhe der größten Profilspitze und der Tiefe des größten Profiltals innerhalb der Messstrecke.

Insbesondere im Hinblick auf die Einhaltung einer hohen Reinheit und einer möglichst geringen Behinderung des Anziehen beim Elongierprozess werden bevorzugt Klemmkörper eingesetzt, die aus Quarzglas bestehen.

Die oben genannte Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs als zweitem genannten Verfahren erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, dass das Lagerelement in einer im unteren Ende vorgesehenen, umlaufenden Innennut der Hohlzylinder-Innenbohrung aufliegt.

Auch bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt der Kernstab in der Innenbohrung des Hohlzylinders mittelbar oder unmittelbar an einem Lagerelement an, wobei dieses wiederum in einer Innennut der Hohlzylinder-Innenbohrung aufliegt. Die Innenwandung weist zu diesem Zweck ein mit dem Lagerelement korrespondierendes Formschluss-Verbindungselement in Form einer Innennut auf, die ein Abrutschen des Lagerelements verhindert. Ein einteilig ausgebildetes Lagerelement genügt für die Fixierung des Kernstabs, was jedoch den Einsatz mehrerer derartiger Lagerelemente nicht ausschließt.

Auch für diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist charakteristisch, dass die Halterung des Kernstabs an der Innenwandung des Hohlzylinders ansetzt, so dass weder eine Bohrung durch die Hohlzylinder-Wandung, noch eine Verjüngung der Innenbohrung durch plastische Verformung erforderlich sind.

Das Lagerelement weist vorzugsweise in einer ersten Richtung eine lange Abmessung und in einer dazu senkrecht verlaufenden zweiten Richtung eine kurze Abmessung auf, wobei die Länge der langen Abmessung größer ist, und die Länge der kurzen Abmessung kleiner ist als der Durchmesser der Innenbohrung, und wobei das Lagerelement mit mindestens einem Ende seiner langen Abmessung in die Innennut hineinragt.

Das einteilige Lagerelement weist eine mehr oder weniger längliche Form auf, wobei Länge der kurzen Abmessung kleiner als der Innendurchmesser der Innenbohrung ist, so dass sich das Lagerelement in die Innenbohrung einführen und in die Innennut einsetzen lässt. Die Länge in Richtung der langen Abmessung ist in jedem Fall länger als der Innendurchmesser der Innenbohrung in einem Bereich außerhalb der Innennut. Das Lagerelement ist beispielsweise als längliche Platte, Stab oder Rohr ausgeführt.

Besonders bewährt hat sich jedoch eine Ausführungsform des Lagerelements, bei der dieses in einer Projektionsebene senkrecht zur Zylinderlängsachse eine Projektionsfläche in Ellipsenform aufweist, deren lange Halbachse die lange Abmessung bildet.

Ein ellipsenförmiges Lagerelement füllt den freien Querschnitt der Innenbohrung weitgehend aus und stellt daher eine möglichst große Auflagefläche für den Kernstab bereit. Ein derartiges Formteil lässt sich außerdem besonders einfach fertigen, indem Scheiben durch schräge Schnitte aus Stäben oder Rohren erzeugt werden.

Die kurze Halbachse der Ellipse ist kürzer als der Innendurchmesser der Innenbohrung. Für die Länge der langen Halbachse eines elliptischen Lagerelements bzw. für die Länge der langen Abmessung bei anderen Ausführungsformen gibt es zwei geeignete Varianten, die im Folgenden näher erläutert werden.

Bei einer ersten bevorzugten Variante ist die Innennut als umlaufende Innennut ausgebildet, wobei das Lagerelement mit beiden Enden der langen Abmessung in die Innennut hineinragt.

Vorteilhaft ist hierbei die beidseitige Auflage des Lagerelements in der Innennut. Die Länge der langen Abmessung ist hierbei kürzer als der maximale Durchmesser der Innennut. Bei einer Innennut, die in einer Ebene senkrecht zur Zylinderlängsachse verläuft, wird so eine ebene, horizontale Lagerung des Kernstabs ermöglicht.

Bei einer alternativen jedoch gleichermaßen vorteilhaften Verfahrensweise verläuft die Innennut in einer unteren Ebene der Innenbohrung, wobei das Lagerelement mit einem Ende der langen Abmessung in die Innennut hineinragt und mit seinem gegenüberliegenden Ende an der Innenwandung im Bereich einer oberen Ebene anliegt, die oberhalb der unteren Ebene verläuft.

In diesem Fall ruht das Lagerelement schräg zur Zylinderlängsachse in der Innenbohrung. Das eine, untere Ende wird in der Innennut geführt, das gegenüberliegende obere Ende liegt an der Innenwandung an, wobei im Bereich der Anlage des oberen Endes eine weitere Innennut in der Innenwandung vorgesehen sein kann. Ein Vorteil dieser Verfahrensvariante liegt darin, dass eine kurze Länge der Innennut genügt, so dass der Aufwand für die mechanische Bearbeitung gering ist.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen

1: die Fixierung eines Kernstabs in der Innenbohrung eines Hohlzylinders anhand einer Klemmvorrichtung in einer ersten Verfahrensvariante,

2: die Fixierung eines Kernstabs in der Innenbohrung eines Hohlzylinders anhand eines Klemmvorrichtung in einer zweiten Verfahrensvariante,

3: die Herstellung einer Haltescheibe mit ovalem Querschnitt und die Anordnung der Haltescheibe in der Innennut einer Hohlzylinder-Innenbohrung, und

4: die Fixierung eines Kernstabs in der Innenbohrung eines Hohlzylinders anhand einer gemäß 3 hergestellten und angeordneten Haltescheibe.

Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteile sind entweder optische Fasern oder Vorformen für die Herstellung optischer Fasern Diese weisen jeweils einen Kernbereich auf, der von einer inneren Mantelglasschicht umgeben ist. Der Kernbereich und die innere Mantelglasschicht werden durch den Kernstab, und zusätzliches Mantelglas durch den Hohlzylinder bereitgestellt. Im Verbund können zwischen dem Kernstab und einem äußeren Hohlzylinder ein oder mehrere zusätzliche, den Kernstab umgebende Hohlzylinder angeordnet sein, wobei einer der Hohlzylinder die Innenbohrung mit darin fixiertem Lagerelement im Sinne der vorliegenden Erfindung aufweist.

Im Ausführungsbeispiel besteht der Kernbereich aus Quarzglas, das homogen mit 5 Gew.-% Germaniumdioxid dotiert ist. Die Mantelglasschichten bestehen aus undotiertem Quarzglas, wobei das Quarzglas für die äußere der Mantelglasschichten von dem jeweiligen Hohlzylinder bereitgestellt wird.
Der Kernstab wird nach dem bekannten OVD-Verfahren durch Flammenhydrolyse von SiCl₄ und GeCl₄ hergestellt. Das Gewicht des Kernstabs beträgt – je nach Länge – bis zu 10 kg. In der herzustellenden Monomode-Faser mit einem Außendurchmesser von 125 μm bildet der Kernstab einen Kernbereich mit einem Durchmesser von ca. 8,5 μm.
Alternativ zu dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren der Kernstäbe nach dem OVD-Verfahren werden dieselben nach dem bekannten MCVD-, VAD- oder PCVD-Verfahren hergestellt.
In jedem Fall wird weiteres Mantelmaterial für die Ausbildung der äußeren Mantelglasschicht in Form eines oder mehrerer Quarzglas-Hohlzylinder bereitgestellt, die unmittelbar beim Faserziehen in einem ODD-Verfahren auf den Kernstab aufkollabiert und gleichzeitig elongiert werden. Die Herstellung des oder der Hohlzylinder erfolgt ebenfalls anhand eines üblichen OVD-Verfahrens, jedoch ohne Zusatz eines Dotierstoffs. Innendurchmesser und Außendurchmesser werden durch mechanische Endbearbeitung eingestellt, wobei die mechanisch bearbeitete Oberfläche in einem letzten Prozessschritt in einem Flusssäure-Bad kurz geätzt wird, um Oberflächenspannungen abzubauen und um Beschädigungen durch die Oberflächenbearbeitung zu entfernen. Typische Hohlzylinder haben einen Außendurchmesser von 120 mm und einen Innendurchmesser von 32,4 mm.
Zum Ziehen der optischen Faser wird ein koaxialer Verbund von Kernstab und Hohlzylinder in vertikaler Ausrichtung einer Erhitzungszone zugeführt und darin mit dem unteren Ende beginnend in einem ringförmigen Ofen zonenweise bei einer Temperatur um 2050 °C erweicht, und aus dem erweichten Bereich die optische Faser abgezogen.
Zu Beginn des Ziehverfahrens liegt der Kernstab auf einem in der Innenbohrung des Hohlzylinders fixierten Lagerelement auf. Die Herstellung und Fixierung des Lagerelements durch Klemmverbindung in der Innenbohrung des Hohlzylinders wird nachfolgend anhand der 1 und 2 näher erläutert. Anschließend wird auf Basis der 3 und 4 eine alternative Halterung des Kernstabs beschrieben.
1 zeigt einen vertikal orientierten Verbund 12 aus einem Hohlzylinder 1 mit einer Innenbohrung 2, in der koaxial zur Mittelachse 3 ein Kernstab 4 angeordnet ist. Der Kernstab 4 wird in der Innenbohrung 2 mittels einer Klemmvorrichtung gehalten, der insgesamt die Bezugsziffer 5 zugeordnet ist. Die Klemmvorrichtung 5 umfasst eine Quarzglasscheibe, welche radial mittig in zwei Scheibenhälften 6, 7 geteilt ist, wobei die Schnittflächen 8 um einen Winkel von ca. 30 Grad abgeschrägt sind. Die einander zugewandten Schnittflächen 8 bilden eine sich nach unten V-förmig verjüngenden Spalt 9 mit einem Innenwinkel von 60 Grad. Die Dicke der Quarzglasscheibe (6; 7) beträgt 10 mm.
In den Spalt 9 ragt von oben ein Spreizkeil 10, auf dem der Kernstab 4 aufliegt. Der Spreizkeil 10 ist aus einem rechteckigen Vormaterial geschnitten und erstreckt sich über etwa die halbe Länge des Spaltes 9. Er weist einen Keilwinkel von etwa 30 Grad auf.
Der Außendurchmesser der Quarzglasscheibe (6; 7) entspricht in etwa dem Innendurchmesser der Innenbohrung 2. Durch die Belastung des Spreizkeils 10 von oben werden die Scheibenhälften 6, 7 auseinander gedrückt und dadurch sowie infolge des kleinen Keilwinkels von 30 Grad mit der Innenwandung 11 der Hohlzylinder-Innenbohrung 2 verkeilt. Die Klemmkraft der Anordnung hängt von der Belastung auf dem Spreizkeil 10 ab, die sich wiederum aufgrund des Gewichts des Kernstabs 4 ergibt. Der Richtungspfeil F deutet die Wirkungsrichtung der Gewichtskraft des Kernstabs 4 an.
Um beim Aufheizen des Verbundes 12 ein Durchfallen des Kernstabs 4 durch frühzeitiges Erweichen und Nachgeben der Klemmvorrichtung 5 zu vermeiden, ist die Klemmvorrichtung 5 vom unteren Ende 13 des Verbundes 12 um 70 mm zurückgesetzt
Zu Beginn des Elongierprozessses ermöglichen die vom Spreizkeil 10 freigelassenen Spaltbereiche (9) einen Spülgasstrom bis zum Schließen der Innenbohrung 2.
Die Halterung für den Kernstab 4 wird allein durch Kraftschluss zwischen der Quarzglasscheibe (6; 7) und der Innenwandung 11 des Hohlzylinders 1 gebildet. Zur Fixierung der Quarzglasscheibe (6; 7) sind Bohrungen durch die Hohlzylinder-Wandung ebensowenig erforderlich wie plastische Verformungen der Innenbohrung 2.
Zur Vergrößerung der Reibung und zur Verbesserung der Haftung wird in einer Variante des oben beschriebenen Verfahrens der Bereich der Innenwandung 11, an dem die Quarzglasscheibe (6; 7) anliegt, durch Ätzen vorab auf eine mittlere Rautiefe R_t von 4 μm aufgeraut wird.
Sofern in den 2 bis 4 dieselben Bezugsziffern wie in 1 verwendet sind, so sind damit baugleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile bezeichnet, wie sie oben anhand 1 näher erläutert sind.
Auch die in 2 schematisch dargestellte Klemmvorrichtung 25 umfasst eine Quarzglasscheibe, welche radial mittig in zwei Scheibenhälften 26, 27 geteilt ist, wobei die einander zugewandten Schnittflächen um einen Winkel von ca. 15 Grad abgeschrägt sind. Die Schnittflächen bilden somit einen sich nach unten V-förmig verjüngenden Spalt 29 mit einem Innenwinkel von 30 Grad. Die Dicke der Quarzglasscheibe (26; 27) beträgt 12 mm.
Die Innenwandung des Hohlzylinder 1 ist mit einer umlaufenden Rechtecknut 15 versehen. Die Höhe der Rechtecknut 15 – in Richtung der Zylinderlängsachse 3 – beträgt 13 mm und ihre Tiefe liegt bei 4 mm.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ragt in den Spalt 29 von oben ein Spreizkeil 10. Dieser ist mit dem Kernstab 4 fest verschmolzen. Der Spreizkeil 10 ist aus einem rechteckigen Vormaterial geschnitten und erstreckt sich über etwa die halbe Länge des Spaltes 29. Er weist einen Keilwinkel von etwa 30 Grad auf.
Durch Belastung des Spreizkeils 10 mit dem Gewicht des Kernstabs 4 werden die von oben, die Scheibenhälften 26, 27 auseinander getrieben. Da der Keilwinkel von 30 Grad mit dem Innenwinkel des V-förmigen Spalts 29 übereinstimmt, ergibt sich eine wesentliche Kraftkomponente in Richtung senkrecht zur Zylinderlängsachse 3, so dass die Scheibenhälften 26, 27 am Boden der Rechtecknut 15 an der Innenwandung 11 flächig zur Anlage kommen und eine Verkantung vermieden wird.
Die Seitenansicht von 4 zeigt eine alternative Halterung des Kernstabes 4 in der Innenbohrung 2 eines Hohlzylinders 1 unter Verwendung einer in der Draufsicht ovalen Quarzglasscheibe 30 (siehe 3). Der Außendurchmesser des Hohlzylinders 1 beträgt hier 150 mm und der Innendurchmesser 60 mm. Der Ringspalt zwischen der Innenwandung des Hohlzylinders 1 und dem Kernstab 4 wird zum größten Teil von einem weiteren Mantelrohr 43 aus undotiertem Quarzglas ausgefüllt.
Die ovale Quarzglasscheibe 30 zur Halterung des Kernstabs 4 wird in eine Rechtecknut 42 eingelegt, die am unteren Ende 13 des Hohlzylinders 1 in der Innenwandung 11 vorgesehen ist.
Die Herstellung der ovalen Quarzglasscheibe 30 ist schematisch in 3 angedeutet. 3a zeigt, wie die Scheibe durch schräge parallele Schnitte aus einem Quarzglasstab 31 herausgeschnitten wird. Der Durchmesser des Quarzglasstabs 31 entspricht in etwa dem Innendurchmesser des Hohlzylinders 1.
Die erhaltene ovale Quarzglasscheibe 30 ist in 3b dargestellt. Ihr lange Halbachse hat eine Länge von 67 mm, die Länge der kurzen Halbachse beträgt 58 mm und die Dicke 10 mm. Die infolge des Schrägschnittes erzeugten Spitzen 32, 33 an den längeren Radien der ovalen Quarzglasscheibe 30 werden mittels einer Diamanttrennscheibe abgeflacht, um die Auflagefläche in der Rechtecknut 42 zu vergrößern.
Die Draufsicht von 3c zeigt die Anordnung der ovalen Quarzglasscheibe 30 in der Innenbohrung 2 des Hohlzylinder 1. Im Einzelnen sind folgende Umfangslinien erkennbar: Die Umfangslinie 38 der ovalen Quarzglasscheibe 30, die Umfangslinie 34 der Innenwandung 11 (gestrichelt) und die Umfangslinie 35 des Bodens der umlaufenden Rechtecknut 42. Daraus ist ersichtlich, dass die ovale Quarzglasscheibe 30 mit ihrer langen Abmessung 36 den Innendurchmesser der Innenwandung 11 fast am Boden 35 der Rechtecknut 42 anliegt, und dass die Länge der kurzen Abmessung 37 kleiner ist als der Innendurchmesser der Hohlzylinder-Innenbohrung 2.
Somit kann die ovale Quarzglasscheibe 30 mit schräger Orientierung der langen Halbachse 36 in die Innenbohrung 2 des Hohlzylinders 1 eingeführt werden, mit dem unteren langen Ende in die Rechtecknut 42 eingeführt und eingelegt werden und anschließend mit dem gegenüberliegenden langen Ende ebenfalls in die Rechtecknut 42 nach unten eingeklappt werden. Voraussetzung dafür ist ein ausreichende Höhe der Rechtecknut 42, die im Ausführungsbeispiel bei 35 mm liegt.
In der Seitenansicht von 4 ist weiterhin zu erkennen, dass das Mantelrohr 43 ebenso wie der Kernstab 4 auf der ovalen Quarzglasscheibe 30 aufliegt.
Um beim Aufheizen des Zylinderverbundes 40 ein Durchfallen des Kernstabs 4 durch vorzeitiges Erweichen der ovalen Quarzglasscheibe 30 zu vermeiden, ist die Haltevorrichtung 45 etwa 50 mm vom unteren Ende 3 des Hohlzylinder 1 zurückgesetzt.
Auch die Halterung 45 für den Kernstab 4 (und für das innere Mantelrohr 43) greift ausschließlich an der Innenwandung 11 des Hohlzylinders 1 an, so dass zur Fixierung der ovalen Quarzglasscheibe 30 weder eine Bohrung durch die Hohlzylinder-Wandung erforderlich ist, noch eine plastische Verformung des Hohlzylinders 1.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas durch Elongieren eines koaxialen Verbundes (12) eines eine Zylinderlängsachse (3) aufweisenden Hohlzylinders (1), in dessen Innenbohrung (2) ein Kernstab (4) an einem in der Innenbohrung (2) fixierten Lagerelement (6; 7) anliegt, indem der Verbund (12) einer Heizzone zugeführt, darin mit seinem einen Ende beginnend zonenweise erweicht und aus dem erweichten Bereich das Bauteil kontinuierlich abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement mehrere Klemmkörper (6; 7) aufweist, die in der Innenbohrung (2) fixiert werden, indem sie unter der Wirkung einer Andrückkraft (F) gegen die Innenwandung (11) der Innenbohrung (2) gepresst werden und dabei mit dieser eine kraft- oder formschlüssige Verbindung bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement eine Anordnung mindestens zweier Klemmkörper (6; 7) umfasst, die infolge der auf die Anordnung wirkenden Andrückkraft (F) auseinander und gegen die Innenwandung (11) der Innenbohrung (2) gespreizt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper (6; 7) einander zugewandte Seitenflächen (8) aufweisen, die eine Ausnehmung (9) formen, in die ein Spreizkeil (10) hineinragt, auf den die Andrückkraft (F) wirkt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausnehmung (9) in Wirkungsrichtung der Andrückkraft (F) verjüngt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Ausnehmung (9) bildenden Seitenflächen (8) einen Innenwinkel einschließen, der größer ist als ein am Spreizkeil (10) ausgeformter Außenwinkel.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Ausnehmung (9) bildenden Seitenflächen (8) einen Innenwinkel einschließen, der einem am Spreizkeil (10) ausgeformten Außenwinkel entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenwinkel im Bereich zwischen 10 und 90 Grad liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernstab (4) als Spreizkeil (10) dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper-Anordnung (6; 7) eine Klemmscheibe bildet, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Innenbohrung (2) im Bereich ihrer Anlage der an der Innenwandung (11).
Verfahren nach einem der Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper-Anordnung (6; 7) in einem Bereich der Hohlzylinder-Innenbohrung (2) vorgesehen ist, der vom stirnseitigen Ende (13) des Hohlzylinders (1) einen Abstand von mindestens 30 mm hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Klemmkörper (6; 7) in eine in der Innenwandung (11) der Innenbohrung (2) vorgesehene Nut (15) ragt.
Verfahren nach einem der Anspruch 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung (11) im Kontaktbereich zur Klemmkörper-Anordnung (6; 7) und/oder gegen die Innenwandung (11) anliegende Flächenbereiche der Klemmkörper (6; 7) eine Oberflächenrauigkeit R_t von 1 μm oder mehr aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper (6; 7) aus Quarzglas bestehen.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas durch Elongieren eines koaxialen Verbundes eines eine Zylinderlängsachse aufweisenden Hohlzylinders (1), in dessen Innenbohrung (2) ein Kernstab (4) an einem in der Innenbohrung (2) fixierten Lagerelement anliegt, indem der Verbund (40) einer Heizzone zugeführt, darin mit seinem unteren Ende beginnend zonenweise erweicht und aus dem erweichten Bereich das Bauteil kontinuierlich abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (30) in einer im unteren Ende vorgesehenen, umlaufenden Innennut (42) der Hohlzylinder-Innenbohrung (2) aufliegt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (30) in einer ersten Richtung eine lange Abmessung (36) und in einer dazu senkrecht verlaufenden zweiten Richtung eine kurze Abmessung (37) aufweist, wobei die Länge der langen Abmessung (36) größer ist, und die Länge der kurzen Abmessung (37) kleiner ist als der Durchmesser der Innenbohrung (2), und wobei das Lagerelement (30) mit mindestens einem Ende seiner langen Abmessung (36) in die Innennut (42) hineinragt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (30) in einer Projektionsebene senkrecht zur Zylinderlängsachse (3) eine Projektionsfläche in Ellipsenform aufweist, deren lange Halbachse die lange Abmessung (36) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (30) mit beiden Enden der langen Abmessung (36) in die Innennut hineinragt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (42) in einer unteren Ebene der Innenbohrung (2) verläuft, und dass das Lagerelement (30) mit einem Ende der langen Abmessung (36) in die Innennut (42) hineinragt und mit seinem gegenüberliegenden Ende an der Innenwandung (11) im Bereich einer oberen Ebene, die oberhalb der unteren Ebene verläuft, anliegt.