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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Multicore-Preform, umfassend eine Mehrzahl von stabförmigen Kernelementen und ein Überfangrohr. Bei den verfahrensgemäß hergestellten Multicore-Preformen und den daraus hergestellten Produkten kann es sich z. B. um faseroptische Produkte wie lichtlei- tende Faserstäbe und bildübertragende Lichtleiter handeln.
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Derartige faseroptische Produkte, die aus Multicore-Preformen hergestellt werden, werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. Ein Beispiel ist die Verwendung von Faserstäben in der Dentaltechnik, wo diese in Verbindung mit Lichtquellen für die Polymerisation von lichthärtbaren Kunststoffen (Zahnfüllungen) eingesetzt werden. In diesem Fall überträgt der Faserstab im wesentlichen Energie in Form von kurzwelligem blauem Licht oder auch UV-Licht, welche den Polymerisationsprozess bewirkt.
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Eine weitere dentaltechnische Anwendung ist die Verwendung von Faserstäben in Handstücken von Dentalturbinen, wobei die Faserstäbe hier die Operationsstelle für den Zahnarzt ausleuchten. In diesem Fall dient der Faserstab im wesentlichen der Übertragung von sichtbarer elektromagnetischer Strahlung für Ausleuchtungszwecke.
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Eine weitere Gruppe faseroptischer Produkte, die aus Multicore-Preformen hergestellt werden, sind bildübertragende Lichtleiter, die zum Beispiel in technischen oder medizinischen Endoskopen für die Übertragung des Bildes zum Einsatz kommen.
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Bei dieser Anwendung ist unerlässlich, dass es sich um sogenannte geordnete Lichtleiter handelt. Der geordnete Zustand zeichnet sich dabei dadurch aus, dass jeder Lichtleitstab in Querschnitten durch die Multicore-Preform an beliebigen Stellen jeweils an der gleichen Stelle positioniert ist und immer von denselben angrenzenden Lichtleitstäben umgeben ist.
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Es gibt auch weitere Produkte, die aus Multicore-Preformen gemäß der Erfindung hergestellt werden können, und nicht in optischen Anwendungen eingesetzt werden. Hier sind zum Beispiel Kapillarplatten zu nennen. Dies ist ein von parallel verlaufenden Kapillaren durchsetzter Körper, der zum Beispiel für Filteranwendungen eingesetzt werden kann. In diesem Fall besteht die Multicore-Preform zweckmäßigerweise nicht aus lichtleitenden Stäben, sondern aus Rohren oder anderen beliebig geformten stabförmigen Elementen, die im folgenden allesamt als stabförmige Kernelemente bezeichnet werden.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung von Faserstäben für dentaltechnische Anwendungen eingesetzt. Faserstäbe für dentaltechnische Anwendungen, werden im allgemeinen über einen einfachen oder einen mehrfachen Ziehprozess hergestellt. In einem ersten Ziehprozess werden lichtleitende Stäbe bestehend aus einem Kernglas mit einem Brechungsindex nK und einem Mantelglas mit einem Brechungsindex nM, der vorzugsweise kleiner als nK ist, aus einem Stab-Rohr-System oder aus einem Doppeltiegel gezogen. Der gezogene Glasstrang wird üblicherweise direkt in stabförmige Abschnitte geschnitten. Diese stabförmigen Abschnitte werden auch als Lichtleitstäbe bezeichnet. Die Lichtleitstäbe werden in einem Auffanggefäß gesammelt, in dem Sie im allgemeinen einen ungeordneten Zustand einnehmen. Die Lichtleitstäbe werden zu einem Bündel zusammengefasst und dieses Bündel wird in der Regel in ein Überfangrohr gebracht, wodurch als Zwischenprodukt eine so genannte Multicore-Preform entsteht. Unter einer Multicore-Preform ist also im Allgemeinen ein Zwischenprodukt zu verstehen, welches im wesentlichen eine Mehrzahl von stabförmigen Kernelementen beinhaltet, wobei die einzelnen Kernelemente nicht fest miteinander verbunden sind. Das Bündel von stabförmigen Kernelementen wird in der Regel durch geeignete Mittel zusammengehalten, im Falle der dentaltechnischen Anwendung ist dies in der Regel ein Überfangrohr, das selbst einen Bestandteil der Multicore-Preform und des späteren Produktes darstellt. Es gibt aber auch Multicore-Preformen ohne Überfangrohr, bei denen das Bündel von Kernelementen durch Klammern oder andere Hilfsvorrichtungen fixiert wird, die keinen Bestandteil des späteren Produktes darstellen. Das trifft insbesondere bei der Herstellung von Bildleitern zu.
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Die Multicore-Preform wird üblicherweise in einem weiteren Ziehprozess ausgezogen. Bei diesem Ziehprozess wird die Multicore-Preform mit einer Nachführgeschwindigkeit v1 durch einen Ringofen nachgeführt und der im Durchmesser reduzierte Glasstrang wird mit einer Abzugsgeschwindigkeit v2, die größer als die Nachführgeschwindigkeit v1 ist, abgezogen. Die einzelnen Lichtleitstäbe verschmelzen dabei untereinander sowie mit dem Überfangrohr. Der Durchmesser des gezogenen Faserstabes kann dabei durch das Verhältnis v2/v1 eingestellt werden, was sich aus der Massenbilanz für den stationären Ziehprozess ergibt. In der Regel wird aus der Multicore-Preform ein – aufgrund seines Durchmessers – starrer, stabförmiger Lichtleiter gezogen, der im folgenden daher auch als Faserstab bezeichnet wird. Im Unterschied zum weiter oben genannten Lichtleitstab beinhaltet ein Faserstab also nicht nur einen einzigen lichtleitenden Kern sondern eine Mehrzahl von lichtleitenden Kernen bzw. miteinander verschmolzenen Lichtleitstäben, die im Falle der Dentaltechnik von dem Überfangrohr ummantelt sind.
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Aus den gezogenen Faserstäben werden anschließend in mehreren sich anschließenden Prozessen wie Ablängen, Schleifen und Polieren, Biegen sowie häufig Einbringen einer Kegelform das faseroptische Produkt hergestellt, wie z. B. in
US 4,846,546 A dargestellt. Des Weiteren wird häufig an der Lichteintrittsseite des Faserstabes eine Hülse für die Kopplung an eine Lichtquelle aufgebracht.
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Die Erfinder haben erkannt, dass die Herstellung der Multicore-Preform eine große Bedeutung für den Herstellungsprozess hat, da die Qualität der Multicore-Preform sich auf die Prozessausbeuten und damit auf die Effizienz des Herstellungsprozesses auswirkt sowie auch starken Einfluss auf wichtige Produkteigenschaften des Endproduktes hat.
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Die Qualität der Multicore-Preform lässt sich dabei u. a. durch den Ordnungszustand des Bündels von Lichtleitstäben sowie durch die sogenannte Packungsdichte beschreiben. Die Packungsdichte gibt im Allgemeinen den Volumenanteil an, der mit den Lichtleitstäben oder im Allgemeinen auch anders gearteten Körpern ausgefüllt ist. Die Packungsdichte kann zum einen lokal für einen begrenztes Volumen der Multicore-Preform ermittelt werden; in diesem Fall wird im folgenden der Begriff lokale Packungsdichte verwendet. Im Regelfall ist mit der Packungsdichte die über das gesamte Preformvolumen gemittelte lokale Packungsdichte bezeichnet. Bei optimaler Anordnung von runden Lichtleitstäben kann die lokale Packungsdichte an einen theoretischen Maximalwert von maximal ca. 90% heranreichen. Bei nicht optimaler Anordnung der Lichtleitstäbe ist die Packungsdichte zwangsweise geringer und kann deutlich tiefer liegen. Im Gegensatz zu dem Ordnungszustand eines Bündels, der mehr eine qualitative Eigenschaft darstellt, ist die Packungsdichte eine klar definierte und auch messbare Größe.
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Eine hohe Packungsdichte bedingt in der Regel einen Zustand, in dem die Lichtleitstäbe einen Zustand sehr großen Ordnung aufweisen, nämlich bei runden Lichtleitstäben eine hexagonale Anordnung.
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Ist die Packungsdichte einer Multicore-Preform gering oder ändert sich die Packungsdichte von einer Multicore-Preform zur nächsten, so kann dies mehrere nachteilige Auswirkungen haben, die im folgenden dargestellt werden. Schwankungen in der Packungsdichte von einer Multicore-Preform zur nächsten erfordern, dass bei dem Ziehprozess für jede Multicore-Preform das optimale Verhältnis zwischen Nachführgeschwindigkeit und Abzugsgeschwindigkeit neu ermittelt und eingestellt werden muss. Das führt zu einer verlängerten Anziehphase des Ziehprozesses, in welcher das Ziehgut noch nicht den spezifizierten Durchmesserbereich aufweist, und damit zu einer reduzierten Prozessausbeute. Des Weiteren können die gezogenen Faserstäbe größere Qualitäten aufweisen, wenn die Multicore-Preform über ihren Querschnitt keine gleichmäßige lokale Packungsdichte aufweist. Unter der Ovalität ist die Differenz des maximalen und minimalen Durchmessers des gezogenen Faserstabes an einer Stelle seiner Längsachse zu verstehen. Volumenbereiche der Multicore-Preform mit geringerer lokaler Packungsdichte werden beim Ziehprozess durch die Eliminierung der Zwischenräume zu einer kleineren Querschnittsfläche verschmolzen als Volumenbereiche der Multicore-Preform mit hoher lokaler Packungsdichte. Weist eine Multicore-Preform zum Beispiel auf einer Seite der Querschnittes eine geringere lokale Packungsdichte auf, so kann der daraus gezogene Faserstab eine ovale Querschnittsform und damit eine größere Ovalität haben, was im allgemeinen nicht akzeptabel ist.
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In der Regel wird ferner angestrebt, dass die Oberfläche des Faserstabes gleichmäßig zylindrisch gewölbt ist, d. h. dass das Querschnittsprofil des Faserstabes eine gleichmäßige, kreisförmige und konvexe Form aufweist und keine konkaven Abschnitte. Wenn die Multicore-Preform jedoch an einer Stelle des Umfangs im Randbereich eine niedrigere lokale Packungsdichte aufweist, so kann die Oberfläche der Faserstäbe eine Rilligkeit aufweisen, da das Überfangrohr durch die größere mit der Verschmelzung einhergehende Volumenverringerung an dieser Stelle des Umfangs lokal stärker nach innen gezogen wird als die benachbarten Bereiche des Überfangrohres. Unter Rilligkeit ist dabei die Ausbildung eines konkaven Abschnittes im Querschnittsprofil des Faserstabes zu verstehen, der sich über einen größeren Abschnitt in Richtung der Längsachse des Faserstabes erstreckt. Des Weiteren können bei Multicore-Preformen mit geringen Packungsdichten Lufteinschlüsse in den Ziehprodukten auftreten, die erfahrungsgemäß Streulicht verursachen oder in anschließenden Prozessen Probleme wie zum Beispiel das Auftreten von grauen Fasern verursachen, das sind einzelne lichtleitende Kerne in dem Faserstab mit verminderter Lichttransmission im Vergleich zu den umgebenden lichtleitenden Kernen.
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Im bekannten Stand der Technik bezüglich Faserstäben für dentaltechnische Anwendungen finden sich wenige Angaben über die Herstellung der Multicore-Preform. Aus der
US 2003/0138753 A1 ist bekannt, eine Multicore-Preform durch das Einbringen eines Bündels von dicht gepackten, gestreckten, kontinuierlichen Lichtleitstäben herzustellen. Aus dem Stand der Technik ist jedoch keine Lehre bekannt, wie eine Multicore-Preform mit hoher Packungsdichte effizient hergestellt werden kann.
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Es hat sich nun aber gezeigt, dass bei der Herstellung eines Bündels von Lichtleitstäben bei einer typischen Anzahl von 1000 Lichtleitstäben eine hohe Packungsdichte der Einzelstäbe bei Handhabung des Bündels im allgemeinen nicht gegeben ist. Die Lichtleitstäbe sind im allgemeinen nicht optimal parallel angeordnet, sondern es können zum Beispiel Verdrillungen oder auch Vermischungen einzelner Gruppen von Lichtleitstäben auftreten. Im Regelfall wird in Teilbereichen des Bündels die hexagonale Anordnung vorliegen, welche für Rundstäbe gleichen Durchmessers die Anordnung mit der höchsten Packungsdichte darstellt ist, jedoch wird das Bündel im Allgemeinen nicht einen einzigen zusammenhängenden, hexagonal angeordneten Bereich gekennzeichnet sein, der einen Großteil des Bündels umfasst.
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Ebenso hat sich gezeigt, dass die Stäbe durch einfache Maßnahmen nicht dazu neigen, diesen Zustand mit optimaler Anordnung und hoher Packungsdichte anzunehmen. Eine optimale Anordnung der Lichtleitstäbe kann zum Beispiel nicht einfach dadurch erreicht werden, dass das Bündel unter radiale Druckkräfte gebracht wird, z. B. durch Umwickeln mit einer Schnur. Im allgemeinen treten nämlich hohe Reibungskräfte zwischen den Lichtleitstäben auf. Diese Reibungskräfte zwischen den Einzelstäben werden dadurch verursacht, dass Glasoberflächen nach ihrer Herstellung aus einem Heißformgebungsprozess eine chemisch reaktive Oberfläche haben, die noch nicht abgesättigt ist. Durch Absättigung dieser Oberfläche, z. B. durch die Anlagerung von Wasser aus der Umgebungsluft, verändern sich die Eigenschaften der Oberflächen und die Oberflächen werden glatter, die Reibungskräfte werden geringer. Der Prozess dieser Oberflächenabsättigung dauert jedoch je nach Umgebungsbedingungen bis zu einigen Tagen, was im Herstellungsprozess nicht akzeptabel ist.
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Während sich bei geringer Zahl der Lichtleitstäbe und relativ großem Durchmesser eine optimale Ordnung noch relativ leicht einstellen lässt, und die Stäbe sogar zur Einnahme dieses optimalen Ordnungszustandes neigen, führen mit abnehmendem Durchmesser und zunehmender Zahl der Lichtleitstäbe die zunehmende Flexibilität der Stäbe, sowie die geringeren Gewichtskräfte im Verhältnis zu den Reibkräften dazu, dass sich eine optimale Ordnung, die sich durch eine parallele Ausrichtung der Einzelstäbe auszeichnet, nicht ohne weiteres einstellt. Über eine größere Länge kommt es zu einer unerwünschten Vermischung der Einzelstäbe, wobei auch Verdrillung und Überkreuzungseffekte auftreten können. Ebenso weist das Bündel eine niedrige Packungsdichte auf.
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Für das Anwendungsgebiet der bildübertragenden Lichtleiter ist zwangsweise ein geordneter Zustand der Lichtleitstäbe erforderlich, damit die bildübertragenden Eigenschaften erreicht werden und damit ist auch ein geordneter Zustand der Multicore-Preform erforderlich. Der geordnete Zustand wird in der Regel erreicht, indem die Multicore-Preform ,gelegt' wird, das heißt, die Lichtleitstäbe werden manuell einzeln in einer Form oder Vorrichtung parallel angeordnet, bzw. in die Form eingelegt. Bei diesem Verfahren wird eine optimale Anordnung der Lichtleitstäbe erreicht, jedoch bedeutet das manuelle Handling jedes Lichtleitstabes einen extrem hohen Aufwand. Dieser hohe Aufwand bedeutet für Produkte, bei denen bildübertragende Eigenschaften nicht gefordert werden, eine unwirtschaftliche bzw. nicht effiziente Fertigung. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist gegeben, wenn das Bündel von Lichtleitstäben in einem Überfangrohr anzuordnen ist. Im allgemeinen ist aufgrund der Formtoleranzen des Überfangrohres durch Hinzufügen oder Entfernen von Lichtleitstäben eine Anpassung des Bündeldurchmessers an das Überfangrohr notwendig. Dies ist beim Legen des Bündels außerhalb des Überfangrohres nicht möglich und kann zur Folge haben, dass das zusammengelegte Bündel sich entweder aufgrund zu großen Durchmessers nicht in das Überfangrohr schieben lässt, oder aufgrund zu kleinen Durchmessers nach dem Einschieben seinen Ordnungszustand verliert. Das Verfahren des Legens einer Multicore-Preform ist daher für die Herstellung von Faserstäben für dentaltechnische Anwendungen ineffizient und ungeeignet.
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US 3,148,967 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Multicore-Preform, wobei die Fasern in einem Rohr mit einem offenen Ende angeordnet werden, dessen Durchmesser etwa dem Überfangrohr der herzustellenden Multicore-Preform entspricht. Das Rohr mit den Fasern wird vorzugsweise schräg angeordnet, so dass sich das offene Ende unten befindet, wobei das offene Rohrende beispielsweise durch eine Teflonplatte verschlossen wird.
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US 4,397,524 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Multicore-Preform, wobei eine parallele Anordnung der Kernelemente primär durch ein Durchströmen des Überfangrohres mit Wasser bewirkt wird.
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Mit den Verfahren, die im Stand der Technik beschrieben sind, lassen sich daher Multicore-Preformen mit hoher Packungsdichte nicht effizient herstellen.
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Des Weiteren lassen sich auch keine Multicore-Preformen mit reproduzierbarer Packungsdichte herstellen, d. h. die Packungsdichte mehrerer Multicore-Preformen, die nach dem Stand der Technik hergestellt worden sind, können unterschiedliche Packungsdichten aufweisen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur effizienten Fertigung eines faseroptischen Lichtleiters, insbesondere zur effizienten Fertigung der dafür benötigten Multicore-Preform, die sich durch eine hohe Packungsdichte auszeichnet und so die effiziente Fertigung des faseroptischen Lichtleiters mit hoher Oberflächenqualität ermöglicht, zur Verfügung zu stellen, sowie einen faseroptischen Lichtleiter mit hoher Oberflächenqualität.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Multicore-Preform, welche eine Mehrzahl von stabförmigen Kernelementen sowie ein Überfangrohr umfasst, umfasst die Schritte
- a Befüllen des Überfangrohres mit stabförmigen Kernelementen
- b Rütteln des mit Kernelementen befüllten Überfangrohres, wobei die Kern-Elemente eine parallele Ordnung einnehmen,
wobei die Prozessabfolge a und b mehrfach wiederholt wird, so dass die Packungsdichte der Kernelemente in dem Überfangrohr zunimmt, wobei das Überfangrohr während des Rüttelprozesses einseitig durch Zuschmelzen geschlossen ist, wobei der Rüttelprozess b in nahezu horizontaler Lage des Überfangrohres ausgeführt wird und wobei das geschlossene Ende tiefer liegt als das offene Ende.
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Allgemein sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, eine Multicore-Preform aus einer Mehrzahl von stabförmigen Kernelementen sowie einem Überfangrohr herzustellen, wobei das Überfangrohr mit den Kernelementen befüllt wird und wobei die Kernelemente im allgemeinen noch keine hohe Packungsdichte aufweisen. Ferner wird erfindungsgemäß eine Rüttelbewegung auf das Überfangrohr übertragen. Durch diese Rüttelbewegung nehmen die Kernelemente eine weitgehend parallele Ordnung ein. Die Rüttelbewegung des mit stabförmigen Kernelementen befüllten Überfangrohres führt dazu, dass die Haftreibung zwischen den Kernelementen überwunden wird und sich die Kernelemente gegeneinander bewegen können. Dabei nimmt das Gesamtsystem aus dem Überfangrohr und den Kernelementen automatisch seinen energieärmsten Zustand ein, der dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die stabförmigen Kernelemente in gestrecktem Zustand, also ohne elastische Energie durch eine Biegung, anordnen. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Rüttelprozess in nahezu horizontaler Lage des Überfangrohres durchzuführen, was dadurch erklärbar ist, dass damit auch die Minimierung der potentiellen Energie zur Optimierung der Packungsdichte beiträgt. Die Prozessschritte Befüllen und Rütteln werden typischerweise zeitlich nacheinander durchgeführt, das Überfangrohr kann aber auch während des Rüttelprozesses mit den stabförmigen Kernelementen befüllt werden. Die Prozessabfolge Befüllen und Rütteln wird mehrfach wiederholt, da durch die Steigerung der Packungsdichte der Kernelemente jeweils wieder Raum für neue Kernelemente geschaffen wird, der dann mit weiteren Kernelementen befüllt wird. Dabei wird das Überfangrohr einseitig verschlossen und das offene Ende wird etwas höher als das geschlossene Ende positioniert, um ein Herauswandern der Kernelemente aus dem Überfangrohr durch das Rütteln zu vermeiden. Die Rüttelbewegung kann z. B. auf das Überfangrohr mit den Kernelementen übertragen werden, indem das Überfangrohr mittels einer Halterung auf einer Rüttelplatte fixiert wird. Ist eine optimale Packungsdichte nach mehrfacher Wiederholung der Prozessschritte Befüllen und Rütteln erreicht, so ist der Prozess abgeschlossen. Bei passender Wahl der prozessrelevanten Größen, die in den bevorzugten Ausführungsformen in den Unteransprüchen ausgeführt sind, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine nahezu optimale Packungsdichte erreicht werden sowie im Falle von Kernelementen mit rundem Querschnitt eine optimale hexagonale Anordnung der Kernelemente in einem großen Volumenbereich der Multicore-Preform. Ausgenommen ist hier in der Regel der Randbereich der Multicore-Preform, indem bei Verwendung eines runden Überfangrohres in der Regel keine hexagonale Anordnung vorliegt.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner die Multicore-Preform, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Diese zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass die Kernelemente im wesentlichen dieselbe Länge haben. Die Länge des Überfangrohres entspricht vorzugsweise der Länge der Kernelemente oder ist größer als diese, was bei dem anschließenden Ziehprozess das einfache Evakuieren der Multicore-Preform z. B. durch Einbringen eines Vakuumstopfens in das Hüllrohr ermöglicht.
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Die erfindungsgemäß hergestellte Multicore-Preform zeichnet sich dadurch aus, dass die Multicore-Preform eine hohe Packungsdichte aufweist, und dass die Kernelemente weitgehend parallel angeordnet sind und dadurch über ihre gesamte Länge im wesentlichen die gleiche relative Lage zueinander haben. Es liegt also in einem großen Volumenbereich ein geordneter Zustand der Multicore-Preform vor. Dadurch können die aus der Multicore-Preform hergestellten Lichtleiter auch für bildübertragende Zwecke eingesetzt werden.
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Die Kernelemente sind im Allgemeinen nur durch eine stabförmige Außengeometrie gekennzeichnet, wobei die Kernelemente vorzugsweise einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt haben, aber auch andere Querschnittsprofile möglich sind. Des weiteren können die Kernelemente sowohl Hohlkörper wie z. B. Rohre als auch massive Stäbe aus einem oder mehreren unterschiedlichen Glastypen sein. Bei der Verwendung von Rohren ergibt sich nach dem Ausziehen der Multicore-Preform ein von parallel verlaufenden Kapillaren durchsetzter Stab, der zum Beispiel als Hohlleiter oder für Filterzwecke eingesetzt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden als Kernelemente jedoch Lichtleitstäbe eingesetzt, die aus einem stabförmigen Kernglas und einem das Kernglas an seinem Umfang umschließendes Mantelglas bestehen, wobei der Brechungsindex nK des Kernglases höher als der des Mantelglases nM ist. Durch die Kombination der beiden Gläser weisen die Kernelemente ein radial abgestuftes Brechwertprofil auf, und es kommt durch Totalreflexion zu dem Lichtleitereffekt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die auf die Herstellung eines flexiblen Lichtleiters aus einem Faserstab zielt, werden die Kernelemente aus einem stabförmigen Kernglas, einem das Kernglas an seinem Umfang umschließendes Mantelglas, sowie einem weiteren das Mantelglas umschließende Glas hergestellt, wobei dieses Glas vorzugsweise ein Ätzglas ist, das in einem geeigneten Säurebad wieder entfernt werden kann. Auch das Überfangrohr besteht in diesem Fall zweckmäßigerweise aus einem Ätzglas. Flexible Lichtleiter, die auf diese Weise aus starren Lichtleitern hergestellt werden, sind in der Literatur auch als LFB (Leached Fiber Bundle) bekannt. Derartige LFB werden zum Beispiel bei der Bildübertragung in flexiblen Endoskopen eingesetzt.
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In bildübertragenden Lichtleitern wird häufig neben den lichtübertragenden Kernelementen ein weiterer Typ von Kernelementen eingesetzt, bestehend aus einem stark absorbierenden Glas, welches das Übersprechen von verschiedenen Einzelfasern reduziert und dadurch zur Kontraststeigerung beiträgt. Es kann daher bei einer besonderen Ausführung der Erfindung auch verschiedene Typen von Kernelementen geben, wobei neben dem ersten Typ mit der Funktion der Lichtleitung und einem Durchmesser D1 ein zweiter Typ mit der Funktion der Unterdrückung von Übersprech-Effekten, vorzugsweise bestehend aus einem Schwarzglas, eingesetzt wird. Um die Gesamttransmission des bildübertragenden Lichtleiters nicht zu stark zu reduzieren, werden vorzugsweise Stäbe des absorbierenden Glases mit einem Durchmesser D2 eingesetzt, der kleiner als der Durchmesser D1 ist.
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Die Rilligkeit der Faserstäbe wird auch durch den Durchmesser der Lichtleitstäbe im Verhältnis zum Innendurchmesser des Überfangrohres bestimmt, und damit indirekt auch durch die Anzahl der Lichtleitstäbe. Wird der Durchmesser der Lichtleitstäbe bei gleichem Innendurchmesser des Überfangrohres im bevorzugten Durchmesserbereich, sehr groß gewählt (z. B. größer als 2 mm), so beinhaltet eine Multicore-Preform relativ wenige Lichtleitstäbe und eine nahezu optimale Packungsdichte der Lichtleitstäbe kann relativ leicht erreicht werden. Ein entscheidender Nachteil ist aber, dass der Faserstab dann keinen runden, sondern einen polygonförmigen, abschnittweise auch konkaven Querschnitt aufweisen kann, was in der Regel nicht akzeptabel ist. Die Oberfläche weist dann eine Rilligkeit auf. Es ist also typischerweise eine Mindestanzahl von Lichtleitstäben in einer Multicore-Preform erforderlich, wenn eine nahezu runde Form des Faserstabes erreicht werden soll. Wird der Durchmesser der Lichtleitstäbe zu klein im Verhältnis zum Durchmesser des Überfangrohres gewählt, z. B. kleiner als 0,3 mm, so wird die Anzahl der Lichtleitstäbe in einer Multicore-Preform extrem groß. Es kommt hinzu, dass die Lichtleitstäbe flexibel werden und faserartige Eigenschaften annehmen. Durch die höhere Flexibilität können sich die Stäbe dann deutlich stärker vermischen, was im allgemeinen nicht erwünscht ist. Es kommt hinzu, dass die Stäbe dann auch keine Druckkräfte in Längsrichtung mehr übertragen können. Dadurch lassen sich in eine bereits gefüllte Multicore-Preform mit noch geringer Packungsdichte keine Lichtleitstäbe mehr gegen die Reibkräfte in das Überfangrohr einschieben. In diesem Fall lässt sich eine optimale hexagonale Anordnung auch durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht mehr erreichen. Eine Optimierung der Packungsdichte ist damit nicht mehr möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Kernelemente daher einen Durchmesser von 0,4 bis 5,0 mm, vorzugsweise 0,6 bis 2,0 mm. Die Anzahl von Lichtleitstäbe je Multicore-Preform liegt daher in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Bereich von 100 bis 10000 Stück, vorzugsweise im Bereich 500 bis 2000 Stück.
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Das Überfangrohr kann beliebige Querschnittsprofile haben, vorzugsweise wird jedoch ein Rohr mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 5 bis 100 mm, bevorzugt 25 bis 50 mm sowie aus Gründen der Handhabbarkeit mit einer Länge von 50 bis 2000 mm, bevorzugt 500 bis 1500 mm eingesetzt. Die Wandstärke des Überfangrohres muss eine ausreichende Stabilität der Multicore-Preform sicherstellen, darf aber auch nicht zu groß gewählt werden, da das Überfangrohr nicht zur Lichtleitung beiträgt und der Außendurchmesser der Faseroptik durch ein zu dickes Überfangrohr unnötig vergrößert wird. Die Wandstärke des Überfangrohrs wird daher zweckmäßigerweise im Bereich von 0,1 bis 5 mm gewählt, bevorzugt 0,5 bis 3 mm.
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Das Überfangrohr besteht in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung aus Glas, wobei zum einen Gläser eingesetzt werden können, die für die zu übertragende Strahlung transparent sind, als auch opaque Gläser, welche die zu übertragende Strahlung absorbieren, insbesondere Farb- und Schwarzgläser. Die Verwendung von opaquen Gläsern hat insbesondere den Vorteil, dass Licht den Faserstab nicht über die Mantelfläche verlassen kann und so insbesondere bei der dentaltechnischen Anwendung keine Blendwirkung von Arzt oder Patient entstehen kann. Die Verwendung von Klargläsern als Überfangrohr hat hingegen den Vorteil, dass die lichtübertragende Wirkung nicht nur durch die einzelnen Lichtleitstäbe, sondern auch durch Totalreflexion an der Grenzfläche des Überfangrohres zur umgebenden Luft bewirkt wird. Dadurch kann im Allgemeinen aufgrund einer höheren Querschnittsfläche, die zur Lichtleitung beiträgt, sowie einer größeren Numerischen Apertur eine höhere Lichtintensität im Vergleich zu einem opaquen Überfangrohr erreicht werden.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner der faseroptische Lichtleiter, der durch einen einfachen oder einen mehrfachen Ziehprozess sowie evtl. weitere Verarbeitungsprozesse wie Biegen, Schleifen, Polieren, Formpressen aus einer oder mehreren Multicore-Preformen gemäß mindestens einem der Ansprüchen 8 bis 24 hergestellt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um einen starren Lichtleiter handelt, mit einem Außendurchmesser von 0,2 bis 30 mm, vorzugsweise 1 bis 20 mm, zum Beispiel ein Faserstab für dentaltechnische Anwendungen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können flexible Lichtleiter mit einem Außendurchmesser von 0,01 bis 0,2 mm, vorzugsweise 0,03 bis 0,1 mm aus der erfindungsgemäß hergestellten Multicore-Preform hergestellt werden.
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Bei faseroptischen Lichtleitern ist zwischen der Funktion reiner Lichtübertragung für Ausleuchtungszwecke zu unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen lichtleitenden Kerne einen im wesentlichen jeweils gleichen Anteil einer auf die Stirnfläche einfallenden elektromagnetischen Strahlung übertragen, sowie den bildübertragenden Lichtleitern, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen lichtleitenden Kerne unterschiedliche Informationen übertragen, z. B. jeweils einen anderen Ausschnitt eines Bildes, das zum Beispiel mittels einer Optik auf die Stirnfläche des Bildleiters abgebildet wird. Lichtleiter für beide Anwendungsgebiete können mit den erfindungsgemäß hergestellten Multicore-Preformen hergestellt werden. Eine besondere Ausführungsform eines bildübertragenden Lichtleiters ist ein so genannter Ätzlichtleiter, der einem Fachmann auch als LFB bekannt ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der faseroptische Lichtleiter auch der Übertragung von analogen oder digitalen Daten dienen. Hierbei können einzelne Lichtleitkerne oder auch eine Gruppe von zusammengefassten Lichtleitkernen einen Kanal bilden, so dass über einen erfindungsgemäß hergestellten faseroptischen Lichtleiter durch Aufteilung in mehrere Kanäle eine große Datenrate übertragen werden kann.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Abbildungen dargestellt. Dabei zeigt einen Faserstab 1, der in Verbindung mit einer Lichtquelle 2 typischerweise in der Dentaltechnik zum Aushärten von lichthärtbaren Kunststoffen eingesetzt wird. Im Bereich der Stirnfläche des Faserstabes, an dem das Licht austritt, ist der Faserstab typischerweise abgewinkelt, um Zahnfüllungen aus diesen lichthärtbaren Kunststoffen optimal erreichen zu können. In der ist ein Verfahren zur Herstellung der Multicore-Preform gemäß Anspruch 1 schematisch dargestellt. Dabei ist das mit Lichtleitstäben 3 schon teilweise befüllte Überfangrohr 4 mittels einer Halterung 5 auf einer Rüttelplatte befestigt. Weitere Kernelemente werden hinzugefügt, bis die erforderliche Packungsdichte erreicht ist. In und ist jeweils ein Querschnitt durch eine Multicore-Preform mit Kernelementen 3 sowie einem Überfangrohr 4 dargestellt, wobei die Multicore-Preform in der eine relativ niedrige Packungsdichte aufweist und die Multicore-Preform in der eine sehr hohe Packungsdichte aufweist. Charakteristisch für eine hohe Packungsdichte ist bei Verwendung gleichartiger Kernelemente mit rundem Querschnitt, dass die Kernelemente in einem großen zusammenhängenden Bereich eine hexagonale Anordnung aufweisen, was in der deutlich zu sehen ist. Bei geringeren Packungsdichten existieren hingegen in der Regel mehrere voneinander getrennte Bereiche, die jeweils eine hexagonale Anordnung aufweisen. Insbesondere in den Übergangsbereichen zwischen den hexagonal angeordneten Bereichen ist die lokale Packungsdichte niedrig.
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In den und wurde die Anzahl der Kernelemente zur besseren Darstellung relativ niedrig gewählt. Üblicherweise liegt die Anzahl der Kernelemente deutlich höher.
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Die erfindungsgemäß hergestellten Faserstäbe zeichnen sich durch hervorragende Eigenschaften aus. Die Stäbe weisen eine ausgezeichnete Rundheit und damit eine geringe Ovalität sowie geringe Durchmessertoleranzen auf. Die Rundheit ist insbesondere beim Aufbringen einer Hülse auf den Faserstab von Bedeutung, welche für das Ankoppeln des Faserstabes an eine Lichtquelle benötigt wird. In der Regel werden metallische Hülsen verwendet, wobei der Spalt zwischen Faserstab und Hülse mit einem Kleber ausgefüllt wird. Je geringer Durchmessertoleranzen und Ovalitäten des Faserstabs sind, desto besser kann die Metallhülse an den Faserstab angepasst werden und desto gleichmäßiger und dünner ist der umlaufende Kleberspalt. Dies trägt wiederum wesentlich dazu bei, dass der zur Verfügung stehende Querschnitt innerhalb der Hülse optimal für die Lichtleitung ausgenutzt werden kann.
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Eine hohe Rundheit eines Faserstabes kann auch erreicht werden, indem der Faserstab durch einen mechanischen Schleifprozess rundiert wird. Dieser Prozess ist bei den erfindungsgemäß hergestellten Faserstäben nicht notwendig.
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Ferner können die erfindungsgemäß hergestellten Faserstäbe nicht nur für rein lichtübertragende sondern auch für bildübertragende Anwendungen eingesetzt werden. Die Pixelzahl so eines bildübertragenden Lichtleiters ist aufgrund der maximalen Anzahl von Lichtleitstäben, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert beschränkt, wenn davon ausgegangen wird, dass jeder lichtleitende Kern ein Pixel überträgt. Die Herstellung von Bildleiter mit geringer Pixelzahl ist jedoch erfindungsgemäß ohne weiteres möglich.
