DE2549159A1 - Verfahren zum verbinden wenigstens zweier flexibler laenglicher koerper - Google Patents

Verfahren zum verbinden wenigstens zweier flexibler laenglicher koerper

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DE2549159A1
DE2549159A1 DE19752549159 DE2549159A DE2549159A1 DE 2549159 A1 DE2549159 A1 DE 2549159A1 DE 19752549159 DE19752549159 DE 19752549159 DE 2549159 A DE2549159 A DE 2549159A DE 2549159 A1 DE2549159 A1 DE 2549159A1
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DE19752549159
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Vladimir Edmund Bondybey
Arthur Haines Fitch
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AT&T Corp
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Western Electric Co Inc
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Description

BLUMBACH · WESER . BERGEN · KRAMER ZWiRNER - HIRSCH
PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radedcestraße 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186 237
Western Electric Company, Incorporated Bondybey 1-9 New York, N.Y./ USA
Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier flexibler
länglicher Körper
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs. Sie fällt in das Gebiet der Erzeugung von Übertragungsmedien, und zwar sowohl elektrisch leitender (z. B. Drähte) als auch nichtleitender (z. B. optische Wellenleiter). Als Sammelbegriff wird im folgenden der Ausdruck Ader verve ndet.
Bei einer Methode, die zur Verbindung von kunststoffbeschichteten Drähten zu flachen Kabeln verwendet worden ist, werden die einzelnen Drähte über eine Seite eines erwärmte Blattes geleitet, um ein lokalisiertes Schmelzen des thermoplastischen Mantels zu erzeugen. Die Drähte werden dann zusammengepreßt,
609819/0 960
München: Kramer · Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach ■ Dr. Bergen ■ Zwirner
5 4915 9
um die gewünschte Verbindung zu schaffen (US-PS 2 749 261). Diese Methode ist zwar für viele Anwendungsbereiche gut geeignet, hat jedoch Grenzen, wenn man Drähte mit kleineren Abmessungen und mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten verbinden möchte. Bei· kleineren Drahtabmessungen werden mechanische und thermische Auslegung des Blattes schwieriger. Bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten ist es erforderlich, das Blatt auf höhere Temperaturen aufzuheizen, um die Energiezuflußrate der thermischen Energie zu erhöhen. Für jegliches gegebene thermoplastische Material gibt es wegen der Materialverschlechterung eine obere Grenze für die anwendbare Blattemperatur.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein vielseitigeres und besser zu steuerndes Verfahren zum Verbinden mehrerer flexibler länglicher Körper verfügbar zu machen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren gemäß Hauptanspruch. Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines Laserstrahlenbündels zur Verbindung zylinderförmiger Stränge mit einem thermoplastischen Außenmantel eröffnet eine Vielseitigkeit und Steuerbarkeit, wie
609819/0960
? 5 4 9 1 R 9 - 3 -
sie bekannte Methoden nicht besaßen. Bei diesem Verfahren werden zwei oder mehr Adern in eine Spannvorrichtung geführt, welche diese Adern in Berührimg bringt und sie zusammenhält, während ein Laserstrahlenbündel auf jeden Berührungspunkt gerichtet wird. Die Wellenlänge der Laserstrahlung wird entsprechend einer Absorptionsfrequenz des zu verbindenden thermoplastischen Materials gewählt. Die Absorption der Laserstrahlenbündelenergie durch das plastische Material erzeugt das gewünschte Schmelzen und Verbinden. Die Stärke der Absorption bei der gewählten Wellenlänge bestimmt die Eindringtiefe der Laserstrahlung in den Plastikkörper. Der Energiewert des Laserstrahlenbündels wird im Hinblick auf die Absorptionsstärke und die Adervorschubgeschwindigkeit so eingestellt, daß die gewünschte Verbindung bei minimaler Verschlechterung des Kunststoffs erhalten wird. Das Laserstrahlenbündel kann fast bis auf beliebig kleine Abmessungen herabfokussiert werden, um zur Verbindung dünner Adern verwendet werden zu können. Das Laserstrahlenbündel wird etwa parallel zur Längsrichtung der zu verbindenden Adern ausgerichtet, um eine effiziente Ausnutzung der Laserenergie zu bekommen. Viele kommerziell wichtige Kunststoffe absorbieren stark im Bersich infraroter Strahlung, wie sie von CC>2- und CO-Lasern erzeugt wird. Unter Verwendung dieses Verfahrens sind kunststoffumhüllte metallische Leiter und
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kunststoffumhüllte Glasfasern zur optischen Übertragung verbunden worden.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Verbindungsvorrichtung ;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines verbundenen Paares kunststoff ummantelter mehrlitziger Drähte;
Fig. 3 eine Schnittansicht eines mit einem bloßen Metalldraht verbundenen kunststoffummantelten mehrlitzigen Leiterdrahtes;
Fig. 4 eine Schnittansicht einer Dreiergruppe kunststoffummantelter Glasfasern, die zum Erhalt eines flachen Kabels miteinander verbunden sind;
Fig. 5 eine Absorptionskurve eines beispielsweisen erweichten Polyvinylchlorids als Funktion der Wellenlänge der auftreffenden elektromagnetischen Energie; und
Fig. 6 eine Schnittansicht eines Beispiels einer Verbindungsvorrichtung.
Im folgenden wird für das Verbinden kunststoffummantelter Adern
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mittels Erwärmung der Ausdruck "Bonden" verwendet.
Fig. 1 zeigt das Beispiel einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Laserbonden von mit thermoplastischem Material ummantelten Adern. Bei dieserVorrichtung werden die Adern 11, entweder als Einzeladern oder als bereits gebondete Adergruppen, von Vorratsspulen 12 in eine Spannvorrichtung 13 geführt, die sie zusammenbringt und zum Bonden zusammenhält. Die Spannvorrichtung 13 ist als ein Paar mit Rillen versehene Rollen 14 dargestellt. Dies ist lediglich eine von vielen möglichen Spanneinrichtungsarten, zu denen auch die in Fig. 6 dargestellte Spanneinrichtung gehört. In Fig. 6 werden die Adern 61 mit Hilfe von Löchern geführt, die in ein Metallstück 62 gebohrt sind.
Die zum Bonden benötigte thermische Energie wird von einem Laserstrahlenbündel 15 (Fig. 1) geliefert, das so ausgerichtet ist, daß es auf den Berührungspunkt 17 der Adern 11 auftrifft. Das Strahlenbündel wird erforderlichenfalls mit Hilfe einer Linse 16 fokussiert. Wenn das Strahlenbündel auf den Berührungspunkt auftrifft, verläuft es im wesentlichen parallel zu den Aderachsen, um die Strahlenbündelenergie am wirksamsten auszunutzen. Wenn es die Geometrie der Spanneinrichtung jedoch erfordert, kann die Einfallrichtung des Laserstrahlenbündels bis
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etwa 30° von den Aderachsen abweichen, ohne daß ein übermäßig großer Energieverlust auftritt. Die Laserstrahlung wird vom thermoplastischen Material absorbiert und erzeugt thermische Energie, die ausreichendes Schmelzen und plastisches Fließen herbeiführt, um die gewünschte Verbindung oder Bondung zu bewirken. Für die beste Energieausnutzung wird die fokussierte Größe des Laserstrahlenbündels so eingestellt, daß sie etwa gleich dem Abmaß 21 der gewünschten Verbindung ist (siehe Fig. 2). Die Spanneinrichtung 13 ist so ausgelegt, daß sie die Adern zusammenhalt, bis der geschmolzene Kunststoff genügend abkühlen konnte, um eine Verbindungskraft zu entwickeln, die ausreicht, um eine weitere Bearbeitung auszuhalten.
Fig. 2 zeigt zwei verbundene oder gebondete Adern 22, die aus einem mit einem thermoplastischen, isolierenden Mantel 24 versehenen mehrlitzigen Kupferdraht 23 bestehen. Während des Bondens wurde das thermoplastische Material ausreichend erwärmt, um plastisches Fließen und die gwünschte Verknüpfungsbreite zu erzeugen. In Fig. 3 ist eine Laserbondung verwendet worden, um einen kunststoffummantelten mehrlitzigen Leiter 31 mit einem bloßen Metalldraht 32 zu verbinden. Bei einem solchen Paar 30 kann ein Stahldraht 32 verwendet werden, um einen mechanisch weicheren Draht 31 mechanisch zu unterstützen. Fig. 4 zeigt ein
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flaches Kabel 40 aus drei Adern 41 mit lose ummantelten Glastibertragungsleitungen. Die lichtleitenden Glasfasern 42 liegen lose im Inneren eines thermoplastischen Mantels 43. Zum Erhalt des gewünschten flachen Kabels werden die drei Ummantelungen 43 gleichzeitig in einem Bondvorgang oder nacheinander in zwei Bondvorgängen verbunden. Bei dieser Anwendung ist es wichtig, daß das Bonden unter möglichst geringer Beschädigung der Innenfläche der thermoplastischen Ummantelungen 43 geschieht. Adern mit anderen Querschnittsformen können mit diesem Verfahren ebenfalls verbunden werden.
Mehrere kommerziell wichtige thermoplastische Polymerzusammensetzungen besitzen eine Absorption im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums, die dazu ausreicht, daß sie unter Verwendung von in diesem Spektralbereich arbeitenden Lasern verbunden werden können. Fig. 5 zeigt beispielsweise das Absorptionsspektrum einer erweichten Polyvinylchloridzusammensetzung. Dieses Spektrum zeigt eine beträchtliche Absorption beispielsweise im Wellenlängenbereich von 9 bis 11 um, wie er von CC^-Lasern erhältlich ist, und im Wellenlängenbereich von 4,9 bis 6,4 jum, wie ihn CO-Laser liefern. Bei der Auswahl der Wellenlängen, beispielsweise des COp-Laserbandes, gilt: Die Auswahl einer Frequenz, bei welcher ein höheres Absorptionsvermögen 51 auftritt, erzeugt eine flachere Erwärmung des polyme-
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ren Materials als ein Laser, der bei einer Frequenz 52 arbeitet, bei welcher das polymere Material ein geringeres Absorptionsvermögen besitzt. Diese Eigenschaft, die für Lichtabsorption in Polymeren charakteristisch ist, läßt dem Fachmann mehr Spielraum beim Anpassen der Bondeigenschaften an die beabsichtigte Verwendung und die Dicke des polymeren Mantels.
Eine empfindliche und im wesentlichen unverzügliche Einstellung der Laserstrahlenbündelenergie kann man beispielsweise durch Einstellen der Lasereingangsenergie oder durch mechanische Einstellung einer den Durchmesser des Laserstrahlenbündels festlegenden Lochblende erreichen. Der Laserenergiewert wird entsprechend der gewünschten Erwärmungstiefe und der Adervorschubgeschwindigkeit eingestellt. Der Laserenergiewert wird so eingestellt, daß das thermoplastische Material ausreichend erwärmt wird, um eine Verbindung durch plastisches Fließen des erweichten oder geschmolzenen polymeren Materials zu erzeugen. Eine höhere mechanische Verbindungskraft wird erreicht, wenn das polymere Material ausreichend schmilzt, um zur Bildung einer guten Verknüpfung zu gelangen. Manche Anwendungen erfordern eine geringere Verbindungsstärke, die beispielsweise dadurch erreicht werden kann, daß das Laserstrahlenbündel periodisch unterbrochen wird, um verbundene oder gebondete Aderlängen
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durch ungebondete Aderlängen zu trennen. Mit einem CC^-Laserausgangssignal von 100 W kann man zwei polyvinylchloridummantelte Drähte mit einem Außendurchmesser von 0,13 cm mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 300 m pro Min. bonden. Da die Energie des Laserstrahlenbündels innerhalb des thermoplastischen Materials direkt in Wärme umgewandelt wird, ist die Vorschubgeschwindigkeit durch die verfügbare Laserenergie begrenzt und nicht aufgrund von Wärmeflußbetrachtungen, die für die Methode mit einem erwärmten Blatt gelten.
Wenn die Richtung des Laserstrahlenbündels in der Umgebung des Berührungspunktes parallel zu den Aderachsen verläuft, wird die Laserausgangsenergie am besten ausgenutzt, da dann über eine bestimmte Distanz entlang der Aderlänge eine kontinuierliche Lichtabsorption auftritt. Wenn es die Geometrie der Spanneinrichtung jedoch erfordert, beispielsweise dann, wenn mehr als zwei Adern gleichzeitig verbunden werden sollen, erzeugt eine Abweichung des Strahlenbündels bis zu 30° von der Aderachse keinen übermäßigen Energieverlust.
Die Möglichkeit, das Laserstrahlenbündel fokussieren zu können, erlaubt das Bonden sehr dünner Adern, einschließlich Adern mit einem Durchmesser von weniger als 500 um, welche unter Verwendung bekannter Methoden außerordentlich schwer zu bonden sind.
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Beispiele
Zwei isolierte leitende Drähte mit einem isolierenden Mantel aus weichgemachtem NyIon-11 und gleiche Drähte mit einem Mantel aus einem Polypropylenpolyäthylen-Mischpolymer, beide mit einem Mantelaußendurchmesser von 0,9 mm, wurden mit einer Geschwindigkeit von etwa 80 m pro Minute gebondet mit einem COp-Laser, der bei einer Wellenlänge von 10,6 um und mit einem Energiepegel von etwa 150 W arbeitete. Ein Paar leitender Drähte, die mit Poly(vinylchlorid) isoliert waren und einen Außendurchmesser von 1,3 mm aufwiesen, wurden mit Geschwindigkeiten von 2 bis 10 cm pro Minute unter Verwendung eines 1-Vatt-C02-Lasers mit einer Wellenlänge von 10,6 pm gebondet. Paare von lichtleitenden Glasfasern, die lose in Ummantelungen aus perfluoriertem Alkoxy-Harz mit einem Außendurchmesser von 300 um und einer Wanddicke von 50 um paßten, wurden mit einem COp-Laser, der bei einer Wellenlänge von 10,6 um und mit einem Leistungswert von etwa einem halben Watt arbeitete, mit einer typischen Bondgeschwindigkeit von 12 cm pro Minute gebondet. Die Laserstrahlenbundelwellenlänge und der Leistungswert sind so gewählt worden, daß eine gute Verbindung ohne beachtliche Verschlechterung der Innenoberfläche des polymeren Mantels erzeugt wurde.
b U y 8 I 9 / U 9 6 Ο

Claims (7)

  1. BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER
    ZWIRNER - HIRSCH ? 5 4 9 1 R
    PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
    Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237
    Western Electric Company, Inc. Bondybey 1-9
    Patentansprüche
    11.)Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier flexibler länglicher Körper, von denen wenigstens einer einen Außenbereich aus einer thermoplastischen polymeren Zusammensetzung und einen nichtpolymeres Material enthaltenden Innenbereich aufweist, bei welchem die Körper je von Vorrats einrichtungen getrennt zu einer Stelle geführt werden, an welcher sie miteinander in Berührung gebracht werden derart, daß für jedes Paar Berührungsflächen ein Berührungspunkt entsteht, wobei die Berührungspunkte etwa stationär bleiben, während die Körper in Längsrichtung an ihnen vorbeitransportiert werden, und bei welchem im Berührungspunktbereich eine lokalisierte Erwärmung durchgeführt wird, um durch plastisches Fließen des thermoplastischen Polymers die Verbindung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet , daß die
    609819/0 9BU
    München: Kramer · Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner
    ? 5 A 9 1 ^ q
    lokalisierte Erwärmung dadurch erzeugt wird, daß ein etwa parallel zu den Körperachsen verlaufendes Laserstrahlenbündel mit ausgewählter Wellenlänge auf jeden Berührungspunkt gerichtet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserstrahlenbündel auf unterbrochene Abschnitte gerichtet wird, um verbundene Abschnitte zu erzeugen, die von nichtverbundenen Abschnitten getrennt sind.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß Körper verbunden werden, von denen der wenigstens eine, der einen Außenbereich aus einer thermoplastischen polymeren Zusammensetzung aufweist, einen Innenbereich hat, der einen elektrisch leitenden kontinuierlichen Metallstrang aufweist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß Körper verbunden werden, von denen der wenigstens eine, der einen Außenbereich aus einer ther-r moplastischen polymeren Zusammensetzung aufweist, einen Innenbereich hat, der eine lichtübertragende Glasfaser umfaßt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß Körper verbunden werden, von denen wenigstens einer vollständig aus nichtpolymerem Material besteht .
    bU98 19/0960
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
    gekennzeichnet , daß Körper verbunden werden, von denen wenigstens einer einen Durchmesser von weniger als 500 um aufweist.
  7. 7. Verbundener Körper, hergestellt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
    Hi/ku
    fc> CJ 9 8 Ί 9 / C) 9 ß U
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