DE3787380T2

DE3787380T2 - OVEN AND GLASS STRETCHING PROCESS.

Info

Publication number: DE3787380T2
Application number: DE19873787380
Authority: DE
Inventors: Richard Jeskey; John Plocharczyk
Original assignee: Incom Inc
Current assignee: Incom Inc
Priority date: 1987-06-26
Filing date: 1987-06-26
Publication date: 1994-03-10
Anticipated expiration: 2007-06-27
Also published as: ATE94158T1; DE3787380D1

Description

TECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft die Umformung von erweichbaren dielektrischen Materialien, insbesondere das Ziehen ummantelter und nichtummantelter Fasern und Faserbündel aus Glasrohlingen in der primären und in späteren Verarbeitungsstufen. Die Erfindung betrifft insbesondere Verfahren zum Ziehen von Glasfasern, Faserbündeln und Verbunderzeugnissen aus dem geschmolzenen oder erweichten Ende eines in einen Ofen eingebrachten Rohlings.The invention relates to the forming of softenable dielectric materials, in particular the drawing of coated and uncoated fibers and fiber bundles from glass blanks in the primary and later processing stages. The invention particularly relates to methods for drawing glass fibers, fiber bundles and composite products from the molten or softened end of a blank placed in a furnace.

INITIAL SITUATION

Die Technik des Glasziehens ist gegenwärtig eine der effektivsten Herstellungsarten für flexible Endlosfasern oder für verhältnismäßig kurze Abschnitte zur späteren Kombination und Verarbeitung zu Verbunderzeugnissen, wie z. B. faseroptischen Bildschirmen, Schirmträgern und Bildwandlern verschiedener Typen. Neben der Anwendung zum Ziehen von Fasern und Faserbündeln werden Ziehverfahren des Typs, auf den sich die Erfindung bezieht, in späteren Verarbeitungsstufen der Verbunderzeugnisse angewandt. Diese Verarbeitung schließt die gleichmäßige oder stufenweise Querschnittsverminderung ein, wobei die letztere Technik zur Herstellung von Bilddehnungs- oder -verkleinerungseinrichtungen angewandt wird. Diese Verarbeitung schließt auch verschiedene Grade des Verdrehens und andere Manipulationen zur Herstellung von Bildumorientierungseinrichtungen ein, wie z. B. von Einrichtungen zur teilweise Bilddrehung, von Bildinvertern usw.The technique of glass drawing is currently one of the most effective ways of producing flexible continuous fibers or relatively short lengths for later combination and processing into composite products such as fiber optic displays, faceplates, and image converters of various types. In addition to the application for drawing fibers and fiber bundles, drawing processes of the type to which the invention relates are used in later stages of processing of the composite products. This processing includes uniform or stepwise reduction of cross-section, the latter technique being used to produce image stretching or shrinking devices. This processing also includes various degrees of twisting and other manipulations to produce image reorientation devices such as partial image rotation devices, image inverters, etc.

Ein wichtiges Ziel auf diesem technischen Gebiet ist die gleichmäßige Erwärmung und ein hoher Grad der Temperaturkontrolle in dem kritischen erweichten Bereich des Rohlings oder Werkstücks. Eine ungleichmäßige Erwärmung der Umformzone ist eine Hauptursache für Erzeugnisfehler und Ausschuß und führt zur Vergeudung von teuren Materialien und von Produktionszeit. Dieser Punkt ist besonders kritisch im Falle eines Erzeugnisses, das aus einem Rohling von sehr kompliziertem Querschnitt entsteht, bei dem wahrscheinlich große, manchmal steile Gradienten der optischen, physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften auftreten. Die Bedingung der gleichmäßigen Erwärmung wird ganz besonders kritisch, wenn die herkömmlichen Obergrenzen der Erwärmungs- und Ziehgeschwindigkeit und der Querschnittsmaße von Rohling und Produkt erreicht und überschritten werden.An important objective in this field of engineering is uniform heating and a high degree of temperature control in the critical softened region of the blank or workpiece. Uneven heating of the forming zone is a major cause of product defects and scrap and results in the waste of expensive materials and production time. This point is particularly critical in the case of a product made from a blank of very complicated cross-section, where large, sometimes steep, gradients in optical, physical and thermodynamic properties are likely to occur. The condition of uniform heating becomes particularly critical when the conventional upper limits of heating and drawing rates and of the cross-sectional dimensions of the blank and product are reached and exceeded.

Das bisher unerreichte Ziel geschickter Arbeiter auf diesem Gebiet war eine gleichmäßige Erwärmung im Ziehofen bei den mäßigen Temperaturen, die für das Ziehen verhältnismäßig heikler Verbunderzeugnisse benötigt werden. Einer der Hauptgründe dafür, daß dieses Ziel nicht erreicht wurde, war die Schwierigkeit, bei Temperaturen von etwa 600 bis 750ºC (1100ºF bis 1400ºF) eine gleichmäßige Wärmestrahlung von den Strahlungsheizelementen zu erzielen. Separate Strahlungselemente erzeugen naturgemäß eine ungleichmäßige Erwärmung. Versuche zur Herstellung einer Strahlungsquelle, welche die Schmelzzone kontinuierlich umgibt, oder zur Einbettung diskreter Elemente in eine Streumatrix haben nicht zu der gewünschten Gleichmäßigkeit geführt. Außerdem absorbieren die meisten Verbunderzeugnisse Strahlungsenergie nicht gleichmäßig, auch wenn sie gleichmäßig zugeführt wird. Dies kompliziert das Problem ungleichmäßiger Strahlungsquellen und begrenzt den Grad der Gleichmäßigkeit sogar für eine ideal gleichmäßige Strahlungsquelle.The goal hitherto unattained by skilled workers in the field has been to achieve uniform heating in the drawing furnace at the moderate temperatures required for drawing relatively delicate composite products. One of the main reasons for the failure to achieve this goal has been the difficulty of achieving uniform heat radiation from the radiant heating elements at temperatures of about 600 to 750ºC (1100ºF to 1400ºF). Separate radiant elements naturally produce non-uniform heating. Attempts to make a radiation source continuously surrounding the melt zone or to embed discrete elements in a scattering matrix have not resulted in the desired uniformity. In addition, most composite products do not absorb radiant energy uniformly, even when it is applied uniformly. This complicates the problem of non-uniform radiation sources and limits the degree of uniformity even for an ideally uniform radiation source.

Dieses Problem der Absorptionsdifferenz existiert bei jeder Anwendung, wo verschiedene Gläser mit unterschiedlichen Infrarot- Absorptionseigenschaften im gleichen Produkt vorkommen (zum Beispiel der Kern im Verhältnis zur Ummantelung), oder bei jedem Produkt mit einem extrem dicken Rohling oder einem großen Durchmesser des gezogenen Produkts. Im letzteren Fall muß die Geschwindigkeit der Erwärmung durch Absorption an der Oberfläche der Umformzone sorgfältig entsprechend der Wärmeleitungsgeschwindigkeit zur Mitte des Werkstücks reguliert werden. An in Achsennähe liegenden Stellen dringt die Strahlungsenergie an sich nicht mit einer Stärke ein, die mit derjenigen an der Oberfläche vergleichbar ist.This problem of absorption difference exists in any application where different glasses with different infrared absorption properties are present in the same product (for example, the core relative to the cladding), or in any product with an extremely thick blank or a large diameter of the drawn product. In the latter case, the rate of heating by absorption at the surface of the forming zone must be carefully controlled according to the rate of thermal conduction to the center of the workpiece. At near-axis locations, the radiant energy itself does not penetrate with a strength comparable to that at the surface.

Es ist ein älteres Verfahren zur Annäherung an gleichmäßig strahlende Elemente entwickelt worden, bei dem der Rohling und das Produkt um ihre gemeinsame Achse mit einer Geschwindigkeit gedreht werden, die ausreicht, um die Schwankungen in den Wärmestrahlungsquellen auszugleichen. Diese Technik erfordert komplexe Mechanismen, um das Drehen des Rohlings und des Produkts sowie, wenn das Produkt dies erfordert, das Drehen und die seitliche Verschiebung der Aufwickelspule zu koordinieren. Bestenfalls erzeugt das Verfahren eine horizontale (schichtweise) Gleichmäßigkeit, ohne eine vertikale Gleichmäßigkeit herzustellen, und führt zu heißen "Ringen" statt zu heißen "Punkten". Außerdem betrifft das Verfahren nicht das Problem der ungleichmäßigen Absorption durch ein Verbunderzeugnis.An older method of approaching uniformly radiating elements has been developed in which the blank and product are rotated about their common axis at a speed sufficient to compensate for the variations in the heat radiation sources. This technique requires complex mechanisms to coordinate the rotation of the blank and product and, if the product requires it, the rotation and lateral translation of the take-up reel. At best, the method produces horizontal (layer-by-layer) uniformity without producing vertical uniformity and results in hot "rings" rather than hot "spots." In addition, the method does not address the problem of non-uniform absorption by a composite product.

Das Problem der ungleichmäßigen Absorption ist besonders akut, wenn das Produkt lichtabsorbierende Elemente enthält, wie z. B. eine EMA- Ummantelung oder Fasern, die Infrarotstrahlung im Vergleich zu den übrigen Materialien unverhältnismäßig stark absorbieren. Solche Elemente erzeugen in einem Strahlungsofen interne Temperatur- und Viskositätsabweichungen, welche die Wahl der Ziehgeschwindigkeit begrenzen und komplizieren.The problem of non-uniform absorption is particularly acute when the product contains light-absorbing elements, such as an EMA sheath or fibers, which absorb infrared radiation disproportionately compared to the other materials. Such elements create internal temperature and viscosity variations in a radiant furnace, which limit and complicate the choice of draw speed.

Als eine Sekundärfolge der Unfähigkeit, beim Ziehprozeß eine gleichmäßige Erwärmung zu erreichen, werden sowohl die Größe des Rohlings als auch der Reduktionsgrad im Ziehprozeß stark eingeschränkt. Daraus folgt, daß ein Verbunderzeugnis mit faseroptischen Komponenten von sehr kleinem Durchmesser in einem Prozeß mit vielen Schritten hergestellt werden muß. Typischerweise umfassen die Schritte das Ziehen einer Einzelfaser, das Herunterziehen eines Mehrfaserbündels, das Ziehen eines Mehrbündelfaserstrangs und das Verschmelzen eines Bündels dieser letzteren Produkte zu einem Block. Solche vielstufigen Prozesse verbrauchen Produktionszeit, und jeder Schritt hat seine eigene anteilige Ausschußrate (in der Größenordnung von 20%).As a secondary consequence of the inability to achieve uniform heating in the drawing process, both the size of the blank and the degree of reduction in the drawing process are severely limited. As a result, a composite product with very small diameter fiber optic components must be manufactured in a multi-step process. Typically, the steps include drawing a single fiber, drawing down a multi-fiber bundle, drawing a multi-bundle fiber strand, and fusing a bundle of these latter products into a billet. Such multi-step processes consume production time, and each step has its own proportional scrap rate (on the order of 20%).

Die US-PS-4 030 901 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ziehen von Quarzglasfasern in einem elektrischen Widerstandsofen unter Verwendung eines Muffelrohrs. Aus den Heizelementen verdampfende Verunreinigungen werden durch Ströme von Inertgas, z. B. von Luft, die nicht erwärmt wird und nicht zur Erwärmung des Rohlings beiträgt, vom Rohling weggespült. Der Rohling wird durch Strahlung vom Muffelrohr erwärmt. Die offenbarte Erfindung befaßt sich nicht mit dem Problem der gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Strahlungsabsorption.US-PS-4 030 901 discloses a method and apparatus for drawing quartz glass fibers in an electric resistance furnace using a muffle tube. Impurities evaporating from the heating elements are flushed away from the blank by streams of inert gas, e.g. air, which is not heated and does not contribute to heating the blank. The blank is heated by radiation from the muffle tube. The disclosed invention does not address the problem of uniform or non-uniform radiation absorption.

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Einwirkung auf die Umformzone eines Rohlings zu schaffen, um eine in hohem Maße kontrollierte, gleichmäßige Erwärmung zu erzeugen.The main object of the present invention is to provide a method of acting on the forming zone of a blank in order to produce a highly controlled, uniform heating.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens, bei dem die Grenzen für die Größe des Rohlings, des Produkts und des Reduktionsverhältnisses beim Ziehen stark erweitert werden.Another object of the invention is to provide a process in which the limits on the size of the blank, the product and the reduction ratio during drawing are greatly extended.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Glasziehverfahrens, das den Wegfall mindestens eines der aufeinanderfolgenden Reduktionsziehvorgänge bei bestimmten faseroptischen Prozessen ohne Qualitätsverlust gestattet.A further object of the invention is to provide a glass drawing process which eliminates at least one of the successive reduction drawing operations in certain fiber optic processes without loss of quality.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, bei dem die Größe der Umformzone, in der die Reduktion erfolgt, gewählt und kontrolliert werden kann. In einer weiteren Ausführungsform liefert die Erfindung eine Vorrichtung, die besonders daran angepaßt ist, die Ausführung der gleichmäßigen Erwärmung und die Kontrolle der Umformzone eines ziehfähigen Rohlings zu unterstützen.Another object of the invention is to provide a process in which the size of the forming zone in which the reduction takes place can be selected and controlled. In a further embodiment, the invention provides an apparatus which is particularly adapted to assist in the implementation of uniform heating and control of the forming zone of a drawable blank.

Weitere Aufgaben der Erfindung werden aus der Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele ersichtlich werden.Further objects of the invention will become apparent from the description of specific embodiments.

DISCLOSURE OF THE INVENTION

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Ziehen eines Rohlings gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Ziehen eines Faser- oder Faserbündelprodukts aus einem Rohling gemäß Anspruch 12. Weitere Merkmale der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.The invention provides an apparatus for drawing a blank according to claim 1 and a method for drawing a fiber or fiber bundle product from a blank according to claim 12. Further features of the invention are set out in the dependent claims.

In der vorliegenden Erfindung wird eine kontrollierte Hochgeschwindigkeits-Strömung von Luft oder einem anderen Fluid mit geregelter Temperatur verwendet, die vorzugsweise in einer gesonderten Heizkammer erzeugt und in die Ziehkammer eingeleitet wird. Das Verfahren nutzt die Temperaturverteilungseigenschaften einer Mischung aus Zwangs- und freier Konvektion zur gleichmäßigen Erwärmung der Umformzone eines Rohlings. Das Verfahren umfaßt die Entfernung des Fluids nach dem Wärmeentzug, vorzugsweise durch Rückführung des abgekühlten Fluids in die separate Heizkammer zur Wiedererwärmung. Das Verfahren umfaßt die Verwendung Temperaturfühler-Meßwerten an kritischen Punkten im Strömungskreislauf, um die Erwärmung des Fluids zu steuern und ein gewünschtes gleichmäßiges Temperatur/Zeit-Profil aufrechtzuerhalten.The present invention utilizes a controlled high velocity flow of air or other fluid at a controlled temperature, preferably generated in a separate heating chamber and introduced into the drawing chamber. The method utilizes the temperature distribution characteristics of a mixture of forced and free convection to uniformly heat the forming zone of a blank. The method includes removing the fluid after heat removal, preferably by returning the cooled fluid to the separate heating chamber for reheating. The method includes using temperature sensor readings at critical points in the flow circuit to control the heating of the fluid and maintain a desired uniform temperature/time profile.

In einer anderen Ausführungsform umfaßt das Verfahren die Temperaturregelung eines kleinen Teils des Rohlings unmittelbar außerhalb der Ziehkammer des Ofens, um zu gewährleisten, daß der Rohling mit gleichmäßig voreingestellter Temperatur in die Umformzone eintritt; dadurch wird die Anforderung zur Regelung der Umgebungstemperatur und zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit verschiedener Rohlinge und Rohlingsspanneinrichtungen abgeschwächt. Durch diesen Schritt wird praktisch ein Wärmeisolator gebildet, der eine unerwünschte Übertragung der Wärme vom Ofen auf den Rohling verhindert.In another embodiment, the method includes controlling the temperature of a small portion of the blank immediately outside the drawing chamber of the furnace to ensure that the blank enters the forming zone at a uniform preset temperature, thereby eliminating the need to control the ambient temperature and Compensation for the different thermal conductivity of different blanks and blank clamping devices. This step essentially creates a thermal insulator that prevents unwanted transfer of heat from the furnace to the blank.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt die gesteuerte Bewegung einer ausfahrbaren Isoliereinrichtung, um den effektiven Abstand vom Einlaß zum Auslaß der Ziehkammer des Ofens zu regulieren, wodurch die Größe der Umformzone beliebig reguliert wird.A further embodiment of the method according to the invention comprises the controlled movement of an extendable insulating device in order to regulate the effective distance from the inlet to the outlet of the drawing chamber of the furnace, thereby arbitrarily regulating the size of the forming zone.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist ein Ziehofen, der speziell an die Ausführung des Verfahrens angepaßt ist. Der Ofen weist eine Ziehkammer mit einem Einlaß und einem Auslaß für den Rohling und einer vorzugsweise getrennten Fluiderwärmungskammer mit steuerbaren Heizeinrichtungen auf. Die getrennte Fluiderwärmungskammer steht mit der Ziehkammer über Eingangsdurchlässe oder -kanäle in Verbindung, wobei die Verbindung durch Zwangskonvektionseinrichtungen vermittelt wird. Nach anderen Ausführungsformen der Erfindung ist der Ofen mit einem Rückführungskanal, der eine Verbindung zwischen der Ziehkammer und der Heizkammer herstellt, einer Einrichtung zur Regelung der Voreintrittstemperatur am Rohlingseinlaß und einer beweglichen isolierten Muffe ausgestattet, die mit dem Auslaß der Ziehkammer verbunden ist.A further embodiment of the invention is a drawing furnace which is specifically adapted to the implementation of the method. The furnace has a drawing chamber with an inlet and an outlet for the blank and a preferably separate fluid heating chamber with controllable heating devices. The separate fluid heating chamber is in communication with the drawing chamber via inlet passages or channels, the connection being mediated by forced convection devices. According to other embodiments of the invention, the furnace is equipped with a return channel which establishes a connection between the drawing chamber and the heating chamber, a device for regulating the pre-entry temperature at the blank inlet and a movable insulated sleeve which is connected to the outlet of the drawing chamber.

In einer Abwandlung des Verfahrens sowie der Vorrichtung befindet sich der Rohlingseinlaß am Boden des Ofens, und das Produkt wird von einem Auslaß an der Oberseite der Ofenziehkammer aus nach oben gezogen. Die Schritte und Elemente der Abwandlungen können selbständig verwendet werden.In a variation of the method and apparatus, the blank inlet is located at the bottom of the furnace and the product is drawn up from an outlet at the top of the furnace drawing chamber. The steps and elements of the variations can be used independently.

Das offenbarte Verfahren und die offenbarte Vorrichtung lösen das technische Problem der gleichmäßigen Erwärmung von ziehfähigen Werkstücken mit großem Durchmesser, die möglicherweise in allen Abmessungen eine komplexe Form aufweisen und außerdem ein Verbundstoff aus Materialien mit unterschiedlichen Strahlungsabsorptionseigenschaften sein können. Die Zufuhr von Fluid mit hoher Geschwindigkeit durch Zwangskonvektion in der Umformzone ermöglicht die Übertragung von Wärmeenergie auf das Werkstück, ohne daß bei der Strahlungserwärmung extreme Temperaturdifferenzen auftreten. Folglich ist die Vermeidung von örtlichen Oberflächenüberhitzungen oder internen örtlichen Überhitzungen nicht ausschließlich von der Geschwindigkeit der Wärmeleitung in das Werkstück oder von kleinen Anteilen der freien Konvektion von stehender Luft abhängig, sondern kann durch Regulieren der Geschwindigkeit und der Temperatur der Zwangskonvektionsströme gesteuert werden. Bei einer gegebenen Geschwindigkeit der Wärmeenergiezufuhr kann außerdem das technische Problem der Steuerung der Größe der Umformzone (die in Beziehung zur Form des Ziehteils und zur Form des Durchmesserreduktionsprofils steht) ohne weiteres durch Ausfahren einer Isoliermuffe in das Zwangskonvektions- Strömungsfeld hinein gelöst werden.The disclosed method and apparatus solve the technical problem of uniformly heating large diameter drawable workpieces, which may have a complex shape in all dimensions and may also be a composite of materials with different radiation absorption properties. The supply of fluid at high speed by forced convection in the forming zone enables the transfer of thermal energy to the workpiece without extreme temperature differences occurring during radiation heating. Consequently, the avoidance of local surface overheating or internal local overheating is not solely on the speed of heat conduction into the workpiece or on small amounts of free convection from stagnant air, but can be controlled by regulating the speed and temperature of the forced convection currents. Furthermore, for a given speed of heat energy supply, the technical problem of controlling the size of the forming zone (which is related to the shape of the drawn part and the shape of the diameter reduction profile) can be easily solved by extending an insulating sleeve into the forced convection flow field.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Das Verfahren sowie die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand spezieller Ausführungsbeispiele verstehen, wie sie in den Zeichnungen dargestellt werden, die lediglich zur Erläuterung dienen und keine Einschränkung des Schutzumfangs beinhalten sollen. Es zeigen:The method and apparatus according to the present invention can best be understood by reference to specific embodiments as shown in the drawings, which are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of protection. They show:

Fig. 1 ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;Fig. 1 is a flow chart of an embodiment of the inventive method;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ofens, der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung realisiert;Fig. 2 is a sectional view of a furnace embodying the principles of the present invention;

Fig. 3 ein einfaches Ausführungsbeispiel eines Teils einer Vorkühlungsmanschette;Fig. 3 shows a simple embodiment of a part of a pre-cooling sleeve;

Fig. 4 eine Draufsicht einer bevorzugten Form des Ziehkammereinlasses mit Durchmesserverstelleinrichtung;Fig. 4 is a plan view of a preferred form of the drawing chamber inlet with diameter adjustment device;

Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie V-V von Fig. 2, die ein Ausführungsbeispiel der Verteileinrichtung für das erwärmte Fluid darstellt;Fig. 5 is a sectional view along the line V-V of Fig. 2, showing an embodiment of the distribution device for the heated fluid;

Fig. 6 die Wirkungsweise der verstellbaren isolierten Muffe; undFig. 6 the operation of the adjustable insulated sleeve; and

Fig. 7 eine modifizierte Vorrichtung, die so ausgelegt ist, daß sie die Ziehoperation nach oben statt nach unten ausführen kann.Fig. 7 shows a modified device designed to perform the pulling operation upwards instead of downwards.

DETAILED DESCRIPTION

Es gibt verschiedene Ausführungsarten des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei denen einige Details von dem herzustellenden Produkt und von den umzuformenden Materialien abhängen. Im folgenden werden erfolgreiche Anwendungen ausführlich beschrieben, einschließlich der Ausführungsart, die gegenwärtig als die beste angesehen wird. Außerdem wird eine ausführliche Beschreibung einer Vorrichtung gegeben, die speziell zur Ausführung des Verfahrens konstruiert wurde.There are various embodiments of the method according to the invention, some details of which depend on the product to be manufactured and the materials to be formed. Successful applications are described in detail below, including the Mode of execution which is presently considered to be the best. In addition, a detailed description is given of an apparatus specially designed for carrying out the process.

Das in Fig. 1 dargestellte Prozeßdiagramm skizziert die grundlegenden Schritte in dem allgemeinen Verfahren. Da das Verfahren eine sehr genaue Steuerung der Erwärmung des Rohlings auf der Grundlage berechneter und experimenteller Lufttemperatur- und Durchflußmengendaten ermöglicht, erfordert die optimale Anwendung des Verfahrens zunächst ein gewisses Maß an Kontrolle der Voreintrittstemperatur des Rohlings. Diese Voreintrittstemperatur ist herkömmlicherweise nicht nur von der Umgebungstemperatur (deren Kontrolle ineffizient ist), sondern auch von der Wärmeleitungsgeschwindigkeit von älteren Öfen durch den Rohling und seinen Zuführungsmechanismus hindurch abhängig. Die Wirkung dieser Faktoren wird im erfindungsgemäßen Verfahren durch den Schritt vermindert, in dem die Temperatur des Rohlings unmittelbar vor seinem Eintritt in den Ofen an eine "normalisierte" Temperatur angenähert wird. Dabei handelt es sich besonders häufig um einen Abkühlungsschritt, in gewissen Stadien des Prozesses und bei bestimmten Umgebungsbedingungen allerdings auch um eine leichte Erwärmung. Das einfachste Ausführungsbeispiel dieses Temperaturnormalisierungsschritts 10 ist damit verbunden, daß Luft von mehr oder weniger konstanter Temperatur aus einer Quelle herangeführt und an der Eintrittsstelle in den Ofen auf den äußeren Umfang des Rohlings geblasen wird. Gleichzeitig wird der Rohling in einem Zuführungsschritt 11 unter Verwendung der verfügbaren Zuführungsmechanismen in die Ofenziehkammer eingebracht. Zu diesen Mechanismen gehören motorgetriebene Antriebsspindeln. Der Mechanismus kann mehrere dieser Antriebsspindeln aufweisen, wenn der Kern und eine Ummantelung oder mehrere Ummantelungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten angetrieben werden müssen. Es ist nicht erforderlich, daß diese Mechanismen Dreheinrichtungen aufweisen. Solche Einrichtungen waren, wie oben erwähnt, ein komplizierendes Hilfsmittel, um eine gleichmäßige Erwärmung im Ofen zu erzielen, und hatten nur einen beschränkten Erfolg.The process diagram shown in Fig. 1 outlines the basic steps in the general process. Since the process allows very precise control of the heating of the blank based on calculated and experimental air temperature and flow rate data, optimal application of the process first requires some degree of control of the pre-entry temperature of the blank. This pre-entry temperature is traditionally dependent not only on the ambient temperature (which is inefficient to control) but also on the rate of heat conduction from older furnaces through the blank and its feed mechanism. The effect of these factors is reduced in the process of the invention by the step of bringing the temperature of the blank to a "normalized" temperature immediately before it enters the furnace. This is most often a cooling step, but at certain stages of the process and under certain ambient conditions it is also a slight heating step. The simplest embodiment of this temperature normalization step 10 involves air of more or less constant temperature being supplied from a source and blown onto the outer periphery of the blank at the point of entry into the furnace. At the same time, the blank is introduced into the furnace drawing chamber in a feeding step 11 using the available feeding mechanisms. These mechanisms include motor-driven drive spindles. The mechanism may include several of these drive spindles if the core and one or more shells are to be driven at different speeds. It is not necessary for these mechanisms to include rotating devices. Such devices have been a complicating means of achieving uniform heating in the furnace, as mentioned above, and have had only limited success.

Der springende Punkt der vorliegenden Erfindung hat mit dem Schritt der Erwärmung von Luft oder einem anderen Wärmeaustauschfluid in einer Kammer zu tun, die vorzugsweise von der Kammer getrennt ist, in der das Ziehen von Fasern erfolgt. Wenn die Kammer nicht getrennt ist, sollte wenigstens die Umformzone gegen alle darin verwendeten Strahlungselemente abgeschirmt werden. Die erwärmte Luft wird dann unter Verwendung steuerbarer Zwangskonvektionseinrichtungen mit Ventilatoren, Luftpumpen usw. im Schritt 13 in die Ziehkammer eingeleitet oder gefördert. Der Lufterwärmungsschritt 12 wird vorzugsweise durch einen Temperaturmeßschritt 14 gelenkt und entsprechend gesteuert (zum Beispiel durch einen Regelwiderstand oder durch Einleiten eines gesteuerten kühlen Gasstroms). Diese Messung erfolgt vorzugsweise beim Einleiten der Luft in die Ziehkammer. Durch diese Messung, die zum Beispiel durch Einsetzen eines Thermoelements in die Luftströmung ausgeführt wird, wird die Lufterwärmungseinrichtung nach einem vorher gewählten Algorithmus gesteuert, der durch elektrische oder elektronische Verarbeitungseinrichtungen vermittelt wird. Dazu kann eine Verarbeitung mit Rückführung oder Vorwärtsregelung mit berechneten oder tabellierten Parametern gehören, die zu einem diskreten oder kontinuierlichen Wärmeregelungseinstellschritt 15 führt. Dieser Schritt kann auch die Steuerung der Veränderung der Durchflußgeschwindigkeit der erwärmten Luft umfassen. Ziel ist die Entwicklung eines geeigneten Temperatur/Zeit-Profils für die gleichmäßige Erwärmung eines gegebenen Rohlings in einer gegebenen Umformzone. Dazu wird die erwärmte Luft so gelenkt, daß sie im Schritt 16 an der Umformzone des Rohlings vorbeifließt. Die bevorzugte Strömungsart ist ziemlich turbulent, aber mit einem Richtungstrend in einer deutlich ausgeprägten Richtung durch die Umformzone hindurch. Wünschenswert ist auch, daß der Zufluß um den äußeren Umfang des Rohlingseinlaßendes der Ziehkammer herum verteilt wird.The crux of the present invention has to do with the step of heating air or other heat exchange fluid in a chamber which is preferably separate from the chamber in which the drawing of fibers takes place. If the chamber is not separate, at least the forming zone should be protected against all radiant elements used therein. The heated air is then introduced or conveyed into the drawing chamber in step 13 using controllable forced convection means including fans, air pumps, etc. The air heating step 12 is preferably directed and controlled by a temperature measuring step 14 (for example by a variable resistor or by introducing a controlled cool gas flow). This measurement is preferably made as the air is introduced into the drawing chamber. This measurement, which is carried out for example by inserting a thermocouple into the air flow, controls the air heating means according to a preselected algorithm mediated by electrical or electronic processing means. This may include feedback or feed forward processing with calculated or tabulated parameters leading to a discrete or continuous heat control adjustment step 15. This step may also include controlling the variation in the flow rate of the heated air. The objective is to develop a suitable temperature/time profile for the uniform heating of a given blank in a given forming zone. To this end, the heated air is directed to flow past the blank forming zone in step 16. The preferred flow pattern is fairly turbulent, but with a directional trend in a clearly defined direction through the forming zone. It is also desirable that the flow be distributed around the outer periphery of the blank inlet end of the drawing chamber.

Wenn der Rohling die Umformtemperatur erreicht hat, wird auf die übliche Weise in einem Ziehschritt 17 unter kombinierter Anwendung von Schwerkraft und Zug das Produkt mit reduziertem Durchmesser gezogen. Da die Ziehgeschwindigkeit und der Durchmesserreduktionsgrad des aus dem Rohling gewonnenen Erzeugnisses (neben anderen Faktoren) sowohl vom Temperaturprofil als auch von der Länge der Umformzone abhängen, kann ein zusätzlicher Schritt 18 zur Gestaltung der Umformzone angewendet werden. Die Gestalt der Umformzone kann vor Beginn des Ziehens eingestellt oder in verschiedenen Stadien des Ziehprozesses entsprechend den Anforderungen des Produkts und/oder dem Charakter des Rohlings reguliert werden.When the blank has reached the forming temperature, the reduced diameter product is drawn in the usual way in a drawing step 17 using a combination of gravity and tension. Since the drawing speed and the degree of diameter reduction of the product obtained from the blank depend (among other factors) on both the temperature profile and the length of the forming zone, an additional step 18 for shaping the forming zone can be used. The shape of the forming zone can be set before drawing begins or regulated at different stages of the drawing process according to the requirements of the product and/or the character of the blank.

Ein erfolgreiches Verfahren zur Gestaltung der Umformzone erfordert die Veränderung des effektiven Abstands vom Einlaß der Ziehkammer zum effektiven Auslaß. Dies kann speziell durch Anordnen einer Isoliermuffe erreicht werden, die in variabler Weise konzentrisch zur Ziehachse vom Auslaß der Kammer zum Einlaß hin ausgefahren werden kann.A successful method for shaping the forming zone requires changing the effective distance from the inlet of the drawing chamber to the effective outlet. This can be achieved specifically by arranging an insulating sleeve which can be extended in a variable manner concentrically to the drawing axis from the outlet of the chamber to the inlet.

Um die Temperaturregelung zu erleichtern, kann die an der Umformzone vorbeigeleitete erwärmte Luft in einem Luftrückführungsschritt 19 aus der Kammer abgesaugt und in der Heizkammer wiedererwärmt werden. Wenn beim Absaugen der Luft ein zusätzlicher Lufttemperaturmeßschritt 20 ausgeführt wird, kann die Wärmeeinstellungssteuerung verfeinert werden. Eine solche Einstellung kann zum Beispiel auf der Grundlage der Berechnung der absorbierten Wärme aus der Temperaturdifferenz vorgenommen werden.To facilitate temperature control, the heated air bypassing the forming zone can be exhausted from the chamber in an air recirculation step 19 and reheated in the heating chamber. If an additional air temperature measurement step 20 is carried out during the exhaustion of the air, the heat setting control can be refined. Such an adjustment can be made, for example, on the basis of the calculation of the absorbed heat from the temperature difference.

Nach dem Ziehen des Produkts erfolgt die gewöhnliche Produktverarbeitung, die allgemein als Schritt 21 angedeutet ist. Für Endlosfasern kann eine rotierende und hin- und hergehende Aufwickelspule vorgesehen werden. Es können zusätzliche Beschichtungen aufgebracht werden. Für ein mehr vereinzeltes Produkt können Einrichtungen zum periodischen Abschneiden von gezogenen Abschnitten vorgesehen werden, entweder als Quasi-Fertigprodukt oder für die Bündelung zu Mehrelementverbundbaugruppen oder aus mehreren Verbundkomponenten bestehenden Verbundbaugruppen zur Weiterverarbeitung.After the product has been drawn, the usual product processing occurs, generally indicated as step 21. For continuous fibers, a rotating and reciprocating take-up reel may be provided. Additional coatings may be applied. For a more discrete product, facilities may be provided for periodically cutting drawn sections, either as a quasi-finished product or for bundling into multi-element composite assemblies or multi-component composite assemblies for further processing.

Da dieser Prozeß wegen der vom Prozeß erzeugten außerordentlich gleichmäßigen Erwärmung das Ziehen eines Produkts mit sehr großem Durchmesser aus Rohlingen mit sehr großem Durchmesser gestattet, hat es sich als möglich und vorteilhaft erwiesen, den Rohling von unterhalb des Ofens zuzuführen und das Produkt von oben zu ziehen. Diese Abwandlung des Verfahrens modifiziert die Wirkung der Schwerkraft auf die Gestalt der Umformzone und auf die Aufwickeleigenschaften des Produkts. Die Abwandlung ist insbesondere in einer verhältnismäßig langen Umformzone mit geringer Konizität anwendbar.Since this process allows the drawing of a very large diameter product from very large diameter blanks due to the extremely uniform heating produced by the process, it has been found possible and advantageous to feed the blank from below the furnace and to draw the product from above. This variation of the process modifies the effect of gravity on the shape of the forming zone and on the coiling properties of the product. The variation is particularly applicable in a relatively long forming zone with low taper.

Der allgemeine erfindungsgemäße Prozeß ist ohne außergewöhnliche Steuerungsmaßnahmen auf einen Verbundrohling von mehr als 12 cm (4,5 Zoll) Durchmesser angewendet worden, der in einem Schritt auf einen Durchmesser von 0,080 cm (0,030 Zoll) heruntergezogen wurde. Der Rohling wurde auf etwa 21ºC (70ºF) normalisiert. Luft wurde so erwärmt, daß sie mit etwa 750ºC (1380ºF) zur Ziehkammer gefördert werden konnte. Die Luft wurde mit hoher Geschwindigkeit an der Umformzone vorbeigeleitet und mit etwa 747ºC (1375ºF) abgesaugt. Die Mengenleistung und die Qualität waren zumindest vergleichbar mit dem herkömmlichen Ziehen unter Strahlungserwärmung, das für diese Reduktion mehrere Schritte erfordert hätte.The general process of the invention was applied without any special control measures to a composite blank of over 12 cm (4.5 inches) diameter which was drawn down to a diameter of 0.080 cm (0.030 inches) in one step. The blank was normalized to about 21ºC (70ºF). Air was heated to be fed to the draw chamber at about 750ºC (1380ºF). The air was fed at high speed past the forming zone and extracted at about 747ºC (1375ºF). The output and quality were at least comparable to conventional drawing with radiant heating, which would have required several steps for this reduction.

In einem anderen Fall gestattete die Gleichmäßigkeit der Erwärmung in diesem Prozeß die Herstellung eines Produkts von 2,51 cm (1 Zoll) Durchmesser in einem Schritt aus einem Rohling 7,53 cm (3 Zoll) Durchmesser mit hervorragender Qualität und Mengenleistung. Der Rohling wurde von unterhalb des Ofens eingeführt und von oben aufgenommen.In another case, the uniformity of heating in this process allowed a 1-inch (2.51 cm) diameter product to be produced in one step from a 3-inch (7.53 cm) diameter blank with excellent quality and output. The blank was fed from below the furnace and picked up from above.

Für die Größe des Rohlings, auf den das Verfahren vorteilhaft angewendet werden kann, wurde keine offensichtliche Grenze festgestellt. Bei der Anwendung auf herkömmliche Ziehprozesse erreicht die Mengenleistung annähernd das 5- bis 6-fache der gewöhnlichen Leistung und wird gegenwärtig durch die Kapazität der verfügbaren oder leicht zu modifizierenden Aufnahmemechanismen begrenzt.No obvious limit has been found for the size of blank to which the process can be advantageously applied. When applied to conventional drawing processes, the output reaches approximately 5 to 6 times the usual output and is currently limited by the capacity of the available or easily modified take-up mechanisms.

Die Fähigkeit dieses Systems zur wirksamen Abgabe von Wärme an Werkstücke mit großem Durchmesser bei der normalen Ziehoperation ohne Verzerrung im Werkstück gestattet die Anwendung des Systems auf eine bemerkenswerte Weise. Gewöhnlich werden Produkte mit großem Durchmesser, die aus sehr vielen feinen Fasern gebildet werden, nach einem sehr unrationellen Verfahren geformt, der das Übereinanderschichten von Fasern und das Verschmelzen der Fasern unter Einwirkung von Wärme und sehr hohem Druck zum Entfernen von Hohlräumen umfaßt. Es hat sich gezeigt, daß diese Produkte mit großem Durchmesser auf die folgende Weise viel rationeller geformt werden können. Zuerst wird ein Rohling geformt, indem Fasern zu einem Bündel mit einem etwas größeren Durchmesser als dem des gewünschten Produkts geschichtet werden. Das Bündel wird dann in eine gasdichte Glashülle eingeschlossen, die danach evakuiert wird. Der entstehende Rohling wird dann in der erfindungsgemäßen Weise durch den Ofen geschickt, mit der Ausnahme, daß der Rohling nur um einen geringen Betrag auf den gewünschten Durchmesser heruntergezogen wird. Das Ergebnis ist ein aus gleichmäßig verschmolzenen, hohlraumfreien und unverzerrten Fasern geformtes Produkt mit großem Durchmesser. Dieses Produkt kann in gasdichte Platten zerteilt werden. Im praktischen Betrieb kann es erforderlich sein, die Hülle während des Ziehvorgangs fortlaufend zu evakuieren. Wegen der durch diesen Ziehvorgang verursachten sehr geringen Verzerrung kann auf das Werkstück in der Ziehzone eine Torsionsbewegung angewendet werden. Dadurch ergibt sich ein Produkt, in dem die Fasern eine gleichmäßige spiralförmige Orientierung aufweisen. Das entstehende Produkt kann zu Bilddreheinrichtungen oder Bildinvertern zerschnitten werden.The ability of this system to efficiently deliver heat to large diameter workpieces during the normal drawing operation without distortion in the workpiece allows the system to be used in a remarkable manner. Usually, large diameter products formed from very many fine fibers are formed by a very inefficient process which involves stacking fibers one on top of the other and fusing the fibers together under the action of heat and very high pressure to remove voids. It has been found that these large diameter products can be formed much more efficiently in the following manner. First, a blank is formed by stacking fibers into a bundle having a diameter slightly larger than that of the desired product. The bundle is then enclosed in a gas-tight glass envelope which is then evacuated. The resulting blank is then passed through the furnace in the manner of the invention except that the blank is drawn down only a small amount to the desired diameter. The result is a large diameter product formed from uniformly fused, void-free and undistorted fibers. This product can be cut into gas-tight sheets. In practical operation, it may be necessary to continuously evacuate the casing during the drawing process. Due to the Due to the very slight distortion caused by this drawing process, a torsional movement can be applied to the workpiece in the drawing zone. This produces a product in which the fibers have a uniform spiral orientation. The resulting product can be cut into image rotators or image inverters.

CONTRAPTION

Eine Vorrichtung, die speziell zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konstruiert ist, wird in Fig. 2-7 offenbart und besonders umfassend in einer modifizierten schematischen Weise in Fig. 2 dargestellt.An apparatus specifically designed to carry out the method of the invention is disclosed in Figs. 2-7 and is particularly comprehensively illustrated in a modified schematic manner in Fig. 2.

Zwangskonvektionsöfen waren zwar bereits in der Vergangenheit verfügbar, der erfindungsgemäße Ofen wird aber in einer einzigartigen Kombination mit anderen Elementen und in einer Konfiguration offenbart, die an die Nutzung der besonderen Eigenschaften der Zwangskonvektion in einem Glasziehvorgang angepaßt ist. Die Anwendung der Erwärmung durch Zwangskonvektion auf die Glasziehtechnik hat zu einer außergewöhnlichen, unerwarteten und überraschenden Vergrößerung der Durchmesserkapazität, der Ziehgeschwindigkeit und -qualität (hinsichtlich der Produktausschußraten) dieser Technik geführt.While forced convection furnaces have been available in the past, the furnace of the present invention is disclosed in a unique combination with other elements and in a configuration adapted to utilize the special properties of forced convection in a glass drawing process. The application of forced convection heating to the glass drawing technique has resulted in an extraordinary, unexpected and surprising increase in the diameter capacity, drawing speed and quality (in terms of product scrap rates) of this technique.

Die in Fig. 2 abgebildete und allgemein durch das Bezugszeichen 30 angedeutete allgemeine Kombination weist einen Komplex von Zuführungsmechanismen 31 auf, die vorzugsweise die Fähigkeit zur unterschiedlichen Zuführung verschiedener Komponenten eines zusammengesetzten Rohlings haben. Der Zuführungskomplex kann eine Evakuierungseinheit 32 einschließlich der erforderlichen gasdichten Verschlüsse sowie eine Verriegelungseinrichtung 33 aufweisen. Das Werkstück der Vorrichtung ist ein thermisch erweichbarer, ziehfähiger Rohling 34. Zur Ausführung der Temperaturnormalisierung oder "Vorkühlung" des Rohlings unmittelbar vor dem Eintritt in den Ofen (allgemein durch 40 angedeutet) weist dieses Ausführungsbeispiel eine Hohlmanschette 35 oder einen Wärmeisolator auf, die (der) aus einer Quelle 36 über ein Rohr 37 mit einem steuerbaren Ventil 38 mit Luft von verhältnismäßig konstanter Temperatur versorgt wird. Die "Vorkühlungs-"Luft wird durch mehrere nach innen gewandte, radial gerichtete Öffnungen, wie z. B. 39, nach innen zum Rohling gelenkt. Es hat sich als erfolgreich und zweckmäßig erwiesen, als Standard eine Temperatur in der Nähe der Raumtemperatur von etwa 21ºC (70ºF) zu wählen. Um eine feinere Kontrolle über die Temperaturkonstanthaltung des Rohlings zu gewinnen, könnten Temperaturfühler oberhalb und/oder unterhalb der Manschette zur Steuerung der Temperatur und/oder des Volumens der Vorkühlungsluft vorgesehen werden.The general combination shown in Figure 2 and indicated generally by reference numeral 30 includes a complex of feed mechanisms 31 which preferably have the capability of differentially feeding various components of a composite blank. The feed complex may include an evacuation unit 32 including the necessary gas-tight closures and a locking device 33. The workpiece of the apparatus is a thermally softenable, drawable blank 34. To effect temperature normalization or "pre-cooling" of the blank immediately prior to entry into the furnace (indicated generally by 40), this embodiment includes a hollow sleeve 35 or thermal insulator which is supplied with air of relatively constant temperature from a source 36 via a pipe 37 having a controllable valve 38. The "pre-cooling" air is directed inwardly toward the blank through a plurality of inwardly facing, radially directed openings such as 39. It has proven successful and useful to use as standard a temperature close to room temperature of about 21ºC (70ºF). To gain finer control over maintaining the temperature of the blank, temperature sensors could be provided above and/or below the sleeve to control the temperature and/or volume of the pre-cooling air.

Der Rohling 34 wird durch einen Ziehkammereinlaß 41 in den Ofen 40 eingebracht. Dieser Einlaß ist vorzugsweise mit einer Durchmesserverstelleinrichtung 42 ausgestattet, wie z. B. einer weitgehend feuerfesten "Iris"-Einheit, um einen mäßigen Widerstand gegen Wärmeverlust sicherzustellen.The blank 34 is introduced into the furnace 40 through a draw chamber inlet 41. This inlet is preferably equipped with a diameter adjustment device 42, such as a largely refractory "iris" unit, to ensure moderate resistance to heat loss.

Die Ziehkammer 43 ist eine von zwei in diesem Ausführungsbeispiel des Ofens enthaltenen Kammern, wobei die andere Kammer die getrennte Lufterwärmungskammer 44 ist. Die Erwärmungskammer ist mit einer Heizeinrichtung ausgestattet, die eine Verbrennungseinrichtung, eine induktive, Lichtbogen- oder Hochfrequenzheizung usw. sein kann, im bevorzugten Ausführungsbeispiel aber großflächige Widerstandsspulen 45 aufwies. Diese werden aus einer Quelle 46 und einem Steuermechanismus 47, wie z. B. einer regelbaren Impedanz oder einem Regeltransformator, mit Energie versorgt.The pull chamber 43 is one of two chambers included in this embodiment of the furnace, the other chamber being the separate air heating chamber 44. The heating chamber is provided with a heating device which may be a combustion device, an inductive, arc or high frequency heater, etc., but in the preferred embodiment comprised large area resistance coils 45. These are powered from a source 46 and a control mechanism 47, such as a variable impedance or a variable transformer.

Ein Zwangskonvektionselement 50 (ein Hochtemperaturgebläse, eine Pumpe usw.) saugt Luft durch die Heizelemente an und lenkt eine Strömung durch einen Kanal 51, der mit der Ziehkammer 43 in Verbindung steht. Diese Förderung wird vorzugsweise durch eine Verteilungseinrichtung 52 vermittelt, wie z. B. eine innen radial perforierte Mischkammer.A forced convection element 50 (a high temperature fan, a pump, etc.) draws air through the heating elements and directs a flow through a channel 51 that communicates with the pull chamber 43. This conveyance is preferably mediated by a distribution device 52, such as an internally radially perforated mixing chamber.

An einer Stelle längs des Strömungswegs ist eine Temperaturmeßwandlereinrichtung 54 vorgesehen, die ihr Signal an ein zentrales Steuersystem 60 sendet.At a location along the flow path, a temperature transducer device 54 is provided which sends its signal to a central control system 60.

Der Luftstrom wird aktiv oder passiv am Rohling/ Werkstück vorbeigesaugt, um die Umformzone 55 zu erzeugen, die an dem oder in der Nähe des effektiven Ziehkammerauslasses 56 endet. Die Strömung fließt weiter durch einen Rücklaufkanal 57, der mit einem Rücklauf- Zwangskonvektionselement 58 und einer Rücklaufluft- Temperaturmeßwandlereinrichtung 59 ausgestattet werden kann, die gleichfalls Signale an die zentrale Steuereinrichtung 60 senden.The air flow is actively or passively drawn past the blank/workpiece to create the forming zone 55, which ends at or near the effective draw chamber outlet 56. The flow continues through a return channel 57, which is equipped with a return forced convection element 58 and a return air Temperature transducer device 59, which also sends signals to the central control device 60.

Der effektive Ziehkammerauslaß kann mit einer Durchmesserverstelleinrichtung 59 ähnlich der Einrichtung 42 am Einlaß versehen werden.The effective pull chamber outlet can be provided with a diameter adjustment device 59 similar to the device 42 at the inlet.

Der effektive Ziehkammerauslaß 56 unterscheidet sich vom tatsächlichen Ziehkammerauslaß 61 durch eine Isoliermuffe 62, die verschiebbar mit dem tatsächlichen Auslaß im Eingriff ist und sich in die Ziehkammer hinein zum Einlaß 41 hin erstreckt. Wenn das Produkt am inneren Ende dieser Muffe vorbeigezogen wird, wird das Produkt gegen die erwärmte Strömung abgeschirmt. Dieser verschiebbare Punkt definiert somit das Ende der Umformzone 55. Die Position der Muffe kann zeitweilig fixiert werden, etwa durch Klemmschrauben oder Klammern, oder sie kann einer variablen zentralen Steuerung unterliegen, die durch eine Ausfahreinrichtung 63, wie z. B. ein durch einen Stellantrieb betätigtes Zahnstangengetriebe oder durch Reibräder ausgeübt wird.The effective pull chamber outlet 56 is distinguished from the actual pull chamber outlet 61 by an insulating sleeve 62 which slidably engages the actual outlet and extends into the pull chamber toward the inlet 41. As the product is drawn past the inner end of this sleeve, the product is shielded from the heated flow. This slidable point thus defines the end of the forming zone 55. The position of the sleeve may be temporarily fixed, such as by clamping screws or clamps, or it may be subject to variable central control exerted by an extension device 63 such as an actuator-operated rack and pinion or by friction wheels.

Das Produkt wird in der üblichen Weise durch einen Ziehmechanismus 64 gezogen, der die Schwerkraft, Zugeinrichtungen usw. verwendet. Das Produkt wird dann an die Weiterverarbeitungselemente 65 übergeben: Aufwickelspulen, Schneideinrichtungen, Bündelungseinrichtungen, Trenneinrichtungen usw.The product is pulled in the usual way by a pulling mechanism 64 using gravity, pulling devices, etc. The product is then transferred to the further processing elements 65: take-up reels, cutting devices, bundling devices, separating devices, etc.

Eine wirksame Vorkühlungsmanschette 35 kann entsprechend der detaillierten Darstellung in Fig. 3 konstruiert werden. Druckluft von relativ konstanter Temperatur wird durch eine Rohrleitung 37 von einer Konstanttemperatur-Luftquelle, wie z. B. einem Luftkompressor, in die Manschette eingeleitet und durch radiale Öffnungen 39 nach innen zum Rohling gelenkt.An effective pre-cooling sleeve 35 can be constructed as detailed in Fig. 3. Compressed air of relatively constant temperature is introduced into the sleeve through a pipe 37 from a constant temperature air source, such as an air compressor, and directed inwardly to the blank through radial openings 39.

Die detaillierte Darstellung in Fig. 4, die eine Draufsicht auf den Ziekammereinlaß zeigt, stellt ein Ausführungsbeispiel einer Durchmesserverstelleinrichtung 42 dar, die den effektiven Einlaßdurchmesser an den Durchmesser des Rohlings 34 annähern soll (der als typischer Faseroptik-Rohling mit Einzelummantelung dargestellt ist). Ein ähnlicher Mechanismus kann für den Durchmesserverstellmechanismus 59 des effektiven Auslasses 56 verwendet werden.The detailed illustration in Fig. 4, which shows a top view of the drawing chamber inlet, illustrates one embodiment of a diameter adjustment device 42 intended to approximate the effective inlet diameter to the diameter of the blank 34 (which is shown as a typical single-clad fiber optic blank). A similar Mechanism can be used for the diameter adjustment mechanism 59 of the effective outlet 56.

Fig. 5 zeigt einen detaillierten Horizontal schnitt längs der Linie V-V von Fig. 2 einer Strömungsverteileinrichtung 52, realisiert in einer toroidalen Mischkammer mit inneren radialen Bohrungen 53, die so gestaltet sind, daß die Steuerung der Strömung erleichtert wird. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel waren die Bohrungen langgestreckt in Richtung der Werkstückachse.Fig. 5 shows a detailed horizontal section along the line V-V of Fig. 2 of a flow distribution device 52, realized in a toroidal mixing chamber with internal radial bores 53, which are designed in such a way that the control of the flow is facilitated. In the preferred embodiment, the bores were elongated in the direction of the workpiece axis.

Ein Detail eines dynamischen Ausführungsbeispiels der verstellbaren Muffe 62 ist in Fig. 6 mit einer Einstellung zur Verkürzung der Umformzone in gestrichelten Linien dargestellt. Die Einstellung erfolgt durch die Ausfahreinrichtungen 63 unter zentraler Steuerung 60. Die Ausfahreinrichtungen sind vorzugsweise ringförmig.A detail of a dynamic embodiment of the adjustable sleeve 62 is shown in Fig. 6 with an adjustment for shortening the forming zone in dashed lines. The adjustment is carried out by the extension devices 63 under central control 60. The extension devices are preferably ring-shaped.

Die Prozeßvariante, welche die Zuführung des Rohlings von unterhalb des Ofens und das Ziehen des Produkts von oberhalb umfaßt, kann an der Vorrichtung gemäß Fig. 2 zufriedenstellend ausgeführt werden. Die vorliegende Erfindung kann jedoch unter diesen Umständen am besten durch die in Fig. 7 gezeigte Vorrichtungsvariante voll ausgenutzt werden. Bei dieser Variante ist der Ofen so montiert, etwa durch Verwendung von Kardanringen 70, 71, daß sie beliebig in einer vertikalen Ebene gedreht werden kann. In diesem Falle werden die Ziehmechanismen 31 und die Zuführungsmechanismen 64 jeweils in geeignete Positionen umgesetzt, wie in der Zeichnung dargestellt ist.The process variant which involves feeding the blank from below the furnace and pulling the product from above can be satisfactorily carried out on the device according to Fig. 2. However, the present invention can best be fully exploited under these circumstances by the device variant shown in Fig. 7. In this variant, the furnace is mounted, for example by using gimbals 70, 71, so that it can be freely rotated in a vertical plane. In this case, the pulling mechanisms 31 and the feeding mechanisms 64 are each moved to suitable positions as shown in the drawing.

Als Alternative zu der in Fig. 7 dargestellten drehbaren Konfiguration kann die Vorrichtung symmetrisch zu einer mittleren horizontalen Ebene aufgebaut werden. So können der Einlaufkanal von der Heizkammer zur Ziehkammer sowie die Strömungsverteileinrichtung zentral angeordnet werden. Die "Einlaß-" und "Auslaß-"Bereiche der Ziehkammer können dann in identischer Weise mit verschließbaren Rücklaufkanälen, ausfahrbaren isolierten Muffen, Vorkühlungsmanschetten und Öffnungsdurchmesser-Verstelleinrichtungen ausgestattet werden. Auf diese Weise können mit gleicher Leichtigkeit der Rohling nach oben oder nach unten zugeführt und das Produkt nach oben oder nach unten gezogen werden. Die Wahl hängt dabei vom Charakter des Rohlings, vom Produkt und der Produktionsgeschwindigkeit ab.As an alternative to the rotating configuration shown in Fig. 7, the device can be constructed symmetrically about a central horizontal plane. Thus, the inlet channel from the heating chamber to the drawing chamber and the flow distribution device can be located centrally. The "inlet" and "outlet" areas of the drawing chamber can then be equipped in an identical manner with closable return channels, extendable insulated sleeves, pre-cooling sleeves and opening diameter adjustment devices. In this way, the blank can be fed up or down and the product can be drawn up or down with equal ease. The choice depends on the nature of the blank, the product and the production speed.

APPLICABILITY IN INDUSTRY

Einige der industriellen Anwendungsarten der durch das erfindungsgemäße Ziehverfahren erzeugten gleichmäßigen Erwärmung sind leicht aus der obigen Beschreibung der Einrichtung und ihrer Eigenschaften ersichtlich, während andere Verwendungen und Vorteile völlig unerwartet sind.Some of the industrial applications of the uniform heating produced by the drawing process of the invention are readily apparent from the above description of the device and its characteristics, while other uses and advantages are entirely unexpected.

In gegenwärtig verwendeten Strahlungsöfen erhält man eine typische Produktausschußrate von etwa 20% in jedem Schritt des mehrstufigen Herstellungsprozesses. Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung haben diese Ausschußrate wesentlich reduziert.In currently used radiant furnaces, a typical product rejection rate of about 20% is obtained in each step of the multi-stage manufacturing process. The method and apparatus according to the present invention have significantly reduced this rejection rate.

Die Ziehgeschwindigkeit für Produkte mit mittleren Durchmessern ist durch die Notwendigkeit einer ausreichend niedrigen Geschwindigkeit, um die vollständige und einigermaßen gleichmäßige Erwärmung des Rohlings zu ermöglichen, stark beschränkt worden. Nach dem vorliegenden Verfahren werden sogar Rohlinge mit großen Durchmessern schnell und gleichmäßig so weit erwärmt, daß ein bestimmtes Produkt mit Geschwindigkeiten aufgenommen werden kann, die das 5- bis 6-fache der Geschwindigkeit in herkömmlich gestalteten Ziehöfen betragen, wobei die Qualität mehr als zufriedenstellend ist.The drawing speed for medium diameter products has been severely limited by the need for a sufficiently low speed to allow the complete and reasonably uniform heating of the blank. According to the present process, even large diameter blanks are heated quickly and uniformly to such an extent that a given product can be taken up at speeds 5 to 6 times the speed in conventionally designed drawing furnaces, with quality being more than satisfactory.

Das vorliegende Verfahren erfordert im Vergleich zu der Behandlung, die für solche Produkte in Strahlungsöfen erforderlich ist, im allgemeinen keine Spezialbehandlung von Produkten, die strahlungsabsorbierende Ummantelungen und Fasern enthalten. Zu diesen Produkten gehören die meisten Verbundprodukte zur Bildmanipulation: Schirmträger, Bilddehner, Inverter usw.The present process generally does not require any special treatment of products containing radiation-absorbing sheaths and fibers, as compared to the treatment required for such products in radiant ovens. These products include most of the composite products for image manipulation: faceplates, image expanders, inverters, etc.

Besonders wichtig ist, daß in älteren Prozessen das normale Verbunderzeugnis in mehreren Schritten hergestellt wird. Dies ist auf Beschränkungen der ohne Verzerrung erreichbaren Größe des Reduktionsverhältnisses des Produkts zum Rohling zurückzuführen. Es hat auch einen absoluten Größengrenzwert für den Rohling gegeben, der mit einer Schwellwert-Gleichmäßigkeit erwärmbar ist. Nach dem vorliegenden Verfahren kann die Umformzone eines Rohlings, einschließlich eines zusammengesetzten Rohlings, bis zu einer Größe von mindestens 12 cm (4,5 Zoll) und möglicherweise weit mehr gleichmäßig erwärmt werden. Dies bedeutet:It is particularly important that in older processes the normal composite product is produced in several steps. This is due to limitations on the size of the reduction ratio of the product to the blank that can be achieved without distortion. There has also been an absolute size limit for the blank, which is equivalent to a threshold uniformity. According to the present method, the forming zone of a blank, including a composite blank, can be heated uniformly to a size of at least 12 cm (4.5 inches) and possibly much more. This means:

1. Bei einigermaßen normalen Produkt-Rohling-Verhältnissen kann ein Endprodukt von großem Durchmesser gezogen werden, wobei möglicherweise die letzten Preß-, Glüh-, Hohlraumentfernungs- und Formgebungsschritte entfallen können.1. With reasonably normal product-blank ratios, a large diameter final product can be drawn, possibly eliminating the final pressing, annealing, void removal and forming steps.

2. Die möglichen, erheblich größeren Reduktionsverhältnisse können zur Beseitigung einer oder mehrerer Schritte bei der Herstellung von aus mehreren Verbundkomponenten bestehenden Verbundprodukten ausgenutzt werden. Der Wegfall solcher Schritte erspart Zeit und Arbeit sowie die Kosten für Materialien, die durch unvermeidlichen Abfall und Ausschuß verloren gehen.2. The significantly higher reduction ratios possible can be exploited to eliminate one or more steps in the manufacture of composite products consisting of multiple composite components. Eliminating such steps saves time and labor as well as the cost of materials lost through unavoidable waste and scraps.

Natürlich können an Form und Konstruktion der vorliegenden Erfindung sowie an den Ausführungsbeispielen des Verfahrens kleinere Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken der einen oder des anderen abzuweichen. Daher soll die Erfindung nicht auf die hier dargestellten und beschriebenen exakten Formen beschränkt werden, sondern alle Gegenstände einschließen, die korrekterweise im beanspruchten Schutzumfang enthalten sind.Of course, minor changes may be made in the form and construction of the present invention and in the embodiments of the method without departing from the spirit of either. Therefore, the invention is not intended to be limited to the exact forms shown and described herein, but is intended to include all matter properly included within the scope of the protection claimed.

Claims

1. Device for drawing a blank made of thermally softenable, drawable optical materials into an optical fiber or fiber bundle product, which device has: a furnace (40) which has a drawing chamber (43) with an inlet (41), an outlet (56) and a blank forming zone (55) located therebetween, a blank feed mechanism (31) for introducing the blank (34) into the inlet (41) and a product drawing device (64) for drawing the product from the outlet (56), characterized in that the furnace (40) further has a fluid heating chamber (44) which contains a heating device (45) operating with gaseous fluid with essentially complete heat radiation shielding against the blank forming zone (55), and a forced convection element (50) for conveying the fluid from the heating chamber (44) into the drawing chamber (43) so that the blank in the drawing chamber (43) is heated essentially by convection heat.

2. Device according to claim 1, wherein means (35, 36, 37, 38, 39) are provided to bring the blank (34) to a standardized temperature at the drawing chamber inlet (41).

3. Device according to claim 2, wherein the means for bringing the blank (34) to a standardized temperature comprise a fluid source (36) which is connected by a tube (37) to an annular tube (35) leading around the drawing chamber inlet (41), and the annular tube (35) has inwardly directed openings (39).

4. Apparatus according to any preceding claim, in which an insulated sleeve (62) is provided which extends from the draw chamber outlet (56) to the draw chamber inlet (41) and is adjustable in length relative thereto, and which forms an effective outlet for the drawn product from the blank forming zone (55).

5. Apparatus according to any preceding claim, in which temperature measuring means (54, 59) are arranged in the flow of the heated fluid.

6. Apparatus according to claim 5, in which a central control device (60) is operatively connected to the temperature measuring devices (54, 59) to control the fluid heating device (45) and the forced convection element (SO) and through them the heat supplied to the blank (34) by the flow of the heated fluid.

7. Device according to claim 6, in which the central control device (60) is functionally connected to the device (63) for adjusting the length of the insulated sleeve (62) and controls the same.

8. A device according to any one of the preceding claims, wherein the blank (34) is formed from a bundle of elements and the device includes a gas-tight and evacuated enclosure surrounding the blank (34).

9. Device according to any one of the preceding claims, in which the elements forming the furnace (40) are distributed symmetrically around a horizontal plane, the blank (34) can be introduced into the inlet (41) and the drawn product can be discharged either from the inlet (41) or from the outlet (56).

10. Apparatus according to claim 4 and 9, in which an insulated sleeve is provided which extends from the pull chamber inlet (41) to the pull chamber outlet (56).

11. Apparatus according to any preceding claim, in which the feed mechanism (31), the oven (40) and the pulling device (64) are mounted on gimbals, whereby the entire unit can be pivoted in a vertical plane.

12. Method for drawing a fiber or fiber bundle product from a blank made of thermally softenable, drawable material, with the following method steps: introducing the blank (34) through an inlet (41) of a drawing chamber (43) into a blank forming zone (55); heating the blank (34) in the forming zone (55) until the blank (34) in the forming zone (55) has reached a drawing temperature; and drawing the product from the blank (34) through an outlet of the drawing chamber (43), thereby characterized in that a gaseous fluid is brought to a temperature which is equal to or higher than the drawing temperature of the blank (34) by means of a heating device (45) with essentially complete heat radiation shielding against the blank forming zone (55), and in that the heated fluid is allowed to flow around the blank (34) in the forming zone (55) so that the blank (34) in the forming zone (55) is heated essentially by convection heat.

13. The method according to claim 12, wherein the fluid is heated in a separate heating chamber (44) and actively conveyed to the drawing chamber (43).

14. Method according to claim 12 or 13, wherein after the heated fluid has flowed past the forming zone (55), the fluid is sucked back into the heating chamber (44) for reheating.

15. The method of any one of claims 12 to 14, wherein the temperature of the heated fluid is measured at a selected location at least at discrete time intervals and the measured temperature values are used to regulate the heating rate of the fluid and the conveying rate of the heated fluid into the pull chamber (43).

16. Method according to one of claims 12 to 15, wherein a part of the blank (34) is brought to a previously selected control temperature at the entrance to the drawing chamber (43).

17. Method according to one of claims 12 to 16, wherein the forming zone (55) is designed by introducing an insulated sleeve (62) extending from the outlet (56) of the drawing chamber (43) so that an effective outlet is created, beyond which the drawn product is insulated against the flow of the heated fluid.

18. Method according to one of claims 12 to 17, wherein the blank (34) is introduced upwards from a location below the drawing chamber (43) and the product is drawn upwards from a location above the drawing chamber (43).

19. Method according to one of claims 12 to 18, wherein the blank (34) consists of a bundle of drawable elements.

20. The method of claim 19, wherein the bundle is enclosed in a gas-tight envelope and the method further comprises the step of maintaining a vacuum during the pulling of the product on the bundle.

21. A method according to claim 19 or 20, wherein a blank (34) is produced with a cross-sectional dimension slightly larger than the desired final dimension of the product, and wherein the product is drawn just enough to fuse the bundle into a void-free, one-piece mass.

22. A method according to any one of claims 19 to 21, wherein the bundle is twisted by a predetermined angle during the drawing of the product from the blank.