NO178824B - Fremgangsmåte til fremstilling av en ikke-metallisk komposittspole med et spiralformet spor i den ytre flate - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av en ikke-metallisk komposittspole med et spiralformet spor i den ytre flate der det kan vikles opp en optisk kabel med en bestemt diameter, og der det tilveiebringes en spole med et legeme laget av et ikke-metallisk komposittmateriale.

Til belysning av den kjente teknikk skal det vises til US-patent nr. 4743940. Det beskrives belegging av en sylinder med isolerende materiale, og pakking av tråd rundt sylinderen på overflaten av isolatormaterialet, hvoretter motstands-materiale sprøytebelegges på isolatormaterialet og tråden, hvorved tråden anvendes som en maske. Deretter blir trådmate-rialet fjernet for å etterlate et spor i det sted. På grunn av at det anvendes tråd med rektangulært tverrsnitt der hver vinding av tråden er i kontakt med hosliggende vindinger, er det ikke mulig å tilveiebringe tett adskilte spor.

Videre omhandler den japanske patentpublikasjon nr. 63001681 bruk av fordypninger eller spor som dannes i overflaten av en oppviklingstrommel.

Optiske fibre er strenger av glassfibre som er behandlet slik at lysstråler som sendes gjennom fibrene blir underkastet total innvendig refleksjon. En stor andel av den innfallende lysstyrke som rettes inn i fiberet mottas ved fiberets andre ende, selv om fiberet kan ha en lengde på mange hundre meter. Optiske fibre har vist seg å være lovende når de benyttes i kommunikasjoner, p.g.a. den høye tetthet av informasjon som kan føres langs fiberet og fordi kvaliteten på signalet er mindre utsatt for forstyrrelser av forskjellige typer utenfra enn elektriske signaler som føres på metalltråder. Videre er glassfibre lette i vekt og laget av et materiale det finnes meget av, nemlig silisium dioksid.

Optiske glassfibre blir i alminnelighet fremstilt ved at det dannes en utgangsform av to glass med to forskjellige optiske brytningsindekser, med et glass inne i det annet med påfølgende forming til et fiber. Det optiske fiber blir så påført et polymerlag som kalles en buffer for å beskytte glasset mot oppskraping eller annen skade og den resulterende kombinasjon av et optisk fiber med et bufferlag kalles en "optisk kabel". Som et eksempel på dimensjonene er diameteren på det optiske glassfiber ved vanlig oppbygning omtrent 125 mikrometer og diameteren på fiberet pluss den polymere buffer er omtrent 250 mikrometer.

Når man har så meget fine fibre vil håndteringen av det optiske fiber og den optiske kabel, for å unngå skade som kan redusere dens lysførende egenskaper, være svært viktig. Den optiske kabel blir vanligvis viklet på en syliderisk eller avsmalnet spole av aluminium eller et komposittmateriale med mange vindinger liggende inntil hverandre side ved side. For å danne et underlag som det første lag av optisk kabel kan vikles på blir først et underlag av ståltråd med omtrent samme diameter som den optiske kabel viklet på spolen. Den optiske kabel vikles så opp på underlaget av ståltråd. Etterat et lag er ferdig blir et nytt lag optisk kabel viklet på toppen av det første lag o.s.v. Når det hele er ferdig blir spolen og de oppviklede lag av optisk kabel betegnet som en rull og massen av oppviklet optisk kabel betegnes som fiberpakken. Når den optiske kabel senere skal benyttes blir den matet ut fra rullen i en retning som er parallell med aksen for spolen og rullen, og aksen kalles utmatningsakse.

Det har ved erfaring vist seg at når den optiske kabel skal mates ut fra rullen med stor hastighet, f.eks. med over 100 meter pr. sekund må vindingene av optisk fiber holdes på plass på rullen med et bindemiddel. Bindemiddelet holder hver vinding av optisk kabel på plass når påfølgende vindinger og lag opprinnelig vikles på rullen og også når vindinger og lag som ligger inntil hverandre mates ut. Uten bruk av bindemiddel vil utmatningen av den optiske kabel ikke være ensartet og regelmessig og det kan oppstå floker eller vaser i kabelen som skader denne og til og med får den til å briste når den mates ut.

Selv om den optiske kabel kan vikles opp på spolen jevnt på underlaget av ståltråd for å danne en ensartet fiberpakke vil lang lagringstid og temperaturforandringer kunne forskyve fiberpakken som er bundet med bindemiddel p.g.a. forskjeller i varmeutvidelsen mellom spolen, underlaget og fiberpakken. Uregelmessigheter kan også oppstå p.g.a. andre faktorer innbefattende de langsgående krefter som skyldes vikle-spenning og spolens koniske form, noe som kan få trådene i underlaget til å sprette opp. Den resulterende forskyvning i fiberpakken skaper adskillelser og tomrom i fiberpakken og den optiske kabel kan senere kanskje ikke bli matet ut ensartet.

Et tilsvarende problem har man stått overfor tidligere der metalledninger er viklet på aluminiumsspoler. Problemet er unngått ved å utforme en overflate med spor på spolen der sporene har den rette stigning slik at ledningen kan vikles inn i sporene. Sporene ble dannet ved påføring av et herdbart bindemiddel til spolens overflate hvoretter bindemiddelet herdes delvis å påvikles en tråd rundt spolen i et spiralmønster under utøvelse av et meget bestemt strekk og med full utherding av bindemiddelet med tråden på plass. Etterat tråden som danner sporet ble fjernet ble det tilbake et spiralmønster i det herdede bindemiddel og ledningen ble viklet på den samme skrue. Når denne løsning ble anvendt for spoler av grafitt-epoksykompositt, for optiske kabler var det imidlertid ikke mulig å få til et regelmessig spiralmønster med riktig dimensjonerte spor.

Det foreligger derfor et behov for en løsning til dannelse av en fiberpakke på en komposittspole på en slik måte at fiberpakken får evnen til å motstå svikt som skyldes adskillelse av vindingene under lagring, noe som i sin tid kan føre til at riktig utmatning blir vanskelig under bruk. Foreliggende oppfinnelse oppfyller dette behovet og byr på ytterligere fordeler.

Oppfinnelsen går ut på en løsning til fremstilling av et underlag med spor på en spole laget av komposittmateriale eller annet materiale med lav utvidelseskoeffisient. En optisk fiberpakke blir så oppviklet i sporene på underlaget. Bruken av underlag med spor eliminerer alle problemer som skyldes at tråd spretter opp under utmatning. Løsningen er egnet til masseproduksjon av optiske fiberruller.

I henhold til oppfinnelsen kjennetegnes den innledningsvis nevnte fremgangsmåte ved følgende trinn: å påføre et lag av et herdbart bindemiddel på utsiden av spolens legeme,

delvis å herde bindemiddelet,

å oppvikle en tråd under strekk i spiralform rundt spolens legeme over laget av herdbart bindemiddel, hvilken tråd har en diameter som er større enn kabelens diameter,

å oppvarme spolen for å mykne og deretter fullstendig å herde bindemiddelet med påfølgende kjøling av spolen, og å fjerne den spiralviklede tråd slik at den etterlater seg et spiralformet spormønster på utsiden av spolen, der kombinasjonen av herdesyklusen for bindemiddelet og det strekk som ble utøvet er tilstrekkelig til å danne et spor som har dybde lik ca. en tredjedel av diameteren for den optiske kabel. Den delvise herding av bindemiddelet betegnes som "B-trinn herding" eller "B-trinn" i industrien.

Ifølge ytterligere utførelsesformer av fremgangsmåten er tråden fortrinnsvis av stål.

Det kan være fordel å la tråden ha en diameter lik ca. 0,25 millimeter, og det kan være særlig fordelaktig å la diameteren på tråden være fra omtrent 15é til omtrent 3% større enn diameteren på den optiske kabel.

Det herdbare bindemiddelet er fortrinnsvis en epoksy.

Det har vist seg at tråden må vikles opp under et forholdsvis høyt strekk av en størrelsesorden på det dobbelte av det som tidligere har vært praksis. Når spolen varmes opp for herding av bindemiddelet utvider den seg radialt ganske betydelig når det gjelder tidligere kjente aluminiumsspoler, men meget lite når det gjelder komposittspoler. Den termiske utvidelse øker størrelsen av spolen og skaper et høyere strekk i den oppviklede tråden enn det som ble oppnådd bare ved strekk i tråden alene. Når spolen er laget av et materiale med høy varmeutvidelseskoeffisient som f.eks. aluminium vil det strekk som skapes av utvidelsen gi et betydelig bidrag til strekket i vindingene. Når spolen er laget av et materiale som f.eks. komposittmateriale med en lavere varmeutvidelseskoeffisient, vil så godt som alt strekk i omkretsretningen i den spiralviklede tråd frembringes ved strekk i tråden, utøvet allerede mens den vikles opp.

Når det gjelder komposittspolen blir videre bindemiddelet B-trinn herdet i løpet av kortere tid, slik at det ikke er så hardt og motstandsdyktig mot inntrykning av den spiralviklede tråd som tidligere. Det er mulig å oppnå et spiralspormøns-ter med spordybde på omtrent en tredjedel av diameteren for den optiske kabel. Andre fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende, mer detaljerte beskrivelse av en foretrukket utførelsesform.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli nærmere beskrevet under henvisning til tegningene der: Fig. 1 viser en spole sett i perspektiv for oppvikling av en optisk kabel,

fig. 2 viser i forstørret målestokk et snitt gjennom endel av spolen påført et lag av herdbart bindemiddel,

fig. 3 viser i perspektiv en anordning til oppvikling av et lag av ståltråd på bindemiddellaget,

fig. 4 viser i forstørret målestokk et snitt gjennom endel av spolen med en tråd på plass for å danne spiralviklingen,

fig. 5 viser i forstørret målestokk et snitt gjennom endel av spolen med den spiralviklede tråd fjernet og med et underlag utformet i bindemiddellaget, og

fig. 6 viser i forstørret målestokk et snitt gjennom endel av spolen med en optisk kabel oppviklet.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse er et formbart underlag tilveiebragt på overflaten av en spole, der underlaget er formet og herdet med et spor i spiralform og den optiske kabel er viklet opp på spolen i dette spor.

Spole 10 som en optisk kabel skal vikles opp på er vist på fig. 1. Spolen 10 er stort sett en hul sylinder eller en svakt avsmalnet kjegle med en toppvinkel på mindre enn omtrent 5 grader. Spolen har et midtparti 12 som er noe mindre enn de radielt sett større ender 14. I den foretrukne utførelsesform har spolen 10 en lengde lik 32 cm og en gjennomsnittlig diameter 14 cm. Til sammenligning vil en tidligere kjent aluminiumsspole som benyttes for metalltråd ha en lengde på 16,5 cm og gjennomsnittlig diameter på 2,5 cm.

Spolen 10 er laget av et ikke-metallisk komposittmateriale fortrinnsvis et grafitt-epoksykomposittmateriale som er lagt opp på en dor og herdet. Andre lignende materialer og fabrikasjonsmetoder kan benyttes. En viktig egenskap ved disse komposittmaterialer er deres lave varmeutvidelses-koef f isient i omkretsretningen. Komposittspolens varmeut-videlseskoef f isient i omkretsretningen er tilnærmet lik varmeutvidelseskoeffisienten i lengderetningen for den optiske kabel og vil i et typisk tilfelle være mindre enn en del pr. million pr. grad (til sammenligning ville varmeut-videlseskoef f isienten for aluminium være omtrent 13 deler pr. million pr. grad).

Oppfinnelsen er knyttet til dannelsen av et underlag på midtpartiet 12 og spolen 10. Etterat underlaget er ferdig blir den optiske kabel viklet på underlaget i et spiral-mønster. Den foretrukne optiske kabel har en diameter på 0,2 millimeter til 0,25 millimeter og fortrinnsvis 0,25 millimeter. De mål som her er gitt er knyttet til de foretrukne verdier, men oppfinnelsen er ikke begrenset til dette.

Det første trinn ved dannelsen av underlaget er påføring av et lag 16 av et herdbart bindemiddel på midtpartiet 12 av spolen 10. Bindemiddelet er fortrinnsvis i form av et trekomponent epoksy malingssystem og blir påført midtpartiet 12 i en tykkelse 18 på omtrent 0,13 millimeter. De tre komponenter er en herdbar komponent som f.eks. en epoksy, et herdemiddel som er blandet med den herdbare komponent og en tynner som benyttes til å fortynne blandingen av epoksy og herdemiddel til en konsistens som er egnet for påføring. Ethvert bindemiddelsystem kan brukes sålenge det har den rette B-trinn tilstand og det rette herdeforløp. Det foretrukne bindemiddelsystem tilfredsstiller Mil Standard MIL-P-47115 type I. Et særlig fordelaktig bindemiddelsystem er Skilcraft Pioneer Chemplate Missile Finish paint og dets tilhørende katalysator og tynner.

Bindemiddelet blir fortrinnsvis påført ved sprøyting med sprøytepistol og må derfor ha en konsistens som er egnet for sprøyting. Etter påføring blir epoksylaget 16 delvis herdet til "B-trinn" tilstand ved oppvarming fra omgivende temperatur til 71°C i 20 min. hvoretter det holdes på 71°C for 40 min. og deretter kjøles til omgivende temperatur over en periode på 30 min. Denne B-trinn herdede epoksy er fast å ta på, men er ikke fullstendig herdet. Bindemiddelets tykkelse og B-trinn tid/temperaturprofil er slik at etter B-trinnet kan tråd vikles regelmessig over laget 16.

Et enkelt lag av ståltråd blir så viklet på midtpartiet 12 over underlaget 16 av herdbart bindemiddel. Ståltråden er fortrinnsvis av rustfritt stål, type 302. Dens diameter velges nøyaktig slik at den er fra 1 til omtrent 3$ større enn den nominelle diameter på den optiske kabel som senere skal vikles på spolen. Hvis den optiske kabel f.eks. måles til å være 250 mikrometer i diameter velges ståltrådens diameter slik at den blir fra omtrent 252,5 til omtrent 257,5 mikrometer i diameter. Diameteren på tråden må være større enn den nominelle diameter på den optiske kabel for å gi plass for mindre diametervariasjoner i den optiske kabel. Hvis ståltråden er vesentlig større enn dette området vil imidlertid lag-til-lag krysningene kunne vri seg for meget og skape problemer ved viklingen av påfølgende lag. Hvis ståltråden er mindre enn dette området vil variasjoner i tykkelsen på bufferlaget kunne føre til bulker som forstyrrer dannelsen av en glatt, regelmessig spiralvikling av den optiske kabel.

En anordning 20 for vikling av et enkelt lag av ståltråd 22 er vist på fig. 3. Spolen 10 holdes i en spennhylse 24, slik at spolen 10 kan rotere om omdreiningsaksen 26 for en sylinder eller konus og beveges parallelt med aksen 26. Tråden 22 tilføres fra en rull 28, føres over en trinse 30 som regulerer strekket og over en rekke styretrinser 32. Trinsen 30 er opphengt slik at den beveger seg i horison-talplanet i en retning perpendikulært på sin akse. En strekkfølende trinse 34 presses mot tråden 22 og avbøyningen av tråden 22 bestemmes av det strekk T som utøves. En vekt 31 henger i en tråd som ligger over en trinse 33 og er forbundet med aksen for trinsen 30, slik at man kan velge strekket T i tråden 22. Jo større vekten 31 er, jo større er strekket T. Valget av størrelsen på strekket T vil bli omhandlet nedenfor, men i det foretrukne tilfelle der tråden 22 har en diameter på omtrent 0,25 millimeter er strekket T omtrent 2,5 kilo. Tråden 22 blir under dette strekk viklet opp på bindemiddellaget 16 for å danne et lag 36 over hele lengden av midtpartiet 12.

Spolen 10 med laget 36 av tråd på plass blir anbragt i en ovn og varmet opp til en høyere temperatur under en periode som er tilstrekkelig til først å mykne og deretter sluttherde bindemiddellaget 16 til dets endelige tilstand. I den foreliggende løsning blir spolen oppvarmet til 71°C i 15. min., holdt på 71°C for 3,5 time og avkjølt til omgivende temperatur på 30 min.

Fig. 4 viser et lengdesnitt svarende til fig. 2 men med et enkelt trådlag 36 viklet i spiralform over bindemiddellaget 16 på den måte som nettopp er omhandlet. Bindemiddellaget 16 er blitt noe deformert til et svakt spor i spiralmønster under trykket fra tråden 22, idet den ble viklet under strekk og varmet opp. Spolen 10 blir så avkjølt til omgivende temperatur og trådlaget 36 fjernes slik at det blir tilbake et lag 38 som vist på fig. 5 med et spor i spiralform.

Kombinasjonen av strekket T og B-trinn herdingen velges slik at man får en spordybde 40 for spiralsporet i underlaget 38 på omtrent en tredjedel av diameteren for den optiske kabel som skal vikles opp på underlaget 38. Hvis spordybden er betydelig mindre enn dette vil den optiske fiberpakke ha en uheldig tilbøyelighet til å kunne glippe på langs av spolen noe som kan føre til hulrom i fiberpakken. Hvis spordybden er betydelig større enn denne verdi kan de høye vegger i sporet forstyrre avviklingen av tråden som dannet sporet etter den avsluttende herding.

Kombinasjonen av trådstrekket T, B-trinn herdingen og tykkelsen av laget 16 er kritisk for oppnåelse av den ønskede spordybde på omtrent en tredjedel av diameteren på den optiske fiber. Strekket som utøves er mye større enn og vanligvis dobbelt så stort som det strekk som utøves for en aluminiumsspole med mindre diameter. Strekket må være større når det anvendes en komposittspole fordi aluminiumsspolen utvider seg betydelig under oppvarmning og herding av bindemiddellaget, samt tilføyer en varmeutvidelseskomponent til trekket i ståltråden. Bindemiddellaget holdes ikke på B-trinnet i så lang tid når spolen er laget av komposittmateriale som når den er av aluminium, for derved å tillate bindemiddelet en større deformasjon før herdingen.

Flere lag av en optisk kabel 42 vikles opp på underlaget 38. Det første lag av optisk fiber 42 ligger i sporene i underlaget 38 og påfølgende lag av optisk kabel 42 hviler på de underliggende vindinger av optisk fiber i det foregående lag.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en ikke-metallisk komposittspole (10) med et spiralformet spor (38) i den ytre flate der det kan vikles opp en optisk kabel (42) med en bestemt diameter, og der det tilveiebringes en spole (10) med et legeme laget av et ikke-metallisk komposittmateriale, karakterisert ved følgende trinn: å påføre et lag av et herdbart bindemiddel (16) på utsiden av spolens (10) legeme, delvis å herde bindemiddelet, å oppvikle en tråd (22) under strekk i spiralform rundt spolens (10) legeme over laget av herdbart bindemiddel (16), hvilken tråd (22) har en diameter som er større enn kabelens (42) diameter, å oppvarme spolen (10) for å mykne og deretter fullstendig å herde bindemiddelet (16) med påfølgende kjøling av spolen (10), og å fjerne den spiralviklede tråd (22) slik at den etterlater seg et spiralformet spormønster (38) på utsiden av spolen (10), der kombinasjonen av herdesyklusen for bindemiddelet (16) og det strekk som ble utøvet er tilstrekkelig til å danne et spor som har dybde lik ca. en tredjedel av diameteren for den optiske kabel (42).

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at tråden (22) er av stål.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at tråden (22) har en diameter lik ca. 0,25 millimeter.

4 . Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det herdbare bindemiddel (16) er en epoksy.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert v 'e d diameteren på tråden (22) er fra omtrent 1$ til omtrent 3% større enn diameteren på den optiske kabel (42).