DE3787380T2 - Ofen und glasstreckverfahren. - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET
• 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.
AUSGANGSSITUATION
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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%).
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Weitere Aufgaben der Erfindung werden aus der Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele ersichtlich werden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 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:
• Fig. 1 ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
• Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ofens, der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung realisiert;
• Fig. 3 ein einfaches Ausführungsbeispiel eines Teils einer Vorkühlungsmanschette;
• Fig. 4 eine Draufsicht einer bevorzugten Form des Ziehkammereinlasses mit Durchmesserverstelleinrichtung;
• Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie V-V von Fig. 2, die ein Ausführungsbeispiel der Verteileinrichtung für das erwärmte Fluid darstellt;
• Fig. 6 die Wirkungsweise der verstellbaren isolierten Muffe; und
• Fig. 7 eine modifizierte Vorrichtung, die so ausgelegt ist, daß sie die Ziehoperation nach oben statt nach unten ausführen kann.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
VORRICHTUNG
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• An einer Stelle längs des Strömungswegs ist eine Temperaturmeßwandlereinrichtung 54 vorgesehen, die ihr Signal an ein zentrales Steuersystem 60 sendet.
• 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.
• Der effektive Ziehkammerauslaß kann mit einer Durchmesserverstelleinrichtung 59 ähnlich der Einrichtung 42 am Einlaß versehen werden.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
ANWENDBARKEIT IN DER INDUSTRIE
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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:
• 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.
• 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.
• 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.

Claims (22)

1. Vorrichtung zum Ziehen eines Rohlings aus thermisch erweichbaren, ziehfähigen optischen Materialien zu einem optischen Faser- oder Faserbündelprodukt, welche Vorrichtung aufweist: einen Ofen (40), der eine Ziehkammer (43) mit einem Einlaß (41), einen Auslaß (56) und eine dazwischenliegende Rohling-Umformzone (55) aufweist, einen Rohling-Zuführmechanismus (31) zum Eintragen des Rohlings (34) in den Einlaß (41) und eine Produktziehvorrichtung (64) zum Ziehen des Produktes aus dem Auslaß (56), dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen (40) ferner eine Fluidheizkammer (44), die eine mit gasförmigem Fluid arbeitende Heizeinrichtung (45) mit im wesentlichen vollständiger Wärmestrahlungsabschirmung gegen die Rohling-Umformzone (55) enthält, sowie ein Zwangskonvektionselement (50) zum Fördern des Fluids aus der Heizkammer (44) in die Ziehkammer (43) aufweist, so daß der Rohling in der Ziehkammer (43) im wesentlichen durch Konvektionswärme erhitzt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Mittel (35, 36, 37, 38, 39) vorgesehen sind, um den Rohling (34) am Ziehkammereinlaß (41) auf eine normierte Temperatur zu bringen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Mittel, mit denen der Rohling (34) auf eine normierte Temperatur gebracht werden soll, eine Fluidquelle (36) aufweisen, die durch eine Röhre (37) mit einem um den Ziehkammereinlaß (41) herumführenden Ringrohr (35) verbunden ist, und das Ringrohr (35) nach innen gerichtete Öffnungen (39) aufweist.

4. Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, in der eine isolierte Hülse (62) vorgesehen ist, die sich vom Ziehkammerauslaß (56) zum Ziehkammereinlaß (41) erstreckt und relativ zu diesen längenverstellbar ist, und die einen effektiven Auslaß für das gezogene Produkt aus der Rohling-Umformzone (55) bildet.

5. Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, in der Temperaturmeßeinrichtungen (54, 59) im Fluß des erhitzten Fluids angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, in der eine zentrale Steuereinrichtung (60) funktionell mit den Temperaturmeßeinrichtungen (54, 59) verbunden ist, um die Fluidheizeinrichtung (45) und das Zwangskonvektionselement (SO) und durch diese die Wärme zu steuern, die dem Rohling (34) durch den Strom des erhitzten Fluids zugeführt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, in welcher die zentrale Steuereinrichtung (60) funktionell mit der Einrichtung (63) zur Längeneinstellung der isolierten Hülse (62) verbunden ist und diese steuert.

8. Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rohling (34) aus einem Bündel von Elementen geformt wird und die Vorrichtung eine gasdichte und evakuierte Hülle einschließt, welche den Rohling (34) umgibt.

9. Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, in welcher die den Ofen (40) bildenden Elemente symmetrisch um eine horizontale Ebene verteilt sind, wobei der Rohling (34) in den Einlaß (41) eingetragen und das gezogene Produkt entweder aus dem Einlaß (41) oder aus dem Auslaß (56) ausgetragen werden kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 9, in der eine isolierte Hülse vorgesehen ist, die sich vom Ziehkammereinlaß (41) zum Ziehkammerauslaß (56) erstreckt.

11. Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, in welcher der Zuführmechanismus (31), der Ofen (40) und die Ziehvorrichtung (64) an Kardanringen montiert sind, wodurch die gesamte Einheit in einer vertikalen Ebene geschwenkt werden kann.

12. Verfahren zum Ziehen eines Faser- oder Faserbündelprodukts aus einem Rohling aus thermisch erweichbarem, ziehfähigem Material, mit den folgenden Verfahrensschritten: Eintragen des Rohlings (34) durch einen Einlaß (41) einer Ziehkammer (43) in eine Rohling-Umformzone (55); Erhitzen des Rohlings (34) in der Umformzone (55), bis der Rohling (34) in der Umformzone (55) eine Ziehtemperatur erreicht hat; und Ziehen des Produkts aus dem Rohling (34) durch einen Auslaß der Ziehkammer (43), dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Heizeinrichtung (45) mit im wesentlichen vollständiger Wärmestrahlungsabschirmung gegen die Rohling-Umformzone (55) ein gasförmiges Fluid auf eine Temperatur gebracht wird, die gleich der Ziehtemperatur des Rohlings (34) ist oder darüber liegt, und daß man das erhitzte Fluid den Rohling (34) in der Umformzone (55) umströmen läßt, so daß der Rohling (34) in der Umformzone (55) im wesentlichen durch Konvektionswärme erhitzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Fluid in einer separaten Heizkammer (44) erhitzt und aktiv zur Ziehkammer (43) gefördert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei nach dem Vorbeiströmen des erhitzten Fluids an der Umformzone (55) das Fluid zur Wiedererhitzung in die Heizkammer (44) zurückgesaugt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Temperatur des erhitzten Fluids an einem ausgewählten Ort zumindest in diskreten Zeitintervallen gemessen wird und die gemessenen Temperaturwerte zur Regulierung der Erhitzungsgeschwindigkeit des Fluids und der Fördergeschwindigkeit des erhitzten Fluids in die Ziehkammer (43) verwendet werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei ein Teil des Rohlings (34) am Eingang zur Ziehkammer (43) auf eine vorher gewählte Kontrolltemperatur gebracht wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Umformzone (55) durch Einführen einer vom Auslaß (56) der Ziehkammer (43) ausgehenden isolierten Hülse (62) so gestaltet wird, daß ein effektiver Auslaß entsteht, jenseits dessen das gezogene Produkt gegen den Strom des erhitzten Fluids isoliert ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei der Rohling (34) von einer Stelle unterhalb der Ziehkammer (43) nach oben eingeführt wird und das Produkt von einer Stelle oberhalb der Ziehkammer (43) nach oben gezogen wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei der Rohling (34) aus einem Bündel ziehfähiger Elemente besteht.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bündel in eine gasdichte Hülle eingeschlossen ist und das Verfahren ferner den Schritt aufweist, daß während des Ziehens des Produkts an dem Bündel ein Vakuum aufrechterhalten wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei ein Rohling (34) mit einem Querschnittsmaß hergestellt wird, daß etwas größer ist als das gewünschte Endmaß des Produkts, und wobei das Produkt gerade so stark gezogen wird, um das Bündel zu einer hohlraumfreien, aus einem Stück bestehenden Masse zu verschmelzen.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei das Bündel während des Ziehens des Produkts aus dem Rohling um einen vorgegebenen Winkel verdrillt wird.