Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Beschichtung einer optischen Faser mit schützendem Harz, und
betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum gleichmäßigen
Beschichten einer optischen Faser mit Harz, das eine
verringerte Anzahl Luftbläschen hat und mit hoher Ziehrate
aufgetragen werden kann.
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Eine optische aus Glas der Quarzgruppe hergestellte Faser ist
weithin als optische Faser zur Kommunikationsübertragung
verwendet worden. Da die optische Faser extrem schwach ist,
wenn die Faser fehlerhaft ist, umfaßt der Herstellungsprozeß
einen Schritt, in dem die Faser mit einem schützenden Harz
bedeckt wird, gerade nachdem die Faser gebildet ist und bevor
sie beschädigt werden kann. Eine optische Faser wird im
allgemeinen mit Harz durch einen Prozeß, wie in Fig. 5
gezeigt, beschichtet. Optische Fasern können durch "Mikro-
Verbiegen" oder "Makro-Verbiegen" in Abhängigkeit von der
Stärke der externen Kraft beschädigt werden. Eine beschädigte
oder gebogene optische Faser führt zu einem erhöhten
Übertragungsverlust und einer kürzeren Nutzlebensdauer.
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Als ein Beispiel eines aktuellen Herstellungsprozesses für
optische Fasern zeigt Fig. 5 eine Technik, die in dem an
CLAYPOOLLE erteilten US-Patent Nr. 4,264,649 offenbart ist.
Wie in Fig. 5 gezeigt, wird eine Vorrichtung verwendet, um
flüssiges Harz auf die optische Faser aufzutragen, und das
Harz wird später durch Einstrahlung von Ultraviolett-Strahlen
oder durch thermisches Erhitzen gehärtet. Die optische Faser 1
wird durch eine Nippelöffnung 11 und einen Nippel 2 in eine
Düse 3 gezogen. In einem Spalt zwischen der konusartigen
Seitenfläche 16 des Nippels 2 und der sich verjüngenden Seite
13 der Düse 3 ist das Harz 4 enthalten, das auf die optische
Faser 1 aufgetragen werden soll. Ein Meniskus 17 wird
gebildet, wenn die optische Faser 1 durch das unter Druck
zugeführte Harz 4 gezogen wird. Das Harz 4 wird gepreßt und in
die erwünschte äußere Umfangsfläche geformt, wenn die optische
Faser durch die Auslaßöffnung 14 gezogen wird. Die
Gesamtvorrichtung ist in einer Halterung 5 gehalten.
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Als die Nachfrage für optische Fasern angewachsen ist, hat die
optische Faserindustrie ihre Massenproduktionstechniken durch
Erhöhen der Ziehrate, mit der die Fasern hergestellt werden,
verbessert. Mit der gemäß Fig. 5 gezeigten Vorrichtung werden
allerdings bei hohen Ziehraten (d.h. über 500 m/min)
Luftbläschen in das Harz gemischt und die äußere Umfangsfläche
der optischen Faser wird nicht gleichmäßig mit Harz überzogen.
Ein ungleichmäßiger Harzüberzug kann eine Mikro- oder
Makroverbiegung in der Faser erzeugen, wenn eine externe Kraft
angewendet wird oder wenn das Harz als Ergebnis von
Temperaturänderungen einer Expansion oder einer Kontraktion
unterliegt. Deshalb hat eine Vorrichtung, wie in Fig. 5
gezeigt, eine beschränkte Ziehrate für eine annehmbare
Faseroptikherstellung
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Verschiedene Neuerungen sind versucht worden, um eine
gleichmäßiger mit Harz beschichtete Faser bei höheren
Ziehraten zu schaffen. Beispielsweise wird, wie in KAR, US-
Patent Nr. 4,531,959 offenbart, das Harz durch einen
zylindrischen Körper gezwungen, der zahlreiche Löcher, die
zwischen einem Nippel und einer Düse positioniert sind,
aufweist. Die optische Faser wird durch das Zentrum des
zylindrischen Körpers gezogen, wenn sie durch den Nippel und
die Düse läuft, um dabei eine bläschenfreie und gleichmäßig
mit Harz beschichtete optische Faser zu erzeugen. Eine andere
Neuerung, die in JOCHEN, US-Patent Nr. 4,644,898 offenbart
ist, spült den Meniskusabschnitt der Vorrichtung mit einem Gas
mit niedriger kinematischer Viskosität; außerdem ist ein
Zentralabschnitt der Harzbeschichtungsvorrichtung mechanisch
einstellbar. Allerdings bringt jede dieser Techniken
komplizierte Vorrichtungen mit sich, die Feineinstellungen für
befriedigende optische Faserherstellung erfordern. Deshalb hat
es sich als schwierig herausgestellt, sie ohne Schwierigkeiten
in der Massenproduktion zu verwenden. Die vorliegende
Erfindung löst sowohl das Luftbläschen- als auch das
Unebenheitsproblem, während sie eine Ausrüstung mit niedriger
Wartung, die mit hohen Ziehraten betrieben werden kann,
anbietet
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Die japanische Anmeldung JP-A 1-313345 beschreibt eine
Harzbeschichtungsvorrichtung für optische Fasern, umfassend:
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einen Nippel mit einer Zentrumsöf fnung, wobei eine flache
erste Fläche des Nippels am Nippelauslaßabschnitt und
rechtwinklig zu einer optischen Faser, die durch die
Zentrumsöffnung des Nippels gezogen wird, angeordnet ist; und
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eine Düse mit einer sich verjüngenden Zentrumsöffnung, durch
die die optische Faser ebenfalls gezogen wird, und einem
Düseneinlaßabschnitt, der einen größeren Durchmesser als der
Düsenauslaßabschnitt hat, wobei die sich verjüngende
Zentrumsöffnung der Düse und eine erste Fläche der Düse flach
sind und benachbart und parallel zu der flachen ersten Fläche
des Nippels angeordnet sind, so daß ein Zwischenraum erzeugt
wird, durch den Harz durch unter Druck Setzen zugeführt wird
und an der sich verjüngenden Zentrumsöffnung der Düse so
gepreßt wird, daß es auf die optische Faser aufgetragen wird,
wenn sie durch die sich verjüngende Zentrumsöf fnung der Düse
gezogen wird.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung zum Auftragen
einer schützenden Harzbeschichtung auf eine optische Faser.
Die Vorrichtung umfaßt einen Nippel und eine Düse, in der, wo
das Harz die optische Faser trifft, ein Meniskus gebildet
wird. Der Durchmesser der Öffnung des Nippels und der
Zwischenraum zwischen dem Nippel und der Düse sind gemäß der
vorliegenden Erfindung vergleichsweise klein. In dieser
Anordnung wird der Meniskus, wie in Fig. 6(A) gezeigt, klein
gehalten, um zu verhindern, daß sich Luftbläschen mit dem Harz
mischen. Die in Fig. 6 gezeichneten Elemente sind gerade so
numeriert, wie sie es in Fig. 5 waren.
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Wenn umgekehrt die Nippelöffnung größer wäre, Fig. 6(B), oder
der Zwischenraum zwischen der Düse und dem Nippel größer wäre,
Fig. 6(C), wird der Meniskus bei dem Kontaktpunkt zwischen dem
Harz und der optischen Faser zu groß und seine Form zu
unstabil, wodurch es möglich wird, daß sich Luftbläschen mit
dem Harz mischen.
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Gleichermaßen ist, um die Bildung von unerwünschten Wirbeln in
dem Harzfluß zu verhindern, die Querschnittsfläche des
Flußweges in der Harzfluß-Richtung monoton verringert. Wenn
die Fläche zwischen dem Nippel und der Düse groß ist und die
Ziehrate hoch ist, um eine hohe Flußrate zu erzeugen, besitzt
das Harz die Tendenz, seine Flußrichtung umzukehren, wodurch
ein Wirbel erzeugt und ein turbulenter Harzfluß mit
Luftbläschen eingeführt wird.
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Deshalb ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Harzbeschichtungsvorrichtung für optisch Fasern zu
schaffen, die die Faser sogar bei hohen Ziehraten mit
bläschenfreiem Harz gleichmäßig beschichtet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform der
Harzbeschichtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Fig. 2 ist eine Ansicht, um die Dimensionen des Nippels und
der Düse zu erklären.
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Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform der
Harzbeschichtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Fig. 4 ist eine schematische Ansicht eines
Standardverfahrens, das auf die vorliegende
Erfindung oder den Stand der Technik anwendbar ist,
um eine optische Faser zu ziehen und eine
Harzbeschichtung auf der äußeren Umfangsfläche der
Faser aufzubringen.
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Fig. 5 (Stand der Technik) ist eine Schnittansicht einer
herkömmlichen Harzbeschichtungsvorrichtung
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Fig. 6 und 7 sind Schnittansichten einer
Harzbeschichtungsvorrichtung und werden verwendet,
um den Betrieb der vorliegenden Erfindung zu
erklären.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform der
Harzbeschichtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die optische Faser 1 wird durch eine Nippelöffnung 11, die in
der Mitte des Nippels 2 angeordnet ist, und in eine Düse 3
gezogen. In einem Zwischenraum zwischen dem Nippel 2 und der
Düse 3 ist das Harz 4, das auf die optische Faser 1
aufgetragen werden soll, enthalten. Die untere Fläche 12 des
Nippels 2 ist parallel zur oberen Fläche der Düse 15 und jede
Fläche ist rechtwinklig zur Mittenachse der optischen Faser 1,
wenn sie gezogen wird. Ein Meniskus 17 wird gebildet, wenn die
optische Faser 1 durch das unter Druck gesetzte Harz 4 gezogen
wird. Das Harz 4 wird gepreßt und in die erwünschte äußere
Umfangsfläche geformt, wenn die optische Faser durch die
Auslaßöffnung 14 gezogen wird, die sich in der Mitte der Düse
3 befindet. Die gesamte Vorrichtung ist in einer Halterung 5
gehalten.
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Fig. 4 ist ein Schema eines typischen Verfahrens, um die
Harzbeschichtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung in den
geeigneten Kontext zur Herstellung optischer Fasern zu setzen.
Die optische Faser 1 wird aus dem Muttermaterial 6 für
optische Fasern in einem Ziehofen 7 gebildet. Wie in der
Industrie typisch, zeigt Fig. 4 zwei getrennte
Harzbeschicbtungsvorrichtungen 10 und 10'; deshalb wird die
optische Faser in diesem Beispiel zwei konzentrische Schichten
von schützendem Harz, das auf dieselbe aufgetragen ist,
aufweisen. Nachdem das Harz in jeder
Harzbeschichtungseinrichtung aufgetragen ist, wird es in den
Harzhärtevorrichtungen 8 und 8' gehärtet. Die
Aufwickelvorrichtung 9 sammelt die optische Faser nach
Beendigung des gesamten Verfahrens.
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Wiederum Bezug nehinend auf Fig. 1 wird die optisch Faser 1
durch die Öffnung 11 des Nippels 2 eingesetzt und mit dem Harz
4 in dem Meniskus 17 benetzt. Das Harz 4 wird in den sich
verjüngenden Abschnitt 13 der Düse 3 durch einen Zwischenraum
zwischen der unteren Nippelfläche 12 und der oberen
Düsenfläche 15 zugeführt. Der Meniskus 17 wird in dem Bereich
gebildet, in dem die optische Faser anfänglich durch das Harz
4 berührt wird. Das Harz 4 haftet an der optischen Faser 1,
wenn sie durch die Düse 3 gezogen wird. Das Harz 4 wird durch
die Auslaßöffnung 14 der Düse 3 auf einen vorbestimmten
Durchmesser endbearbeitet
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Fig. 2 zeigt einige der wichtigeren Dimensionsbeziehungen
dieser Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Der
Durchmesser der Nippelöffnung F ist kleiner als der
Durchmesser des Einlasses der Düse H, oder in algebraischen
Termen geschrieben
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F < H.
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Zusätzlich liegt die Länge des Zwischenraums zwischen der
unteren Fläche des Nippels und der oberen Fläche der Düse, B
in Fig. 2, zwischen einem Viertel und dem Vierfachen des
Durchmessers H der Einlaßöffnung; in anderen Worten
H/4 ≤ B ≤ 4H.
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Allerdings ist, um eine optimale Harzauftragsvorrichtung mit
praktischen Präzisionsbeschränkungen zu bemessen, die
Beziehung
H/2 ≤ B ≤ 2H
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mehr bevorzugt.
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Um Wirbel in dem Harzfluß geinäß der vorliegenden Erfindung zu
verhindern, wurde die Schnittfläche des Flußweges des Harzes
in der Umgebung des Einlasses der Düse an dem Punkt, an dem
der Harzfluß seine Richtung ändert, um mit der Ziehrichtung
der optischen Faser übereinzustimmen, so bemessen, daß die
Bedingung
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πH²/4 < πHB
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erfüllt ist, worin H der Durchmesser der Einlaßöffnung der
Düse ist und B die Zwischenraumsentfernung zwischen dem Nippel
und der Düse ist. Eine weitere Bezugnahme auf Fig. 2 ist
hilfreich, um diese Beziehungen der vorliegenden Erfindung zu
verstehen. Dadurch, daß die Bedingung
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π(H² - d²)/4 < πH²/4
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erfüllt ist, muß dann die Bedingung
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π(H² - d²)/4 < πHB
gleichermaßen erfüllt sein, worin d der Außendurchmesser der
optischen Faser ist. Auf diese Weise wird die
Querschnittsfläche des Flußweges gleichmäßig an dem Punkt, an
dem sich die Flußrichtung in Fig. 1 von im wesentlichen
horzizontaler Richtung in im wesentlichen vertikaler Richtung
ändert, verringert. Dadurch wird Wirbelbildung verhindert.
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In ähnlicher Weise muß auch die Länge C des sich verjüngenden
Abschnitts der Düse in Fig. 2 für den perfekten Harzauftrag
bemessen werden. Wenn die optische Faser durch den Nippel und
die Düse gezogen wird, wirkt eine selbstzentrierende Kraft in
dem sich verjüngenden Abschnitt der Düse, so daß die Faser
immer in der Mitte der Öffnung laufend gehalten wird. Zwischen
der Länge dieses sich verjüngenden Abschnitts und der Größe
der selbstzentrierenden, auf die Faser wirkenden Kraft besteht
eine direkte Beziehung; je länger der sich verjüngende
Abschnitt ist, um so größer ist die Kraft. Insbesondere wurde
durch Versuche gefunden, daß ein sich verjüngender Abschnitt,
der nicht kürzer als ungefähr das Fünffache des Durchmessers
der Auslaßöffnung ist, besonders wirksam ist, um einen
ungleichmäßigen Harzauftrag zu verhindern. Diese Beziehung
definiert eine weitere bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung und kann als
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5G ≤ C
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ausgedrückt werden, worin G der Durchmesser des Düsenauslasses
und C die Länge des sich verjüngenden Abschnitts ist, Fig. 2.
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Allerdings gibt es eine Grenze, bei der die Größe der
selbstzentrierenden Kraft die Gleichmäßigkeit der
Harzbeschichtung nicht weiter verbessert. Außerdem werden die
Maschinenherstellungskosten zur Erzeugung einer Düse mit einem
extrem langen, sich verjüngenden Abschnitt untragbar. Deshalb
ist eine praktische Grenze für die Länge des sich verjüngenden
Abschnitts der Düse ungefähr 10 mm.
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Außerdem ist der Auslaßabschnitt D der Düsenöffnung so
bemessen, daß er nicht kürzer als der Durchmesser der
Auslaßöffnung ist:
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G ≤ D
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Auf diese Weise maximiert eine Öffnung mit konstantem
Durchmesser, D in Fig. 2, zwischen dem Ende des sich
verjüngenden Abschnitts und der Düsenauslaßöffnung weiter die
Stabilität des Harzflusses sogar bei hohen Ziehraten. Diese
Beziehung zwischen G und D definiert eine weitere bevorzugte
Auführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Der Winkel α in Fig. 2 des sich verjüngenden Abschnitts der
Düsenöffnung ist zwischen zwei und acht Grad beschränkt, oder
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2º ≤ α ≤ 8º.
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Wiederum ist als Ergebnis von Versuchen bestimmt worden, daß
die selbstzentrierende Kraft maximiert wird, wenn der
Verjüngungswinkel α ungefähr zwischen 2º und 4º liegt. Ein
Winkel α, der kleiner als 2º ist, führt zu Betriebsproblemen.
Außerdem wird diese selbstzentrierende Kraft extrem klein,
wenn α 8º übersteigt. Deshalb sollte für die
Harzbeschichtungsvorrichtung dieser bevorzugten
Ausführungsform die folgende Beziehung eingehalten werden:
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2º ≤ α ≤ 4º
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Konsequenterweise ist die vorliegende Erfindung bemessen, um
die selbstzentrierende Kraft zu maximieren und Wirbel bei
glattem Harzfluß zu minimieren. Auf diese Art läuft die
optische Faser immer durch das Zentrum der Düsenöffnung,
wodurch eine gleichmäßige Dicke von bläschenfreiem Harz
entlang der gesamten Länge der Faser aufgetragen wird.
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Die in Fig. 8 gezeigten Daten sind das Ergebnis von Versuchen
und werden verwendet, um weiter die Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung im Detail zu beschreiben. Die Versuche
wurden durchgeführt unter Auftrag einer einzelnen Schicht aus
Harz der Urethanacrylatgruppe auf eine optische Faser mit 125
um Durchmesser bei einer Ziehrate zwischen 300 und 1200 m/min.
Generell wurden Vorrichtungen, wie in Fig. 4 beschrieben, für
die Versuche verwendet.
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Als ein Output der Versuche wurde eine qualitative Abschätzung
der Harzbeschichtung, wie aufgetragen (d.h., der Grad der
gleichmäßig aufgetragenen Harzdicke, der Grad der in das Harz
gemischten Luftbläschen, etc.), durchgeführt. Die
experimentellen Resultate sind in Tabelle I dargestellt. In
Tabelle I stellen die Buchstaben A bis H und a die selben
Parameter, die in Fig. 2 gezeigt sind (wie angemessen in
Millimeter und Grad) dar. Die folgenden Symbole kennzeichnen
die maximalen Ziehraten in Meter pro Minute (m/min) bei denen
eine stabile Beschichtung in den Versuchen hergestellt werden
kann:
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1000 ≤ θ
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800 ≤ β ≤ 1000
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500 ≤ ≤ 800
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Σ ≤ 500
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Außerdem haben die folgenden, in Tabelle I verwendeten Symbole
die angegebene Bedeutung:
Φ Abschnitte ungleichmäßiger Harzdicke
Ω im Harz enthaltene Luftbläschen
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Alle Harzbeschichtungsvorrichtungen mit den Nrn. 1-1, 1-2, 1-
3, 2-1, 2-2, 2-3, 3-2, 3-3, 3-4, 4-2 und 4-3 erzeugten eine
gleichmäßige Harzbeschichtung bei einer Ziehrate über 500
m/min unter den folgenden Bedingungen:
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F ≤ H
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H/4 ≤ B ≤ 4H
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2º ≤ α ≤ 8º
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Von diesen Beschichtungseinrichtungen lieferten alle außer den
Nrn. 2-1, 2-2 und 3-2 gleichmäßige Harzbeschichtungen ohne
Luftbläschen-Mischungsprobleme bei Ziehraten über 800 m/min
unter den folgenden Bedingungen:
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C ≥ 5G
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D ≥ G
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2º ≤ α ≤ 5º
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Schließlich erfüllten die Vorrichtungen mit den Nrn. 1-1 und
4-2 die Bedingungen
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H/4 ≤ B ≤ 2H
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2º ≤ α ≤ 4º
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und erzeugten eine gleichmäßige und bläschenfreie
Harzbeschichtung bei Ziehraten über 1000 m/min.
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Die Harzbeschichtungsvorrichtungen mit den Nrn. 1-4, 1-5, 3-1,
4-1 und 4-4 erzeugten alle bei Ziehraten über 500 m/min
Harzbeschichtungen, die entweder ungleichmäßig waren oder
Luftbläschen enthielten. Für Vergleichszwecke war die
Harzbeschichtungsvorrichtung Nr. 1-5 eine herkömmliche
Beschichtungsvorrichtung mit dem allgemeinen Aufbau, wie in
Fig. 5 erklärt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Um den glatten Fluß des
Harzes weiter zu verbessern, sind die Kanten der oberen Fläche
der Düse in der Nähe der Einlaßöf fnung entfernt. Diese Fläche
18 kann geneigt sein, wie in Fig. 3 gezeigt, oder gekrümmt
sein, um diese bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zu erfüllen.
TABELLE I
BEMERKUNGEN