Fertigung von Glasfasern und Qualitätssicherung

Ob beim Versand von E-Mails, beim Telefonieren, Fernsehen oder Internetsurfen: Mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 % erfolgt die Übertragung der digitalisierten Daten über das internationale Unterseekabelnetzwerk. Mehr als eine Million Kilometer Glasfaserkabel sind in Seekabeln in den Weltmeeren verlegt. Seekabel sind damit die Hauptträger des internationalen Datenverkehrs. Die übertragenen Datenmengen betragen teilweise bis zu 1 Tera-Bit pro Sekunde, die selbst die Leistung von Kommunikationssatelliten übersteigen.
 
Seekabel liegen oft in großen Wassertiefen von mehreren Tausend Metern und müssen wegen der technisch aufwändigen Wartung außerordentlich robust und qualitativ hochwertig gebaut sein. Schäden, die beispielsweise durch Durchschläge aufgrund verunreinigten Materials entstehen, können leicht im mehrstelligen Millionenbereich liegen. Seekabelhersteller haben daher einen enorm hohen Anspruch an die Fertigung der Kabel. Das Ziel ist es, hochwertige, lange Kabellängen, möglichst in einem Stück zu fertigen, um störungsanfällige Muffenverbindungen, so genannte Joints, unter Wasser zu vermeiden. Der Qualitäts-Anspruch beginnt bereits bei der Fertigung der Glasfasern, die in einem Seekabel zur Datenkommunikation verbaut sind. Jeder Fehler, der bei der Produktion der Glasfasern erkannt wird und daher nicht zur Auslieferung an den Kunden gelangt, trägt zur Zuverlässigkeit des Produkts bei.
 
Daher wird schon bei der Fertigung der Glasfaser im Ziehturm kontinuierlich die Qualität durch den Einsatz innovativer Mess- und Regeltechnologie an verschiedenen Produktionsstufen sichergestellt.
 
Zu Beginn der Herstellung einer Glasfaser steht die Preform. Die Preform wird mittels chemischer Gasphasenabscheidung erzeugt und liegt als Glasstab mit einem Durchmesser von 30 bis 200 mm vor. Im ersten Schritt wird die Preform im Ziehturm am unteren Ende auf bis zu 2.100 °C erhitzt. Aus dem geschmolzenen Glas wird die Glasfaser gezogen. Typischerweise hat die Faser an dieser Stelle einen Durchmesser von 125 µm. Nach einer Abkühlung wird die Glasfaser mit einer Acrylschicht ummantelt (Coating) und unter UV-Licht gehärtet. Damit ist sie geschützt vor mechanischen Beschädigungen. Zur Weiterverarbeitung werden die Fasern auf Spulen gewickelt.
 
Während des Ziehprozesses werden an verschiedenen Positionen Messgeräte in Verbindung mit einem Anzeige- und Regelgerät zur Überwachung der Glasfaserparameter verwendet.

 

 

Messkopf nach der Preform
Üblicherweise wird ein erster Messkopf, der FIBER LASER 6003, nach dem Ofen eingesetzt, um den Durchmesser und die Position der ungecoateten Glasfaser zu messen. Aus der Vibration der Faser ermittelt der Messkopf über eine Fast Fourier Transformation (FFT) die Zugkraft. Die Einzelwerte der Faserposition werden vom Prozessorsystem FIBER ECOCONTROL in Form einer Punktwolke grafisch dargestellt und sind per ETHERNET verfügbar. Das LASER-Messverfahren sichert eine Messgenauigkeit von 0,05 µm bei einer Wiederholgenauigkeit von 0,02 µm. 2.500 Messungen pro Sekunde mit hoher Einzelwertpräzision und einer kurzen Belichtungszeit von 1,2 µs garantieren stets höchste Genauigkeit.

 

Messkopf nach der Kühlung/ vor dem Coating
Ein zweiter LASER-Messkopf nach der Kühlung und vor dem Coating misst den Kaltdurchmesser der Glasfaser und das Spinning. Eine Regelung erfolgt wahlweise durch den Heiß- oder Kaltmesskopf. Zusätzliche Geräte detektieren zudem Airlines in der Glasfaser und geben Informationen über die Glasfasertemperatur.

 

Messköpfe zur Detektion von Airlines und Messung der Glasfasertemperatur
Bei der Herstellung der Preform besteht die Gefahr, dass Luftblasen eingeschlossen werden, die beim Ziehen zu langgezogenen Lufteinschlüssen, so genannten Airlines führen. Diese Airlines beeinträchtigen die Qualität der Glasfaser und müssen erkannt werden. Herkömmliche Durchmesserprüfgeräte können ausschließlich die äußere Kontur der Faser erkennen, nicht aber die Airline im Inneren. Deshalb hat SIKORA den FIBER LASER 6003 AIRLINE entwickelt, der ebenfalls mit 2.500 Messungen pro Sekunde Airlines in der Faser ab einem Durchmesser von 0,5 µm zuverlässig erkennt.
 
Bevor beim Coating die Acrylschichten auf die Faser aufgetragen wird, ist eine genaue Erfassung der Glasfasertemperatur von Bedeutung. Um eine optimale Haftung des Coatings auf der Faser sicherzustellen, sollte diese eine Temperatur zwischen 40 °C und 75 °C besitzen. Zur Kühlung setzen Glasfaserhersteller das Edelgas Helium ein. Welche Menge an Helium verwendet wird, erfolgt anhand von Erfahrungswerten. Oft setzen Hersteller mehr Helium ein als nötig, um sicherzustellen, dass die Faser nicht zu heiß für das Coating ist. Jedoch ist Helium ein sehr teures Gas, weshalb Hersteller den Heliumverbrauch auf ein Minimum reduzieren wollen. An dieser Stelle bietet SIKORA den FIBER LASER 6003 TEMP an, der präzise und zuverlässig nach der Kühlung die Glasfasertemperatur misst. Der Glasfaserhersteller kann mit den Informationen über die Fasertemperatur das Helium exakt entsprechend des Bedarfs einsetzen.

 

Messkopf nach dem Coating
Nachdem die Faser das Coating erhalten und die UV-Trocknung durchlaufen hat, misst ein weiterer FIBER LASER 6003 erneut den Durchmesser der Glasfaser. Der Durchmesser beträgt nach dem Coating in der Regel ca. 250 µm.

 

Knotendetektion am Ende des Ziehprozesses
Neben der Durchmessermessung werden Knotenwächter für eine kontinuierliche Qualitätskontrolle in Ziehtürmen eingesetzt. Der 3-Achs-FIBER LUMP 6003 misst nach dem Coating, am Ende des Ziehprozesses zuverlässig Knoten und Abrisse des Coatings mit einer Länge von 500 µm. Aufgrund der wachsenden Qualitätsanforderungen im Glasfasermarkt bietet SIKORA zusätzlich den FIBER LUMP 6003 MICRO an. Das Gerät detektiert Unregelmäßigkeiten ab einer Länge von 50 µm auf der Glasfaseroberfläche zu 100 %. Erreicht wird diese Leistung durch den Einsatz von 6 Messachsen. Beide Messköpfe erkennen Fehler ab einer Höhe von 5 µm. Knoten werden hinsichtlich Höhe, Länge, Anzahl und Position analysiert. Einzigartig ist die Doppelsensortechnologie die in allen SIKORA Knotenwächtern für höchste Zuverlässigkeit in der Detektion garantiert.

 

Visualisierung und Regelung der Produktionsdaten
Über das Anzeige- und Regelsystem FIBER ECOCONTROL werden die Daten der angeschlossenen Messköpfe und Knotenwächter grafisch auf einem 15“-TFT-Monitor angezeigt. Ein spezielles Regelmodul sichert eine kontinuierliche Regelung des Durchmessers über die Regelung der Liniengeschwindigkeit. Zur Regelung kommt wahlweise der Heiß- oder der Kaltmesskopf (vor oder nach der Kühlung) zur Anwendung.
 
Nachdem die Glasfaser geprüft und auf Spulen gewickelt wurde, wird sie in einem separaten Produktionsschritt coloriert und im Anschluss in einer Loose Tubing oder Tight Buffering Linie zu einem optischen Kabel weiterverarbeitet.

 

 

Fazit

Die Integration von SIKORA Mess-, Regel- und Prüftechnologie im Glasfaserziehprozess sichert eine konstant hohe Qualität von Glasfasern. In den verschiedenen Produktionsstufen überwacht und regelt die Technologie des gesamten Ziehprozess und erhöht damit die Effizienz der Produktion.