Повысить качество производства оптоволокна позволит матмодель ученых Пермского Политеха

❋ 4.5

Одним из перспективных направлений в развитии передовых наукоемких отраслей промышленности является производство оптических волокон. Однако, как и любой производственный процесс, изготовление волокна сопровождается внешними возмущениями, которые нельзя предсказать заранее, но они могут негативно сказаться на его качестве, в частности на сохранении его геометрии и свойств. В этой связи важно не просто смоделировать процесс, но и проследить, насколько он чувствителен к случайным воздействиям. Поэтому ученые Пермского Политеха разработали математическую модель вытяжки специальных кварцевых волокон и провели анализ устойчивости, что позволило определить стабильные режимы производства.

ПНИПУ

# волокно

# капилляры

# кварц

# математическая модель

# оптоволокно

Повысить качество производства оптоволокна позволит матмодель ученых Пермского Политеха / ©Getty images / Автор: Владимир Богданов

Исследование было проведено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках программы деятельности НОЦ «Рациональное недропользование». Статья, опубликованная в журнале Algorithms, способствует обеспечению технологического суверенитета России.

Оптоволокно — это стеклянные нити, позволяющие передавать световой сигнал на большие расстояния без потерь и с высокой скоростью. Область его применения расширяется с каждым днем. Оптоволокно используют в коммуникационных технологиях, навигации, медицине, нефтегазовой промышленности, геологии и приборостроении. Стоит отметить, что современный мир остро нуждается в производстве не просто «классического» оптического волокна (поперечное сечение — круг), но и световодов различной структуры. Одним из таких «особенных» волокон является микроструктурированное волокно, которое представляет собой конструкцию из полых кварцевых трубок-капилляров.

«Процесс изготовления оптических волокон является дорогостоящим и довольно сложным. На первом этапе необходимо расплавить кварцевый песок и сформировать из него капилляр. Затем капилляры вытягивают с помощью высокоточной механической системы – башни вытяжки – за счет чего оптоволокно превращается в тонкие нити. Заготовка диаметром 2-4 сантиметра преобразуется в волокно диаметром всего в несколько микрон.

При этом важно сохранить оптические и геометрические характеристики волокна, иначе продукция будет бракованной. Однако, процесс вытяжки может сопровождаться внешними, неконтролируемыми возмущениями, которые, в свою очередь, могут оказать негативное воздействие, как на качество готовой продукции, так и на процесс изготовления целиком, вплоть до разрыва вытягиваемой струи. Чтобы не допускать подобного и была разработана наша математическая модель», — рассказывает старший преподаватель кафедры «Прикладная математика» Анна Деревянкина.

Конфигурация расчетной области / ©Пресс-служба Пермского Политеха

«Характеристики получаемых кварцевых волокон зависят от множества факторов. Прежде всего, это качество заготовки, наличие в ней внутренних дефектов. Также на стабильность процесса вытяжки влияют выбранные технологические режимы производства, параметры печи, которая нагревает заготовку. Критически важным параметром является так называемая кратность вытяжки – соотношение скоростей вытягивания волокна и подачи кварцевой заготовки», — поясняет доцент кафедры «Прикладная математика», кандидат физико-математических наук Дарья Владимирова.

Ученые создали модифицированную модель вытяжки капилляра, которая учитывает силы инерции, вязкое трение и поверхностное натяжение, а также все виды теплопередачи. Также на основе полученной модели был проведен анализ устойчивости рассматриваемого процесса. В результате удалось установить, что с увеличением кратности вытяжки процесс становится менее стабильным, что приводит к резкому снижению качества получаемого волокна.

Схематический чертеж башни вытяжки / ©Пресс-служба Пермского Политеха

«Разработанная нами модель впервые позволила определить влияние параметров нагревательного элемента — распределение температуры печи и ее радиуса — на устойчивость процесса. Также была выявлена зона нагрева, в которой формируется волокно более высокого качества. Благодаря всем этим новым результатам удалось повысить стабильность процесса вытяжки в несколько раз», — комментирует полученные результаты профессор кафедры «Прикладная математика», профессор, доктор технических наук Владимир Первадчук.

Полученные математические модели как самого процесса вытяжки капилляра, так и её устойчивости способствуют сокращению брака при изготовлении оптоволокна. Они позволили определить эффективные технологические режимы производства, а значит, оптоволокно станет более дешевым и качественным. Указанные разработки уже используются при изготовление специальных волокон на ПНППК. А также есть интерес со стороны разработчиков оборудования для вытяжки специальных световодов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.