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.
Повысить качество производства оптоволокна позволит матмодель ученых Пермского Политеха / ©Getty images
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.
«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.
«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.
