Волоконная оптика — одна из перспективных и быстроразвивающихся наукоемких отраслей промышленности. Кварцевые волокна, передающие световые сигналы на большие расстояния, активно применяются в сферах коммуникации, навигации, медицины и приборостроения. Но их изготовление — очень сложный и дорогостоящий процесс. Особенно это касается нового типа оптоволокна, сердцевина которого окружена множеством воздушных отверстий. Такие дырчатые микроструктуры расширяют и улучшают функциональные возможности оптических технологий. Их основу составляют капилляры, полученные путем вытягивания из кварцевых заготовок. При этом для получения качественного продукта важно сохранить все геометрические пропорции и формы волокна, чтобы не допустить дефектов. Ученые Пермского Политеха разработали модель, которая обеспечивает постоянный контроль параметров и на 10 процентов снижает нарушения в процессе вытяжки капилляров. Подход повышает качество и стабильность изготовления оптоволокна.
В ПНИПУ повысили стабильность и качество производства оптоволокна / © Denny Müller, Unsplash
Статья с результатами опубликована в журнале Computation. Микроструктурированные волокна все чаще находят свое применение в отрасли оптической телекоммуникации, метрологии, сенсорике, волоконных лазерных системах и биомедицине. Их производство очень трудоемко, оно заключается в вытягивании капилляров (труб) с помощью специального оборудования из расплава кварцевой заготовки.
Основные оптические и механические характеристики кварцевых волокон зависят от множества факторов. Критически важными считаются соотношение скоростей вытягивания волокна и подачи заготовки, а также параметры печи (распределение температуры), обеспечивающей плавление кварца. Необходимо контролировать форму вытянутых капилляров, так как отклонение от геометрических характеристик приведет к браку изделия. На это влияет скорость вытяжки, давление внутри трубы, температура печи и расплава кварца. Существующая сейчас система управления вытяжкой не позволяет осуществлять эффективный контроль и управление процессом производства волокна.
Ученые Пермского Политеха предложили новый подход, при котором измерения отклонений радиуса вытягиваемой трубы производятся сразу в нескольких точках по всей длине капилляра. Разработанная модель учитывает все виды теплообмена с окружающей средой, влияние сил инерции, контролирует скорость расплава, температуру капилляра, внешний и внутренний радиус. Она позволяет получить более полную информацию о всех возмущениях системы и своевременно их устранить. Это стало возможным благодаря разработанной системе оптимального управления производством.
«В процессе вытяжки геометрические размеры кварца претерпевают многократные изменения, также меняются скоростные и температурные режимы. Все это требует высокоточной настройки и выверенного программного сопровождения. Иногда необходимо быстро и правильно внести корректировки в систему. Например, если заготовка содержит дефект в виде воздушного пузыря в кварце или нарушена ее геометрия. Тогда важно стабилизировать форму вытягиваемой трубы, то есть избавиться от дефектов готового волокна», – объясняет доцент кафедры «Прикладная математика» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук Дарья Владимирова.
Политехники проводили расчеты для величины дефекта заготовки до пяти процентов, так как бо́льшие значения являются для производства критическим. Моделирование процесса вытяжки показало, что корректировка скорости вытягивания позволяет трансформировать поверхностные нарушения. Так, дефект в семь процентов на заготовке ученые снизили до 1,5 процентов на готовом продукте.
Исследователи отмечают, что в результате выполнения работы получен закон изменения во времени скорости вытяжки, следуя которому удается существенно уменьшить или полностью устранить обнаруженные дефекты заготовки.
Модель ученых Пермского Политеха отличается возможность контроля и оперативного устранения геометрических дефектов на капилляре. Отклонения внешнего радиуса даже в 15 процентов можно уменьшить до 4-5 процентов, управляя лишь скоростью вытяжки капилляра. Разработанный подход способствует стабильному и качественному производству оптического волокна. Работа выполнена в рамках Государственного задания.
