RAPORT Cz.1. Zwiększenie i zróżnicowanie potencjału B+R Firmy Elmat poprzez realizację projektu badawczego w zakresie osprzętu światłowodowego prace przemysłowe. Projekt: Opracowanie mikrokabla w konstrukcji 24- włóknowej Okres realizacji: maj sierpień 2013
Spis treści Spis treści... Wprowadzenie... 1. Założenia koncepcyjne... 2. Charakterystyka i konstruowanie kabla... 3. Proces badawczy i produkcyjny, oraz kontrola jakości kabla optotelekomunikacyjnego... 4. Badania kwalifikacyjne... 5. Wdmuchiwanie... Podsumowanie... Załączniki...
Wprowadzenie Niniejszy raport stanowi podsumowanie wyników badań przeprowadzonych w ramach Projektu, składającego się z dwóch części: Cz.1. Zwiększenie i zróżnicowanie potencjału B+R Firmy Elmat poprzez realizację projektu badawczego w zakresie osprzętu światłowodowego prace rozwojowe, Cz.2 Zwiększenie i zróżnicowanie potencjału B+R Firmy Elmat poprzez realizację projektu badawczego w zakresie osprzętu światłowodowego prace przemysłowe, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej. Działania realizowane w ramach projektu zmierzają do stworzenia nowych rozwiązań i technologii w dziedzinie kabli światłowodowych i w sposób bezpośredni, przyczyniają się do osiągniecia zaplanowanych rezultatów projektu. Obserwując w ostatnich latach wysoki wzrost zapotrzebowania na produkty z zakresu kabli i osprzętu światłowodowego, firma Elmat w nowym zakładzie produkcyjnym, przy pomocy doświadczonych inżynierów i odpowiednio wyposażonego centrum badawczo - rozwojowego, będzie wdrażać innowacyjne rozwiązania, wychodzące naprzeciw rosnącym oczekiwaniom Klientów. Odpowiedzią na powyższe jest wprowadzenie innowacyjnych rozwiązań między innymi z zakresu Mikrokanalizacji światłowodowej. W ramach projektu Firma Elmat będzie opracowywać mikrokabel MK-LX6 w konstrukcji 24-włóknowej, czego prace badawcze i wyniki zostaną przedstawione w dalszej części raportu.
1. Założenia koncepcyjne Opis grupy produktowej Kable światłowodowe, w zależności od przeznaczenia mogą różnić się konstrukcją oraz cechami charakterystycznymi. Ogólny podział kabli światłowodowych przedstawiony jest na schemacie poniżej. Kable światłowodowe Kable wewnętrzne Kable zewnętrzne Kable specjalne Rys.1. Podział kabli światłowodowych Źródło: Opracowanie własne Podział ten, nie uwzględnia wszystkich podkategorii, jednak odzwierciedla ogólną sytuacje rynkową w prezentowanej dziedzinie. Mikrokable stanowią grupę kabli zewnętrznych o specyficznej - zmniejszonej średnicy. Szeroki wybór typów obejmuje konstrukcje od włókien w pokryciach akrylowych, przez kable z tubą centralną po konstrukcje wielotubowe. Różnica w stosunku do tradycyjnych kabli polega na zastosowaniu zmniejszonej średnicy tuby, w której umieszczone są włókna światłowodowe. Wokół tub wykonana jest osłona blokująca dostęp wilgoci, najczęściej w formie taśmy samouszczelniającej zwanej inaczej wodno-blokującą ewentualnie nitek oplotu stabilizujących skręt tub również zawierających środek wodno-blokujący lub w przypadku innych konstrukcji także obwoju wzmacniającego w postaci włókien aramidowych. Całość pokrywa powłoka zewnętrzna wykonana z polietylenu lub podobnego materiału, pozwalającego zachować gładką i śliską powłokę, a jednocześnie chroniąca przed działaniem czynników środowiskowych. Jak większość kabli tradycyjnych mikrokable w swojej
konstrukcji posiadają element wytrzymałościowy. W przypadku konstrukcji kabla wielotubowego jest to centralnie umieszczony pręt wzmacniający, wokół którego skręcone są tuby wypełnione włóknami światłowodowymi. Redukcja wymiarów elementów konstrukcyjnych kabla sprawia, że musi on być stosowany w dedykowanej osłonie w postaci mikrorurki, wykonanej z polietylenu. Dopiero taki zintegrowany układ mikrokabel + mikrorurka może być wykorzystywany w kanalizacji kablowej. Dzięki zmniejszeniu wymiarów mikrokabli, poprzez zastosowanie mniejszej średnicy tuby oraz cieńszej powłoki zewnętrznej, kable te w połączeniu z mikrokanalizacją dają znacznie większą efektywność wypełniania kanalizacji teletechnicznej zapewniając największą gęstość upakowania kabli w dostępnym przekroju poprzecznym otworów kanalizacji kablowej.
2. Charakterystyka i konstruowanie kabla Firma Elmat zamierza opracować nowy typ kabla światłowodowego o bardzo małej średnicy w porównaniu z klasycznymi kablami światłowodowymi, mieszczący się w klasie mikrokabli. Kabel ten ma być przeznaczony do stosowania w mikrokanalizacji światłowodowej systemu METROJET, który został opracowany przez firmę Elmat. Jako sposób instalacji kabla przewidywane jest wdmuchiwanie. Założeniem jest, by badany kabel znalazł zastosowanie między innymi w: Zewnętrznych i wewnętrznych łączach światłowodowych, Sieciach FTTH i łączach ostatniej mili, Sieciach dystrybucyjnych i międzymiastowych, Połączeniach wewnątrz budynkowych w mikrorurkach. Rys.2. Przekrój poprzeczny mikrokabla Źródło: Opracowanie własne
Podstawowe założenia konstrukcji kabla są następujące: 1. - średnica kabla nie większa niż 6 mm, co umożliwi stosowanie go w mikrokanalizacji o średnicy 8 mm. 2. - powłoka kabla umożliwiająca jego wdmuchiwanie na maksymalnie długie odcinki, przy czym ten parametr ma zostać osiągnięty poprzez stosowanie materiałów o małym współczynniku tarcia oraz ukształtowanie powłoki kabla zwiększające jego nośność w procesie wdmuchiwania. 3. - pojemność kabla do 72 włókien światłowodowych (standardowa wartość dla konstrukcji 6 tub po 12 włókien światłowodowych i jednocześnie standardowe wymaganie rynku). 4. - wstępny dobór materiałów zapewniający przyszłą konkurencyjność rynkową konstrukcji pod względem ceny. 5. - standardowy zakres temperatury pracy kabla, przyjęty zgodnie z wymaganiami rynku na tego typu produkty, od minus 40 Celsjusza do plus 70 Celsjusza zgodnie z IEC 60794-1-2 F1 (załącznik numer 4). 6. - konstrukcja kabla umożliwiająca bezproblemowe przygotowanie do instalacji przez instalatorów kablowych, czyli łatwy i szybki dostęp do włókien światłowodowych. 7. konstrukcja kabla odporna na rozciąganie dla stałej siły eksploatacyjnej rzędu 100 N zgodnie z IEC 60794-1-2 E1(załącznik numer 4). 8. konstrukcja odporna na zgniatanie rzędu 700 N/100 mm zgodnie z IEC 60794-1-2 E3 (załącznik numer 4). 9. Zakładane parametry optyczne: Maksymalna tłumienność fala 1310 Maksymalna tłumienność fala 1550 0,35 db/km 0,25 db/km
10. zakładana standardowa wzdłużna wodoszczelność kabla zgodnie z IEC 60794-1-2 F5B (załącznik numer 4): 3 m próbka, 1 m słupa wody, 24 h brak wycieku na odległym końcu. 11. odporność kabla na udar: zgodnie z IEC 60794-1-2 E4 (załącznik numer 4): energia uderzenia 10J, R=30cm. 12. zapewnienie standardowej żywotności kabla na poziomie 20 lat. Przyjęte wstępnie rozwiązania: Ad 1. Przyjęte założenie średnicy gotowego kabla nie większej od 6,0 mm powoduje konieczność zastosowania rozwiązań o wymiarach zbliżonych do minimalnych wartości teoretycznych upakowania włókien w strukturze kabla. Ze względu na pozostałe założenia i możliwości technologiczne posiadanych urządzeń przyjęto, jako najbardziej optymalną konstrukcję ośrodka kabla skręcaną rewersyjnie wokół rdzenia wytrzymałościowego. Na podstawie powyższego przyjęto, jako wartość teoretyczną minimalną, wewnętrzną średnicę tuby światłowodowej na poziomie 1,10 mm. Taka tuba mogłaby pomieścić do 12 standardowych włókien światłowodowych o średnicy 250 mikrometrów. Idealnie ułożona wiązka takich włókien może być wpisana w okrąg o średnicy 1,04 mm. Minimalna teoretyczna grubość ścianki takiej tuby dla tworzyw dostępnych na rynku powinna wynosić 0,2 0,3 mm. W związku z tym zewnętrzna średnica tuby światłowodowej powinna dać się zmieścić w zakresie 1,5 1,7 mm. Przyjęto, że średnica rdzenia wytrzymałościowego powinna być większa od średnicy tuby światłowodowej o 0,0 0,1 mm. Takie założenie zapewnia prawidłową geometrię ośrodka kabla i nie powoduje nadmiernych luzów pomiędzy tubami, ani ściskania tub spowodowanego zbyt małą ilością wolnego miejsca. Jako minimalną wystarczającą grubość powłoki przyjęto 0,4 mm Na podstawie analizy geometrii przekroju kabla światłowodowego otrzymujemy:
Tab.1. Średnice przekroju kabla światłowodowego, przy grubości powłoki 0,4 mm Średnica Średnica Średnica Grubość Średnica kabla tuby rdzenia ośrodka powłoki [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] 1,5 1,6 4,6 0,4 5,4 1,6 1,6 4,8 0,4 5,6 1,7 1,7 5,1 0,4 5,9 Źródło: Opracowanie własne Wynika z tego, że cały zakres przyjętych średnic tub światłowodowych, tj. 1,50 do 1,70 mm może zostać wykorzystany do badań. Jednocześnie konieczność minimalizacji kosztów materiałowych każe rozpocząć testy od średnicy minimalnej, tj. 1,5 mm. Jednocześnie ryzykiem obarczona jest przyjęta grubość powłoki 0,4 mm. Przy konieczności pogrubienia powłoki kabla do 0,5 mm wymiary kształtują się następująco: Tab.2. Średnice przekroju kabla światłowodowego, przy grubości powłoki 0,5 mm Średnica Średnica Średnica Grubość Średnica kabla tuby rdzenia ośrodka powłoki [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] 1,5 1,6 4,6 0,5 5,6 1,6 1,6 4,8 0,5 5,8 1,7 1,7 5,1 0,5 6,1 Źródło: Opracowanie własne Z powyższej tabeli wynika, że w takim przypadku tylko średnica tuby nie większa niż 1,6 1,65 mm byłaby dopuszczalna. Ad 2. Niezbędne będzie przeprowadzenie prób takiego nałożenia powłoki, by poprzez odzwierciedlenie struktury ośrodka kabla na powłoce zwiększyć jej powierzchnię nośną. Jednocześnie należy przeprowadzać testy wdmuchiwania otrzymanej próbki w celu weryfikacji rezultatów.
Ad 4. Niezbędna będzie optymalizacja pomiędzy właściwościami surowców i półproduktów a ich ceną. Ad 5. Niezbędny będzie właściwy dobór okna ściskania - rozciągania kabla i jego weryfikacja poprzez testy parametrów skręcania. Ad 6. Niezbędne będzie optymalizowanie konstrukcji pod względem ściągalności powłoki, zastosowania rozwiązań typu ripcord, zapewnienia niesklejania się elementów kabla ze sobą pod wpływem temperatur przetwórstwa. Ad 7. Niezbędne będzie optymalizowanie konstrukcji pod względem okna ściskania rozciągania przy właściwym doborze elementów wzmacniających patrz Ad 5. Ad 8. Jednym z elementów wpływających na wartość odporności kabla na udar jest grubość powłoki kabla oraz jej własności mechaniczne. Minimalna dopuszczalna grubość powłoki będzie powiązana z wymiarami kabla analizowanymi w Ad 1. Ad 9. Niezbędny będzie taki dobór włókien światłowodowych do testu, którego parametry wstępne będą przynajmniej o 0,02 db/km lepsze od założeń wynikowych dla kabla. Ad 10. Niezbędne będzie zastosowanie w kablu elementów zapewniających jego wzdłużną wodoszczelność, w postaci nici lub włókniny z materiałem SAP. Ad 11. Patrz Ad 8. grubość i właściwości powłoki są głównymi parametrami odpowiadającymi za odporność na udar. Ad 12. Głównym elementem zapewniającym żywotność kabla jest nienarażanie włókien światłowodowych na mikropęknięcia spowodowane nadmiernymi naprężeniami w procesie produkcyjnym. Należy ściśle stosować zalecenia producentów włókna, określających dopuszczalne naprężenia chwilowe. Konstrukcja kabla musi także chronić włókno przed nadmiernymi obciążeniami mechanicznymi podczas eksploatacji i zapobiegać wnikaniu wody do wnętrza kabla, a szczególnie do jej kontaktu z włóknami światłowodowymi.
3. Proces badawczy i produkcyjny, oraz kontrola jakości kabla optotelekomunikacyjnego Proces badawczy kabli optotelekomunikacyjnych obejmuje trzy linie (załącznik 4): wytłaczania tuby, skręcania ośrodka kabla optotelekomunikacyjnego i wytłaczania powłok. Na poszczególnych liniach są dobierane odpowiednie parametry, wymiary. Zostają określone odpowiednie profile temperatur, w zależności od wybranego tworzywa, które są zgodne z certyfikatami i posiadają odpowiednie atesty ( załącznik 1), dane techniczne (załącznik 2) i dane bezpieczeństwa (załącznik 3). Pierwszy proces to wytłaczanie pokrycia wtórnego na włóknach światłowodowych. Jest prowadzony na linii wytłaczania tuby Rosendahl-Austria (tubiarka RLR załącznik 4). Proces ten pozwala zabezpieczyć światłowody w pokryciu pierwotnym od czynników zewnętrznych, a w szczególności wody (tiksotropowy żel hydrofobowy wypełniający tubę lub tzw. suche uszczelnienie) oraz naprężeń mechanicznych przez otrzymanie określonej naddługości włókna w stosunku do długości tuby. Rys.3. Urządzenie do badań: Urządzenie do wytłaczania tuby Źródło: Prezentacja Rosendahl-Austria Po wyprodukowaniu odpowiedniej ilości tub następuje ich skręcenie wokół elementu centralnego. Proces ten jest realizowany na linii skręcania tub Rosendahl-Austria (RLV załącznik 4) - krótko skręcarce. Jest to podstawowy proces determinujący okno naprężeń (dopuszczalny zakres temperaturowy oraz naprężeń rozciągających) dla kabla. Zmieniając
długość skoku skrętu tub zmienia się odporność kabla na siły rozciągające i kontrakcję (skurcz w niskich temperaturach). W procesie skręcania odbywa się również aplikacja szeregu środków zabezpieczających kabel przed wnikaniem wody (wzdłużną penetracją wody) takich jak nitki i taśmy wodnopuchnące, o różnej zawartości środka wodnoblokujacego determinującego szybkość puchnięcia i ilość tworzonego żelu. Suche elementy wodnoblokujące stosuje się na centralnym elemencie wytrzymałościowym (ang. FRP) oraz na skręconych wokół FRP tubach. Możliwe jest tu wykorzystanie nitek wodnoblokujacych jako oplotu na tubach i/lub wzdłużne nałożenie taśmy wodnoblokującej. Rys.4. Urządzenie do badań: Urządzenie do skręcania kabli Źródło: Prezentacja Rosendahl-Austria Procesem kończącym jest proces badawczy wytłaczania powłok (osłon). Odbywa się on na linii wytłaczania powłok Rosendahl-Austria (RLM załącznik 4). Na ośrodku kabla wytłaczana jest zewnętrzna powłoka chroniąca ośrodek kabla i światłowody przed czynnikami zewnętrznymi głównie atmosferycznymi (wilgoć, woda), mechanicznymi uszkodzeniami podczas instalacji oraz eksploatacji kabla (odporność kabla na uderzenie, ściskanie, gryzonie) oraz termicznymi (szczególnie dla kabli napowietrznych w tym ADSS). W linii powłok jest możliwość ułożenia na ośrodku kabla lub na wcześniej wytłoczonej osłonie (powłoce wewnętrznej) dodatkowego wzmocnienia w postaci obwoju standardowego lub wodnoblokujacego z wysokomodułowych, lekkich włókien aramidowych (twaron, kevlar, kolon) lub rowingu szklanego, bądź zastosowanie wzdłużnych sztywnych prętów z kompozytu szklano epoksydowego (lub poliestrowego).
Rys.5. Urządzenie do badań: Urządzenie do wytłaczania powłoki Źródło: Opracowanie własne Proces badawczy i produkcyjny kabla optotelekomunikacyjnego zawiera wykonanie prób, dążących do otrzymania końcowego wyniku pozytywnego. W pierwszej kolejności zostały założone wymiary, oraz określone parametry, aby wykonać tuby światłowodowe, następnie wykonano próby ośrodków, końcowym efektem było uzyskanie z wykonanych prób kabla światłowodowego MK-LX6 w konstrukcji 24 włóknowej. 1. W celu minimalizacji średnicy kabla z powodu jego zastosowania wewnątrz mikro kanalizacji założono w konstrukcji wymiary tuby światłowodowej 1.55 mm/1.1 mm. Wykonano próbę tuby luźnej 1.55 mm/1.1 mm wg karty prób nr 01/13. Wynik próby 01/13: negatywny za wysoka tłumienność na dł. fali 1550 nm. Wniosek: za duży nadmiar długości włókna w tubie światłowodowej.
2. Wykonano próbę nr 02/13 zmieniając narzędzia w celu zmniejszenia wartości parametru DDR, który odpowiada za zwiększony skurcz tworzywa co powoduje zbyt duży nadmiar długości włókna w tubie światłowodowej. Wynik próby 02/13: negatywny za wysoka tłumienność na dł. fali 1550 nm. Wniosek: za mała średnica wewnętrzna tuby światłowodowej. Włókna są zbyt ciasno ułożone co powoduje podwyższenie tłumienności. 3. Wykonano próbę nr 03/13 zmieniając parametry procesu tak aby zwiększyć średnicę wewnętrzną tuby do 1.2 mm. Wynik próby: pozytywny tuba przechodzi pomiary optyczne na dł. fali 1550nm (α 0,25 db/km). 4. Wykonano wkładkę (wypełniacz) 1.6 mm wg karty prób nr 04/13. Wynik próby: negatywny wkładka ma za dużą owalność. Wniosek: nieodpowiedni profil temperatury przetwórstwa użytego tworzywa. 5. Wykonano próbę nr 05/13 wykonując wkładkę zmnieniając profil temperatury przetwórstwa. Wynik próby: negatywny wkładka ma za dużą owalność. Wniosek: nieodpowiedni materiał. 6. Wykonano próbę nr 06/13 wykonując wkładkę z innego tworzywa. Wynik próby: negatywny wkładka ma dobrą owalność (<0.02 mm) ale urywa się co kilka kilometrów. Wniosek: nieodpowiedni profil temperatury użytego tworzywa. 7. Wykonano próbę nr 07/13 wykonując wkładkę zmieniając profil temperatury przetwórstwa użytego tworzywa. Wynik próby: pozytywny proces przebiega stabilnie. 8. Wykonano ośrodek kabla 6x1.55 mm wg karty prób nr 08/13. Wynik próby: negatywny za wysoka tłumienność ośrodka na dł. fali 1550 nm. Wniosek: za duży naciąg oplotu nici wodnoblokującej spowodował zgniecenie tub światłowodowych co spowodowało zwiększenie tłumienności. 9. Wykonano próbę nr 09/13 zmniejszając naciąg oplotu nici wodnoblokującej. Wynik próby: negatywny - za wysoka tłumienność ośrodka na dł. fali 1550 nm.
Wniosek: zbyt mała grubość ścianki tuby światłowodowej, która ulega zgnieceniu podczas oplotu nici wodnoblokującej. 10. Wykonano próbę nr 10/13 zmieniając materiał do produkcji tuby światłowodowej na tworzywo o większej sztywności. Wynik próby: negatywny powłoka tuby zdegradowana. Wniosek: nieodpowiedni profil temperatury spowodował degradację tworzywa podczas przetwórstwa. 11. Wykonano próbę nr 11/13 zmieniając profil temperatury przetwórstwa. Wynik próby: pozytywny. 12. Wykonano próbę nr 12/13 skręcając ośrodek 6x1.55 mm, wykorzystując tuby światłowodowe wykonane z tworzywa o większej sztywności. Wynik próby: negatywny - za wysoka tłumienność ośrodka na dł. fali 1550 nm. Wniosek: zbyt mała grubość ścianki tuby światłowodowej, która ulega zgnieceniu podczas oplotu nici wodnoblokującej. 13. Wykonano próbę nr 13/13 produkując tubę światłowodową o zwiększonej średnicy zewnętrznej do 1.6 mm. Powrócono do poprzedniego tworzywa. Wynik próby: pozytywny. 14. Wykonano próbę nr 14/13 produkując ośrodek kabla 6x1.6 mm. Wykorzystano tuby światłowodowe 1.6 mm/ 1.2 mm. Wynik próby: pozytywny - ośrodek przechodzi pomiary optyczne na dł. fali 1550nm (α 0,25 db/km). 15. Wykonano kabel światłowodowy MK-LX6 wg karty prób nr 15/13. Wynik próby: negatywny - za wysoka tłumienność ośrodka na dł. fali 1550 nm. Wkładki (wypełniacze) przyklejają się do powłoki kabla. Wniosek: oplot nici wodnoblokujących ulega zbyt dużemu skurczowi podczas przejścia przez głowicę wytłaczarki powłoki zewnętrznej. Powoduje to zgniecenie tub światłowodowych i tym samym podniesienie tłumienności kabla. Wkładki (wypełniacze) przyklejają się do powłoki kabla. 16. Wykonano próbę nr 16/13 wykonując wkładkę wypełniacz z tworzywa o wyższej temperaturze topnienia niż tworzywo, z którego wytłacza się powłokę kabla.
Wynik próby: pozytywny. 17. Wykonano próbę nr 17/13 produkując ośrodek 6x1.6 mm przy użyciu pojedynczego oplotu nici wodnoblokującej wykonanej z kevlaru oraz wkładek (wypełniaczy) wyprodukowanych podczas próby nr 16/13. Wynik próby: pozytywny - ośrodek przechodzi pomiary optyczne na dł. fali 1550nm (α 0,25 db/km). 18. Wykonano próbę nr 18/13 produkując kabel MK-LX6 wykorzystując ośrodek kabla wyprodukowany podczas próby 17/13. Wynik próby: negatywny kabel przechodzi pomiary optyczne ale występują dziury w powłoce zewnętrznej kabla. Wkładki nie przyklejają się do powłoki kabla. 19. Wykonano próbę nr 19/13 wykonując kabel MK-LX6 z lepszej jakości materiału o większej płynności. Wynik próby: negatywny ubytki w powłoce dalej występują ale z mniejszą częstotliwością 20. Wykonano próbę nr 20/13 wykonując kabel MK-LX6 z użyciem pompy próżniowej zwiększającej przyleganie powłoki do ośrodka. Skorygowano także profil temperatury przetwórstwa oraz poprawiono centryczność głowicy. Wynik próby: pozytywny ubytki w powłoce nie występują. 21. Sporządzono i zatwierdzono karty technologiczne.
4. Badania kwalifikacyjne Proces wdrażania nowej konstrukcji kabla światłowodowego przebiega dwuetapowo. W pierwszym etapie opracowuje się technologię produkcji wyrobu wg jego założeń konstrukcyjnych, w drugim następuje weryfikacja konstrukcji na podstawie standardowych badań wytworzonych odcinków testowych. Należy zwrócić uwagę, że wiele parametrów końcowych wyrobu może odbiegać nawet znacząco od pierwotnych założeń konstruktora. Jest to wynikiem specyficznej technologii, obejmującej m.in. przetwórstwo tworzyw sztucznych z jednej strony, i bardzo dużą wrażliwość mechaniczną włókien światłowodowych z drugiej strony. Na podstawie weryfikacji wyników testów zwykle konieczna jest korekta procesów technologicznych i ponowne sprawdzenie wyników. Konstrukcja kabla światłowodowego powinna zabezpieczać światłowody przed uszkodzeniem w trakcie jego wytwarzania, instalacji i użytkowania, zapewnić stabilność charakterystyk transmisyjnych światłowodów przez cały okres eksploatacji kabla. Osiąga się to przez odpowiednie zaprojektowanie własności mechanicznych i środowiskowych kabla nadając mu odporność na naprężenia rozciągające, ściskające, skręcające, zginające, niskie i wysokie temperatury, wilgoć itp. Konstrukcja kabla z luźnymi tubami oparta jest na tzw. oknie naprężeń zwanego oknem ściskania/rozciągania (dopuszczalne wydłużenie/skurcz), dla którego siła ciągnąca i zmiany temperatury nie powinny powodować przekroczenia dopuszczalnych naprężeń oraz wydłużenia włókna. Jeżeli ten margines jest osiągany to włókna jedynie dotykają powierzchni wewnętrznych ścianek luźnej tuby. przy rozciąganiu brak naprężeń przy ściskaniu
% 2 ε F 1-2 -1 0 1 % 2 wyboczenie ε TK ε K ε -1 ściskanie rozciąganie Rys.6. Okno naprężeń dla kabla skręcanego Źródło: Opracowanie własne Dalsze wydłużenie włókien lub skurcz tub w kablu powodują naprężenia włókien i ich tłumienność zaczyna rosnąć co jest niekorzystne z punktu widzenia parametrów transmisyjnych jak i niezawodności (czasu życia) włókien światłowodowych. 0.6 α [db/km] 0.5 0.4 0.3 ściskanie 0.2 0.1 0.0 zakres pracy rozciąganie -40-30 -20-10 0 +10 +20 0 1000 2000 3000 4000 temperatura [ oc] siła rozciągająca [N] Rys.7. Odpowiednie zaprojektowanie konstrukcji kabla światłowodowego jak i jego wykonanie z precyzyjną kontrolą parametrów procesu technologicznego pozwalają na osiągnięcie założonego okna naprężeń tj. pożądanej charakterystyki = właściwości kabla. Źródło: Opracowanie własne
Etapy badań testowych podczas wdrażania technologii kabli optotelekomunikacyjnych Badania przedprodukcyjne Pomiar parametrów transmisyjnych włókna światłowodowego używanego do produkcji odcinków testowych - kontrola wstępna. Praktyka wskazuje, że parametry włókien światłowodowych od różnych dostawców, pomimo deklaratywnego spełniania wymogów danej rekomendacji ITU-T G.65x, często się różnią. Dotyczy to zwłaszcza włókien nowych lub nietypowych standardów, np. G.657A2 lub G.656. Dlatego też pomiar parametrów włókna od różnych dostawców odgrywa niezwykle istotną rolę w pracach B+R, a następnie statystyczna kontrola ich parametrów jest kluczowa dla procesu kontroli jakości. Do zakresu pomiarów wykonywanych na tym etapie należy pomiar tłumienności jednostkowej włókien jednomodowych w drugim i trzecim oknie transmisji dla fal 1310 nm i 1550 nm, oraz dla włókien wielomodowych dla pierwszego i drugiego okna transmisji czyli 850 nm i 1300 nm. Zebrane na tym etapie informacje są archiwizowane i następnie porównywane z podobnymi danymi, zebranymi na innych etapach procesu (załącznik numer 4). Na każdym etapie procesu badawczego i później dalszego rozwoju musi być bezwzględnie zachowana pełna procedura identyfikacji wykorzystanych włókien pozwalająca na śledzenie wsteczne. Badania półproduktów Pomiar nadmiaru długości włókna w tubie. Pomiar nadmiaru włókna wykonuje się dla tuby wyprodukowanej przy stałej prędkości w jednakowych, stabilnych warunkach. Do wykonania tego pomiaru służy specjalna, precyzyjna ława pomiarowa - urządzenie do pomiaru nadmiaru włókna w tubie. Urządzenie to stanowi v-rowek, w którym umieszczana jest tuba, za pomocą układu próżniowego tuba jest przytrzymywana w rowku i jednocześnie odcinana ceramicznymi nożami z dwóch końców. Długość odciętego odcinka tuby jest ściśle zdefiniowana i powtarzalna. Po wyciągnięciu włókien z tuby są one kolejno umieszczane w tym samym v-rowku i dokonywany jest pomiar ich długości przy pomocy precyzyjnej śruby mikrometrycznej. Długość próbki z badanej tuby wynosi około 5 m. Tolerancja nadmiaru włókien w tubie powinna być nie większa niż +/- 0.05% długości testowanej.
Pomiarowi podlega 10 próbek tuby, wartości max. i min. są odrzucane, liczona jest średnia arytmetyczna z ośmiu pozostałych wartości. Pomiar nadmiaru włókna w tubie i jego precyzja są podstawą do prawidłowej optymalizacji i kontroli procesu produkcji kabli światłowodowych. Nadmiar włókna w tubie stanowi pierwszy parametr technologiczny procesu, kształtujący okno naprężeń dla kabla. Zmieniając ten parametr można przede wszystkim kształtować dopuszczalny zakres temperaturowy pracy kabla i jego odporność na siły rozciągające (mogące wystąpić w procesie instalowania i eksploatacji kabla). Pomiary nadmiaru ilości włókien w tubie ukazane są w załączniku 4. Rys.8. Przyrząd do pomiaru włókna w tubie Źródło: Materiały własne
Parametry transmisyjne włókna w pokryciu wtórnym - pomiar reflektometryczny OTDR ma na celu przede wszystkim zweryfikowanie stabilności tłumienności jednostkowej, a także ciągłości włókna i ewentualne wykrycie punktowych strat wtrąceniowych, sugerujących obecność mikropęknięć lub lokalnych naprężeń, wynikających np. z niedobranych optymalnie parametrów tuby. Dla celów kwalifikacyjnych przy kontroli jakości wykonywany jest pomiar zmian tłumienności. Dla prawidłowej i powtarzalnej oceny pomiarów parametrów transmisyjnych badane są sezonowane próbki tuby poddane relaksacji naprężeń w czasie nie krótszym niż 24 godziny. Pomiar geometrii tuby - grubości ścianki, średnicy zewnętrznej i wewnętrznej wykonuje się w płaszczyźnie X, Y w 3 miejscach co 120º (6 punktów pomiarowych) dla każdej pierwszej badanej próbki. Pomiar parametrów transmisyjnych OTDR wszystkich światłowodów w gotowym kablu (kontrola 100%). Wszystkie włókna światłowodowe w wytworzonej próbce gotowego kabla podlegają kontroli parametrów transmisyjnych przy pomocy reflektometru OTDR dla długości fal 1310 nm i 1550 nm. Mierzona jest tłumienność jednostkowa oraz ciągłość charakterystyk, co pozwala na wykrycie ewentualnych niezgodności spowodowanych przez mikropęknięcia, mikro i makro zgiecia lub naprężenia mechaniczne oddziałujące na włókna. Kontrola parametrów geometrycznych powłok kabli badana jest grubość, centryczność, średnica wytworzonych powłok. Pomiar parametrów geometrycznych powłok jest wykorzystywany do statystycznej oceny procesu, która następnie służy do optymalizacji procesu również pod względem kosztów materiałowych dla danej konstrukcji kabla.
Badania gotowego wyrobu ODPORNOŚĆ KABLA NA ROZCIĄGANIE Metoda badania IEC 60794-1-2-E1, IEC 60793-1-C10 (załącznik 4) Warunki badania Siła rozciągająca x kn. F2: ciężar 2 km kabla, F1: 0,5 F2, lub inne Czas działania siły - 15 min. Długość odcinka rozciąganego min 150 m Aparatura badawcza i pomiarowa Zestaw do pomiaru tłumienia oraz wydłużenia włókna PK2800. Rys.9. Urządzenie do badań: Maszyna wytrzymałościowa Źródło: Opracowanie własne wg IEC 60794-1-E1.
Kryteria oceny: Zmiany tłumienności dla λ=1550 nm toru optycznego względem wartości początkowej nie mogą przekraczać: 0,10 db/km podczas badania, 0,05 db/km po ustąpieniu działania siły rozciągającej. przy F1 P 0,05 db/km, przy F2 P 0,10 db/km. Po ustąpieniu działania siły tłumienność musi wrócić do wartości początkowej z tolerancją ± 0,05 db/km. Dokładność pomiaru nie powinna być gorsza od 0,05 db. Wydłużenie włókien - mierzone przy sile F1 0,05%, mierzone przy sile F2 0,33%. Ze względu na wagę długotrwałej niezawodności włókien w kablu zalecane jest kontrolowanie w tym teście wydłużenia włókien. Wynik badania odporności kabla na rozciąganie: Maksymalna zmiana tłumienności względem wartości początkowej monitorowanego toru optycznego dla λ=1550 nm X db/km w trakcie badania, X db/km po zakończeniu badania. Wykres zmian tłumienności oraz wydłużenia włókien dla badanego toru światłowodowego kabla w funkcji siły rozciągającej. ODPORNOŚĆ KABLA NA ZGNIATANIE Metoda badania IEC 60794-1-2-E3, IEC 60793-1-C10 (załącznik numer 4) Warunki badania Maksymalna siła zgniatająca X N/10 cm działająca w czasie 5 minut w trzech miejscach odległych od siebie o 0,5 m. Aparatura badawcza i pomiarowa Zestaw do pomiaru tłumienności: laserowe źródło światła 1550 nm + detektor optyczny
Rys.10. Urządzenie do badań: Maszyna zgniatające Źródło: Opracowanie własne wg IEC 60794-1-E3. Kryteria oceny: Zmiany tłumienności toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm nie mogą przekraczać 0,05 db. Brak uszkodzeń mechanicznych kabla widocznych gołym okiem. Nie powinno wystąpić uszkodzenie żadnego z elementów składowych kabla Powinna być zachowana ciągłość optyczna światłowodów. Wynik badania odporności kabla na zgniatanie: Maksymalna zmiana tłumienności monitorowanego toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm X db.
Nie stwierdzenie żadnych uszkodzeń elementów składowych kabla. Zachowanie ciągłości optycznej światłowodów w próbce kabla. ODPORNOŚĆ KABLA NA UDERZENIA Metoda badania IEC 60794-1-2-E4 (załącznik numer 4) Warunki badania Udar o energii 10 Nm w trzech miejscach odległych od siebie o 0,5 m. Aparatura badawcza i pomiarowa Zestaw do pomiaru tłumienności: laserowe źródło światła 1550 nm + detektor optyczny Rys.11. Urządzenie do badań: Urządzenie do uderzania kabli Źródło: Opracowanie własne wg IEC 60794-1-E4.
Kryteria oceny: Zmiany tłumienności toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm nie mogą przekraczać 0,05 db. Brak uszkodzeń mechanicznych kabla widocznych gołym okiem. Nie powinno wystąpić uszkodzenie żadnego z elementów składowych kabla Powinna być zachowana ciągłość optyczna światłowodów. Wynik badania odporności kabla na uderzenia: Maksymalna zmiana tłumienności monitorowanego toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm X db. Nie stwierdzenie żadnych uszkodzeń elementów składowych kabla. Zachowanie ciągłości optycznej światłowodów w próbce kabla. ODPORNOŚĆ KABLA NA SKRĘCANIE Metoda badania IEC 60794-1-2-E7, IEC 60793-1-C10 (załącznik numer 4) Warunki badania Próbka kabla o długości 2m poddana 5 cyklom skręcania o kąt ± 360 o. Naciąg próbki 100 N. Aparatura badawcza i pomiarowa Zestaw do pomiaru tłumienności: laserowe źródło światła 1550 nm + detektor optyczny
Rys.12. Urządzenie do badań: Urządzenie do skręcania kabli Źródło: Opracowanie własne wg IEC 60794-1-E7. Kryteria oceny: Zmiany tłumienności toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm nie mogą przekraczać 0,05 db. Wynik badania odporności kabla na skręcanie: Maksymalna zmiana tłumienności monitorowanego toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm X db. ODPORNOŚĆ KABLA NA WIELOKROTNE ZGINANIE Metoda badania IEC 60794-1-E6 (załącznik numer 4)
Warunki badania Obciążenie próbki: 100 N Tarcza o promieniu gięcia: 20 x średnica kabla Ilość cykli zginania: w zależności od rodzaju kabla Kąt zginania: ± 90 o Aparatura badawcza i pomiarowa Zestaw do pomiaru tłumienności: laserowe źródło światła 1550 nm + detektor optyczny Rys.13. Urządzenie do badań: Urządzenie do zginania kabli Źródło: Opracowanie własne wg IEC 60794-1-E6.
Kryteria oceny: Zmiany tłumienności toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm nie mogą przekraczać 0,05 db. Wynik badania odporności kabla na zginanie: Maksymalna zmiana tłumienności monitorowanego toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm X db. ODPORNOŚĆ KABLA NA CYKLICZNE ZMIANY TEMPERATURY Metoda badania IEC 60794-1-F1, IEC 60793-1-C10 (załącznik numer 4) Warunki badania: 2 cykle termiczne w zakresie temperatur -40 o C +70 o C (opcjonalnie +85 o C) Czas ekspozycji w temperaturach ekstremalnych 18h. Aparatura badawcza i pomiarowa Zestaw do pomiaru tłumienia oraz wydłużenia włókna PK2800.
Rys.14. Urządzenie do badań: Komora klimatyczna Źródło: Opracowanie własne Kryteria oceny: Zmiany tłumienności toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1310 nm i λ=1550 nm nie mogą przekraczać 0,10 db/km w trakcie badania oraz 0,05 db/km po ustąpieniu działania temperatury. Wynik badania odporności kabla na cykliczne zmiany temperatury: Maksymalne zmiany tłumienności toru optycznego względem wartości początkowych dla λ=1310 nm i λ=1550 nm X db/km w czasie badania i X db/km po ustąpieniu działania temperatury. Wykres zmian tłumienności toru optycznego w cyklu termicznym w zakresie temperatur -40 o C +70 o C dla kabla.
WODOSZCZELNOŚĆ KABLA Metoda badania IEC 60794-1-F5 Maksymalna długość badanej próbki nie powinna przekraczać 3 m. Warunki badania Próbka kabla o długości 1 m poddana działaniu słupa wody o wysokości 1m w czasie 24h. Badanie w temperaturze otoczenia 20 o C (±3 o C). Aparatura badawcza Rys.15. Urządzenie do badań: Urządzenie do badania wzdłużnej wodoszczelności kabla Źródło: Opracowanie własne wg IEC 60794-1-E5.
Kryteria oceny: Brak śladów wody na wolnym końcu kabla po 24h trwania próby. Dla ułatwienia obserwacji do wody dodawany jest środek fluorescencyjny pobudzany do świecenia lampą UV. Wyniki badania odporności kabla na wzdłużne przenikanie wody: Nie stwierdzenie żadnych przecieków wody na wolnym końcu próbki. Po rozcięciu próbki stwierdzenie wniknięcie wody na odległość Xcm.
5. Wdmuchiwanie Wdmuchiwanie mikrokabli światłowodowych Do montażu mikrokabli światłowodowych stosuje się odpowiedni sprzęt i zestaw narzędzi. Kabel MK-LX6 instalowany jest metodą zwaną wdmuchiwaniem, przy pomocy specjalnych wdmuchiwarek. Formalnie wdmuchiwarka jest przyrządem do mechaniczno-pneumatycznego wdmuchiwania kabli światłowodowych. Dzięki technologii wdmuchiwania możliwe jest bezstresowe instalowanie długich odcinków kabli, co w budownictwie telekomunikacyjnym pozwala na znaczne zredukowanie kosztów budowy i uzyskanie sieci o lepszych parametrach. Wdmuchiwanie mechaniczno-pneumatyczne Metoda mechaniczno-pneumatycznego wdmuchiwania kabli światłowodowych oparta jest na zjawisku poduszki powietrznej wytworzonej przez strumień sprężonego powietrza, dzięki której kabel unoszony jest wewnątrz rury transportowej tzw. wtórnej kanalizacji kablowej. Wdmuchiwanie bezpośrednio związane jest z trzema typami sił oddziałujących na kabel: siła pchająca, siła ciągnąca, siła tarcia, co przedstawia rysunek poniżej. Rys. 16. Siły działające na proces wdmuchiwania Źródło: Opracowanie własne Aby rozpocząć proces wdmuchiwania należy wywrzeć na kabel siłę, która pokona jego ciężar oraz opory tarcia o ściankę rury transportowej. Kabel będzie przemieszczał się w rurze tak długo, dopóki siła tarcia nie zrównoważy sumy sił ciągnącej i pchającej. Siłę tarcia opisuje poniższe równanie:
F= m l g µ gdzie: m masa właściwa kabla, l długość kabla, g stała grawitacyjna, µ współczynnik tarcia. Przy planowaniu trasy wdmuchiwania należy pamiętać, że każda droga posiada zakręty i łuki. Rozkład sił w rurze wygiętej jest znacznie inny, niż w przypadku rury prostej. Przykładowo jeden łuk 90 zwiększa siłę tarcia o około 13%. Wdmuchiwanie kabli odbywa się ze znaczną prędkością średnią około 60 m/min. W przypadku zatrzymania kabla i ponownym wprowadzeniu go w ruch mamy do czynienia z dwukrotnie większym tarciem statycznym. Prócz sił ciągnących i sił tarcia na kabel oddziałuje również siła pchająca. Pochodzi ona od mechanicznego podajnika wdmuchiwarki. W zależności od modelu maszyny i sztywności kabla jej wartość wacha się w granicach od 500N do 2000N. Wdmuchując mikrokable należy również wziąć pod uwagę poniższe czynniki, które uzależnione są od: Materiałów Stosowane materiały odgrywają istotną role. Mikrokable instalowane metodą wdmuchiwania powinny mieć znaczną lecz zbilansowaną sztywność a powłoka zewnętrzna kabla jak najmniejszy współczynnik tarcia. Sprzętu czyli wdmuchiwarki Wybierając wdmuchiwarkę, należy kierować się wykonaniem oraz materiałami uszczelnień. Ważnym jest by nie wywołały one nadmiernego tarcia na powłokę zewnętrzną kabla. Zaleca się użycie wdmuchiwarek wyposażonych w urządzenie gąsienicowe do podawania kabla (nie zaleca się rolek pchających). Warunków zewnętrznych przebiegu trasy kabla, temperatury itp.,
Umiejętności ekipy instalacyjnej. Metoda strumieniowa wdmuchiwania mikrokabli światłowodowych Metoda ta, znajduje szczególne zastosowanie we wdmuchiwaniu mikrokabli światłowodowych. Kabel unoszony jest przez strumień sprężonego powietrza. Siła ciągnąca pochodzi od tarcia przepływającego powietrza o powierzchnie zewnętrzną kabla. Proces ten przedstawia rysunek poniżej. Rys. 17. Proces Źródło: Opracowanie własne Wdmuchiwarki do mikrokabli światłowodowych Wdmuchiwarki do kabli światłowodowych posiadają zazwyczaj miniaturową konstrukcję. Ważnym jest by kabel podawanych do wdmuchiwarki swobodnie odwijał się z bębna oraz aby nie dopuścić do nadmiernej prędkości bębna. Może to doprowadzić do splątania i uszkodzenia kabla. Dlatego też osprzęt do wdmuchiwania powinien być wyposażony w hamulec pozwalający kontrolować prędkość odwijania. Przykładową wdmuchiwarką do mikrokabli jest wdmuchiwarka o nazwie handlowej BREEZE. Jest to specjalistyczny sprzęt do instalowania mikrokabli światłowodowych o średnicach zewnętrznych od 1mm do 8mm. Jej ergonomiczna konstrukcja czyni ją idealną podczas instalacji mikrokanalizacji. Maszyna wyposażona jest w pełną regulacje kontroli siły i prędkości instalacji, co zwiększa bezpieczeństwo montażu.
Rys. 18. Wdmuchiwarka do kabli światłowodowych Breeze. Źródło: Katalog MetroJet Rys. 19. Wdmuchiwarka do kabli światłowodowych Breeze. Źródło: Opracowanie własne
Tab.3. Dane techniczne wdmuchiwarki Breeze Dane techniczne Cecha Średnice kabli: Średnica zewnętrzna tub: Ciśnienie maksymalne: Szybkość wdmuchiwanego kabla: Zasilanie: Długość: Szerokość: Wysokość: Waga wraz ze skrzynką: Źródło: Opracowanie własne Wartość cechy 1,0-8 mm 5,0-16 mm 15 Bar 0-62 m/min. 220/110 Volt AC50/60 Hz 470 mm 490 mm 340 mm 40 g Narzędzia i maszyny instalacyjne zapewniają prawidłowy montaż i obróbkę rur prefabrykowanych we wszystkich czynnościach instalacyjnych. W ramach systemu ujęto również wyposażnie ekip instalacyjnych pozwalające na mechaniczną instalację kabli, mikrokabli oraz wiązek mikrorurek w istniejącej kanalizacji kablowej. Prawidłowa trójka komponentów: kable - mikrokanalizacja metoda instalacyjna oraz odpowiedni poziom wyposażenia i wyszkolenia ekip technicznych jest gwarantem spełnienia wymagań jakościowych w ramach programu gwarancji systemowej.
Podsumowanie Działania zrealizowane w ramach Projektu, składającego się z dwóch części: Cz.1. Zwiększenie i zróżnicowanie potencjału formy B+R Firmy Elmat poprzez realizację projektu badawczego w zakresie osprzętu światłowodowego prace rozwojowe, Cz.2 Zwiększenie i zróżnicowanie potencjału B+R Firmy Elmat poprzez realizację projektu badawczego w zakresie osprzętu światłowodowego prace przemysłowe miały na celu stworzenie nowych rozwiązań, oraz opracowanie innowacyjnych technologii w dziedzinie kabli światłowodowych. Zaplanowane działania i ich realizacja pozwoliły na opracowanie mikrokabla MK-LX6 w konstrukcji 24- włóknowej. Do przeprowadzonych badań wykorzystano trzy linie: linie tuby, skręcania ośrodka, i wytłaczania powłok kabla, których ilustracje ukazane są w początkowych rozdziałach raportu. Przeprowadzono dokładną kontrolę jakości powstałych półproduktów oraz w dalszej kolejności produktu finalnego kabla MK-LX6 w konstrukcji 24 - włóknowej. Wykonując próby na linii tuby dobrano odpowiedni profil temperatur oraz parametry takie jak obroty wytłaczarki, obroty pompy do żelu tiksotropowego oraz naciąg naciąg włókien światłowodowych. Wyznaczono odpowiednie średnice wewnętrzne tuby światłowodowej i przetestowano kilka typów tworzywa, w wyniku czego dokonano ostatecznego wyboru. Linia skręcania ustalono parametry skrętu: skok oplotu wodno-blokującego, skok skrętu tub i wkładek wokół elementu centralnego oraz naciągi wszystkich półwyrobów oraz surowców stosowanych w opisanej wyżej konstrukcji. Końcowym etapem było wytłoczenie właściwej powłoki zewnętrznej kabla na ośrodku skręconym. Ustalono profil temperatury przetwórstwa oraz temperaturę wody chłodzącej oraz obroty wytłaczarki w celu uzyskania odpowiedniej średnicy kabla. Szereg przebytych prób, dobór odpowiednich parametrów, warunków badań, aparatów, narzędzi i materiałów pod okiem doświadczonych specjalistów
w odpowiednio wyposażonym centrum badawczo rozwojowym, pozwoliło na osiągniecie i opracowanie zamierzonego działania wyznaczonego w projekcie.
Załączniki 1. Załącznik numer 1 segregator z atestami, certyfikatami i specyfikacjami, 2. Załącznik numer 2 segregator z danymi technicznymi materiałów, 3. Załącznik numer 3 segregator z danymi bezpieczeństwa materiałów, 4. Załącznik numer 4 segregator z danymi wewnętrznymi z procesu badań i rozwoju kabli