Brevet FR2501538A1 — publié le 19820917

I Il est maintenant bien connu que de grandes lon- gueurs de fibres de verre ont une résistance mécanique po- tentielle considérable, mais que cette résistance n'est effectivement obtenue que si la fibre nouvellement formée est protégée par un revêtement à l'instant o elle est étirée. Des efforts considérables ont été consacrés au développement de techniques effectives pour revêtir les guides d'onde à fibres de verre. Ces techniques consistent en majeure partie à revêtir la fibre avec un pré-polymère et à durcir le pré polymère en utilisant la chaleur ou la lumière. On a également fait des recherches importantes concernant le revêtement de la fibre avec une résine ther- moplastique chaude. Dans chaque cas, on applique de façon caractéristique la matière de revêtement par immersion de la fibre nouvellement formée dans un réservoir contenant un pré-polymère sous forme fluide. De façon caractéristique, la fibre entre dans le fluide de revêtement en traversant une surface libre et elle sort à travers une petite filière au fond du réservoir. La matière de revêtement est durcie ou refroidie pour être amenée dans un état solide, et la fibre est recueillie au moyen d'un cabestan et d'une bobi- ne appropriés. Cette technique générale a été utilisée largement et avec succès pour revêtir des longueurs considérables de guide d'onde à fibre de verre de grande qualité. Il reste cependant possible de bénéficier d'un avantage économique important en augmentant la vitesse d'étirage des fibres produites commercialement. On a constaté l'apparition de nouvelles difficultés dans l'opération de revêtement lors- que la vitesse dépasse la vitesse classique d'environ 1 mè- tre par seconde. Par exemple, on a constaté qu'une fibre e déplacant à vitesse élevée lorsqu'elle entre dans le fluide de revêtement en traversant sa surface libre entraîne une quantité considérable d'air dans le fluide. Au fur et à mesure que l'opération de revêtement progresse, l'air s'ac- cumule dans le réservoir sous la forme de bulles d'air. Lorsque la quantité de ces bulles augmente, certaines ten- dent à passer à travers la filière et à demeurer dans le 250 1538 revêtement de la fibre. On pense que le nombre de bulles ou de vides qui se trouvent dans une longueur donnée de fibre revêtue est lié directement ou indirectement à la concentration de- bulles dans le réservoir. En outre, on a constaté que ces bulles se déplacent rapidement avec les courants naturels dans le fluide et donnent lieu à une interaction mécanique avec la fibre, ce qui entraîne des instabilités dans l'alignement de la fibre par rapport à la filière. On sait qu'il est important d'éviter des excursions de la fibre lorsqu'elle traverse la filière. De plus, les instabilités associées à l'entraînement de bulles d'air peuvent produire un défaut d'alignement de la fibre à l'intérieur du revêtement, ainsi que des variations du diamètre du revêtement. En résumé, on a mis en évidence un obstacle nou- veau et important à la fabrication rapide d'un guide d'on- de à fibre de verre. On a découvert qu'il était possible d'atténuer ou d'éliminer pratiquement le problème d'une formation im- portante de bulles, et de l'entraînement résultant de bul- les dans le revêtement de la fibre ou le défaut d'aligne- ment de la fibre à l'intérieur du revêtement, en employant de façon appropriée un déflecteur dans le réservoir de ma- tière de revêtement. On a démontré qu'un déflecteur correc- tement conçu sépare effectivement les bulles de la région dans laquelle la fibre traverse le réservoir et sort de celui-ci. On a également observé une expulsion des bulles de cette région, ce qu'on attribue à une augmentation hy- drodynamique de la pression du fluide lorsque la fibre traverse la restriction dans le chemin du fluide qui est produite par la présence du déflecteur. L'expulsion des bulles réduit l'incidence des vides dans le revêtement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif d'étirage de fibre montrant comment se manifeste le problème qu'aborde l'invention; La figure 2 est une représentation schématique de l'utilisation d'un déflecteur conformément à l'invention, pour empêcher l'entraînement de bulles de gaz dans le re- vêtement de la fibre; La figure 3 est une coupe selon un plan passant par le milieu du déflecteur de la figure 2; Les figures 4, 5, 6 et 7 montrent diverses va- riantes de configuration du déflecteur qui permettent d'ob- tenir des résultats similaires à ceux qu'on peut obtenir avec le déflecteur de la figure 2; et La figure 8 représente une configuration circulai- re pour éliminer les bulles présentes dans le réservoir de revêtement. Le problème qu'aborde l'invention se manifeste dans un dispositif de revêtement caractéristique de la manière qui est représentée shcématiquement sur la figure 1. La fibre 10 est tirée à partir d'une préforme, d'un creuset ou de toute autre source apprbpriée, elle traverse le réservoir de revêtement 11 et elle sort du réservoir à travers la filière de revêtement 12. La fibre revêtue est ensuite durcie, par exemple par des lampes à ultraviolet 14, et recueillie au moyen d'un cabestan 15 et d'une bobine 16 appropriés. La surface libre du fluide de revêtement 12 prend de façon caractéristique la forme indiquée qui présen- te clairement un ménisque 13 dirigé vers le bas. La taille du ménisque varie en fonction de plusieurs paramètres, mais ce ménisque se forme pratiquement toujours si la vitesse de déplacement de la fibre à travers le fluide de revêtement est suffisamment rapide. La présence de ce ménisque indique une circulation effective d'air dans la région de la fibre, autour du point d'entrée de la fibre dans le fluide. De l'air est inévitablement entraîné dans le fluide, dans le- quel il forme des bulles pendant l'opération de revêtement. Lorsque le nombre de bulles augmente, la probabilité que certaines d'entre elles soient entraînées dans le revête- ment final augmente. Il faut noter qu'une circulation im- portante se développe dans le fluide de revêtement situé dans le réservoir, sous l'influence de la fibre en mouve- ment rapide. La configuration de circulation est mise en évidence par le mouvement des bulles qui se forment, comme le montre la figure 1. Les bulles sont formées près du ménisque 13 et elles se déplacent avec la fibre, en descen- dant dans le fluide. Certaines-bulles sortent avec la fibre mais un nombre considérable se dirigentvers l'extérieur à partir de la fibre et pénètrent dans la configuration de circulation circulaire représentée sur la figure. Cependant, lorsque le nombre de bulles augmente, il y a également une augmentation de l'incidence des bulles entraînées à travers la filière de sortie, à partir des régions inférieures de la configuration de circulation, et ces bulles sont alors entraînées dans le revêtement de la fibre. On n'a pas éta- bli si le nombre de bulles présentes dans le fluide indique directement ou indirectement le nombre de bulles entraînées dans le revêtement de la fibre. On pense que certaines bul- les, au moins, passent directement du ménisque à la filière de sortie, le long de la fibre. On a cependant établi que de tels événements s'accompagnent de la formation d'un grand nombre de bulles dans le fluide. En utilisant des procédés vidéo et photographiques, on a étudié de façon très détaillée les caractéristiques dynamiques du fluide de revêtement. La compréhension à la- quelle on est parvenu a conduit à la solution qu'on va maintenant décrire. La figure 2 représente schématiquement le même dispositif de revêtement que sur la figure 1, mais avec l'adjonction importante d'un déflecteur 20. Dans ce con- texte,un déflecteur est défini comme étant un élément physi- que conçu de façon à restreindre la circulation des bulles d'une région d'un réservoir de fluide à une autre. Dans ce cas, la circulation des bulles est restreinte entre la par- tie principale du réservoir de matière de revêtement et la région dans laquelle la fibre pénètre.dans le fluide. Dans certainsmodesde réalisation, on s'efforce tout particuliè- rement d'empêcher la circulation des bulles vers la région du réservoir proche de la filière de sortie. Le déflecteur s'étend autour de la fibre, sur une distance appréciable vers l'extérieur, dans le réservoir. Il n'est pas néces- saire que le déflecteur s'étende jusqu'à proximité des parois du réservoir. Il est nécessaire que le déflecteur soit disposé de façon à éviter le contact avec la fibre de verre. La figure montre l'effet du déflecteur. Il a pour fonction de confiner les bulles dans la région su- périeure du réservoir, ce qui réduit notablement le ris- que que des bulles sortent par la filière de revêtement 12 et soient noyées dans le revêtement de la fibre. La figure 3 représente un exemple de structure de déflecteur. Les ouvertures 30 permettent la circulation du fluide de revêtement de la chambre inférieure du réser- voir vers la chambre supérieure. Le fluide est entraîné par la fibre en mouvement rapide de façon à traverserle trou 31 en direction de la chambre inférieure, et il est avantageux d'établir un chemin de retour vers la chambre supérieure. On peut cependant donner à l'ouverture 31 une taille suffisamment grande pour rendre ceci inutile. La taille réelle de l'ouverture 31 dépend de plusieurs consi- dérations parmi lesquelles la vitesse d'étirage, qui dé- termine en grande partie la sévérité du problème, et l'ef- ficacité avec laquelle il est nécessaire de décoller les bulles. Le diamètre de la fibre entre également en compte, bien que celui-ci demeure de façon caractéristique dans la plage de 50 à 500 microns. On a utilisé avec succès un dé- flecteur ayant une ouverture de 800 pm pour revêtir une fibre d'un diamètre nominal de 125 Pim. Une considération importante dans le choix de la taille de l'ouverture formée dans le déflecteur est relati- ve au gradient de pression qui est développé dans le fluide à proximité de l'ouverture du déflecteur. On considère que les forces hydrodynamiquesgénérées en utilisant un déflec- teur dans la structure de revêtement de fibre décrite ont pour effet de décoller les bulles qui se trouvent sur la surface de la fibre ou à proximité de celle-ci et d'éviter l'inclusion de ces bulles dans le revêtement final. Le déflecteur peut ainsi remplir deux fonctions importantes, selon sa conception. La première est, comme on l'a mention- né, d'éviter l'accumulation de grandes quantités de bulles dans le réservoir de fluide, ce qui réduit le déplacement physique latéral sporadique de la fibre pendant l'opération de revêtement, et le défaut de centrage résultant de la fibre et du revêtement. Le second avantage du déflecteur, qui peut être considéré comme facultatif,-en fonction du choix du concepteur du traitement, est le décollement des bulles à partir de la surface de la fibre, ou du voisinage de cette surface, avant qu'elles atteignent la filière de sortie. On peut considérer que la filière de sortie est une forme de déflecteur dans le sens utilisé ici, et la filière elle-même est utile pour décoller les bulles de la manière qu'on vient de décrire. On a cependant constaté que, de fa- çon caractéristique, l'étage de décollement unique qui est représenté par la filière de sortie n'élimine pas les in- clusions formées par des bulles dans le revêtement final, lorsqu'on fonctionne avec des vitesses de revêtement éle- vées. Un étage séparé de décollement de bulles, conforme à la description faite ici, constitue une adjonction impor- tante dans les traitements de revêtement dans lesquels les inclusions formées par des bulles sont importantes en l'abs- cence d'un tel étage. Il peut même exister des situations dans lesquelles des déflecteurs multiples, c'est-à-dire deux ou plus, sont utiles pour parvenir à un décollement plus complet. Pour réaliser un décollement efficace, l'ouver- ture du déflecteur à travers laquelle passe la fibre doit être suffisamment petite pour gêner le passage des bulles à travers le déflecteur. On a constaté qu'on obtenait de bons résultats avec des ouvertures qui ne sont que légère- ment plus grandes que la fibre, comme par exemple trois fois le diamètre de la fibre. Il convient de noter que des diamètres plus grands permettent d'atteindre le premier objectif mentionné ci-dessus, et permettent également d'obtenir un certain degré de décollement des bulles. On pense que le décolle- ment des bulles peut résulter de variations abruptes de la pression hydrodynamique lorsque la fibre traverse le fluide. A partir des expériences et des observations effectuées, on a calculé qu'on obtient un décollement utile des bulles à partir de la fibre si cette dernière subit une variation de pression équivalente à 21 x 105 Pa/s avant d'atteindre le voisinage de la filière de sortie. Ainsi, pendant ce traitement de revêtement, la fibre subit deux variations de pression hydrodynamique distinctes. Ia variation de pression définie ici est exprimée en variation de pression "équivalente", du fait que la variation réelle de la pres- sion dépend de la conception du déflecteur et de la vites- se de la fibre. La valeur minimale de 21 x 105 Pals citée ci-dessus est calculée sur la base d'une vitesse de fibre de 0,33 m/s et d'une structure de déflecteur dans laquelle la variation de pression se produit sur une distance d'en- viron 1 cm. Dans ce cas, la différence de pression subie par la fibre lorsqu'elle traverse le déflecteur est de l'ordre de 0,7 x 105 Pa. On peut concevoir d'autres structures de déflec- teur pour obtenir des résultats similaires à ceux qu'on vient d'envisager. Les figures 4,5, 6 et 7 représentent trois configurations avantageuses. la configuration de dé- flecteur des figures 4 et 5 se conforme dans une certaine mesure à la configuration de circulation du fluide dans la chambre supérieure. La structure de la figure 6 offre l'avantage de faciliter l'enfilage de la fibre dans le ré- servoir au moment du démarrage. la figure 7 illustre l'utilisation de déflecteurs multiples. Après avoir reconnu la nécessité d'éliminer l'ac- cumulation de bulles dans le réservoir de fluide de revête- ment à un emplacement créant un risque d'entraînement des bulles dans le revêtement de la fibre, on a imaginé l'al- ternative consistant à éliminer les bulles par une circu- lation du fluide de revêtement faisant entrer et sortir ce fluide du réservoir. De cette manière, on assure le remplis- sage du réservoir avec un fluide de revêtement exempt de bulles, d'une manière continue, simple et efficace. La fi- gure 8 représente une configuration permettant de réaliser ceci. Cette configuration particulière utilise une combi- naison d'un déflecteur avec des moyens de circulation en circuit fermé qui expulsent les bulles du réservoir. Le déflecteur est représenté en 80, les moyens destinés à éliminer les bulles du réservoir sont constitués par la sortie 81 et les moyens destinés à introduire la matière de revêtement exempte de bulles sont représentés en 82. La matière qui provient de la sortie 81 peut 4tre traitée par filtration, centrifugation, dégazage sous vide, etc, pour enlever les bulles, puis ramenée vers le réservoir par l'entrée 82. Le déflecteur contribue à l'efficacité de ce dispositif, mais il n'est pas essentiel. La circu-' lation du fluide, avec remplissage par de la matière exempte de bulles, peut éviter à elle seule l'accumulation de bulles dans le réservoir. Comme on l'a mentionné au début, la présence de telles bulles en mouvement rapide dans le fluide de revt- tement déplace physiquement la fibre d'une manière erra- tique et conduit à un mauvais centrage de la fibre. Le revêtement résultant n'est pas uniforme autour de la fibre et ceci réduit l'efficacité de la fibre lorsqu'elle est utilisée pour la transmission d'ondes lumineuses. Ainsi, l'utilisation du déflecteur permet d'obtenir une fibre qui, outre le fait qu'elle comporte un revêtement uniforme et exempt de bulles, est bien centrée à l'intérieur du revêtement. Il apparaît clairement que l'expulsion continue des bules présentes dans le dispositif de revêtement,conformément à l'invention, constitue un moyen important pour produire des revêtements de bonne qualité avec des vitesses d'étira- ge de fibre élevées. L'invention convient pour la réalisation du revê- tement primaire d'un guide d'onde en verre ou en matière plastique, ou pour la réalisation du revêtement secondaire d'un tel guide d'onde qui est déjà revêtu. On peut utili- ser l'invention avec l'une des étapes ou avec les deux étapes d'une opération combinée de revêtement -double ou multiple, ou avec n'importe quelle étape d'une opération de revêtement multiple de type séquentiel. L'invention est également utilisable pour l'application de fluides sur la fibre, dans un but de modification de la surface avant le revêtement, pour l'application de colorants pour le codage de couleur, ou pour l'application de fluides dans d'autres buts. Elle est également utilisable pour le revêtement de films constitués par des matières autres que du verre, comme des fibres de polymères, des fibres de cristaux et des fibres de métaux. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de revêtement de fibre comprenant les opérations qui consistent à faire passer une fibre tirée à travers un réservoir de matière de revêtement liquide, à une vitesse suffisamment rapide pour provoquer l'entrai- nement de bulles dans la matière de revêtement liquide, et, ensuite, à travers une filière, caractérisé en ce qu'on maintient la matière de revêtement exempte de bulles à pro- ximité de la filière. 2. Prccédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on enlève les bulles de la matière de revêtement liquide. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on place un déflecteur à l'intérieur de la matière de revêtement liquide de façon à maintenir la matière de revêtement exempte de bulles à proximité de la filière. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on fait circuler la ma- tière de revêtement dans le réservoir. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on soumet la fibre à une variation abrupte de pression hydrodynamique, pendant que la fibre se trouve dans le réservoir. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la variation de pression est équivalente à au moins 21 x 105 Pa/s. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on fait passer la fibre dans la matière de revgte- ment liquide à une vitesse dépassant 0,33 m/s. 8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on fait passer la fibre à travers une ouverture dans le déflecteur pour créer la variation abrupte de pression. 9. Procédé selon la revendication 8, caracterieé en ce que l'ouverture du déflecteur est inférieure à trois fois le diamètre de la fibre non revêtue.