Brevet FR2515693A1 — publié le 19830506

PROCEDE DE FABRICATION D'UN OBJET A STRUCTURE CHIRALIQUE ISSU A PARTIR D'UNE SOURCE DE MATIERE FORMABLE ET DISPOSITIF METTANT EN OEUVRE CE PROCEDE La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un objet issu d'une source de matière formable, par exemple visqueuse ou plastique et présentant une structure chiralique et à un dispositif mettant en oeuvre ce procédé. Dans la suite de la description on dénommera cet objet formé par étirage ou tout autre procédé sous le nom de "fibre", mais ce terme n'est pas limitatif aux fibres optiques. Les fibres monomodes fabriquées habituellement pour les télécom- munications présentent toujours une petite quantité de biréfringence liné- aire, et de biréfringence circulaire Par suite ces fibres ne conservent ni la polarisation linéaire, ni la polarisation circulaire. Il est possible de rendre la fibre très biréfringente linéaire en cassant la symétrie circulaire au profit d'une symétrie planaire. Il est également possible de considérer une méthode inverse, qui consiste à introduire une biréfringence circulaire élevée de façon à con- server la polarisation circulaire. Une solution pour créer cette polarisation circulaire consiste à sou- mettre la fibre de verre à une contrainte statique de torsion, par exemple appliquée extérieurement par torsion entre ses deux extrémités: un effet de la torsion de cette fibre est d'introduire une biréfringence circulaire dans celle-ci. La présente invention a pour objet un procédé permettant de conserver un état de torsion au moyen d'une enveloppe jouant le rôle de frette Elle permet d'obtenir une fibre de structure hélicoïdale ou structure chiralique. Mais cette fibre peut être de section quelconque, elle peut ainsi avoir une géométrie complexe. Si on considère une fibre présentant une symétrie hélicoïdale, dont un procédé de fabrication fait l'objet de la demande de brevet déposée ce jour au nom de la demanderesse et intitulée: "Procédé d'obtention d'un objet à structure chiralique issu de l'étirage à partir d'une source de matière ramollie et dispositif mettant en oeuvre un tel procédé", il est possible d'obtenir une fibre dont les propriétés, et les structures seront mieux contrôlées, et qui ne présentera pas un certains nombre de défauts inhérents à la technique antérieure Ce procédé consiste à faire subir une torsion à l'objet au cours de son étirage et simultanément une trempe qui permet de figer une partie des contraintes ainsi obtenues. Une fibre obtenue par simple étirage et torsadée après sa solidi- fication peut présenter une fatigue statique, c'est à dire qu'elle peut vieillir et des microfissures éventuelles peuvent ainsi se propager dans sa structure interne jusqu'à déclencher la rupture de l'objet. Pour pallier à cet inconvénient on enduit, selon l'invention, la fibre d'un matériau durcissable qui permet de figer l'état initial de cette fibre, et de la protéger des agressions mécaniques et chimiques de l'environnement. L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'un objet à structure chiralique issu de l'étirage à partir d'une source de matière formable, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: étirage de l'objet issu de cette source de matière formant un volume d'étirage; torsion de cet objet autour de l'axe d'étirage; trempe de cet objet par refroidissement de la partie de l'objet comprise entre la source et la partie refroidie de l'objet; l enduction de cet objet par un produit formant une enveloppe et solidification de cette enveloppe autour de cet objet de façon à figer l'état de torsion de celui-ci. Elle a, en outre, pour objet un dispositif de fabrication mettant en oeuvre un tel procédé. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparai- tront au moyen de la description qui suit en se reportant aux figures qui l'accompagnent parmi lesquelles: la figure 1 illustre schématiquement le procédé de l'invention; la figure 2 illustre un aspect particulier d'un procédé de l'art anté- rieur; 15693 la figure 3 illustre un aspect particulier du procédé de fabrication selon l'invention; la figure 4 illustre le procédé de fabrication selon l'invention; la figure 5 illustre une variante du procédé de fabrication selon l'invention; la figure 6 illustre une variante d'un aspect particulier du procédé de fabrication selon l'invention, la figure 7 illustre la structure de la fibre obtenue par ce procédé; les figures 8 et 9 illustrent les moyens d'étirage et de torsion de la fibre. A partir d'une fibre hélicordale torsadée et de la machine qui permet de la fabriquer, comme décrite dans la demande de brevet déposée ce jour au nom de la demanderesse et intitulée: "Procédé d'obtention d'un objet à structure chiralique à partir d'une source de matière ramollie, et dispositif mettant en oeuvre un tel procédé", il est proposé le moyen suivant pour obtenir une fibre à conservation de polarisation circulaire. En considérant une fibre déjà fabriquée, en partant d'une préforme par exemple, et par simple étirage, si on tord un grand nombre de tours en la maintenant à ses deux extrémités, il ne reste plus qu'à "l'immobiliser", pour qu'elle garde ses propriétés de conservation de polarisation, par un frettage rigide rapporté par exemple, comme représenté à la figure l. Cette figure l est une figure illustrant schématiquement le procédé de l'invention. Elle représente une fibre déjà fabriquée qui a été ensuite torsadée, en étant maintenue à ses extrémités 2 et 3, une frette rigide 4 étant alors rapportée pour l'immobiliser. Selon le procédé de l'invention, pour réaliser ce maintien par frettage, il est proposé d'enduire la fibre torsadée pendant sa fabrication, ou après sa fabrication, d'un matériau qui en se solidifiant fige l'état torsadé de la fibre. Ainsi, le fait d'enduire la fibre une fois qu'elle a été torsadée permet simultanément de la protéger, de figer la torsion qui a été créée, et d'empêcher le vieillissement du matériau en lui appliquant des contraintes radiales, et d'empêcher les fissures éventuelles d'évoluer. Cette enduction peut être en verre, en vitro-céramique, en plastique ou même en métal L'avantage d'une enduction en verre réside dans le fait qu'il y a compatibilité chimique et mécanique entre la fibre torsadée et l'enveloppe ou frette qui est déposée à sa surface, ce qui empêche le vieillissement De plus le verre refroidi trempé a un temps de relaxation très long, ce qui permet de supprimer tout relâchement mécanique de la fibre enduite et ainsi de conserver le pouvoir rotatoire de cette fibre. Sur la figure 2, une section de préforme de fibre monomode classique obtenue par la technique de dépôt chimique en voie gazeuse dite "M C V D " a été représentée Elle comporte un coeur 5, une gaine optique 6 et une gaine mécanique 7 constituée par le tube de départ. Sur la figure 3 une préforme pour enduction selon l'invention a été représentée La gaine mécanique 7 a été supprimée partiellement ou totalement. Par exemple une fibre peut être fabriquée à partir d'une préforme obtenue par la technique dite "'M C V D "' dont on a dissout le tube de silice de départ à l'acide fluorhydrique afin d'augmenter l'effet de torsion et de polarisation. En fibrant et torsadant cette préforme sans gaine mécanique, on reconstitue par enverrage, selon le procédé de l'invention, une gaine mécanique qui en plus conservera indéfiniment la torsion de la partie guidante et ses qualités optiques polarisantes Pour ce faire on passe la fibre dans un enducteur de verre fondu. On choisit la composition du -verre de frettage pour assurer: une bonne adhérence sur la gaine optique, ou le résidu de gaine mécanique de silice; une mise sous contrainte de compression radiale de la fibre au refroidissement de ce verre de frette, qui assurera l'insensibilité de la fibre finale aux contraintes extérieures d'environnement et de conditionnement. Pour ce faire, on utilisera un verre ou un vitro-céramique à fort coefficient de dilatation. Il existe plusieurs méthodes de fabrication des fibres optiques La méthode dite du "double creuset" part du matériau fondu qui est étiré sous forme de fibre Les autres procédés de fabrication donnent un état inter- médiaire; par exemple, le procédé à partir d'une préforme réalise la fibre à une homothétie près On considère, à titre d'exemple non limitatif, un procédé de ce type pour expliquer le procédé de l'invention. La figure 4 illustre les différents éléments d'une machine de fibrage mettant en oeuvre le procédé de l'invention Ces différents éléments sont les suivants Une préforme 8 qui est positionnée à l'intérieur des moyens de fusion 9, qui peuvent être un chalumeau, un four à effet Joule, un four à induction hautes, moyennes ou basses fréquences, est à l'origine de la fibre 1 Ces moyens de fusion 9 ramollisent la préforme 8 La matière commence à couler et l'on obtient par étirage et torsion une fibre 1 Généralement la préforme utilisée est du type de celle représentée en figure 3. Un enducteur, représenté en Il contenant par exemple du verre fondu grâce à des moyens 12 permettant la fusion de ce verre de frette, permet d'enduire la fibre 1 qui est torsadée pendant sa fabrication. Des moyens de trempage 13 permettent de mémoriser cet état de la fibre 1 en solidifiant le matériau d'enduction. On obtient en 14 la fibre torsadée et enduite; en 15 et 16 sont représentés des moyens d'enduction de la fibre pour assurer sa protection; ce peut être par exemple une enduction d'une résine époxy ou de métal En 17 est représenté un dispositif de fibrage permettant d'étirer et de torsader la fibre pendant sa fabrication. Le dispositif 17, qui correspond à la demande de brevet précitée, est détaillé dans les figures 8 et 9. La figure 8 est une vue latérale de ce dispositif, la fibre étant tirée verticalement de haut en bas et bobinée horizontalement dans le cadre non limitatif de cet exemple. La figure 9 est une vue en projection du dispositif suivant l'axe d'étirage et de rotation, vu du côté fibrage. D'après les figures 8 et 9, la fibre 31 provenant des moyens de formage (non représentés) est pincée dans les galets 42 et 43 du dispositif de tenue 36 entre lesquels elle défile pour être déviée vers les poulies 38 et 39 La poulie 39 peut se translater pour assurer le trancanage de la fibre sur le tambour d'enroulement à axe vertical 40 L'ensemble des galets du dispositif presseur 36 et des poulies de renvois 38 et 39 est solidaire d'un plateau 41 dont l'axe de rotation XX' est vertical et confondu avec l'axe XX' d'étirage de la fibre 31, à la sortie des moyens de formage L'axe de rotation du tambour est lui aussi confondu avec cet axe XX' C'est le cas que l'on considère dans le suite de la description Mais il pourrait en être différemment dans d'autres types de réalisations La rotation de l'ensemble formé par le portique 37 qui soutient les poulies et galets et du plateau 41 assure la torsion de la fibre tandis que la rotation du tambour 40 assure l'étirage et l'enroulement. Les galets 42 et 43 peuvent être tout autre dispositif de pincement permettant l'étirage de la fibre Ils peuvent être revêtus d'une couche d'un matériau antiglissement: tel qu'un caoutchouc élastomère, du silicone, du néoprène pour assurer une bonne adhérence sur la fibre. Les poulies de renvoi 38 et 39 solidaires du portique en rotation permettent de bobiner la fibre sur le tambour central 40. Si le tambour 40 et l'ensemble "plateau 41 portique 37 " tournent à la même vitesse il n'y a pas enroulement de la fibre 31 sur le tambour 40 Par contre si le tambour 40 est maintenu à l'arrêt, à un tour de torsion de la fibre 31 correspond un tour d'enroulement de cette fibre 31 sur le tambour Mais le résultat désiré est d'obtenir un grand nombre de tours de la fibre par mètre. Aussi, si le plateau 41 tourne à une vitesse V 1, il tord la fibre à la même vitesse angulaire Pour pouvoir ajuster le nombre de tours par mètre de fibre produite, on choisit la vitesse V 2 du tambour 40 qui permet de déterminer ainsi la vitesse d'enroulement v = V 1 V 2 (ou vitesse de fibrage si elle est exprimée linéairement). Par les moyens de l'invention, on peut réaliser des fibres ayant figé entre 1 et 1000 tours de torsions par mètre Les vitesses de fibrage peuvent être réglées entre 1 et 100 m/min. On peut figer une partie appréciable des contraintes, dues au cisail- lement par torsion, ce qui crée dans ia fibre un pouvoir rotatoire optique. Ainsi pour lancer le processus, on commence par étirer la fibre 1 et à la torsader grâce à ce dispositif 17 qui vient d'être décrit On passe ensuite la fibre à travers le cône d'enduction Il qui contient par exemple du verre en fusion On considère un verre à coefficient de dilatation important ce qui permet, lors de la trempe qui suit, une rétraction importante sur la fibre torsadée Les contraintes extérieures sont généralement négligeables par rapport aux contraintes diamétrales apportées par la frette, et la fibre enduite est insensible au milieu. On peut alors, si le produit de frettage 10 est du verre ou du vitro- S céramique, réaliser une deuxième enduction à partir de l'enducteur 15 d'un matériau 18 de protection qui peut être du plastique ou du métal. On peut aussi réaliser une seule enduction épaisse s'il s'agit d'une enveloppe en métal, ou en plastique, ce plastique étant un plastique à module d'élasticité assez élevé. Sur la figure 4, un seul moyen de trempe a été représenté en 13, mais il peut en exister aussi un à la sortie du four 9, lorsque la fibre a été torsadée, pour figer l'état de la fibre. Les moyens de trempage considérés peuvent être par exemple un rideau d'eau, un panneau rayonnant du froid, un flux de gaz froid Ce peut être l'air atmosphérique s'il s'agit d'une enduction de verre par exemple. De plus en 16 se trouve un dispositif qui permet la solidication de la couche de protection du matériau 18 appliqué par l'enducteur 15 Ce peut être une polymérisation s'il s'agit par exemple d'une enveloppe en plastique, ce peut être notamment une polymérisation aux rayons ultraviolets ce peut être aussi une trempe La fibre finale obtenue 23 a une structure telle que celle décrite en figure 7. Sur la figure 6, deux barreaux ( 19), de silice par exemple, sont soudés de part et d'autre de la préforme Par homothétie au fibrage, on obtiendra ainsi une fibre comportant les mêmes éléments La préforme et la fibre peuvent présenter des géométries identiques ou légèrement différentes selon les conditions de fusion choisies. La préforme de la figure 6, fibrée par étirage selon l'art antérieur, donnerait une fibre présentant alors un plan de symétrie ce qui permet de conserver la polarisation linéaire; une fois torsadée, on obtient une polari- sation linéaire que l'on fait ainsi tourner L'expérience prouve qu'il est possible de fibrer de telles préformes composites. On enduit la fibre 1 pour figer cet état torsadé permettant la conservation de polarisation avec un verre de frette 10 à l'aide de l'enducteur 11. 15693 Le contrôle de l'épaisseur de l'enveloppe de verre ou frette se fait en ajustant la viscosité du verre de frette 10 (fonction de la température) et la dynamique du fibrage. L'enverrage hélicoïdal d'une préforme telle que celle décrite figure 6 ajoute aux effets de contraintes dues à la torsion ceux dûs aux différents coefficients de dilatation des verres en présence, cassant ainsi la symétrie axiale de la fibre 14. L'enverrage rectiligne d'une telle préforme composite donnerait une fibre à conservation de la polarisation linéaire. 1 o Un moyen d'augmenter la torsion est de faire simultanément tourner la préforme 8 si le besoin s'avère nécessaire On peut obtenir un très grand nombre de tours ( 200/mètre) sur la fibre car on fige cette torsion immédia- tement sans qu'il y ait eu risque de rupture par vieillissement et évolution des microfissures. La figure 5 illustre une variante du procédé de fabrication selon l'invention. Sur le tambour vertical de l'ensemble 17 a été bobinée une fibre obtenue, par exemple à partir d'une préforme telle que celle représentée en figure 3, par simple étirage L'ensemble 17 permet de dérouler la fibre 20 de façon à obtenir par pincement dans le dispositif 30 une fibre torsadée 21,-qui pénétre dans l'enducteur 11, rempli d'un produit d'enduction 10, préféra- blement du verre pour des raisons déjà explicitées précédemment, ce verre étant fondu par le moyen de chauffage 12 Le dispositif presseur 30 empêche la fibre de tourner sur elle-même; ce peut être des poulies, des galets, etc A la suite de l'enducteur 11, le verre de frette appliqué sur la fibre est trempé par les moyens de trempage 13 pour donner une fibre frettée 22. Cette fibre peut êtrre protégée par des moyens d 1 enduction tels que l'enducteur 15 et son produit d'enduction 18 et le moyen de traitement 16. On obtient une fibre à structure chiralique 23 bobinée sur un tambour par des moyens d'enroulement à tambour et trancanage classique 19. La fibre 23 obtenue à partir d'une préforme telle que celle de la figure 3 est schématisée en figure 7 La fibre torsadée proprement dite est constituée d'un coeur 24 et d'une gaine 25 présentant les propriétés d'une 15693 structure chiralique Elle est frettée par une enveloppe de verre 26, elle- même protégée par une gaine de protection 27. Les fibres ainsi obtenues par le procédé de l'invention peuvent servir à la réalisation de capteurs optiques, ce peut être par exemple des capteurs de courant électrique. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un objet à structure chiralique issu de l'étirage à partir d'une source de matière formable ( 8), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: étirage de l'objet ( 1) issu de cette source de matière ( 8) formant un volume d'étirage; torsion de cet objet ( 1) autour de l'axe d'étirage; trempe de cet objet par refroidissement de la partie de l'objet comprise entre la source ( 8) et la partie refroidie de l'objet ( 1); enduction de cet objet ( 1) par un produit ( 10) formant une enveloppe ( 26) et solidification de cette enveloppe autour de cet objet ( 1) de façon à figer l'état de torsion de celui-ci. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes d'étirage, de torsion et de trempe sont réalisées simultanément avant l'étape d'enduction par le produit formant une enveloppe ( 26) jouant le rôle de frette. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes d'étirage et de trempe sont réalisées simultanément avant les étapes de torsion puis d'enduction par le produit ( 10) formant une enveloppe ( 26) jouant le rôle de frette. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit formant l'enveloppe ( 26) jouant le rôle de frette est en verre. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le' produit formant l'enveloppe ( 26) jouant le rôle de frette est en vitro-céramique. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire d'enduction de l'objet par un produit formant une gaine de protection ( 27). 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le produit formant une gaine de protection ( 27) est du métal. 8 Dispositif mettant en oeuvre le procédé, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens destinés à faire traverser un cône d'enduction ( 11) à l'objet ( 1) issu de la source de matière ( 8) formant un volume d'étirage; ledit objet ayant été préala- 15693 1.1 blement étiré, torsadé et trempé, des moyens de trempe ( 13) permettant de solidifier l'enveloppe ( 26) déposée autour de cet objet ( 1). 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour étirer, torsader et tremper en simultanéité ledit objet ( 1), cet objet, à la sortie de ces moyens passant à travers un cône d'enduction ( 11), pour recevoir une enveloppe ( 26) jouant le rôle de frette des moyens de trempe ( 13) permettant de solidifier cette enveloppe ( 26) autour de cet objet ( 1 M. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il com- prend des moyens d'étirage et de trempe de cet objet, suivis de moyens de torsion; cet objet, à la sortie de ces moyens, passant à travers un cône d'enduction ( 11) pour recevoir une enveloppe ( 26) jouant le rôle de frette, des moyens de trempe permettant de solidifier cette enveloppe autour de l'objet. 11 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la source formant un volume d'étirage est une préforme ( 8). 12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la préforme ( 8) est en verre. 13 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la préforme ( 8) est obtenue par une technique de dépôt chimique en voie gazeuse dite "M C V D ". 14 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que cette préforme ( 8) comporte deux barreaux ( 19) soudés symétriquement par rapport à son axe de symétrie. 15 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le tube de départ de silice de la préforme ( 8) est dissous.