Brevet FR2657865A1 — publié le 19910809

I La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un tube capillaire de haute précision, un procédé de fabrication d'un embout de raccordement pour fibres optiques et un procédé de fabrication d'un dispositif de raccordement pour fibres optiques. L'invention trouve une application particulièrement avanta- geuse dans le domaine des techniques de raccordement pour fibres optiques multimodes et monomodes. Les procédés actuellement connus pour fabriquer des capillaires ou des embouts de raccordement concernent, soit les systèmes d'étirage de verre qui aboutissent à des précisions incompatibles avec une telle application, soit, plus généralement, les matériaux céramiques qui peuvent être mis en oeuvre par plusieurs voies En particulier, le procédé d'obtention de capillaires et embouts de raccordement en céramique le plus connu consiste à extruder la matière sous forme d'un capillaire, puis à cuire le matériau, ce qui, dans une première phase, produit un retrait important. La précision du capillaire ainsi obtenu est alors nettement insuffisante pour répondre aux besoins de capillaires et embouts de raccordement pour fibres optiques Il est alors nécessaire d'usiner le trou intérieur et la surface extérieure de l'embout pour obtenir l'ensemble des cotes recherchées: diamètre intérieur, diamètre extérieur et concentricité Dans le cas d'un embout, il faut ensuite réaliser, la plupart du temps, un cône d'entrée par un usinage à nouveau long et coûteux Il existe, bien entendu, une possibilité technologique pour réaliser ce cône directement lorsque l'application concerne un embout en employant des procédés tels que le pressage isostatique ou le moulage par injection basse pression Toutefois, l'inconvénient majeur demeure le retrait de la matière, et il faut donc procéder à un usinage lent, très délicat et onéreux qui impose ensuite des contrôles sévères et coûteux. Ainsi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'un tube capillaire présentant un trou intérieur, procédé qui permettrait d'aboutir directement à une très haute précision géométrique (diamètre intérieur, diamètre extérieur, concentricité), à très faible coût, avec une excellente résistance mécanique et des états de surface nettement supérieurs à ceux obtenus par des procédés d'usinage et de polissage. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit procédé de fabrication comporte les étapes suivantes: préparation d'un barreau creux de silice présentant un trou central, au cours de laquelle le rapport du diamètre dudit trou central au diamètre extérieur dudit barreau creux est amené à la valeur désirée pour le rapport du diamètre dudit trou intérieur au diamètre extérieur dudit tube capillaire, étirage homothétique du barreau creux de silice de façon à obtenir les valeurs désirées pour le diamètre du trou intérieur et le diamètre extérieur du tube capillaire. Selon un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, ladite étape de préparation du barreau creux de silice consiste en un usinage direct dudit barreau. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, ladite étape de préparation du barreau creux de silice comprend une première étape de rétreint d'un barreau creux initial de silice dont le diamètre du trou central et le diamètre extérieur sont supérieurs à ceux du barreau creux, ledit rétreint amenant le diamètre du trou central du barreau creux initial à la valeur désirée pour le diamètre du trou central du barreau creux, et une deuxième étape d'usinage du diamètre extérieur du barreau creux initial après rétreint à la valeur désirée pour le diamètre extérieur du barreau creux. Ainsi, le procédé de fabrication d'un tube capillaire selon l'invention est à la fois simple et précis Il repose sur le concept d'un barreau de forte capacité, susceptible de fournir plusieurs centaines de mètres à plusieurs kilomètres de capillaire par étirage d'un barreau de grande précision géométrique obtenu par usinage, avec ou sans rétreint complémentaire, aboutissant, dans la mesure o le procédé d'étirage est contrôlé dans une plage déterminée de tension et donc dans la mesure o aucun rétreint du trou central (ou un rétreint très minime mais parfaite- ment reproductible), à un capillaire ayant exactement le même rapport diamètre du trou central diamètre extérieur que le barreau creux de départ. De façon avantageuse, en particulier pour la réalisation de tubes capillaires de très haute précision utilisables notamment dans le domaine des technologies de raccordement, le barreau creux est constitué d'une silice de très bonne qualité ayant une très bonne homogénéité et une bonne pureté La présence de trop nombreuses impuretés ou de bulles est en effet un facteur de déstabilisation de la tension de fibrage et du rétreint, et serait susceptible d'occasionner un rendement moindre et des contrôles plus sévères sur le procédé On peut ainsi avantageusement usiner des barreaux creux à partir de lingot de silice naturelle ou synthétique obtenue par des méthodes efficaces et économiques comme les méthodes de torche plasma. Disposant d'un tube capillaire de haute précision géométrique, il est alors possible de réaliser des embouts de raccordement pour fibres optiques présentant la même précision Dans ce but, un procédé de fabrication d'un embout de raccordement pour fibres optiques est remarquable en ce qu'il comporte les étapes suivantes: réalisation d'un tube capillaire de haute précision à l'aide du procédé de fabrication d'un tube capillaire selon l'invention, coupe dudit tube capillaire en une baguette présentant deux faces d'extrémité, préparation desdites faces d'extrémité, usinage sur une des faces d'extrémité d'un cône concentrique du trou intérieur. Les opérations de coupe, de préparation des faces et d'usinage du cône peuvent être entièrement automatisées selon les techniques connues de décolletage ou par des techniques collectives, et parce que la silice offre l'avantage d'une facilité d'usinage nettement supérieure aux céramiques qui rend ces opérations très peu coûteuses. On notera aussi que le procédé de fabrication d'un embout de raccordement selon l'invention, en fournissant des embouts de raccordement de silice de bonne qualité, permet de réaliser des applications notamment dans le domaine des techniques de raccordement par fibres optiques, par l'obtention d'un état de surface remarquable donné par l'étirage, par la compatibilité en matière de collage dans le cas des fibres de silice et surtout par la transparence de l'embout de raccordement qui autorise un contrôle de réception des pièces nettement facilité par l'utilisation de méthodes optiques transversales peu coûteuses et capables de mesurer le diamètre extérieur, le diamètre du trou central et l'excentrement. Enfin, la transparence des embouts de raccordement ainsi produits permet également la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'un dispositif de raccordement pour fibres optiques particulièrement avantageux, remarquable en ce qu'il comporte les étapes suivantes: réalisation d'un embout de raccordement à l'aide du procédé de fabrication d'un embout de raccordement selon l'invention, collage des fibres optiques à l'intérieur dudit trou intérieur à l'aide d'une colle polymérisable sous l'influence d'un rayonnement ultraviolet. Les méthodes de polymérisation de colles ultraviolettes sont souvent utilisées dans ce domaine pour leurs excellentes caractéristiques dans le temps et leur facilité d'utilisation. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure I est une vue en coupe d'un barreau creux de silice préparé pour l'opération d'étirage, la figure 2 est le schéma d'un dispositif de rétreint d'un barreau creux initial de silice, la figure 3 est une vue en coupe du barreau creux initial après l'opération de rétreint, la figure 4 est le schéma d'un dispositif d'étirage du barreau creux de la figure 1, la figure 5 est une vue en coupe d'un embout de raccorde- ment pour fibres optiques réalisé à partir d'un tube capillaire fabriqué à l'aide du procédé selon l'invention, la figure 6 est une vue en coupe d'un dispositif de raccordement pour fibres optiques fabriqué à l'aide du procédé selon l'invention, la figure 7 montre un assemblage de deux dispositifs de raccordement pour fibres optiques conformes à celui représenté à la figure 6. La figure 1 montre, en coupe, un barreau creux 20 de silice de bonne qualité présentant un trou central 21 Ce barreau 20 est destiné à la fabrication d'un tube capillaire de haute précision, présentant un trou intérieur, selon un procédé qui consiste, dans une première étape, en une préparation dudit barreau creux 20 de silice au cours de laquelle le rapport du diamètre dudit trou central 21 au diamètre extérieur du barreau creux est amené à la valeur désirée pour le rapport du diamètre dudit trou intérieur au diamètre extérieur dudit tube capillaire. Cette opération de préparation peut être exécutée par usinage directe dudit barreau 20 Comme l'illustre la figure 2, elle peut également être réalisée par rétreint d'un barreau creux 10 initial de silice dont le diamètre du trou central Il et le diamètre extérieur sont supérieurs à ceux du barreau creux 20, ledit rétreint amenant le diamètre du trou central Il du barreau creux 10 initial à la valeur désirée pour le diamètre du trou central 21 du barreau creux 20. Sur la figure 2 est représenté un dispositif de rétreint comprenant un four horizontal 100, par exemple un four HF disposant d'un suscepteur graphite 101, une partie support 102 assurant la préhension et la rotation du barreau creux 10 initial pendant l'opération de rétreint, le barreau 10 ayant été préalablement soudé à deux tubes support 103, 104. Cette partie support se présente en fait comme un tour classique de verrier disposant de deux mandrins 105, 106; l'opération de rétreint, malgré la forte épaisseur de silice du barreau creux 10, est rendue possible par l'emploi du four HF graphite qui porte la silice de façon homogène à la température suffisante pour que les forces de tension superficielles agissent et rétreignent le barreau selon un principe bien connu du métier de verrier. Il faut cependant noter que cette opération de rétreint n'est homogène réellement que dans la mesure o la masse à rétreindre est homogène Le fait de disposer de barreaux creux usinés avec précision et le fait de disposer d'un moyen de chauffage homogène comme le four amène donc à opérer un rétreint très contrôlable par la température du four et la vitesse de déplacement du barreau dans le four et donc à obtenir un trou final à la dimension recherchée et parfaitement cylindrique Comme le montre la figure 2, le tube est en effet animé d'un mouvement de translation 107 et d'un mouvement de rotation 108 Le contrôle de la dimension intérieure finale du trou 21 peut être effectué in-situ par une mesure optique 109 et donner lieu à un contrôle précis du rétreint par le passage plus ou moins rapide du tube dans le four. La figure 3 montre le barreau creux initial 10 après rétreint et obtention du trou central 21 à partir du trou central 11 du barreau 10. L'opération de préparation peut alors avantageusement comprendre une étape de reprise qui, après mesure précise du trou intérieur 21, donne par usinage la dimension définitive recherchée pour le diamètre extérieur du barreau 20, afin d'obtenir avec exactitude le rapport recherché pour le futur tube capillaire A titre d'exemple, le trou intérieur 21 après rétreint aura une dimension d'environ 2,4 mm pour un diamètre extérieur qui, partant de 40 mm avant rétreint, peut aboutir ainsi à un diamètre d'environ 38 mm pour conduire à la production de capillaire de 125 jum de diamètre intérieur et 2 mm de diamètre extérieur On comprendra donc à la description de ce procédé que les cotes précises sont à déterminer en fonction de l'objectif recherché et du barreau creux initial et qu'il suffit d'une mesure précise du trou intérieur 21 après rétreint pour fixer la cote définitive du diamètre extérieur. Après la première étape de préparation ayant conduit au barreau creux 20 de silice de la figure 1, ce dernier est étiré de façon rigoureusement homothétique, afin de conserver le même rapport diamètre du trou/diamètre extérieur, et jusqu'à obtenir les valeurs désirées pour le diamètre du trou intérieur et le diamètre extérieur du tube capillaire final. La machine d'étirage montrée à la figure 4 comprend un four d'étirage 200, un dispositif 201 de préhension du barreau et de descente du barreau dans le four, un dispositif de tirage représenté par une chenille 202 de tirage, un dispositif 203 de mesure du diamètre extérieur et du diamètre intérieur 31 du tube capillaire 30, un contrôleur de tension incorporé à la chenille de tirage 202, un dispositif de coupe et de récupération des baguettes de capillaires étirés 30, un bâti 204, un dispositif 205 de pilotage program- mable pour l'affichage des vitesses de descente de barreau et d'étirage, un dispositif 206 mesurant la température des fours. Afin de conserver l'homothétie du barreau percé 20 et préparé aux cotes désirées, la machine d'étirage est équipée pour resserrer les tolérances sur la température et les vitesses de descente de barreau et d'étirage En effet, le phénomène de rétreint, qui détruit l'homothétie, doit être connu et maîtrisé pour devenir négligeable dans le tube capillaire 30. La vitesse de rétreint augmente quand la viscosité diminue, on conçoit donc aisément qu'il faille fibrer à une vitesse suffisamment élevée (diminution du temps de séjour dans le four) et à basse température (augmentation de la viscosité) pour maîtriser l'absence de rétreint ou un rétreint minime bien contrôlé Les deux paramètres vitesse et température définissent une tension de fibrage qui sert ainsi de limite basse pour négliger le rétreint. Dans ces conditions, ce contrôle du diamètre extérieur suffit pour affirmer que les deux diamètres sont dans les tolérances demandées. Il faut cependant concevoir que pour un procédé industriel, aussi précis soit-il par exploitation du procédé objet de l'invention, il est très avantageux d'y adjoindre un contrôle en ligne du diamètre intérieur, rendu dans ce cas possible par la transparence du matériau Il met ainsi à l'abri d'éventuelles dispersions de viscosité de la silice d'un barreau à l'autre et de variations mal contrôlées des diamètres extérieurs des barreaux Il intervient donc comme un contrôle qualité en ligne Dans la pratique donc, la mesure de tension permet de corréler le couple température du four-viscosité de la silice, la mesure du diamètre extérieur permet d'ajuster la vitesse linéaire des chenilles de tirage et la mesure du diamètre intérieur intervient comme un contrôle du "rétreint nul" spécifique à chaque barreau. A titre d'exemple, considérons une préforme de diamètre extérieur 40 mm pour obtenir un tube capillaire de 2 mm de diamètre Les rapports de diamètre sont de 20 et les rapports de vitesses de 400 Ainsi, à m/mn de vitesse d'étirage, la descente du barreau percé dans le four est modulée autour de 25 mm/mn La vis à bille choisie pour assurer cette descente est de la classe 15 pm/m, ce qui assure une grande stabilité sur la descente du barreau percé. Le four alimenté par un générateur de 50 k W a une zone chaude de 75 mm environ, ce qui implique un temps de séjour pour la section de barreau percé concernée de moins de trois minutes La mesure simultanée des deux diamètres (extérieur et intérieur) se fait à la sortie du four avec une fréquence d'échantillonnage grande devant la vitesse de défilement La chenille de tirage travaille sans glissement avec une grande régularité de vitesse (moto réducteur à courant continu bouclé sur tachymétrie) Sous la chenille, le capillaire ainsi obtenu a une précision nettement inférieure au micron pour le diamètre extérieur. Afin d'obtenir un embout 40 de raccordement du type de celui représenté sur la figure 5, le tube capillaire 30 est coupé en baguettes 42 par le dispositif 207 de coupe et de récupération dont est munie la machine d'étirage de la figure 4 A partir de la baguette 42, l'embout '0 de raccordement est réalisé après préparation des faces 43, 44 de la baguette et usinage sur une 43 des faces d'un cône 45 d'entrée, concentrique du trou intérieur 31. La figure 6 montre, en coupe, un dispositif 60 de raccordement pour fibres optiques 50 réalisé à partir d'un embout 40 de raccordement analogue à celui de la figure 5, par collage des fibres optiques 50 à l'intérieur du trou intérieur 31 à l'aide d'une colle 70 polymérisable sous l'influence d'un rayonnement ultraviolet 80. La figure 7 est un assemblage de deux dispositifs 60 de raccordement pour fibres optiques 50 dans lequel les deux embouts de raccordement sont accolés par leur faces 44 et alignés dans un manchon élastique 90 de restitution. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un tube capillaire ( 30) de haute précision, présentant un trou intérieur 31), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes préparation d'un barreau creux ( 20) de silice présentant un trou central ( 21), au cours de laquelle le rapport du diamètre dudit trou central au diamètre extérieur dudit barreau creux ( 20) est amené à la valeur désirée pour le rapport du diamètre dudit trou intérieur ( 31) au diamètre extérieur dudit tube capillaire ( 30), étirage homothétique du barreau creux ( 20) de silice de façon à obtenir les valeurs désirées pour le diamètre du trou intérieur ( 31) et le diamètre extérieur du tube capillaire ( 30). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de préparation du barreau creux ( 20) de silice consiste en un usinage direct dudit barreau. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de préparation du barreau creux ( 20) de silice comprend une première étape de rétreint d'un barreau creux initial ( 10) de silice dont le diamètre du trou central ( 1) et le diamètre extérieur sont supérieurs à ceux du barreau creux ( 20), ledit rétreint amenant le diamètre du trou central ( 11) du barreau creux initial ( 10) à la valeur désirée pour le diamètre du trou central ( 21) du barreau creux ( 20), et une deuxième étape d'usinage du diamètre extérieur du barreau creux initial ( 10) après rétreint à la valeur désirée pour le diamètre extérieur du barreau creux ( 20). 4 Procédé de fabrication d'un embout ( 40) de raccordement pour fibres optiques, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: réalisation d'un tube capillaire ( 30) de haute précision à l'aide du procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, Il coupe dudit tube capillaire ( 30) en une baguette ( 42) présentant deux faces ( 43, 44) d'extrémité, préparation desdites faces ( 43, 44) d'extrémité, usinage sur une ( 43) des faces d'extrémité d'un cône ( 45) d'entrée, concentrique du trou intérieur ( 31). Procédé de fabrication d'un dispositif ( 60) de raccordement pour fibres optiques ( 50), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: réalisation d'un embout ( 40) de raccordement à l'aide du procédé de fabrication selon la revendication 4, collage des fibres optiques ( 50) à l'intérieur dudit trou intérieur ( 31) à l'aide d'une colle ( 70) polymérisable sous l'influence d'un rayonnement ultraviolet ( 80).