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Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Beschichten einer optischen Faser oder eines Bündels
optischer Fasern mit Harz.
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Eine Harzbeschichtungsvorrichtung zum Beschichten einer
optischen Faser oder eines Bündels optischer Fasern mit Harz
umfaßt einen Harztank und eine Harzbeschichtungsmaschine. Ein
in dem Harztank gelagertes Harz wird zu der
Harzbeschichtungsmaschine geführt, um eine optische Faser
oder einen Bündel optischer Fasern mit dem Harz zu
beschichten. Ein inertes Gas wie etwa ein Stickstoffgas wird
in einem unter Druck stehenden Zustand zu dem Harztank
geführt, um das Harz in dem Harztank unter Druck zu setzen.
Als Resultat wird das Harz der Harzbeschichtungsmaschine
zugeführt. Eine optische Faser oder ein Bündel optischer
Fasern wird mit dem Harz beschichtet, wenn sie durch die
Harzbeschichtungsmaschine hindurchtritt. Anschließend wird
die beschichtete Faser oder das Faserbündel durch eine Harz-
Aushärteeinrichtung geführt, um die Harzbeschichtung
auszuharten. Das für das Beschichten verwendete Harz wird von
einem Harzbehälter in den Harztank gegossen. Handelt es sich
bei dem Harz um ein ultraviolett aushärtendes Harz, wird auch
eine UV-Bestrahlungseinrichtung zum Aushärten der
Harzbeschichtung verwendet. Andererseits wird bei Verwendung
eines wärmehärtbaren Harzes als das Beschichtungsharz eine
Wärmeeinrichtung zum Aushärten der Harzbeschichtung benutzt.
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Die oben beschriebene konventionelle
Harzbeschichtungsvorrichtung gibt Anlaß zu ernsthaften
technischen Problemen. Als erstes ist es unvermeidbar, daß
Luft zusammen mit dem Harz in den Harztank gelangt, wenn das
Harz von dem Harzbehälter in den Harztank gegossen wird, mit
dem Ergebnis, daß eine große Anzahl von Blasen in dem Harz
erzeugt wird. Diese Blasen werden zusammen mit dem Harz in
die Harzbeschichtungsmaschine überführt. Daraus folgt, daß
Blasen in der Harzbeschichtung enthalten sind, die die
Außenfläche einer optischen Faser oder eines Bündels
optischer Fasern bedeckt. Wenn große Blasen in der
Harzbeschichtung enthalten sind, ist die äußere Umfangsfläche
einer Harzbeschichtung 2 einer optischen Faser 1 (oder eines
Bündels optischer Fasern) teilweise verdickt und bildet einen
konvexen Abschnitt 2a, wie in Fig. 1 dargestellt. Als andere
Möglichkeit ist die Blase eingefallen, wenn die
Harzbeschichtung in dem nachfolgenden Aushärteschritt erwärmt
wird, mit dem Ergebnis, daß sich ein Loch 2b in der
Harzbeschichtung 2 bildet. Die Gegenwart des konvexen
Abschnittes 2a oder des Loches 2b beeinträchtigt natürlich
das Erscheinungsbild der Harzbeschichtung. Sogar wenn die
Blasen nicht so groß sind, daß sie das Erscheinungsbild der
Harzbeschichtung beeinträchtigen, treten Schwierigkeiten auf,
wenn die optische Faser in einer Atmosphäre niedriger
Temperatur verwendet wird. Im Speziellen wird die optische
Faser durch die Schrumpfung der Harzbeschichtung bei
niedrigen Temperaturen an dem Blasenabschnitt gebogen, was zu
einem schwerwiegenden Übertragungsverlust führt.
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Zusätzlich neigen Fremdkörper dazu in das Harz einzutreten
falls der Deckel des Harzbehälters geöffnet und ein Saugrohr
in den Harzbehälter eingeführt ist, um das Harz in den
Harztank einzuspeisen. Ferner wird das Harz im
Beschichtungsschritt auf einer Temperatur von etwa 30 bis
80ºC gehalten. Es ist anzumerken, daß das Harz in diesem
Schritt dazu tendiert teilweise zu gelieren. Daraus folgt,
daß bei Beschichtung einer optischen Faser oder eines Bündels
optischer Fasern mit Harz Fremdkörper 5 oder ein gelierter
Abschnitt 6 in der Harzbeschichtung enthalten sind, wie in
Fig. 2 gezeigt. Die Anwesenheit von Fremdkörpern 5 oder des
gelierten Abschnittes 6 führt tendenziell zu einer
wesentlichen Beeinträchtigung der
Übertragungscharakteristiken und der mechanischen
Eigenschaften der optischen Faser.
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Eine Vorrichtung zum Druckbeschichten von Fasern ist aus der
US-A-4 374 161 bekannt und beinhaltet eine
Harzbeschichtungseinrichtung, die aus porösem Material
hergestellt ist, das das flüssige Beschichtungsmaterial
radial zu der Faser leitet, um die Anzahl von in der
Beschichtung eingeschlossenen Blasen zu reduzieren.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine
Vorrichtung zum Beschichten einer optischen Faser oder eines
Bündels optischer Fasern mit Harz zu schaffen, die dazu
geeignet ist den Eintritt von Luft in die Harzbeschichtung zu
unterdrücken, um die Bildung von Blasen in der
Harzbeschichtung und somit eine Beeinträchtigung des
Erscheinungsbildes der Harzbeschichtung und eine
Verschlechterung der Übertragungseigenschaften der optischen
Faser zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst
durch eine Vorrichtung zum Beschichten einer optischen Faser
mit Harz mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in einer bevorzugten
Ausführungsform ist die Vermeidung einer Verringerung der
Übertragungseigenschaften und mechanischen Eigenschaften der
optischen Faser oder des Bündels optischer Fasern durch in
der Harzbeschichtung enthaltene Fremdkörper oder gelierte
Abschnitte, wie im Nachfolgenden erläutert werden wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen detaillierter beschrieben werden.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die eine mit einer in
konventioneller Technik hergestellten
Harzbeschichtung bedeckte optische Faser zeigt,
Blasen sind in der Harzbeschichtung vorhanden;
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Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die eine mit einer in
konventioneller Technik hergestellten
Harzbeschichtung bedeckte Faser zeigt, Fremdkörper
und gelierte Abschnitte sind in der
Harzbeschichtung vorhanden;
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Fig. 3 zeigt schematisch eine Harzbeschichtungsvorrichtung
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 4 zeigt, wie Harz in einen Harztank der in Fig. 3
dargestellten Vorrichtung gegossen wird;
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Fig. 5 ist eine Schrägansicht, die die in der in Fig. 3
dargestellten Vorrichtung beinhaltete
Filtervorrichtung im Detail zeigt;
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Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen
Lichtübertragungsverlust und Temperatur bei einer
optischen Faser zeigt, die mit einer mittels der
erfindungsgemäßen Vorrichtung gebildeten
Harzbeschichtung bedeckt ist und einer optischen
Faser, die mit einer durch die konventionelle
Vorrichtung gebildeten Harzbeschichtung bedeckt
ist; und
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Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der
Größe von in einem Filter gebildeten
Harzdurchtrittslöchern und der Bruchrate und die
Beziehung zwischen der Größe von
Harzdurchtrittslöchern und dem
Lichtübertragungsverlust zeigt.
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Fig. 3 stellt schematisch eine Harzbeschichtungsvorrichtung
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Wie in den Zeichnungen gezeigt, umfaßt die Vorrichtung 10
einen Harztank 12 und eine Harzbeschichtungsmaschine 21. In
dem Tank 12 gelagertes Harz 13 wird der
Harzbeschichtungsmaschine 21 zugeführt, um eine optische
Faser 12 mit dem Harz 13 zu beschichten. Natürlich kann auch
ein Bündel optischer Fasern durch die Vorrichtung 10 mit dem
Harz 3 beschichtet werden, obwohl sich die nachfolgende
Beschreibung auf den Fall bezieht, bei dem die optische Faser
11 mit dem Harz 13 beschichtet wird.
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Ein Deckel 16 ist abnehmbar befestigt, um die oben liegende
Öffnung des Harztankes 12 zu verschließen. Eine
Gaseinlaßöffnung 17 ist in dem Deckel 16 ausgebildet. Ein
unter Druck stehendes inertes Gas, wie etwa ein Stickstoffgas
oder Luft (handelt es sich bei dem Harz um ein ultraviolett
aushärtendes Harz, so ist Luft vorzuziehen, da der Sauerstoff
der Luft ein Gelieren des Harzes verhindert), wird von einer
Gasversorgungsquelle 30 durch die Gaseinlaßöffnung 17 in den
Tank 12 geführt, mit dem Ergebnis, daß das in dem Tank 12
befindliche Harz 13 in einem Rohr 18 zu der
Harzbeschichtungsmaschine 21 bewegt wird.
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Wie in Fig. 4 dargestellt wird durch Öffnen des Deckels 16
das Harz 13 von einem Harzbehälter 24 in den Harztank 12
gegossen. In diesem Schritt wird Luft in das Harz 13
eingeführt und bildet Blasen 14 innerhalb des Harzes 13. Es
ist wünschenswert ein infolge Bestrahlung mit einem
ultravioletten Licht aushärtbares Harz oder ein
wärmehärtendes Harz zu verwenden, das bei Raumtemperatur
flüssig ist.
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Eine Filtervorrichtung 20, die später im Detail beschrieben
wird, ist auf der halben Strecke des Rohres 18 eingeordnet,
so daß das Harz 13 durch die Filtervorrichtung 20 tritt,
bevor es in die Harzbeschichtungsmaschine 21 gelangt.
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Die Harzbeschichtungsmaschine 21 ist mit einer Einlaßöffnung
31 versehen, durch die das durch das Rohr 18 hindurchtretende
Harz 13 in die Harzbeschichtungsmaschine 21 gelangt, einem
Nippelteil 32, das in dem Zentralabschnitt der
Harzbeschichtungsmaschine 21 angeordnet ist, um eine optische
Faser 11 in die Harzbeschichtungsmaschine 21 zu führen, und
eine in dem unteren Abschnitt der Harzbeschichtungsmaschine
21 angeordnete Ziehdüse 33 zum Beschichten der optischen
Faser 11 mit Harz, um eine Harzbeschichtung 22 zu bilden.
Eine Harzaushärtevorrichtung 23 ist der
Harzbeschichtungsmaschine 21 nachgeschaltet. Die Vorrichtung
23 ist im Fall der Verwendung eines UV-aushärtbaren Harzes
mit einem UV-Licht-Bestrahlungsabschnitt oder im Fall der
Verwendung eines wärmehärtbaren Harzes mit einem
Wärmeabschnitt versehen. Die mit der durch die Ziehdüse 33
hindurchtretenden Harzbeschichtung 22 bedeckte optische Faser
11 wird zum Aushärten der Harzbeschichtung 22 in die
Harzaushärtevorrichtung 23 eingeführt.
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Wie in Fig. 5 gezeigt, umfaßt die Filtervorrichtung 20 einen
zylindrischen Filter 42, der einen Boden besitzt und mit
einer großen Anzahl von Harzdurchtrittslöchern 43 versehen
ist, eine Filterbefestigungsvorrichtung 41 und einen Behälter
44. Die Harzdurchtrittslöcher 43 besitzen einen
durchschnittlichen Durchmesser von nicht größer als 100 µm.
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In dem Schritt, bei dem das Harz 13 von dem Harzbehälter 24
in den Harztank 12 gegossen wird, wird Luft in das Harz 13
eingeleitet, um eine große Anzahl von Blasen 14 zu bilden,
wie vorhergehend beschrieben. Diese Blasen 14 werden durch
die Filtervorrichtung 20 in feinere Blasen zerteilt. Haben
die Harzdurchtrittslöcher 43 einen durchschnittlichen
Durchmesser nicht größer als 100 µm werden die in dem
Harztank 12 gebildeten Blasen in hinreichend kleine Blasen
zerteilt, was es ermöglicht ein teilweises Verdicken der
Harzbeschichtung 22 durch die Blasen 14 oder durch das
Bersten der Blasen verursachte Kerblöcher in der
Harzbeschichtung 22 im wesentlichen vollständig zu
verhindern. Daraus folgt, daß die Harzbeschichtung ein
befriedigendes Erscheinungsbild zeigt. Auch bei einer
Verwendung der optischen Faser 1 unter einer Atmosphäre von
niedrigen Temperaturen wird ein durch die Schrumpfung der
Harzbeschichtung bedingtes Biegen der optischen Faser 1
verhindert. Daraus folgt auch die Möglichkeit eine
Beeinträchtigung der Übertragungseigenschaften der optischen
Faser durch die Anwesenheit von Blasen in der
Harzbeschichtung im wesentlichen vollständig zu verhindern.
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Es wurde experimentell bestätigt, daß die Filtervorrichtung
20 eine zufriedenstellende Funktionen verrichtet, wenn der
durchschnittliche Durchmesser der Harzdurchtrittslöcher 43
nicht größer als 100 µm ist. Im Speziellen wurde
experimentell bestätigt, daß, wenn der durchschnittliche
Durchmesser der Harzdurchtrittslöcher nicht größer als 100 µm
ist es schwierig ist die in dem Harztank 12 gebildeten Blasen
in hinreichend feine Blasen zu zerteilen, mit dem Resultat,
daß das Erscheinungsbild der Harzbeschichtung 22
beeinträchtigt wird. Alternativ werden die
Übertragungseigenschaften der optischen Faser bei niedrigen
Temperaturen beeinträchtigt.
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Drei Probenarten wurden in dem oben genannten Experiment
präpariert, beinhaltend Proben bei denen optische Fasern
unter Verwendung von Filtervorrichtungen, die
Harzdurchtrittslöcher umfassen, deren durchschnittliche
Durchmesser jeweils 100 µm und 500 µm betragen, mit
Harzbeschichtungen umhüllt wurden und eine andere Probe, bei
der keine Filtervorrichtung zum Umhüllen der optischen Faser
mit Harz verwendet wurde. Die ohne Verwendung einer
Filtervorrichtung erzeugte Probe zeigte ein schlechtes
Erscheinungsbild. Die anderen Proben jedoch, im Fall der
Verwendung von Filtervorrichtungen umfassend
Harzdurchtrittslöcher mit durchschnittlichen Durchmessern von
100 µm und 500 µm, zeigten ein zufriedenstellendes
Erscheinungsbild. Dies weist darauf hin, daß für den
durchschnittlichen Durchmesser der Harzdurchtrittslöcher ein
Wert von nicht größer als 500 µm genügt, soweit es das
Erscheinungsbild der Harzbeschichtung anbelangt.
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Das Verhältnis zwischen der Temperatur und dem
Lichtübertragungsverlust wurde für jede dieser drei Proben
gemessen, mit den in Fig. 6 dargestellten Ergebnissen. Die in
Fig. 6 gezeigte Kurve "a" kennzeichnet die ohne Verwendung
der Filtervorrichtung fabrizierte Probe. Andererseits
repräsentieren die Kurven "b" und "c" die Proben, die durch
Verwendung der Filtervorrichtungen mit
Harzdurchtrittslöchern, die jeweils einen durchschnittlichen
Durchmesser von 500 µm und 100 µm besitzen, fabriziert
wurden. Wie aus Kurven "c" ersichtlich, ist der
Lichtübertragungsverlust sogar unter einer solch niedrigen
Temperatur wie -30ºC nicht erhöht, wenn man die Probe
betrachtet, die unter Verwendung der Filtervorrichtung mit
Harzdurchtrittslöchern, die einen durchschnittlichen
Durchmesser von 100 µm besitzen, hergestellt wurde. Jedoch
ist der Lichtübertragungsverlust bei den anderen Proben unter
niedrigen Temperaturen deutlich erhöht, wie in Fig. 6
gezeigt. Daraus folgt, daß in Anbetracht sowohl des
Erscheinungsbildes der Harzbeschichtung als auch der
Übertragungseigenschaften der optischen Faser es notwendig
ist, daß der durchschnittliche Durchmesser der
Harzdurchtrittslöcher der Filtervorrichtung nicht größer als
100 µm ist.
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Für den durchschnittlichen Durchmesser der
Harzdurchtrittslöcher des Filters 42 ist es wünschenswert,
daß dieser nicht größer als 2 µm ist. Es soll in diesem
Zusammenhang angemerkt werden, daß ein Fremdkörper z.B. in
dem Schritt des Öffnen des Deckels 16 des Harztankes 12 dazu
neigt in das Harz 13 einzutreten. Auch ist es wahrscheinlich,
daß das Harz 13, während es warm gehalten wird, geliert und
einen gelierten Abschnitt bildet. Besitzen die
Harzdurchtrittslöcher 43 der Filtervorrichtung 42 einen
durchschnittlichen Durchmesser nicht größer als 2 µm ist es
möglich diese Fremdkörper und gelierten Abschnitte von dem in
die Harzbeschichtungsmaschine eintretenden Harz zu entfernen.
Im Fall der Verwendung einer Filtervorrichtung mit den
Harzdurchtrittslöchern 43, die einen durchschnittlichen
Durchmesser nicht größer als 2 µm besitzen, zum Entfernen der
Fremdkörper und gelierten Abschnitte ist es wünschenswert die
Filtervorrichtung 42 unmittelbar vor der
Harzbeschichtungsmaschine 21 anzuordnen, um ein erneutes
Gelieren des durch die Filtervorrichtung 43 hindurchgeführten
Harzes 13 zu verhindern, bevor es in die
Harzbeschichtungsmaschine 21 gelangt.
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Es wurde experimentell bestätigt, daß es unmöglich ist, die
Fremdkörper und gelierten Abschnitte effektiv von dem Harz 13
zu entfernen, wenn der durchschnittliche Durchmesser der
Harzdurchtrittslöcher 43 größer als 2 µm ist. Im Speziellen
wurde ein Harz, daß ein Aluminiumpulver enthält, welches
durch eine Siebweite von 100 µm tritt, durch
Filtervorrichtungen mit Harzdurchtrittslöchern, die
durchschnittliche Durchmesse von 1 µm bis 30 µm besitzen,
geleitet. Das so erzeugte Harz wurde verwendet, um 30 km
einer optischen Faser zu umhüllen. Eine
Harzbeschichtungsmaschine mit Zweifach-Ziehdüsen wurde
verwendet, um eine Primär-Harzbeschichtung mit einem äußere
Außendurchmesser von 0,18 mm und anschließend eine
Sekundär-Harzbeschichtung mit einem Außendurchmesser von 0,24 mm zu
bilden.
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Jede der so erzeugten Proben von optischen Fasern wurde einem
1% Aussonderungsversuch unterworfen, um die Bruchrate der
Probe zu messen. Der oben erwähnte "1% Aussonderungsversuch"
bezeichnet einen Nachweistest, der durchgeführt wird durch
Anlegen einer Last in solch einer Weise, daß eine 1%-ige
Längenänderung der optischen Faser gestattet wird. Ferner
wurde jeder Probe von optischen Fasern ein Teststück von 2 km
Lange entnommen und mit einer Spannung von 10g oder 70g um
eine Spule aus rostfreiem Stahl gewickelt, die einen
Außendurchmesser von 300 mm besitzt. Unter diesen Bedingungen
wurde eine Differenz in dem Übertragungsverlust (erhöhter
Übertragungsverlustwert) eines von einer Laserlichtquelle
emmitierten Lichts fünf mal bei einer Wellenlänge von 1,57 µm
gemessen. Fig. 7 stellt die in diesem Experiment erhaltene
Bruchrate und Differenz in den Übertragungsverlust dar. Im
Diagramm der Fig. 7 ist der Durchmesser der
Harzdurchtrittslöcher der Filtervorrichtung mit einer
Abscheiderate von 50%, d.h. dem durchschnittlichen
Durchmesser der Harzdurchtrittslöcher, auf der Abszisse
aufgetragen. Andererseits sind die Bruchrate und die
Differenz in dem Übertragungsverlust jeweils auf den zwei
Ordinaten aufgetragen. Kurve "d" in Fig. 7 bezeichnet die
Bruchrate und Kurve "e" die Differenz in dem
Übertragungsverlust. Die Differenz in dem Übertragungsverlust
repräsentiert die Differenz zwischen der Spannung von 70g und
die Spannung von 10g.
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Fig. 7 zeigt deutlich, daß die Bruchrate und die Differenz in
dem Übertragungsverlust im Fall der Verwendung einer
Filtervorrichtung mit Harzdurchtrittslöchern, die einen
durchschnittlichen Durchmesser nicht größer als 2 µm
besitzen, deutlich unterdrückt werden kann, und daß die Werte
dieser Bruchrate und der Differenz in dem Übertragungsverlust
erhöht sind, wenn der oben genannte durchschnittliche
Durchmesser kleiner als 2 µm ist. Daraus folgt, daß es
notwendig ist eine Filtervorrichtung mit
Harzdurchtrittslöchern zu verwenden, deren durchschnittlicher
Durchmesser nicht größer als 2 µm ist, um durch Entfernen der
Fremdkörper und gelierter Komponenten zufriedenstellende
Übertragungseigenschaften und mechanische Eigenschaften einer
optischen Faser zu erhalten.
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Ein zusätzliches Experiment wurde durchgeführt, in einem
Versuch den Oberflächenzustand der Harzbeschichtung zu
untersuchen. In diesem Experiment wurden zwei umhüllte Proben
von optischen Fasern mit einem jeweiligen Außendurchmesser
von 400 µm (der Durchmesser der Faser selbst betrug 125 µm)
durch Umhüllen von optischen Fasern mit einem durch
Bestrahlung mit einem UV-Licht aushärtenden Urethan-Acrylharz
über eine Länge von 100 km erzeugt. In dem Umhüllungsschritt
wurden die optischen Fasern mit einer Geschwindigkeit von
2 m/s bewegt. Zur Herstellung einer der Proben wurde das Harz
durch Harzdurchtrittslöcher mit einem durchschnittlichen
Durchmesser von 2 µm geleitet. Zur Herstellung der anderen
Probe wurde keine Filtervorrichtung verwendet.
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Diese Proben wurden mit einem Apparat zum Erfassen eines
konvexen Abschnittes untersucht, um in diesen Proben
gebildete konvexe Abschnitte zu erfassen. Es stellte sich
heraus, daß die ohne Verwendung einer Filtervorrichtung
hergestellte Probe 48 konvexe Abschnitte besaß im Gegensatz
zu 13 konvexen Abschnitten in der Probe, die unter Verwendung
einer Filtervorrichtung mit Harzdurchtrittslöchern, die einen
durchschnittlichen Durchmesser von 2 µm besitzen, hergestellt
wurde. Daraus folgt, daß die Verwendung einer
Filtervorrichtung mit Harzdurchtrittslöchern, die einen
durchschnittlichen Durchmesser nicht größer als 2 µm
besitzen, eine Reduzierung des durch das Vorhandensein von
Blasen verursachten Verdickens der Harzbeschichtung um 1/4
gestattet.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde eine
zylindrische Filtervorrichtung verwendet. Es ist jedoch nicht
unbedingt erforderlich eine zylindrische Filtervorrichtung zu
verwenden. Zum Beispiel kann in der vorliegenden Erfindung
auch eine plattenähnliche Filtervorrichtung eingesetzt
werden. Desweiteren können zusätzlich zu der in der oben
beschriebenen Ausführungsform verwendeten
Harzbeschichtungsmaschine verschiedene andere
Harzbeschichtungsmaschinentypen verwendet werden.
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Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen dem besseren
Verständnis und sollen den Schutzumfang der Ansprüche nicht
einschränken.