KR20200089229A

KR20200089229A - 자동화된 대형 외경 프리폼 팁핑 공정 및 이로부터 생성된 유리 프리폼

Info

Publication number: KR20200089229A
Application number: KR1020200004851A
Authority: KR
Inventors: 치우린 마; 카이 후에이 창
Original assignee: 헤래우스 쿼츠 노쓰 아메리카 엘엘씨
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2020-01-14
Publication date: 2020-07-24
Also published as: JP2020111500A; CN111434633B; KR102327576B1; EP3683195A1; US20200223737A1; CN111434633A; US11649185B2; JP6861860B2

Abstract

본 발명은 자동화된 큰 외경의 프리폼 팁핑 프로세스을 제공한다. 프리폼의 구역이 노의 내부에서 가열되고 연화된다. 프리폼의 팁은 성형되고, 상기 프로세스는 유리를 가열 구역의 위 아래로 이동시킴으로써 그리고 프리폼의 하측 부분의 중량을 감지함으로써 제어되는데, 사실상 이는 연화된 재료의 점도의 측정값이다. 일단 정확한 점도에 도달하면, 섬유로 인발될 때 폐기 및 도파관 왜곡을 최소로 하면서 프리폼 팁이 최적으로 성형되도록 (일반적으로 짧고 예리하게 팁핑되도록), 정밀하게 프로그래밍 및 제어되는 (유리 흐름의 FEM 시뮬레이션에서 얻어진) 비선형 가속도 프로파일로 하단 홀더가 상단 홀더로부터 멀어지게 이동된다. 상기 비선형 가속도 프로파일의 동일한 개념이 또한 수평 프리폼 팁핑 프로세스 등과 같은 다른 팁핑 프로세스에도 적용될 수 있다.

Description

자동화된 대형 외경 프리폼 팁핑 공정 및 이로부터 생성된 유리 프리폼{AUTOMATED LARGE OUTSIDE DIAMETER PREFORM TIPPING PROCESS AND RESULTING GLASS PREFORMS}

본 출원은 일반적으로 세장형 유리 컴포넌트들을 생성하는 것에 관한 것으로, 보다 구체적으로 우수한 팁 기하학적 구조들 및 형태들, 유리 폐기물 감소 및 최소 클래드-투-코어 도파관 왜곡을 갖는 세장형 유리 컴포넌트들을 제조하는 공정을 사용하는 것에 관한 것이다.

본 출원의 양수인들인, Heraeus Tenevo LLC & Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG에 의해 2017년 11월 15일에 출원된 "Upward Collapse Process and Apparatus for Making Glass Preforms"이라는 명칭의 미국 특허 출원 공개 번호 제2018/0145752호에 개시된 바와 같이, 광섬유의 설계 및 적용과 관련된 응용 과학 및 공학 분야는 섬유 광학으로 알려져 있다. 광섬유는 사람의 헤어 두께보다 약간 두꺼운 직경으로 유리(실리카)를 인발함으로써 만들어진 가요성의 투명한 섬유이다. 광섬유는 섬유의 두 단부들 사이에서 광을 전송하는데 가장 많이 사용되고, 광섬유 통신에 폭넓게 사용되며, 이들은 유선 케이블보다 더 먼 거리와 더 높은 대역폭(데이터 속도)에서 전송을 허용한다. 섬유는 신호들이 손실을 줄이면서 높은 용량으로 섬유를 따라 이동하기 때문에 금속 와이어 대신 사용된다. 추가로, 섬유는 또한 금속 와이어가 겪는 문제인 전자기 간섭에 대한 면역성이 있다. 섬유는 또한 조명(illumination)에 사용되며, 이미지들을 운반하는데 사용될 수 있도록 다발로 감싸지며, 이에 따라 파이버스코프(fiberscope)의 경우와 같이 제한된 공간에서 볼 수 있도록 한다. 특별히 설계된 섬유는 광섬유 센서들 및 광섬유 레이저와 같은 다양한 다른 어플리케이션들에도 사용된다.

광섬유는 일반적으로 더 낮은 굴절률을 갖는 투명한 클래딩 물질로 둘러싸인 투명한 코어를 포함한다. 내부 전반사 현상에 의해 빛이 코어에 유지되어 섬유가 도파관으로 작용한다. 많은 전파 경로들 또는 횡방향 모드들을 지원하는 섬유들은 다중 모드 섬유라 하고; 단일 모드를 지원하는 섬유는 단일 모드 섬유라 한다.

오늘날, 엄격한 광섬유 컷오프 파장 스펙이 충족되어야 하며, 이러한 스펙을 달성하기 위한 수율 손실은 허용되지 않는다. 컷오프 파장은 단일 모드 광섬유가 다중모드 섬유로 작용하는 파장 미만으로 정의될 수 있다. 또는, 다시 말해서, 컷오프 파장은 단일 모드 동작이 단일 모드 광섬유에서 보장되는 파장 위의 파장으로 정의될 수 있다. 많은 네트워크 플래너들은 이제 케이블 컷오프 파장이 광섬유 케이블 스펙을 준비하는 동안 정의해야 할 가장 중요한 파라미터들 중 하나라는 것을 깨닫고 있다.

광섬유는 일반적으로 퍼니스(furnace)에서 미리 제조된 프리폼을 가열하고 프리폼을 광섬유로 인발하여 제조된다. 하나의 프리폼은 7,000 내지 8,000 km 정도의 광섬유를 수득할 것이다. 프리폼의 외경에 따라 사프하고 짧은 팁(tip)을 갖는 프리폼으로 섬유 인발을 효율적으로 신속하게 시작하는 것이 바람직하다. 또한, 프리폼 팁은 그로부터 인발된 섬유가 최소한의 파손 및 폐기물을 갖는 정확한 섬유 컷오프 성능을 갖도록 적절한 클래드 대 코어 비율을 가져야 한다.

종래 하향식 인발 시스템들 및 공정들에 내재된 문제들을 해결하기 위해, 광섬유 프리폼을 생산하기 위한 장치 및 해당 장치를 사용하는 관련 상향식 콜랩스 공정의 첫 번째 목적은 프리폼의 외경에 따라 샤프하고 짧은 팁을 갖는 프리폼을 생산하는 것이다. 두 번째 목적은 섬유 컷오프 파장이 정확하도록 이러한 프리폼으로부터 인발된 최종 섬유에서 도파관(클래드-투-코어) 왜곡 효과들을 최소화하고, 아마도 제거하는 것이다. 세 번째 목적은 종래 하향식 인발 시스템들 및 공정들에 내재된 프리폼 팁핑(tipping) 및 어셈블리 문제들에서 유리 폐기물을 최소화하고, 아마도 제거하는 것이다. 네 번째 목적은 후속 섬유 인발에서 최고의 생산성을 위해 우수한 기하학적 구조 및 도파관 특성들을 갖는 가장 큰 프리폼 크기를 달성하는 것이다. 다섯 번째 목적은 최고 품질(가장 깨끗하고 건조한) RIT(Rod-in-Tube) 또는 RIC(Rod-in-Cylinder) 프리폼 계면을 달성하는 것이다. 여섯 번째 목적은 소중하고 고가의 심봉들 및 실린더들을 위한 오버클래드 공정에서 거의 제로 폐기물을 달성하기 위해 그 무게가 완전히 독립적으로 지지되도록 실린더 내부에서 (함께 용접하지 않고) 임의의 길이의 복수의 자립형(free-standing) 심봉(core rod)들을 적층되게 하는 것이다. 추가 목적들은 온라인 팁핑(online tipping)을 허용하고 거의 100% 마감된 프리폼 수율을 달성하는 것이다.

추가 목적은 프리폼 기하학적 구조의 정확한 정렬 및 제어를 위해 수평(X-Y) 평면에서 프리폼을 제조하는데 사용된 유리 바디의 플로팅 포지셔닝(floating positioning) 및 수직(z) 방향으로의 정확한 선형 이동 둘 다를 허용하는 것이다. 또 다른 추가 목적은 하나 이상의 로드 셀들에 의한 가열 동안 유리 바디의 비헤이비어(behavior)를 모니터링하는 것이다. 또 다른 추가 목적은 프리폼 인발 및 팁핑 공정의 정확한 치수 제어를 위해 물리현상 및 질량 보존을 사용하여, 종래 온라인 측정 및 피드백 제어의 비용을 제거하는 것이다.

또 다른 목적은 프리폼 계면을 에칭, 세정 및 건조하기 위해 반응성 가스를 사용하는 것이다. (1) 프리폼 외부 표면과 직접 접촉을 피하고, (2) 계면이 외부 환경으로부터, 특히 진공 개시 동안 장치의 가열 엘리먼트(예를 들어, 퍼니스) 내부의 오염들로부터 차단되도록 프리폼 어셈블리를 완전히 밀봉하는 본질적 세정 공정을 제공하는 것이 또 다른 목적이다. 관련 목적은 프리폼의 외부 표면을 접촉하지 않고 프리폼 중량을 지지하는 것이다. 다른 관련 목적은 제조 공정 동안 프리폼에 대한 측면 또는 횡방향 힘들을 피하고, 프리폼 보우(preform bow)를 최소화하거나 제거하는 것이다. 또 다른 목적은 예를 들어, 에어라인, 기포, 섬유 파손 및 손실 문제를 피함으로써 프리폼 또는 섬유 계면의 품질을 향상시키는 것이다.

또한, 최적의 상향식 인발 및 프리폼 팁핑 레시피를 효율적으로 개발하기 위해 유한 엘리먼트 모델링을 사용하는 것이 목적이다. 관련 목적은 개발 동안 필요한 시험 횟수를 줄임으로써 귀중한 퍼니스 생산 능력을 절약하는 것이다. 또 다른 관련 목적은, 특히 양호한 프리폼 및 광섬유 수율의 최종 양이 "압착(squeezed)"될 수 있는 프리폼의 두 단부들에서, 퍼니스 가열 및 유리 흐름의 복잡한 열 물리학의 정확한 열 이해를 가능하게 하는 것이다.

또 따른 목적은 장치 및 광섬유 프리폼을 제조하기 위한 장치를 사용하는 관련 상향식 콜랩스 공정을 조합하여, 카메라 시스템 및 패턴화된 배경을 갖는 프리폼 측정 능력을 제공하는 것이다. 관련 목적은 도파관 기하학적 특성들의 자동화되고 비파괴적이며 생산 친화적인 측정을 제공하는 것이다. 또 다른 관련 목적은 프리폼의 사용자들에게 도파관 품질의 부가 가치 보장 및 광섬유 인발을 미세 조정할 수 있는 기회를 제공하는 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위해, 우수한 팁 기하학적 구조 및 형태, 감소된 유리 폐기물 및 최소 클래드 대 코어 도파관 왜곡을 갖는 유리 프리폼을 제조하기 위해 장치 및 상기 장치를 사용하는 관련 상향식 콜랩스 공정이 제공된다. 장치는 중량, 원주, 및 심봉 및 갭에 의해 분리된 클래딩("실린더")을 갖는 유리 바디를 수용한다. 장치는 클래딩의 상부에 부착된 상부 칼라로서, 상부 칼라는 클래딩의 외경과 거의 동일하거나 작은 외경을 가지는, 상기 상부 칼라; 클래딩의 하부에 부착된 하부 칼라로서, 하부 칼라는 클래딩의 외경보다 작거나 거의 동이한 외경을 갖는, 상기 하부 칼라; 옵션 스페이서에 의해 지지된 실린더 내부의 하나 이상의 자립형 적층 심봉들; 하부 칼라 및 옵션 스페이서 둘 다를 고정 및 지지하는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛으로서, 유리 바디의 원주에 접촉하지 않고 유리 바디의 전체 중량을 지지함으로써, 하부 칼라 홀드 및 진공 유닛은 장치로부터 카스를 제거하거나 장치에 가스를 도입하는, 상기 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛; 상부 칼라를 고정 및 지지하는 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛으로서, 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛은 장치로부터 가스를 제거하거나 장치로 가스를 도입하는, 상기 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛; 및 유리 바디를 가열하고, 심봉 상에 클래드를 콜랩스(collapse)하고, 갭을 막고 유리 프리폼을 생성하기 위한 가열 엘리먼트 및 정의된 가열 구역을 가지는 오버클래드 또는 인발 타워 구조 또는 프레임을 포함한다.

관련 상향식 콜랩스 공정은 최소한의 클래드 대 코어 도파관 왜곡을 갖는 유리 프리폼을 생성한다. 공정은 중량, 원주, 및 심봉 및 갭에 의해 분리된 클래딩("실린더")을 갖는 유리 바디를 제공한다. 상부 칼라는 클래딩의 상부에 부착되고 하부 칼라는 클래딩의 하부에 부착된다. 하부 칼라는 인발 타워에 위치된 가열 구역 아래에 위치된 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛으로 지지된다. 자립형 적층 심봉(즉, 함께 용접되지 않음)은, 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛이 유리 바디의 원주와 접촉하지 않고 유리 바디의 전체 중량을 지지하도록, 하부 칼라에 의해 또는 적층 심봉들이 받쳐지고 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛에 의해 지지되는 옵션 스페이서에 의해 아래로부터 지지된다. 상부 칼라는 가열 구역 위에 위치된 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛으로 지지된다. 유리 바디는 가열 구역에 위치된 가열 엘리먼트의 중심에 대하여 미리 결정된 레시피에서 위쪽으로 위치 및 이동된다. 유리 바디가 가열 구역을 통해 위쪽으로 공급됨에 따라, 클래딩이 심봉으로 콜랩스되어, 갭을 막고 유리 프리폼을 생성한다.

개선된 상향식 콜랩스 공정은 프리폼의 외경에 비해 샤프하고 짧은 팁; 감소된 유리 유리 폐기물; 및 최소한의 클래드 대 코어 도파관 왜곡을 갖는 유리 프리폼을 생성한다. 프리폼 어셈블리의 구역이 퍼니스 내부에서 가열되고 연화된다. 프리폼 팁은 형태가 잡히고 고정은 가열 구역 위와 아래에서 유리의 정확한 움직임, 퍼니스 가열 타이밍 및 프리폼의 하부(또는 대안적으로 상부) 부분의 중량 감지에 의해 제어되며, 이는 사실상 연화된 물질의 점도의 척도이다. 일단 정확한 점도에 도달하면, 하부 홀더는 프리폼 팁이 (후속으로 인발된 광섬유에서) 최소한의 도파관 왜곡 및 낭비를 가지면서 최적으로 형태(일반적으로 짧고 샤프하게 팁핑됨)가 잡히도록 가속된 벨로시티 프로파일(유리 흐름의 FEM 시뮬레이션에서 파생됨)로 상부 홀더로부터 멀어진다. 고도의 비선형의, 가속된 벨로시티 풀링 레시피와 동일한 개념은 버팅 선반 및 산소-수소 토치 가열의 수평 프리폼 팁핑 공정과 같은 다른 팁핑 공정들에도 적용될 수 있다.

관련된 자동화된 대형 외경 프리폼 팁핑 공정은 소정의 팁 기하학적 구조들 및 형태들, 감소된 유리 폐기물 및 후속 인발 섬유에서의 최소한의 클래드 대 코어 도파관 왜곡을 갖는 유리 프리폼을 수득한다. 상기 공정은 가열 구역, 프리폼의 일단에 고정하도록 적응된 제1 고정 유닛, 및 프리폼의 대향단에 고정하도록 적응된 고정 유닛을 가지는 장치에서 유리 프리폼을 생성하는 단계; 가열 구역에서 유리 프리폼의 영역을 가열하여, 초기에 상기 영역에 프리폼을 연화시키는 단계; 가열 구역의 온도를 조정하는 단계; 동기화된 방식으로 제1 및 제2 고정 유닛들을 동시에 이동시킴으로써 가열 구역에 대해 프리폼을 팁핑 위치로 위치시키는 단계; 프리폼의 실질적으로 모든 중량을 제1 고정 유닛으로 전달하기 위해 제1 홀딩 유닛의 위치를 변경하는 단계; 프리폼 영역이 연화될 때까지 가열 구역에 열을 인가하는 단계; 적어도 제2 고정 유닛을 미리 결정된 비선형 벨로시티 프로파일을 따라 가열 구역으로부터 멀리 이동시키는 단계; 프리폼의 영역에서 박막형 스트랜드를 생성하는 제2 고정 유닛의 벨로시키가 최대 값에 도달하면, 적어도 가열 구역을 온도를 감소시키는 단계; 및 팁형 유리 프리폼을 산출하기 위해 박막형 유리 스트랜드를 절단하는 단계를 포함한다.

전술한 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명 둘 다 본 발명의 예시로서, 제한하는 것이 아님이 이해되어야 한다.

본 발명은 첨부 도면과 관련하여 읽을 때 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 일반적인 관례에 따르면, 도면의 다양한 특징들은 스케일링되지 않는다는 것이 강조된다. 반대로, 다양한 특징들의 치수들(dimensions)은 명확성을 위해 임의로 확장되거나 축소된다. 도면에는 다음의 그림들이 포함된다:
도 1은 유리의 세장형 컴포넌트를 형성하는 상향식 콜랩스 공정에 사용된 장치의 주요 컴포넌트들을 예시하는 개략도이다;
도 2는 광학 컴포넌트를 생상하는데 사용된 유리 바디의 측면 사시도이다;
도 3a, 3b, 3c 및 3d는 가열 엘리먼트에 위치된 유리 바디를 도시하는, 상향식 콜랩스 공정의 FEM 시뮬레이션의 4 단계들을 예시한다;
도 4a는 공정 실행이 차가운 쪽에 있음을 나타내는 상대적으로 큰 진폭을 반영하는 로드 셀 판독 "리플들(ripples)"을 예시한다;
도 4b는 공정 실행이 뜨거운 쪽에 있음을 나타내는 상대적으로 작은 진폭을 반영하는 로드 셀 판독 "리플들"을 예시한다;
도 5는 도 1에 도시된 장치와 조합하여 사용된 프리폼 측정 장치의 실시예의 개략도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 팁핑 동작에서 달성된 비선형 속도(또는 벨로시티) 프로파일들의 그래프이며, 도 6b 및 6c는 각각 저속에서의 속도 프로파일들의 세부 사항을 도시한다;
도 7a, 7b, 7c, 7d 및 7e는 가열 엘리먼트에 위치된 유리 바디를 도시하는 온라인 하부 팁핑 공정의 FEM 시뮬레이션에서의 5 단계들을 예시한다;
도 8a, 8b, 8c 및 8d는 가열 엘리먼트에 위치된 유리 바디를 도시하는 온라인 중간 팁핑 공정의 FEM 시뮬레이션에서의 4 단계들을 예시한다;
도 9a는 팁이 요구된 팁 외경에서 스냅 절단되기 전에 온라인 하부 팁핑 공정으로부터 생성된 팁을 예시한다;
도 9b는 온라인 하부 팁핑 공정 동안 하부에서의 유리 드립을 예시한다;
도 9c는 FEM 시뮬레이션에 의해 예측된 바와 같이 온라인 하부 팁핑 공정 동안 하부에서의 유리 드립을 예시한다;
도 10은 이중 팁의 중간에서의 스냅 절단 준비가 된 위치에서의 중간 팁핑 테스트의 최종 결과를 예시한다;
도 11a, 11b 및 11c는 200 mm OD 프리폼에 적용된 온라인 하부 팁핑 공정을 위한 세 가지 다른 팁핑 속도 프로파일들을 예시하는 온도 프로파일들을 제공한다;
도 12는 도 11a, 11b 및 11c에 예시된 각각의 세 가지 다른 팁핑 속도 프로파일들로부터 생긴 프리폼 팁 형태들을 비교한, 프리폼 반경에 대한 프리폼 높이의 그래프이다;
도 13a, 13b 및 13c는 150 mm OD 프리폼에 적용된 온라인 하부 팁핑 공정을 위한 세 가지 다른 팁핑 속도 프로파일들을 예시하는 온도 프로파일들을 제공한다;
도 14는 도 13a, 13b 및 13c에 예시된 각각의 세 가지 다른 팁핑 속도 프로파일들로부터 생긴 프리폼 팁 형태들을 비교한, 프리폼 반경에 대한 프리폼 높이의 그래프이다;
도 15a, 15b 및 15c는 0.2g 속도 프로파일을 사용하여 200 mm OD 프리폼에 적용된 온라인 하부 팁핑 공정을 위한 세 가지 다른 팁핑 위치들을 예시하는 온도 프로파일들을 제공한다;
도 16a는 공정에서 6,950 초에서(즉, 연속 공정의 스냅샷에서)의 가열 구역의 중심의 70 mm 위에 위치된 팁핑 위치를 갖는 가열 구역 및 프리폼의 온도 프로파일을 예시한다;
도 16b는 도 16a의 화살표 "H" 사이에서 획득된 도 16a의 확대도이다;
도 17a는 0.2g 속도 프로파일을 사용하여 200 mm OD 프리폼에 적용된 온라인 하부 팁핑 공정에 대해, 프리폼의 섹션들의 경계를 표시하는 사실상 수평으로 배향된 점선을 갖는, 프리폼 반경에 대한 프리폼 높이의 그래프이다;
도 17b는 도 17a로부터 취한 측정치들을 사용하여, 프리폼 OD/코어 OD의 비율에 대한 프리폼 높이의 그래프이다; 그리고
도 18은 최소 제곱 피팅 지수 함수(least square fitted exponential function)를 반영하는 본 발명의 실시예에 따른 하부 팁핑 동작에서 달성된 비선형 속도(또는 벨로시티) 프로파일의 그래프이다.

광섬유는 일반적으로 두 개의 별도의 공정들로 제작된다. 첫째, 심봉이 제조된 다음, 로드-인-튜브(rod-in-tube; RIT) 또는 로드-인-실린더(rod-in-cylinder; RIC) 공정에 의해, 또는 외부 증기 증착(OVD) 공정과 같은 또 다른 오버 클래드 공정에 의해 프리폼이 제조된다. 둘째, 제조된 프리폼은 퍼니스 내부에서 가열되고 광섬유로 인발된다. 첫째 및 둘째 공정들을 완료한 광섬유 프리폼을 생산하기 위한 종래 공정 및 장치는 광섬유 RIT 오버클래드 장치의 프로비전(provision)을 포함할 수 있다.

오버 클래드 장치는 수직 선반, 수직 선반의 각 단부에 설치된 척(chuck), 수직 선반의 양 단부들 사이를 수직으로 이동하기 위한 수직 선반의 캐리지(carriage), 캐리지에 설치된 산소-수소 버너, 캐리지에 설치된 퍼니스(furnace), 수직 선반의 단부에 제공된 진공 펌프, 진공 펌프를 수직 선반의 단부에 연결하는 커플러, 및 캐리지의 수직 이동, 산소-수소 버터의 유동률 및 척의 회전을 제어하는 컨트롤러를 포함한다. 퍼니스는 유리 튜브로 심봉을 오버 클래딩하기 위해 유리 튜브를 예열 또는 가열한다.

실제로, 프리폼의 외경은 종래의 RIT 오버 클래드 장치에서 90 mm 이하로 제한된다. 이러한 제한은 산소-수소 버너에 의한 비효율적인 가열에 의해 부과된다. 더욱이, 상부 단부로부터 심봉 중량에 대한 개별 지지대를 제공하기 위해 핸들이 단일 심봉(RIT 오버 클래드 튜브와 동일한 길이)에 용접되어야 한다. 이는 다음과 같은 두 가지 단점을 발생시킨다: (1) 짧은 심봉은 효율적으로 사용될 수 없기 때문에 심봉 물질의 낭비; 및 (2) 특히 산소-수소 토치로 핸들을 심봉에 용접하면 심봉의 표면에 표면 수산화물(OH)이 통합되어 에칭되지 않으면(공정에 대한 추가 비용) OH 흡수로 인해 특히 1,383 nm에서 섬유 감쇠가 증가할 수 있다.

보다 최근에, 석영 유리 튜브, 로드 또는 콜랩스된 오프라인 로드-인-실린더(ORIC)를 위한 프리폼들은 하부 단부가 연화되기 시작하여 스트랜드(strand)를 형성하도록 수직 방향으로 가열 부위(예를 들어, 퍼니스)를 포함하는 장치로 석영 유리 컴포넌트(예를 들어, 실린더, 잉곳(ingot) 또는 콜랩스되지 않은 RIC)를 도입함으로써 생산되었다. 그런 다음, 스트랜드는 하나 이상의 풀링 휠 세트를 포함하는 풀링 장치에 배치된다. 스트랜드의 인발 속도는 풀링 휠의 속도에 의해 제어되며, 이는 형성 부위 온도 또는 점도 및 휠에 의해 지지되는 스트랜드의 중량에 따라 하향 또는 상향 힘을 인가할 수 있다. 성형은 다이의 도움없이 달성된다. 따라서, 스트랜드 치수들은 석영 유리 컴포넌트의 공급 속도, 가열 부위의 온도 및 풀링 휠의 속도에 의해 제어된다.

종래의 ORIC 공정에서, 합성 고순도 유리로 제조된 실린더(일반적으로 약 200 mm의 외경을 갖는 3 m 길이)는 계면 갭에서 열과 진공으로 광섬유를 형성하기 위해 고순도 유리 심보에 콜랩스된다. 프리폼은 일반적으로 실린더의 원래 직경보다 상당히 작은 직경으로 아래쪽으로 연속적으로 인발된다. 연화된 유리를 통해 심봉의 무게를 지지할뿐만 아니라 계면 콜랩스를 용이하게 하기 위해 실린더와 심봉 사이의 갭에 충분한 진공이 가해져야 한다. 진공은 실린더와 관련하여 심봉 이동을 방지하기 위해 필수적이다; 그렇지 않으면, 결과적으로 생긴 프리폼의 클래드 대 코어 비율은 왜곡되고 그들로부터 인발된 섬유들은 요구된 도파관 사양(컷오프 파장과 같은)을 충족시키지 못할 것이다. 또한, 하향식 콜랩스, 스트레치 및 인발 공정에서는 복잡하고 고가의 프리폼 외경 측정 및 피드백 제어가 필요하며, 이러한 제어에서도, 정밀한 프리폼 기하학적 구조(낮은 프리폼 보우 또는 곡률 및 직경 변동을 포함) 및 클래드 대 코어 왜곡의 도파관 특성 방지를 달성하는 것은 어렵다. 하향식 인발 공정에서 이러한 고유한 도파관 왜곡 효과는 상당 부분이 외부 클래딩 유리가 더 뜨거워질 때 내부 심봉 유리보다 더 빨리 아래로 흐르는 퍼니스에서 용융된 유리 및 부착되지 않은 심봉에 작용하는 중력 및 진공력 때문이다.

종래의 하향식 인발 시스템들 및 공정들로 원래의 실린더 또는 클래딩 크기에 가까운 외경들을 갖는 가장 큰 프리폼들을 생성하는데 상당한 어려움이 있다. 프리폼의 기하학적 구조 및 도파관 특성들은 기하학적 구조, 클래드 대 코어 비율 및 보우(bow)와 같은 이러한 파라미터들 측면에서 요구된 사양들과는 거리가 먼 공정의 시작 시와 종료 시 상당한 양의 우수한 프리폼 유리가 낭비된다. 따라서, 종래 프리폼 시스템들 및 공정들은 뚜렷한 단점들이 있다.

미국 특허 출원 공개 번호 제2018/0145752호에 따르면, 도파관(클래드 대 코어) 왜곡이 거의 없고 폐기물 및 비용이 상당히 감소된 것으로 알려진 가장 큰 외부 직경 및 길이(즉, 종래 외경이 약 150 mm이고 약 3m 길이로 제한되는 경우, 약 200 mm의 외경, 또는 원래 실린더 또는 클래딩과 대략 동일한 크기)를 갖는 프리폼을 수득하는 장치 및 상향식 콜랩스 고정이 제공된다. 종래 광섬유 프리폼들은 90 내지 150 mm의 외경을 갖는다. 능률적인 상향식 콜랩스 공정(streamlined upward collapse process)에서, ORIC 클래딩에서의 적층 심봉들은 아래로부터 지지되고 (따라서 심봉들이 콜랩스 공정에서 클래딩에 대해 이동되지 않음), 전체 ORIC 어셈블리는 퍼니스에 대해 위로 이동하므로 프리폼은 도 1에 예시되고 아래에 설명된 바와 같이 연속적으로 콜랩스되고 위로 인발된다. 장치 및 상향식 콜랩스 공정은: (1) 가장 큰 공지된 오버클래드 실린더로 콜랩스 전용 공정에서 만들 수 있기 때문에 가장 큰 공지된 프리폼을 생산하고, (2) 통합된 온라인 팁핑 공정(프로세싱 시간 및 가열 단계 절약)을 포함하는 거의 100% 오버클래드 및 마감된(팁형) 프리폼 수율(거의 폐기물 없음) 및 늉률화되고 간소한(예를 들어, 온라인 측정 또는 피드백 제어에 대한 필요 없음) 공정 때문에 비용이 절감되고, (3) 가변적이고 임의의 길이의 고정, 적층 및 지지된 심봉들로 본질적으로 낮은 도파관 (클래드 대 코어) 왜곡으로 인해 도파관 품질을 향상시키고, (4) 계면을 개선하고 심봉 D/d 비율을 낮추기 위해 (도파관 코어에 가까운 계면) 약 1 기압(즉, 진공이 필요 없음)까지 계면에 반응성 가스(SF₆ 과 같은)가 적용되도록 한다.

심봉들에 대한 D/d 비율은 심봉의 외경 대 (광이 전파되는) 도파관 코어의 직경의 비이며, 여기서 "D"는 심봉의 외경이고 "d"는 도파관 코어의 직경이다. 이 비율은 코어 용량 확장을 정의 시 광섬유들을 생산하기 위해 RIT 또는 RIC 프리폼들을 사용하는 사람들에게 매우 중요하다. 심봉의 D/d 비율이 감소함에 따라, 계면은 도파관 코어에 가까워지고 심봉에 필요한 유리의 상대적인 양이 감소함(반면에 클래딩의 유리의 양은 증가해야 함)을 의미한다. 이는 결국 동일한 심봉 제조 시설에서 심봉을 만들기 위한 용량(또는 광섬유 코어의 등가 용량)이 대략 D/d 제곱(예를 들어, 3.3에서 2.3으로 D/d를 줄임으로써 코어 용량의 배가)으로 스케일링된다. 그러나, 심봉 D/d를 감소시키는 것은 거기에서 기하급수적으로 증가하는 광 전력 전파로 인해 오버클래드 물질 순도 및 계면 품질에 상당한 난제를 제시한다. 따라서, 낮은 심봉 D/d에서, 계면(예를 들어 SF₆)에서의 보다 적극적인 가스 에칭, 세정 및 건조 공정이 필요하다. 요약하면, D/d 비율이 낮을수록(즉, 계면이 코어에 가까워질수록) 프리폼 제조업체는 (a) 값 비싼 투자없이 코어 용량을 쉽게 확장할 수 있고, (b) 코어에 가까운 굴절률 특징들로 보다 복잡하고 진보된 광섬유 설계를 실현할 수 있다.

도 1을 참조하면, 광섬유 프리폼을 생산하기 위한 장치(10)가 도시된다. 장치(10)는 수직으로 배열된 프레임(12)을 포함한다. 하부에서 상부로, 프레임(12)은 하부 개방 단부; 예열 또는 하부 절연 구역(14); 가열 구역(16); 후열 또는 상부 절연 구역(17); 후열 냉각, 어닐링 및 오븐 가스 퍼징 구역(18); 및 하부 개방 단부에 대향되는 상부 개방 단부를 갖는다. 가열 구역(16)은 가열 엘리먼트(일반적으로 오븐 또는 퍼니스(furnace))에 의해, 바람직하게는 500 ℃ 내지 2,300 ℃, 보다 바람직하게는 1,000 ℃ 내지 2,300 ℃, 또한 가장 바람직하게는 1,500 ℃ 내지 2,300 ℃의 온도로 가열될 수 있다. 보다 구체적으로, 가열 엘리먼트는 바람직하게는 환형(annular) 구성이다. 가열 엘리먼트는 바람직하게는 프레임(12)의 가열 구역(16)을 형성하기 위해 프레임(12) 내에 또는 주위에 위치된다. 비활성 가스는 가열 엘리먼트의 산화를 방지하기 위해 고온에서 가열 엘리먼트로 주입된다.

도 2를 참조하면, 유리 바디(20)는 광섬유 프리폼들을 생산하는데 사용된다. 유리 바디(20)는 원통형 또는 튜브형 구성이다. 유리 바디(20)는 제1 또는 상부 단부(22)로부터 대향되는 제2 또는 하부 단부(24)로 연장되는 길이(L)를 갖는다. 종방향 축(X)은 대향되는 제1 및 제2 단부들(22, 24) 사이에서 연장된다. 바람직하게는, 유리 바디(20)의 제1 및 제2 단부들(22, 24) 둘 다 정사각형 절단 단부들이다.

유리 바디(20)는 바람직하게는 도파관 광섬유 코어를 포함하는 유리 코어 또는 심봉(30) 및 심봉(30)을 둘러싸는 유리 클래딩(32)으로 구성된다. 보다 구체적으로, 심봉(30)은 바람직하게는 유리 바디(20)의 기하학적 중심에 형성되고 유리 바디(20)의 길이(L)를 따라 연장된다. 클래딩(32)은 바람직하게는 유리 바디(20)의 길이(L)를 따라 심봉(30)을 방사상으로 둘러싸도록 심봉(30) 위에 형성된다. 클래딩(32)은 공통 중심선을 따라 정렬된 동축 배열로 심봉(30)을 둘러싼다. 심봉(30)과 클래딩(32) 사이에 갭(31)이 초기에 존재한다. 클래딩(32)은 외경("OD")을 갖는다.

클래딩(32)은 순수한 석영 유리 또는 도핑된 석영 유리일 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 클래딩(32)은 도핑되지 않든 (예를 들어, 불소로) 도핑되든 고순도 합성 실리카이다. 심봉(30)은 적절한 굴절률 프로파일을 달성하기 위해 바람직하게는 도핑 및 비도핑 영역들을 갖는 주로 고순도 석영 유리이다. 클래딩(32) 및 심봉(30)은 용융 석영 또는 내부 기상 증착, 외부 기상 증착 및 기상축 증착을 포함하는 하나 이상의 유형들의 화학 기상 증착(CVD)과 같은, 임의의 적절한 공정에 의해 각각 형성될 수 있다. 심봉(30) 중심에 있는 코어 물질은 일반적으로 프리폼으로부터 인발된 섬유를 통과하는 광 신호들의 내부 반사를 가능하게 하기 위해 주변 클래딩(32)의 물질의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지며, 그 결과 효율적인 도파관이 된다.

도 1로 다시 돌아가면, 제1 또는 상부 칼라(first or top collar)(40)가 클래딩(32)의 상부에 부착된다. 상부 칼라(40)를 클래딩(32)에 부착하는데 다른 메커니즘들이 사용될 수 있지만, 상부 용접(42)이 적합하다. 상부 칼라(40)의 외경은 클래딩(32)의 외경과 거의 동일하거나 작다. 제2 또는 하부 칼라(44)는 클래딩(32)의 하부에 부착된다. 하부 칼라(44)를 클래딩(32)에 부착하는데 다른 메커니즘들이 사용될 수 있지만, 하부 용접(46)이 적합하다. 하부 칼라(44)의 외경은 클래딩(32)의 외경보다 작거나 거의 동일하다. 상부 칼라(40) 및 하부 칼라(44)는 둘 다 중공의 튜브형 컴포넌트들이다.

적층 심봉들(30)은 클래딩(32) 내부에 위치되고, 짧은 옵션 스페이서(48)의 상부에 놓이고, 이는 차례로 긴 스페이서(50)의 상부에 놓인다. 짧은 스페이서(48)는 긴 스페이서(50)가 상향식 콜랩스 공정 후에 프리폼에 용접되지 않도록 한 다음 하부 칼라(44)로부터 쉽게 제거될 수 있도록 보장하기 위해 긴 스페이서(50)의 상부에 제공된다. 긴 스페이서(50)는 긴 스페이서(50) 아래에 위치된 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)에 의해 지지된다. 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)은 또한 그 명칭이 내포하고 있는 바와 같이 하부 칼라(44)를 고정하고 지지한다. 프리폼 어셈블리(클래딩(32)에 부착된 상부 칼라(40) 및 하부 칼라(44)와 함께, 유리 바디(20)의 적층 싱봉들(30) 및 클래딩(32)를 포함함)와, 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)은 오븐 가스 퍼징 구역(18) 위에 위치된 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)에 우선 로드된다. (하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)과 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)은 장치(10)가 가스를 제거, 즉 진공을 발생시키거나, 장치(10)의 어느 단부에서든 장치(10)로 가스를 도입하도록 한다. 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)은 그 명칭이 내포하고 있는 바와 같이 상부 칼라(40)를 고정하고 지지한다.) 그런 다음, 유리 바디(20)는 가열 구역(16), 보다 구체적으로는, 가열 구역(16)의 가열 엘리먼트에 대해 위치되고 가열 엘리먼트를 통해 위로 이동된다. 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)은 가열 구역(16) 아래에 파지되고 지지된다; 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(55)은 가열 구역(16) 위에 파지되고 지지된다. 가열 단계가 시작되기 전에, 상부 용접(42)(및, 이에 따른 클래딩(32)의 상부)은 상부 용접(42)에 대한 열 충격을 피하기 위해 초기에 가열 엘리먼트의 중심 아래에 미리 결정된 거리를 둔다. ("미리 결정된(predetermined)"은 사전에 결정되는 것을 의미하므로, 미리 결정된 특성은 어떤 경우에 앞서 선택되거나 또는 적어도 알려진 것으로 결정되어야 한다.) 예를 들어, 이 거리는 약 350 mm일 수 있다.

장치(10)를 사용하여 프리폼을 제조하는 상향식 콜랩스 공정(upward collapse process)이 도 1을 참조하여 설명된다. 유리 바디(20)는 프레임(12)을 통과되며, 여기서 광섬유 프리폼과 같은 광학 컴포넌트를 형성하기 위해 가열되고, 연화되고, 신장된다. 보다 구체적으로, 유리 바디(20)의 하부 단부(24)는 바람직하게는 공정의 시작 시 프레임(12)에 안정한 방식으로 위치된 다음, 유리 바디(20)는 프레임(12)을 통해 상향(즉, 종래의 하향에 반대되는) 방향으로 진행된다. 프레임(12)에서, 유리 바디(20)는 가열 구역(16)에서 구역-단위(zone-wise)로 가열된다. 프리폼은 오버클래드 갭(31)을 콜랩스시키고 심봉들(30)을 오버크래드 실린더 또는 클래딩(32)에 융합시키기 위해 용융 변형에 의해 연속적으로 생성된다 (그리고 옵션으로 프리폼은 공정 동안 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)과 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)에 의해 가해지는 당김력 또는 압축력에 의해 스트레칭/신장되거나 단축/압축될 수 있다.

일 실시예에서, 유리 바디(20)는 두 개의 개별 유리 컴포넌트들, 즉 적층 심봉들(30) 및 클래딩(32)의 동축 어셈블리이다. 보다 구체적으로, 심봉(30)은 고체 원통형 로드 형태이고, 클래딩(32)은 적층 심봉들(30)을 둘러싸는 중공 오버클래드 실린더 형태(즉, 로드-인-실린더 어셈블리)이다. 동축 어셈블리에서, 적층된 심봉(30) 및 클래딩(32)은 유리 어셈블리가 가열 구역(16)에 진입하기 전에 함께 융합되지 않는다.

유리 바디(20)의 이 실시예의 동축 어셈블리가 프레임(12)을 통해 위로 진행됨에 따라, 심봉들(30) 및 클래딩(32)은 일체형 및 통합된 유리 바디(20)를 형성하기 위해 미리 결정된 온도 및 두 유리 컴포넌트들이 연화되고 함께 융합되기에 충분한 시간으로 가열된다. ("일체형(integral)"은 추가 피스들(pieces)없이 자체적으로 완성되는 단일 피스 또는 하나의 단일 부분을 의미하는 것으로, 즉 상기 부분은 다른 부분과 하나의 유닛으로 형성된 하나의 모노리식 피스(one monolithic piece)이다.) 보다 구체적으로, 투피스(two-piece) 유리 바디(20)의 연속 부분들이 가열 구역(16)에 접근하고 가열 구역(16)에서 가열됨에 따라, 클래딩(32) 및 심봉들(30)은 연화되고 연화된 클래딩(32)은 콜랩스되고 심봉들(30)과 융합된다. 그런 다음, 하나 이상의, 보다 바람직하게는 복수의 "레디-투-드로우(ready-to-draw)" 프리폼들은 결과적으로 생성된 모노리식 유리 바디(20)로부터 섬유로 직접 인발될 수 있다.

바람직하게는, 유리 바디(20)의 이 실시예의 동축 배열은 500 ℃ 내지 2,300 ℃, 보다 바람직하게는 1,000 ℃ 내지 2,300 ℃, 가장 바람직하게는 1,500 ℃ 내지 2,300 ℃의 온도로 가열된다. 보다 바람직하게는, 심봉(30) 상의 클래딩(32)의 연화 및 콜랩스는 1,000 ℃ 내지 2,200 ℃, 더욱 바람직하게는 1,300 ℃ 내지 2,000 ℃, 가장 바람직하게는 1,600 ℃ 내지 1,800 ℃의 온도에서 발생한다. 연화된 심봉(30)과 함께 연화 및 콜랩스된 클래딩(32)의 융합은 바람직하게는 1,000 ℃ 내지 2,200 ℃, 더욱 바람직하게는 1,300 ℃ 내지 2,200 ℃, 가장 바람직하게는 1,600 ℃ 내지 2,200 ℃의 온도에서 발생한다. 그러나, 당업자는 유리 물질 조성 및 처리량과 같은 다른 팩터들이 또한 클래딩(32)이 콜랩스되고 심봉(30)과 융합되는 온도에 영향을 준다는 것을 이해할 것이다.

심봉들(30)과 클래딩(32) 사이의 융합된 계면은 장치(10)의 여러 컴포넌트들에 의해 세정되도록 보장된다. 예를 들어, 둘 다 밀봉되는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)과 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)은 상향식 콜랩스 공정이 진공에서 동작하도록 한다. 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)과 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)은 또한 프리폼 어셈블리(특히 계면)를 가열 엘리먼트(예를 들어, 퍼니스) 및 외부 환경의 잠재적 오염물로부터 격리시킨다. 퍼니스와 외부 환경은 특히 오염물들이 계면으로 유입되는 것을 피하기 어려운 진공 개시 공정 동안 종래 공정들의 일반적인 오염원이다. 추가로, 반응성 계면 처리 가스는 계면을 에칭, 세정 및 건조하는데 사용될 수 있다.

예시들

다음의 예들은 본 발명의 전체 특성을 보다 명확하게 설명하기 위해 포함된다. 이러한 예들은 예시적인 것으로, 본 발명을 제한하는 것이 아니다.

FEM(유한 요소 모델링)은 실린더에 대한 열 충격을 피하고 적절한 시간에 콜랩스에 필요한 온도에 도달하는 실린더가 되도록 실린더의 모션과 오븐의 가열 속도를 결합한 시뮬레이션을 통해 공정 레시피들을 개발하는 데 사용된다. 도 3a, 3b, 3c 및 3d에 예시된 바와 같은, 이러한 시뮬레이션들의 도음으로, 클래딩(32)의 상부를 예열하고 표준 절차로서 클래딩(32)과 심봉들(30) 사이의 계면의 콜랩스를 시작하는(즉, 유리 바디(20)의 갭(31)을 폐쇄하는) 레시피가 확인되었다. 이 네 개의 수치들은 시뮬레이션에서 네 개의 일반적인 순간들의 스냅 샷으로, 이는 단순히 예열 단계(A-B), 히터 중심에서의 체류 시간 및 진행중인 상향식 콜랩스를 묘사하려고 한다. 전체 시뮬레이션들은 전체 동적 공정 동안 온도 프로파일들의 진행을 도시한다. 스냅 샷은 이 공정에서 일부 중요한 순간들을 예시한다.

도 3a는 실린더의 이동이 시작되기 직전에, 오븐이 1,860 초 동안 가열된 후 가열 구역(16), 유리 바디(20) 및 하부 칼라(44)의 온도 프로파일을 도시한다. 도 3b는 유리 바디(20)의 상부가 가열 구역(16)의 하부에 도달함에 따라 공정에서 2,840 초에서 유리 바디(20)의 온도 프로파일을 도시한다. 도 3c는 유리 바디(20)의 상부가 가열 구역(16)의 중심에 도달하고 7분 동안 모션을 일시 정지했을 때의 공정에서 4,280 초에서의 유리 바디(20)의 온도 프로파일을 도시한다. 도 3d는 공정에서 5,000 초에서의 유리 바디(20)의 온도 프로파일을 도시한다. 유리 바디(20)의 상부는 가열 구역(16)의 중심 위로 이동했다. 유리 바디(20) 및 심봉들(30)은 가열 구역(16)의 중심의 대략 100mm 위에서 콜랩스에 필요한 온도에 도달한다. FEM 시뮬레이션은 가열 구역(16) 내부의 유리 온도, 점도, 응력 및 흐름에 대한 정보를 제공한다. FEM 시뮬레이션은 길이가 약 290mm인 가열 구역(16)(및 가열 엘리먼트)에 대해 레시피를 효율적으로 식별하는데 사용되었으며, 이는 요구되는 실제 시험 횟수를 최소화했다.

가열 구역(16)의 가열 엘리먼트를 가열하는데 사용된 일반적인 레시피는 30분 동안 50kW, 10분 동안 100kW, 10분 동안 150kW, 10분 동안 200kW, 공정의 정상 상태에서 220kW(또는 다소 낮은 최대 전력, 예를 들어 212 kW)이다. 장치(10)의 하부에 위치된 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)은 속도(V1)로 이동하는 반면, 장치(10)의 상부에 위치된 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)은 속도(V2)로 이동한다. 일반적으로, 공정의 시작 시 V1=V2이다. 일반적인 레시피에서, 100kW가 2분 동안 도달된 후 6분 동안 V1 = V2 = 13.5mm/분이다. 그런 다음 어셈블리는 4분 동안 정지된다. 4 분의 일시 정지 후, 어셈블리는 상부 용접(42)이 가열 엘리먼트의 중심에 도달할 때까지 13.5mm/분으로 다시 위로 이동한다. 상부 용접(42)이 가열 엘리먼트의 중심에 도달하면, 어셈블리는 6 분 동안 정지된다. 그런 다음 정상 상태 콜랩스를 위해 어셈블리는 V1 = V2에서 다시 위로 이동된다.

상부 용접(42)이 가열 구역(16)의 중심 위의 약 110 mm 내지 약 135 mm 일 때, 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 진공 펌프가 활성화된다(즉, 턴 온된다). 이러한 활성화는 화살표(56) 방향으로 진공을 인출하고 상부 칼라(40)의 압력이 감소하기 시작하도록 한다. 상부 칼라(40)의 압력이 감소하는 것을 멈추면, 클래딩(32)의 상부는 콜랩스될 것이고, 갭(31)은 폐쇄될 것이며, 클래딩(32)은 심봉들(30)와 밀봉되거나 융합될 것이다. 이 순간, 진공은 압력이 약 1 atm에 도달할 때까지 가스(예를 들어, 질소 가스(N₂)를 상부 칼라(40)로 다시 충전하면서 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)에서 펌핑을 유지한다. 그런 다음 상부 칼라(40)은 공기에 연결된다.

상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)의 진공 펌프는 화살표(58) 방향으로 진공을 인출하기 위해 활성화(즉, 턴 온)될 수 있다. 마찬가지로, 가열 구역(16)의 가열 엘리먼트에 사용된 가스(일반적으로 아르곤, 헬륨 또는 가장 전형적으로 질소와 같은 불활성 가스)의 퍼징은 화살표(60) 방향으로 가열 엘리먼트로 가스를 도입함으로써 달성될 수 있다. 가스 퍼징은 유리 바디(20)의 외부 표면에 그을음 발생 및 가열 엘리먼트의 산화를 방지하도록 유리 바디(20)의 외부 표면과 가열 엘리먼트의 표면 사이에서 발생한다. 가열 엘리먼트의 상부에서의 가스 퍼징은 일반적으로 공정의 시작부터 시작된다. 그을음 또는 다른 침전물이 공정 동안 또는 이후에 프리폼의 표면에 형성되지 않도록 적절한 퍼지 속도(예를 들어, 9m³/h)를 식별하는 것이 중요하다.

하부 용접(46)이 가열 구역(16)의 중심 아래에서 미리 결정된 거리(예를 들어, 약 500 mm)일 때, 가열 엘리먼트의 전력은 선형으로 감소하기 시작한다. 하부 용접(46)이 가열 구역(16)의 중심에 도달할 때, 가열 엘리먼트의 전력은 미리 결정된 최종 전력 값(예를 들어, 약 150 kW 내지 약 160 kW)에 있어야 한다. 이 최종 전력을 유지하면서, 어셈블리는 여전히 짧은 거리(예: 약 50mm) 동안 계속 이동해야 한다. 이 공정 단계는 최종 단계 온도 상승을 억제하고 하부 근처의 유리의 과열 및 슬럼프를 방지한다.

하부 용접(46)이 가열 엘리먼트의 중심보다 짧은 거리(예를 들어, 약 50mm) 일 때, 공정은 완료된다. 이 위치에서, 가열 엘리먼트에 대한 전원이 완전히 턴 오프되고, 동시에 어셈블리 이동이 중지된다. 진공 펌핑은 유리 바디(20)의 하부 단부(24)에 대한 클래딩(32)의 완전한 콜랩스를 보장하기 위해 공정이 정지된 후 짧은 시간 기간(예를 들어, 1 내지 2 분) 동안 유지될 수 있다. 그러나, 최종 단계 가열 레시피가 100 % 정확한 경우 진공을 유지하지 않아도 되며, 여분의 시간 동안 진공을 유지할 경우 하부 칼라(44)가 변형될 위험이 있을 수도 있다.

로드 셀(68)은 하부 칼라(44)에 의해 지지되는 총 중량을 측정하는데 사용되었다. 상부 칼라 및 진공 유닛(54)의 속도(V2)에 약간의 일정한 진동 섭동이 중첩되고 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 속도(V1)가 일정하게 유지되는 경우, 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이 로드 셀 판독 곡선에 "리플(ripple)"이 나타난다는 것이 발견되었다. "리플"의 진폭이 클수록 공정은 더 차가워진다. 이는 더 차가운 공정에서는 가열 엘리먼트의 중앙에 있는 연화된 유리가 더 단단하고 진동의 힘을 어셈블리의 하부로 변환시킬 수 있기 때문이다. 일정한 가열 엘리먼트 전원 설정으로, 이 정보는 가열 엘리먼트의 실제 상태로 인해 공정이 약간 더 뜨거운 쪽에 있는지 또는 약간 더 차가운쪽에 있는지를 나타낸다. 예를 들어, 도 4a는 비교적 큰 진폭 및 그에 따라 차가운 쪽에 있는 공정을 예시한다; 도 4b는 비교적 작은 진폭 및 그에 따라 뜨거운 쪽에 있는 공정을 예시한다. 이러한 지식에 기초하여, 공정의 최종 전력을 결정할 수 있는데, 즉 공정이 차가울수록 최종 전력이 더 높아질 필요가 있다. 이 "리플" 진폭은 기본적으로 발열 엘리먼트의 중심에서 유리 바디(20)의 실제 점도 측정치이며, 이는 고온계를 사용한 임의의 유리 표면 온도 측정치보다 훨씬 신뢰할 수 있다.

따라서, 장치(10) 및 관련 상향식 콜랩스 공정은 진동 운동을 부과함으로써 가열 엘리먼트의 중심에서 유리 바디(20)의 점도 측정을 허용한다. 프리폼 어셈블리 상부의 위치에 작은 진동이 가해진다. 이와 동시에, 프리폼 조립체의 중량은 로드 셀(68)에 의해 측정된다. 로드 셀(68)의 측정은 가열 엘리먼트의 중심에서 유리 바디(20)의 점도의 간접 측정을 제공한다. 이 정보는 예를 들어, 컨트롤러(88)(하기에서 논의됨)를 사용하여 가열 구역(16)의 온도/가열 전력을 제어하는데 사용될 수 있다.

종래의 하향식 인발 공정과의 뚜렷한 차이로서, 적층 심봉들(30)은 진공에 의해 지지되는 대신에 적층 심봉들(30)의 하부에 있는 스페이서(48) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의해 지지되며, 오버클래드 및 인발 공정 동안 클래딩(32)에 대해 심봉들(30)의 위치를 본질적으로 고정시킨다. 다시 말해, 상향식 콜랩스 공정은 클래드 대 코어 도파관 왜곡 및 이에 따른 섬유 컷오프 파장 문제를 야기할 수 있는 심봉 이동을 방지하기 위해 진공을 필요로 하지 않는다. 또한, 종래 하향식 인발 공정과는 달리, 가열 구역(16)에서 용융 유리의 위 및 아래의 유리의 중량은 상향식 인발 공정에서 상부 칼라(40) 및 하부 칼라(44)에 의해 잘 지지되며, 이는 중력 및 진공력에 의해 가열 구역(16)에서 종래에 야기된 클래드 대 코어 도파관 왜곡 효과를 본질적으로 제거한다. 이러한 차이는 가열 엘리먼트 또는 콜랩스 온도가 차가운 쪽에서 실행될 때 (유리가 진공으로부터의 압력 차이를 변환하고 심봉들(30)을 지지하기에 충분히 연화되지 않았기 때문에) 상향식 콜랩스 공정이 훨씬 더 내성이 있게 된다.

또한, 상향식 콜랩스 공정은 심봉들(30)의 중량을 지지하기 위해 진공이 필요하지 않기 때문에 심봉들(30)과 클래딩(32) 사이의 갭(31)의 부분 압력(대기압 또는 약간 더 전형적으로는 약 1,100mbar까지)을 허용한다. 따라서, 헥사 플루오르화황(SF₆, 이는 실온에서 취급하기에 안전하다)과 같은 반응성 계면 처리 가스는 금속 입자들 또는 표면 수산화물 (OH)과 같은 임의의 잠재적인 계면 오염물을 에칭하기 위해 계면 처리 가스 화살표(62) 방향으로의 고온 콜랩스 동안 자유롭게 적용될 수 있다. 헥사 플로오르화황 외에, 다른 적절한 반응성 계면 처리 가스는 안전 문제가 발생하지만 산소(O₂), 염소(Cl₂)를 포함하며, 불소(F₂), 삼불화질소(NF₃), 사불화규소(SiF₄), 사불화탄소(CF₄) 및 플루오로폼(CHF₃)을 포함한다. 프리폼 계면을 에칭, 세정 및 건조하기 위해 반응성 계면 처리 가스의 사용은 계면 품질이 향상되고, 광섬유 품질(섬유 파손, 기포, 손실 또는 에어라인 감소) 및 하부 심봉 D/d 비율이 낮아진다.

이전 단락에서 언급된 바와 같이, 적층 심봉들(30)은 스페이서(48) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)에 의해 아래로부터 지지되고, (유리가 연화되는) 가열 구역(16)의 위와 아래 둘 다의 유리의 중량도 지지되기 때문에 상향식 콜랩스 공정은 차등 코어-클래드 유리 흐름 또는 도파관 왜곡 효과에 훨씬 덜 취약하다. 이러한 지지는 제어되지 않은 유리 흐름 및 왜곡의 문제를 제거한다. 따라서, 과도한 가열부터 또는 중력 및 진공력으로부터의 클래드 대 코어 도파관 왜곡의 위험없이 저점도 유리 물질(예를 들어, 고농도로 F-도핑된 클래딩(32)과 같은)을 처리하는 자연적인 이점이 있다. 이는 F-도핑된 클래딩(32) 물질들을 갖는 특정 부류의 섬유 설계에 중요한 처리 이점을 제공한다.

도 1로 다시 돌아가면, 상부 칼라(40)의 내경보다 약간 작은(즉, 일반적으로 약 126mm) 외경을 갖는 옵션 유리 디스크(70)는 심봉들(30) 및 클래딩(32)의 상부 및 상부 칼라(40)의 내부에 배치된다. 디스크(70)는 약 5cm 두께일 수 있다. 공정의 시작 동안, 가열 엘리먼트의 중심에서 상부 용접(42)의 6 분 체류 시간 후, 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)과 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54) 둘 다로부터 진공이 가해진다. 진공은 디스크(70)에 상부 칼라(40)를 콜랩스시킨다. V2 > V1로 설정함으로써, V2 = V1 인 나머지 클래딩(32)의 정상 상태 콜랩스 전에 팁이 클래딩(32)의 상부에서 당겨진다. 그 결과는 후속 섬유 인발에 가장 쉽고 효율적인 프리폼들을 산출하는 저비용 및 고수율의 온라인 프리폼 팁핑 공정이다. 통합된 온라인 프리폼 팁핑 공정은 종래 오프라인 팁핑 공정에 비해 상당한 양의 노력과 비용 모두(예를 들어, 추가 가열 단계 절감)를 절감한다.

계면 콜랩스가 개시되고 계속될 때 V2가 V1보다 더 높게 설정되면, 상향식 콜랩스 공정은 또한 클래딩(32)의 원래 직경보다 상당히 작은 직경을 갖는 프리폼을 위로 스트레칭 또는 인발할 수 있다. 스트레칭된(또는 압축된) 프리폼의 직경은 질량 보존 법칙을 통해 선형 수직 속도들(V1 및 V2)의 정확한 설정에 의해 정확하게 제어될 수 있다. 그러나, 양호한 프리폼 유리의 시작 손실은 종래의 하향식 인발 공정보다 상향식 콜랩스 공정에서 훨씬 적으며, 따라서 스트레칭된 프리폼에 대한 상당한 비용 절감으로 이어질 수 있다.

상향식 콜랩스 공정은 또한 (유리가 연화되는) 가열 구역(16)의 위와 아래의 유리의 무게가 상부 칼라(40)와 하부 칼라(44)에 의해 지지되는 반면 프리폼 자체의 외부 표면은 터치도지 않기 때문에 마감된 프리폼에 대한 완전 비접촉 공정이다. 풀러 휠들(puller wheels)이 항상 접촉하고 측면 또는 횡방향 힘을 가하는 종래의 하향식 인발 공정과는 달리, 프리폼 접촉 및 이에 따른 측면 또는 횡방향 힘의 회피는 공정 전반에 걸쳐 프리폼에 매우 깨끗한 프리폼 표면 및 매우 적은 활을 갖는 직선 프리폼을 초래한다.

많은 종래의 하향식 인발 공정에서, 풀러 휠들 및 프리폼 둘레 사이에 작은 접촉 영역들이 존재한다. 이러한 접촉은 프리폼 표면에 불순물 또는 오염물을 도입할 수 있다. 추가로, 풀러 휠들은 하향식 인발 공정에서 측면 힘을 가해 프리폼 보우(preform bow)를 유발할 수 있다(이는 더 긴 프리폼에 대해 악화되며, 즉, 간단한 곡률 경우 프리폼 길이의 제곱으로 보우가 증가된다). 풀러 휠들에 의해 프리폼에 가해질 수있는 접촉력의 양은 과도한 압력이 프리폼의 유리 표면을 손상시킬 수 있기 때문에 제한된다. 따라서, 단일 세트의 풀러 휠들에 의해 적용될 수 있는 것보다 더 큰 인장력을 요구하는 큰 프리폼의 경우, 프리폼 중량을 지지하기 위해 필요한 총 수직(마찰) 힘을 달성하기 위해 여러 레벨의 풀러 휠들이 상이한 레벨들로 프리폼에 적용될 수 있다. 그러나 여러 풀러 휠 세트는 장치 높이와 비용을 둘 다 증가시킨다. 또한, 프리폼의 로우 보우는 풀러 휠 세트가 정확하게 정렬된 경우에만 여러 풀러 휠 세트로 달성될 수 있으며, 실제로 달성하기 어렵다. 무접촉 상향식 콜랩스 공정은 프리폼에 가해지는 측 방향 힘이 없기 때문에 보우가 거의 없는 프리폼을 수득한다.

도 1로 다시 돌아가면, 장치(10)는 옵션으로 프레임(12)에 부착된 그리퍼 시스템(80)을 포함할 수 있다. 적합한 그리퍼 시스템(80)은, 본 출원의 양수인들인, Heraeus Tenevo LLC & Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG에 의해 2015년 1월 22일에 출원되고 Formation Of Elongated Glass Components With Low Bow Using A Gripper Device"라는 명칭의, 국제 특허 출원 번호 제PCT/US2015/012471호에 보다 상세하게 기술되어 있다. 일 실시예에서, 그리퍼 시스템(80)은 그리퍼 시스템(10)을 프레임(12)에 부착함으로써 장치(10)에 포함된다.

그리퍼 시스템(80)은 클램핑 엘리먼트들(82)을 그리퍼 시스템(80)에 부착하는 클램핑 엘리먼트(82) 및 마운팅 엘리먼트(84)를 포함한다. 그리퍼 시스템(80)은 프레임(12)의 길이(도 1에서 Z 방향으로 정의됨)에 수직으로 평행하게 이동할 수 있다. 마운팅 엘리먼트(84)는 클램핑 엘리먼트들(82)의 X 방향 및 Y 방향(즉, X-Y 평면 내의 임의의 위치로)으로 병진 이동을 허용한다. (필요하거나 바람직하지 않지만, 특히 퍼니스가 아닌 토치가 가열 엘리먼트를 제공하는 경우 회전을 허용하는 척 시스템이 사용될 수도 있다.) 일 실시예에서, 마운팅 엘리먼트(84)는 리니어 베어링 또는 리니어 레일에 장착된 한 쌍의 암과 암의 움직임을 제어하기 위한 모터, 예를 들어 수동 또는 서보 모터 드라이브를 포함하는 X-Y 테이블이다. 마운팅 엘리먼트들(84)은 또한 저마찰 장치이며, 외부 물체에 의해 클램핑 엘리먼트들(82)에 가해지는 힘은 클램핑 엘리먼트들(82)이 외부 물체에 저항력을 가하는 대신에 클램핑 엘리먼트들(82)이 마운팅 엘리먼트들(84)을 따라 편향되게 할 것이다.

프리폼이 형성되면, 그리퍼 시스템(80)은 클램핑 엘리먼트들(82)을 하부 칼라(44) 또는 (도 1에 도시된 바와 같이) 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)과 접촉하도록 이동시킴으로써 부착될 수 있다. 클램핑 엘리먼트들(82)은 바람직하게는 프리폼과 접촉되지 않아야 한다. 클램핑 엘리먼트들(82)은 클램핑 엘리먼트들(82)은 하부 칼라(44)에 손상을 주지 않으면서 하부 칼라(44) 주위에 단단히 끼워지도록 하부 칼라(44)의 반대되는 형태를 볼록한 영역들을 도록 크기 설정된다. 클램핑 엘리먼트들(82)은 (도 1에 도시 된 바와 같이) 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 외부 표면의 일부만 또는 전부와 접촉할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 클램핑 엘리먼트들(82)은 규산 칼슘, 석면, 압축 유리 또는 세라믹 섬유(예를 들어, 암면) 또는 고온 고무(예를 들어, 실리콘 또는 플루오로폴리머 엘라스토머)와 같은 고온 압축성 물질로 제조될 수 있다.

클램핑 엘리먼트들(82)은 먼저 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 중심을 결정한 다음클램핑 엘리먼트들(82)을 내부로 X 방향의 중심과의 정렬로 이동시킴으로써 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 중심과 정렬된다. 일부 실시예들에서, 클램핑 엘리먼트들(82)은 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 추정된 중심, 예를 들어 원하는 이동 경로에 기초하여 예상된 중심에 정렬될 수 있다. 다른 실시예들에서, 클램핑 엘리먼트들(82)와 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)와 보다 정확하게 정력하기 위해, 장치(10)는 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 중심을 위치시킬 수 있는 감지 엘리먼트 및 감지 엘리먼트의 출력으로부터 중심을 결정하기 위한 컴퓨터를 더 포함할 수 있다. 감지 엘리먼트는 하나 이상의 레이저 장치, 카메라/비젼 시스템, 선형 인코더 또는 기계적 접촉(다이얼 표시기) 시스템을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 감지 엘리먼트는 그리퍼 시스템(80)에 부착되거나 그리퍼 시스템(80)의 외부에, 예를 들어 프레임(12)에 부착될 수 있다. 다른 실시예에서, 감지 엘리먼트는 그리퍼 시스템(80)과 프레임(12) 모두에, 예를 들어 카메라의 외부에 있을 수 있다. 그리퍼 시스템(80)은 오정렬을 방지하기 위한 추가 엘리먼트들을 포함하기 때문에, 그리퍼 시스템(80)이 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 중심과 완벽하게 정렬될 필요는 없다.

클램핑 엘리먼트들(82)이 정렬되면, 클램핑 엘리먼트들(82)은 X 방향으로 마운팅 엘리먼트들(84)의 이동에 의해 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)과 접촉하게 된다. 마운팅 엘리먼트들(84)은 임의의 적절한 메커니즘, 예를 들어 X-Y 테이블의 한 쌍의 암을 제어하는데 사용되는 모터에 의해 이동될 수 있다. 마운팅 엘리먼트들(84)가 저마찰 장치들이기 때문에, 클램핑 엘리먼트들(82)이 중심과 적절히 정렬되지 않은 상태에서 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)에 부착을 시도하면, 클램핑 엘리먼트들(82)에 대해 가압하는 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 힘은 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)이 이동되는 대신에 클램핑 엘리먼트들(82)을 정렬된 위치로 이동시킬 것이다. 마운팅 엘리먼트들(84)은 클램핑 엘리먼트들(82)이 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)에 부착되면 클램핑 엘리먼트들(82)의 이동을 방지하기 위해 결합 및 해제될 수있는 잠금 메커니즘을 더 포함할 수 있다. 클램핑 엘리먼트들(82)이 위치로 이동되는 동안, 잠금 메커니즘은 클램핑 엘리먼트들(82)이 클램핑 엘리먼트들(82)에 가해지는 임의의 추가적인 힘에 의해 모터에 의해 이동될 수 있도록 잠금 해제된다. 클램핑 엘리먼트들(84)이 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)과 접촉되면, 잠금 메커니즘은 X-Y 평면에서 클램핑 엘리먼트들(82)의 추가 이동을 방지하기 위해 결합된다.

오정렬을 검출하기 위해, 일 실시예서, 그리퍼 시스템(80)은 클램핑 엘리먼트들(82)이 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)에 부착되는 과정에서 발생하는 반력을 측정하기 위해 반력을 감지하기 위한로드 셀과 같은 힘 감지 장치를 더 포함한다. 로드 셀은 클램핑 엘리먼트들(82)에 가해지는 힘을 각 로드 셀의 스트레인 게이지(미도시)로 전기 신호로 변환하는 변환기이다. 전기 신호는 그런 다음 스트레인 게이지에 가해지는 힘과 관련되어 측정될 수 있다. 예시적인 로드 셀은 유압 로드 셀, 공압 로드 셀 및 스트레인 게이지 로드 셀을 포함한다. 클램핑 엘리먼트들(82)이 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 중심과 적절하게 정렬되지 않으면, 클램핑 엘리먼트들(82)이 적절하게 정렬되는 경우보다 반력이 커질 것이다. 힘 감지 장치와의 반력을 측정함으로써, 클램핑 엘리먼트들(82)이 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)에 힘을 가하여 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 장치(52)의 움직임을 초래하기 전에 오정렬이 검출되고 정정될 수 있다. 일 실시예에서, 힘 감지 장치는 클램핑 엘리먼트들(82)이 마운팅 엘리먼트들(84) 상에서 정렬된 위치로 이동하게 하기 위해 클램핑 요소(82)가 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)에 부착되는 속도가 예상된 반력보다 큰 것에 응답하여 느려지는 저마찰 마운팅 엘리먼트들(84)와 함께 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 클램핑 엘리먼트들(82)은 힘 감지 장치에 의해 오정렬이 검출되지 않으면서 대략 50 mm/분 내지 대략 100 mm/분 범위의 속도로 하부 칼라(44) 또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)을 향해 이동될 수 있고, 정렬 불량이 감지되면 속도는 약 10mm/분에서 약 25mm/분으로 감소될 수 있다. 다른 어플리케이션들에서, 클램핑 속도들은 이러한 범위를 초과할 수 있다.

요약하면, 그리퍼 시스템(80)은 종래의 풀-컨택 풀러 휠 시스템을 대체하여 프리폼 어셈블리 중량(약 350kg 이상일 수 있음)을 지지하는 것을 돕는다. 그리퍼 시스템(80)은 프리폼 기하학적 구조 및 프리폼 팁핑 공정의 정확한 정렬 및 제어를 위해 수평(X-Y) 평면에서 프리폼을 제조하는데 사용된 유리 바디(20)의 플로팅 포지셔닝 및 수직(Z) 방향으로의 정확한 선형 이동 둘 다를 허용하는 것이다. 특히 그리퍼 시스템(80)이 통합될 때, 장치(10)는 프리폼에 대한 측면 또는 횡방향 힘을 방지함으로써 프리폼 보우를 최소화 및 아마도 제거하고; 로드 셀을 사용하여 가열 동안 유리 비헤이비어를 모니터링 할 수 있으며; 물리현상(질량 보존)을 사용하여 치수들을 정확하게 제어(종래 온라인 측정 및 피드백 제어의 비용 절감)할 수 있다.

추가로, 장치(10) 및 관련 상향식 콜랩스 공정은 프리폼 측정 장치와 조합하여 사용될 수 있다. 적절한 프리폼 측정 장치가 본 출원의 양수인들인, Heraeus Tenevo LLC & Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG. 에 의해 2014년 8월 8일자로 출원된 "Methods And Apparatus For Determining Geometric Properties Of Optical Fiber Preforms"이라는 명칭의 국제 특허 출원 번호 제PCT/US2014/050368호에 보다 상세하게 기술되어 있다.

도 5는 광섬유 프리폼(100)의 하나 이상의 기하학적 특성들을 결정하기 위한 적합한 프리폼 측정 장치(90)의 실시예의 개략도이다. 도 5를 참조하면, 장치(90)는 2 차원 패턴(92) 및 이미지 캡처 유닛(94)을 포함한다. 도 5에 예시된 실시예에서, 이미지 캡쳐 유닛은 디지털 카메라이다. 도 5에 예시된 실시예에 도시된 프리폼 측정 장치(90)는 광섬유 프리폼(100)을 길이 방향 축 주위로 회전시키도록 구성된 지지부 및 드라이버(96)를 포함한다. 광섬유 프리폼(100)의 우측 단부를 위치시키는 도 5에 도시된 지지대 및 드라이버(96)의 일부는 또한 프리폼(100)을 회전시키도록 구성된 지지부 및 드라이버(96)를 포함한다. 지지부 및 구동부(96)는 단일 구조일 수 있거나 지지부 및 구동부는 개별 컴포넌트들일 수 있다. 지지체는 2 차원 패턴(92)과 이미지 캡쳐 유닛(94) 사이에 프리폼(100)을 정렬하여 프리폼(100)을 통해 볼 때 캡쳐된 이미지가 2 차원 패턴(92)이 되도록 구성된다.

프리폼 측정 장치(90)를 사용하는 하나의 예시적인 방법은: 종방향 축, 외경 및 원주를 갖는 광섬유 프리폼(100)을 제공하는 단계; 프리폼(100)의 종방향 축에 평행한 길이 및 프리폼(100)의 외경보다 큰 폭을 가지는 2차원 패턴(92)을 제공하는 단계; 프리폼(100)이 2차원 패턴(92)와 이미지 캡쳐 유닛(94) 사이에 정렬되도록 배치된 이미지 캡쳐 유닛(94)을 제공하는 단계; 프리폼(100)을 종방향 축을 중심으로 회전시키고 프리폼(100)의 원주를 따라 둘 이상의 다른 지점들에서 프리폼(100)을 통해 보이는 2차원 패턴(92)의 제1 복수의 이미지들 획득하는 단계; 및 제1 복수의 이미지들로부터 프리폼(100)의 적어도 하나의 기하학적 구조를 결정하는 단계를 포함한다.

프리폼 측정 장치(90) 및 관련 방법에 따라 결정될 수 있는 광섬유 프리폼(100)의 기하학적 특성들 또는 속성들은 전체 프리폼 보우 외에, 직경, 타원도, D/d 비, 오버클래드 OD/ID 비, 마감된 프리폼(100)의 심봉들(30)의 편심율 및 코어의 편심율을 포함한다. 따라서, 프리폼 측정 장치(90) 및 관련 방법은 도파관 및 기하학적 특성의 자동화되고 비파괴 적이며 생산 친화적인 측정을 제공한다. 또한, 프리폼(100)의 사용자들에게 부가가치 도파관 품질 보증을 제공하며, 광섬유 생성 공정을 미세 조정할 수 있는 기회를 제공한다.

컨트롤러는 두 컴포넌트들 간의 데이터 흐름을 관리 또는 지시하는(즉, 통신을 용이하게 하는) 하드웨어 장치 또는 소프트웨어 프로그램이다. 장치(10)는 컨트롤러(88)를 포함한다. 컨트롤러(88)는 예를 들어 로드 셀(68), 그리퍼 시스템(80); 상부 및 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52, 54); 및 진공 및 처리 가스 시스템을 포함하고, 이 데이터를 사용하여 장치(10)의 다른 구성 요소 및 관련된 상향식 콜랩스 공정을 제어한다. 컨트롤러(88)는 최적의 가열 및 이동 공정 레시피를 효율적으로 보장하기 위해, 당업자에게 잘 알려진 방식으로, 미리 설정된 제어 프로그램 또는 루틴을 프로그래밍 하였다. 보다 구체적으로, 컨트롤러(88)는 예를 들어 속도 V1 및 V2, 가스의 유량, 그리퍼 및 공급기의 위치, 퍼니스의 전력 설정 타이밍 및 진공 펌프의 압력을 정의할 수 있다. 컨트롤러(88)는 강력하고 재생 가능한 "원 버튼" 자동화 생산 공정을 보장하는 것을 돕는다.

상향식 콜랩스 공정의 중요한 장점은 도파관 (클래드 대 코어) 왜곡을 최소화하고, 아마도 제거하는 것이다. 도파관 왜곡의 원인은 종래 공정들에 내재되어 있는 심봉 및 용융 유리에 대한 중력 및 진공력이며, 상향식 콜랩스 공정에 의해 제거된다. 도파관 왜곡은 RIT/RIC 분야에서 거의 다루어지지 않는 문제이다. 문제 인식의 부족은 과거의 광섬유 성능 요구사항들이 훨씬 덜 엄격하기 때문에, 다른 것들 중에서도 섬유 컷오프 파장 장애를 야기할 수 있는 실제 도파관(클래드 대 코어) 왜곡 효과에 대한 걱정없이 광학 프리폼을 단순한 유리 막대와 같이 다루는 경향이 있었다.

전 세계에 연결된 장치, 클라우드 서비스, 5G(이동 통신 표준의 주요 단계를 나타내는 5 세대 모바일 네트워크 또는 5 세대 무선 시스템) 및 및 산업 4.0 (또는 4차 산업 혁명인, 사이버 물리 시스템, 사물 인터넷 및 클라우드 컴퓨팅을 포함한 제조 기술들에서 자동화 및 데이터 교환의 현 추세) 및 다른 발전들은 대역폭에 대한 기하급수적으로 증가되는 수요를 이끌고 있다. 따라서, 광섬유 제조업체들은 출력과 생산성을 높여야 한다. 차세대 광섬유 제조를 위해, 고속으로 인발되는 매우 큰 프리폼이 필요하다. 상향식 콜랩스 공정의 결과는, 비용을 절감하고 프리폼의 사용자들에 대한 향상딘 섬유 수율을 실현하는 것 뿐만 아니라 생산성과 광섬유 출력을 증가시킬 수 있는, 수일 동안 중단되지 않은 광섬유 인발을 유지할 수 있는 "레디-투-드로우" 솔리드 프리폼이다.

상향식 콜랩스 공정은 상부 칼라(40)를 콜랩스시키고 상부 칼라(40)의 외경을 클래딩(32)의 외경과 매칭시킴으로써 저렴한 상향식 온라인 팁핑뿐만 아니라 상향식 인발(및 옵션으로, 스트레치 또는 압축)을 당연히 포함한다. 상향식 콜랩스 공정의 이러한 추가 특징들은 질량 및 유리 흐름의 정확한 물리현상을 통해 종래 하향식 인발 공정보다 훨씬 정확하고 저렴하게 수행될 수 있다. 인발/스트레치 및 팁 특징들을 포함하는 상향식 콜랩스 공정은 또한 프리폼 단부(즉, 보다 "양호한" 유리)에서 최소한의 도파관 왜곡을 갖는 거의 100 % 팁형 프리폼 수율을 달성할 수 있다. 상향식 콜랩스 공정에서, 양호한 프리폼 유리 수율은 종래 하향식 인발 공정 시작에 사용되는 낭비되는 희생 시작 물질 없이 거의 100 %라는 것을 지적할 필요가 있다. 그리고 상부 칼라(40) 및 하부 칼라(44)에 사용된 재료의 소모는 또한 상향식 콜랩스 공정에서 최소이다.

단일 오버클래드 상향식 콜랩스 공정이 상기에 설명되어 있다. 그러나, 이 공정은 스페이서(48)의 외경을 증가시키고 최대 가열 전력 및 최종 전력을 약간 조정하는 것과 같은 사소한 수정들을 갖는 다수의 오버클래드 "갭" 재킷 튜브들 및 오버클래드 실린더들의 조합들에 적용될 수 있다. 더욱이, 상향식 콜랩스 공정은 또한 적층 심봉들(30)의 중량이 아래로부터 완전히 지지되기 때문에 내부 직경 매칭을 클래딩할 필요가 없는(즉, 종래 하향식 인발 공정의 경우에서와 같이, 상부 클래딩 내부의 심봉들을 지지하기 위한 하부 클래딩의 경우 직경 내부가 더 작음) 이중(또는 심지어 삼중 이상) 길이 클래딩(32)을 수용할 수 있다.

개선되고 효율적이며 저렴한 상향식 콜랩스 팁핑 공정은 프리폼(100)의 외경에 비해 샤프하고 짧은 팁; 더 감소된 유리 폐기물; 및 더 최소화된 클래드 대 코어 도파관 왜곡을 갖는 유리 프리폼(100)을 생성한다. 대형 OD (> 150 mm) 프리폼(100)을 오버클래딩하고 스트레칭하는데 사용되는 동일한 장치(10)가 향상된 팁핑 공정에 사용된다. 프리폼 어셈블리의 구역이 퍼니스 내부에서 가열되고 연화된다. 프리폼 팁은 형태가 잡히고 공정은 가열 구역(16) 위와 아래에서 유리의 정확한 움직임, 퍼니스 가열 타이밍 및 프리폼(100)의 하부(또는 대안적으로 상부) 부분의 중량 감지에 의해 제어되며, 이는 사실상 연화된 물질의 점도의 척도이다. 정확한 점도에 도달하면, 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)은 프리폼 팁이 최소한의 도파관 왜곡 및 폐기물로 최적으로 형태(일반적으로 짧고 샤프한 팁형화됨)가 잡히도록 컨트롤러(88)를 사용하여 정밀하게 프로그래밍 및 제어되는 가속화된 속도 프로파일(예를 들어, 유리 흐름의 FEM 시뮬레이션으로부터 도출되고 도 6a에 예시됨)을 이용하여 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)으로부터 멀리 이동된다. 고도의 비선형의, 가속된 벨로시티 풀링 레시피와 동일한 개념은 버팅 선반 및 산소-수소 토치 가열의 수평 프리폼 팁핑 공정과 같은 다른 팁핑 공정들에도 적용될 수 있다.

개선된 팁핑 공정은 예를 들어, 적절하게 짧은 프리폼 팁들을 생성하는 온라인 하부(또는 상부) 및 중간 팁핑 공정들을 포함하는 여러 실시예들을 갖는다. 보다 일반적으로, 개선된 팁핑 공정은 초기 어셈블리의 양 단부들이 유지되고 제어된 방식으로 이동될 수 있는 임의의 오버클래드 프리폼 제조 공정에 적용될 수 있다. 예로서 상향식 콜랩스 및 인발 공정을 사용하는, 연속 온라인 하부 팁핑 공정은 공정에서 9 개의 "스냅 샷" 강조 단계들을 사용하여 설명될 수 있다. 상기 단계들은 도 7a 내지 7e를 참조하여 설명된다. 도 7a, 7b, 7c, 7d 및 7e는 가열 엘리먼트에 위치된 유리 바디를 도시하는 온라인 하부 팁핑 공정의 FEM 시뮬레이션에서의 5 단계들을 예시한다.

상향식 인발이 완료되면, 프리폼(100)의 하부는 장치(10)의 가열 구역(16)의 중심 위에 있다. 프리폼(100)이 그 위치에 있고, 예시적인 온라인 하부 팁핑 공정의 제1 단계에서, 가열 전력이 턴 오프된다. 예시적인 온라인 하부 팁핑 공정의 제2 단계에서, 장치(10)에서의 프리폼(100)의 위치가 유지되고, 프리폼(100)의 하부가 어느 정도 냉각되도록 한다(보통 10 분 "유지"이면 충분하다).

예시적인 온라인 하부 팁핑 공정의 제3 단계에서, 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)과 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)은 프리폼 물질의 최소한의 팁핑 폐기물이 발생되도록 가열 구역(16)의 중심보다 약간 더 높거나 낮은 특정 위치(즉, 팁핑 위치에) 프리폼(100)의 하부를 재위치시키기 위해 동기화된 방식으로 함께 이동된다. 도 7a는 총 공정의 5,605 초 후 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 도시하며, 이는 이 예에서 프리폼(100)의 하부가 팁핑 및 냉각을 위해 위치되기 시작하는 팁핑 공정의 시작 시간이다. (인발되고 팁형화되는 짧은 실린더에 의한 시뮬레이션으로부터 전체 시간이 예시된다.) 최적화된 팁핑 위치는 특정 OD 크기 및 재료 유형을 갖는 프리폼(100)에 대해 고정되고 미리 결정된다. 최적화된 팁핑 위치는 FEM 시뮬레이션을 통해 확인되고, 실제 테스트들에 의해 검증되며, 아래에서 자세히 설명된다.

예시적인 온라인 중간 팁핑 공정의 제4 단계에서, 프리폼(100)의 하부가 팁핑 위치로 이동된 후, 어셈블리 하부 홀딩 위치(또는 대안적인 실시 예에서는 상부 홀딩 위치)는 어셈블리의 모든 중량을 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)으로 전달하도록 약간 조정된다. 그리퍼 시스템(80)의 마운팅 엘리먼트(84)에 설치된 로드 셀(68)은 예를 들어, 그리퍼 시스템(80)의 중량을 모니터링하는데 사용될 수 있다. 홀딩 위치에 있어서의 약간의 조정은 그리퍼 시스템(80)의 하중 판독치가 0이 되어야 한다.

가열 전력은 예시적인 온라인 하부 팁핑 공정의 제5 단계에서 턴 온된다(즉, 가열 구역(16)이 재활성화된다). 열이 팁형화에 사용될 것이다. 도 7b는 가열 구역(16)이 재활성화될 때, 공정에서 5,720초에서의 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 도시한다. (다시 한번, 인발되고 팁형화되는 짧은 실린더에 의한 시뮬레이션으로부터 전체 시간이 예시된다.) 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)은 공정에서 5,793 초에서 아래로 이동하기 시작한다; 따라서, 도 7a 및 7b에 예시된 예시적인 공정의 스냅샷을 위한 이동은 아직 시작되지 않았다.

프리폼(100)의 하부가 가열되고 연화됨에 따라, 가열 구역(16) 아래의 어셈블리의 중량이 그리퍼 시스템(80)에 놓이기 시작할 것이다. 따라서, 그리퍼 시스템(80)에 설치된 로드 셀(68)의 판독치는 천천히 증가할 것이다. 유리의 연화가 계속됨에 따라, 예시적인 온라인 하부 팁핑 공정의 제6 단계에서 로드 셀(68)의 판독치의 증가된 기울기는 최종적으로 작아지고 결국 0에 도달할 것이다(즉, 판독치가 상부에 도달하면 평평해진다).

그리퍼 시스템(80)에 설치된 로드 셀(68)의 판독치의 기울기가 0에 도달(또는 대략 근사)하면, 예시적인 온라인 하부 팁핑 공정의 제7 단계가 시작된다. 이 단계는 도 7c에 예시되며, 이는 총 공정의 6,300 초(및 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)이 아래로 이동하기 시작한 후 6,300-5,793 = 507초) 후 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 도시한다. 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)은 미리 결정된 매우 비선형의 지수형 가속화된 속도 또는 벨로시티 프로파일을 따라 아래로 이동한다(분당 1 밀리미터와 같은 점도 및 표면 장력이 주어지면 처음에는 매우 느리고, 팁핑의 단부에서는 약 1,800 mm/분과 같이 매우 빠르다).

도 6a는 본 발명의 실시예들에 따른 하부 팁핑 공정에서 달성된 비선형 속도 프로파일들(세 가지 예시적인 지수형 곡선이 도시됨)의 그래프이다. 도 6a는 0에서 1,800 mm/분의 속도들에 대한 프로파일들을 도시한다. 도 6b는 0에서 200 mm/분의 낮은 속도들에서의 프로파일들을 강조한다(즉, 도 6b는 도 6a의 일부의 "확대"). 도 6c는 0에서 20 mm/분의 또한 낮은 속도들에서의 프로파일들을 강조한다(즉, 도 6c는 도 6a 및 6b의 일부의 "확대"). 따라서, 도 6b 및 6c는 각각 낮은 속도들에서의 속도 프로파일들의 세사부항들을 도시한다.

선택된 특정 비선형 속도 프로파일은 미리 결정되거나 FEM 시뮬레이션으로부터 도출될 수 있다(물론, 테스트에 의해 확인됨). 프로파일은 도 6a의 가장 왼쪽 프로파일에 도시된 바와 같이 중력(g, 9.8m/sec²) 하에서의 자유 낙하에 대응할 수 있다. 대안으로, 도 6a의 중심(0.2g) 및 가장 오른쪽(0.1g) 프로파일들에 도시된 바와 같이, 부분 중력이 적용될 수 있다. FEM은 프리 드립 하에서 수행되는 공정에 비해 프리폼 팁이 부분 중력 하에서 짧아지고 샤프해질 수 있음을 나타낸다. 따라서, 부분 중력(구체적으로 0.2g) 하에서 측정된 자유 유리 드립 속도 프로파일이 바람직한 실시예로 식별되었다. (도 7a-7e에 도시되고 논의된 예시적인 공정은 0.2g 부분 중력 어플리케이션을 시뮬레이트한다; 따라서, 도 6a의 중심 프로파일은 507초 이동 후 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 속도가 249mm/분임을 도시한다.) 그러나, 특정 어플리케이션들에서, 비선형 속도 프로파일은 부분 중력 유도 드리핑 속도 프로파일을 반드시 따를 필요는 없다. 보다 일반적으로, 비선형 속도 프로파일은 훨씬 짧고 샤프한 프리폼 팁을 달성하기 위해 테스트를 통해 미세 조정될 수 있다.

도 7d는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 속도가 1,728 mm/분 도 6a 참조)이고 프리폼(100)의 팁이 형성 될 때, 총 공정의 6,405 초(또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)이 아래로 이동하기 시작한 후 6,405-5,793 = 612 초) 후 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 도시한다. 도 7e는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 속도가 그 최대 값인 약 1,800 mm/분(도 6a 참조)이고 프리폼(100)의 팁이 형성되었을 때, 총 공정의 6,480 초(또는 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)이 아래로 이동하기 시작한 후 6,480-5,793 = 687 초) 후 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 도시한다. 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 속도가 비선형 속도 프로파일의 최대 값에 접근함에 따라, 예시적인 온라인 하부 팁핑 공정의 제8 단계에서, 가열 구역(16)으로의 전력이 턴 오프되고, 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)은 짧은 시간(예를 들어, 몇 분) 동안 비교적 빠른 속도(예를 들어, 약 90mm/분 이상)로 위로 이동된다. 한편, 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)은 미리 결정된 비선형 속도 프로파일을 완료할 때까지 하향 이동을 계속한다. 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)을 위로 이동시킴으로써, 프리폼(100)의 팁의 벌크가 최대 가열 구역 위에 위치되고, 팁의 벌크에서 추가적인 유리 슬럼핑이 방지된다. 스트레치가 완료되기 전에 전원을 차단하면 퍼니스의 중간에 얇은 유리 스트랜드가 장력을 유지하고 과도한 열로 인해 스트랜드가 컬링되는 것을 방지한다.

예시적인 온라인 하부 팁핑 공정의 제9 및 최종 단계에서, 얇은 유리 스트랜드가 퍼니스 아래에서 스냅 컷된다. 그런 다음, 팁형 프리폼(100)은 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)에 의해 퍼니스의 상부로부터 당겨진다.

이제 두 팁형 프리폼들이 동시에 만들어 질 수 있는 온라인 중간 팁핑 공정을 착수한다. 연속적인 온라인 중간 팁핑 공정은 공정에서의 10 가지 “스냅 샷” 강조 단계들을 사용하여 설명될 수 있다. 상기 단계들은 도 8a 내지 8d를 참조하여 설명된다. 도 8a, 8b, 8c 및 8d는 가열 엘리먼트에 위치된 유리 바디를 도시하는 온라인 중간 팁핑 공정의 FEM 시뮬레이션에서의 4 단계들을 예시한다.

상향식 인발이 완료되면, 프리폼(100)의 하부는 장치(10)의 가열 구역(16)의 중심 위에 있다. 이 위치는 상기에 설명된 예시적인 온라인 하부 팁핑 공정의 첫 번째 단계에서와 같이 예시적인 온라인 중간 팁핑 공정의 번째 단계를 정의한다. 그러나, 예시적인 온라인 중간 팁핑 공정의 제 2 단계에서, 가열 구역(16)은 장치(10)에서의 프리폼(100)의 위치가 유지되는 동안 소정의 예열 레벨(예를 들어, 가열 전력이 50kW로 설정될 수 있음)로 유지된다.

예시적인 온라인 중간 팁핑 공정의 제3 단계에서, 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)과 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)은 가열 구역(16)의 대략 중앙에 있도록(즉, 팁핑 위치에서) 프리폼(100)의 중간점을 재배치하기 위해 동기화된 방식으로 함께 이동된다. 도 8a는 총 공정의 5,950 초 후 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 도시하며, 이는 본 예에서 팁핑 공정이 시작되는 시작 시간이다. 상기에 설명된 예시적인 온라인 하부 팁핑 공정과 달리, 예시적인 온라인 중간 팁핑 공정의 시작을 위한 최적화된 위치는 없다; 팁형화는 단순히 프리폼(100)의 중간에서 수행된다.

예시적인 온라인 중간 팁핑 공정의 제4 단계에서, 프리폼(100)의 하부가 팁핑 위치로 이동된 후, 어셈블리 하부 유지 위치(또는 대안적인 실시 예에서는 상부 유지 위치)는 어셈블리의 모든 중량을 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)으로 전달하도록 약간 조정된다. 그리퍼 시스템(80)의 마운팅 엘리먼트(84)에 설치된 로드 셀(68)은 예를 들어, 그리퍼 시스템(80)의 중량을 모니터링하는데 사용될 수 있다. 고정 위치에 있어서의 약간의 조정은 그리퍼 시스템(80)의 하중 판독치가 0가 되어야 한다.

예시적인 온라인 중간 팁핑 공정의 제5 단계에서 가열 전력이 증가된다. 증가된 열이 팁형화에 사용될 것이다. 도 8b는 가열 구역(16)의 온도가 증가될 때, 가열 구역(16) 및 공정에서 6,140초에서의 프리폼(100)의 온도 프로파일을 도시한다. 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)은 아래로 이동하기 시작하고, 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)은 공정에서 6,163 초에서 위로 이동하기 시작한다; 따라서, 도 8a 및 8b에 예시된 예시적인 공정의 스냅샷을 위한 이동은 아직 시작되지 않았다.

프리폼(100)의 중간이 가열되고 연화됨에 따라, 가열 구역(16) 아래의 어셈블리의 중량이 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)에 놓이기 시작할 것이다. 따라서, 그리퍼 시스템(80)에 설치된 로드 셀(68)의 판독치는 천천히 증가할 것이다. 유리의 연화가 계속됨에 따라, 예시적인 온라인 중간 팁핑 공정의 제6 단계에서 로드 셀(68)의 판독치의 증가된 기울기는 최종적으로 작아지고 결국 0에 도달한다(즉, 판독치가 상부에 도달하면 평평해진다).

그리퍼 시스템(80)에 설치된 로드 셀(68)의 판독치의 기울기가 0에 도달(또는 대략 근사)하면, 예시적인 온라인 중간 팁핑 공정의 제7 단계가 시작된다. 이 단계는 도 8c에 도시되어 있으며, 이는 전체 공정의 6,660초(및 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)이 아래로 이동하기 시작하고, 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)이 위로 움직이기 시작한 후 6,660-6,163 = 497 초) 후 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 나타낸다. 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)은 미리 결정된 매우 비선형의 지수형 가속된 속도 또는 벨로시티 프로파일에 따라 아래로 이동된다.

동시에 대칭적으로, 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)은 동일한 미리 결정된 비선형의 지수형 가속화된 속도 프로파일을 따라 이동하기 시작한다. 고도의 비선형 속도 프로파일은 위에서 설명된 예시적인 온라인 하부 팁핑 공정에 적용된 비선형 속도 프로파일의 일부(예를 들어, 1/4)이다. 따라서, 도 8c의 스냅 샷에서 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52) 및 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)의 속도는 52.56 mm/분이다. 그 속도는 도 6a의 0.2g 중심 프로파일을 참조하여 계산되며, 이는 497 초에서 210.24 mm/분, 및 210.24 mm/분 x 0.25 = 52.56 mm/분의 속도를 도시한다. 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)과 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)의 최대 속도는 물론 특정 어플리케이션에 의존할 것이다. 본 예에서, 그 최대 속도는 임의로 약 90mm/분으로 선택된다.

도 8d는 전체 공정의 6,950초(및 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)이 아래로 이동하기 시작하고, 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)이 위로 움직이기 시작한 후 6,950-6,163 = 787 초) 후 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 도시한다. 이 시점에서, 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)과 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)은 이미 그 최대 속도를 달성하였다. 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)과 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)이 그 최대 속도에 도달하면, 프리폼(100)의 대칭 스트레치는 속도를 더 증가시키지 않고 유지된다.

예시적인 온라인 중간 팁핑 공정의 제8 단계는 미리 결정된 양의 분리 스트레치(원하는 팁 길이의 2배보다 약간 작은)가 달성되면 시작된다. 이 시점에서, 가열 전력은 턴 오프되고(즉, 가열 구역(16)이 비활성화되고), 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)의 하향 속도는 가열 구역(16)에서 연질의 얇은 유리 스트랜드를 인장 상태로 유지하기 위해 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)의 속도가 역전되도록 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛 (52)의 하향 속도보다 약간 작도록 역전된다. 하향 운동에 의해 생성된 거리가 가열 구역(16)의 길이의 약 절반에 도달하면(즉, 이중 팁의 가장 얇은 부분이 가열 구역(16) 아래로 이동됨), 상부 칼라 홀더의 하향 속도 및 진공 유닛(54)의 하향 속도가 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 하향 속도와 동일하도록 조정된다.

예시적인 온라인 중간 팁핑 공정의 제9 단계는 이중 팁의 가장 얇은 부분이 가열 구역(16)의 하부로부터 이동되고 얇은 스트랜드가 쉽게 절단될 수 있는 위치에 도달 때 시작된다. 이중 팁이 그 위치에 있으면, 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)과 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)의 하향 이동이 동시에 정지된다.

예시적인 온라인 중간 팁핑 공정의 제10 및 최종 단계에서, 얇은 유리 스트랜드는 가장 얇은 부분, 즉 이중 팁의 중간에서 스냅 절단된다. 그런 다음, 상부 팁형 프리폼(100)은 상부 칼라 홀더 및 진공 유닛(54)에 의해 퍼니스의 상부로부터 당겨진다. 하부 팁형 프리폼(100)은 퍼니스 아래에서 제거된다.

컨트롤러(88)는 상기에 설명된 온라인 하부 팁핑 공정 및 온라인 중간 팁핑 공정을 완전히 자동화하는데 사용될 수 있다. 대안으로, 컨트롤러(88)는 이러한 공정들 중 하나 또는 둘 다를 실질적으로 자동화하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 팁핑이 완료된 후 팁을 절단하는 마지막 단계는 작업자에 의해 수동으로 수행될 수 있다.

실제 테스트는 온라인 하부 팁핑 공정과 상기에 설명된 온라인 중간 팁핑 공정을 둘 다 구현하여 실행되었다. 도 9a는 온라인 하부 팁핑 공정을 사용하여 달성된 실제 팁을 예시한다; 팁은 필요한 팁 OD에서 아직 스냅 컷되지 않았다. 도 9b는 프리폼(100)의 하부에서의 실제 유리 드립을 예시한다. 도 9c는 FEM 모델링에 의해 예측된 바와 같이 온라인 하부 팁핑 공정 동안 하부에서의 유리 드립을 예시한다. 온라인 하부 팁핑 공정을 구현하는 실제 테스트는 FEM 시뮬레이션에 의해 예측된 결과들을 확인했다.

또한, 상기에 설명된 온라인 중간 팁핑 공정을 구현하는 실제 테스트가 실행되었다. 도 10은 이중 팁의 중간에서의 스냅 절단 준비가 된 위치에서의 중간 팁핑 테스트의 최종 결과를 예시한다. 온라인 하부 팁핑 공정에 대해서는, 온라인 중간 팁핑 공정에 대한 실제 테스트에서 FEM 시뮬레이션에 의해 예측된 결과들이 확인되었다.

특정 광섬유 인발에 대해 가능한 최고의 프리폼(100)을 생성하기 위해, 프리폼(100) 및 프리폼(100)을 생성하는데 사용된 팁핑 공정의 다수의 특성들이 균형을 이루고 최적화되어야 한다. 이러한 특징들 중에는 프리폼(100)의 팁의 형태, 팁핑 위치(유리 폐기물을 생성 또는 감소시킬 수 있음)가 있으며, 아마도 가장 중요한 것은 프리폼(100)의 OD 대 코어 OD의 비율이 있다. 따라서, 최적의 팁 형태, 팁핑 위치 및 비율을 조사하기 위해 실험들이 수행되었다.

먼저 팁 형태에 착수한다. FEM 시뮬레이션의 도움으로, 200 OD 프리폼(100)에 적용된 온라인 하부 팁핑 공정에 대해 세 가지 다른 팁핑 속도 프로파일들이 조사되었다. 도 11a는 공정에서 0.2g 부분 중력 6,430초 미만의 속도 프로파일을 가진(즉, 연속 공정의 스냅샷에서) 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 예시한다. (인발되고 팁형화되는 짧은 실린더에 의한 시뮬레이션으로부터 전체 시간이 예시된다.) 도 11b는 공정에서 1.0g 중력 6,317.5초 미만의 속도 프로파일을 가진(즉, 프리-드립(free-drip) 연속 공정의 스냅샷에서) 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 예시한다. 도 11c는 공정에서 0.001 m/sec 8,000초 미만의 속도 프로파일을 가진(즉, 연속 공정의 스냅샷에서) 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 예시한다.

도 12는 도 11a, 11b 및 11c에 예시된 세 가지 다른 팁핑 속도 프로파일들 각각으로부터 생긴 프리폼 팁 형태들을 비교하는, 프리폼 반경(r)에 대한 프리폼 높이(z)의 그래프이다. 비선형 0.2g 및 1g 속도 프로파일들로부터 생긴 프리폼 팁 형태들은 비교적 비슷하다; 상대적으로 느린 선형 속도로붜 생긴 프리폼 팁 형태는 테이퍼가 적을수록 실질적으로 더 샤프하다. 그러나, 선형 속도 프로파일을 사용할 때의 트레이드 오프는 더 긴 팁핑 시간이 필요하고(비용 증가) 더 많은 폐기물 유리가 생성된다는 것이다. 이러한 고려 사항들은 최상의 절충 팁 형태가 될 수 있으므로 0.2g 속도 프로파일의 선택을 촉진시킬 수도 있다.

다음, 다시 FEM 시뮬레이션의 도움으로, 150 mm OD 프리폼(100)에 적용된 온라인 하부 팁핑 공정에 대해 세 가지 다른 팁핑 속도 프로파일들이 조사되었다. 도 13a는 공정에서 1.0g 중력 6,794.2초 미만의 속도 프로파일을 가진(즉, 프리-드립(free-drip) 연속 공정의 스냅샷에서) 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 예시한다. 도 13b는 공정에서 0.2g 중력 7,127.9초 미만의 속도 프로파일을 가진(즉, 프리-드립 연속 공정의 스냅샷에서) 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 예시한다. 도 13c는 공정에서 0.1g 중력 7,437초 미만의 속도 프로파일을 가진(즉, 프리-드립 연속 공정의 스냅샷에서) 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 예시한다.

도 14는 도 13a, 13b 및 13c에 예시된 세 가지 다른 팁핑 속도 프로파일들 각각으로부터 생긴 프리폼 팁 형태들을 비교하는, 프리폼 반경(r)에 대한 프리폼 높이(z)의 그래프이다. 결과적인 프리폼 팁 형태들은 상당한 차이와 상관 관계를 나타낸다: 속도 프로파일의 중력이 낮을수록 프리폼 팁 형태가 더 샤프하다. 비선형 0.2g 및 0.1g 속도 프로파일은 비교적 근접하다; 1.0g 속도 프로파일로 인한 프리폼 팁 형태는 더 많이 테이퍼될수록 실질적으로 덜 샤프하다. 다시 한번, 고려 사항들의 밸런스는 최상의 절충 팁 형태가 될 수 있으므로 0.2g 속도 프로파일의 선택을 촉진시킬 수 있을 것이다.

상기에 식별된 바와 같이, 밸런싱되고 최적화되어야 하는 프리폼(100)을 생성하는데 사용된 프리폼(100) 및 팁핑 공정의 제2 특성은 팁핑 공정이 시작될 때 가열 구역(16)의 중심에 대한 프리폼(100)의 위치(즉, 팁핑 위치)이다. FEM 시뮬레이션의 도움으로, 0.2g 속도 프로파일을 사용하여 200 mm OD 프리폼(100)에 적용된 온라인 하부 팁핑 공정에 대해 세 가지 다른 팁핑 위치들이 조사되었다. 도 15a는 공정에서 6,490 초에서의 가열 구역(16)의 중심의 35 mm 위에 위치된 팁핑 위치를 갖는 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 예시한다. 도 15b는 공정에서 6,430 초에서(즉, 연속 공정의 스냅샷에서)의 가열 구역(16)의 중심의 50 mm 위에 위치된 팁핑 위치를 갖는 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 예시한다. 도 15c는 공정에서 7,222.7 초에서(즉, 연속 공정의 스냅샷에서)의 가열 구역(16)의 중심의 70 mm 위에 위치된 팁핑 위치를 갖는 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 예시한다.

도 15a, 15b 및 15c에 예시된 팁핑 위치 결과들의 비교는 팁핑 위치가 높을수록 프리폼(100)으로부터 생산된 유리 폐기물이 적음을 나타낸다. 이러한 결과는 높은 팁핑 위치의 필요성을 시사한다. 도 16a는 공정에서 6,950 초에서(즉, 연속 공정의 스냅샷에서)의 가열 구역(16)의 중심의 70 mm 위에 위치된 팁핑 위치를 갖는 가열 구역(16) 및 프리폼(100)의 온도 프로파일을 예시한다; 도 16b는 도 16a의 화살표 "H" 사이에서 획득된 도 16a의 확대도이다. 도 16a 및 16b는 조사된 가장 높은 팁핑 위치를 사용하여 달성된 최소한의 유리 폐기물을 강조한다.

그러나, 다시 한 번 상충 관계가 존재한다. 도 15c, 16a 및 16b에 예시된 70 mm 팁핑 위치와 같은 더 높은 팁핑 위치들은 프리폼(100)이 팁형화되기 전에 너무 긴 드립(drip)을 필요로 한다. 드립이 길면 팁핑 공정의 비용이 증가한다. 추가로, 더 높은 팁핑 위치들은 비현실적이지는 않지만 장치(10)를 사용하여 달성하기 어렵다. 하부 칼라 홀더 및 진공 유닛(52)은 프리폼(100)을 팁핑 위치에 위치시키고 유지해야 하며, 더 높은 팁핑 위치들의 경우, 드립 동안 비교적 먼 거리를 이동해야 한다. 고려 사항의 균형은 최소량의 프리폼 폐기물과 실질적인 양의 드립 길이 사이에서 최상의 절충안을 이루므로 50mm 팁핑 위치의 선택을 촉진시킬 수도 있다.

상기에 식별된 바와 같이, 프리폼(100) 및 밸런싱되고 최적화되어야 하는 프리폼(100)을 생성하는데 사용된 팁핑 공정의 제 3 특성은 프리폼(100)의 OD 대 코어 OD의 비율이다. FEM 시뮬레이션의 도움으로, 0.2g 속도 프로파일을 사용하여 200 mm OD 프리폼(100)에 적용된 온라인 하부 팁핑 공정에 대해 그 비율이 조사되었다. 도 17a는 프리폼 반경 (r)에 대한 프리폼 높이(z)의 그래프이다. 프리폼 OD는 실선으로 도시된다; 코어 OD는 실질적으로 수직 점선으로 도시된다. 실질적으로 수평으로 배향된 점선들은 코어를 포함하는 프리폼(100)의 섹션들을 나타낸다. 각 섹션은 프리폼(100)에 대한 OD 측정치 및 프리폼(100)의 코어에 대한 OD 측정치를 수득한다. 이러한 측정치들은 도 17b에 그래픽으로 예시되어 있으며, 이는 프리폼 OD/코어 OD의 비율에 대한 프리폼 높이(z)의 그래프이다.

도 17a는 예시된 예시적인 시뮬레이션의 경우, 허용 가능한 "양호한(good)" 프리폼 유리가 약 300 mm의 프리폼 높이에서 시작한다는 것을 도시한다. 해당 높이 이하의 유리는 폐기물을 구성한다. 프리폼(100)이 광섬유를 인발하는데 사용되기 전에 폐기물 유리가 절단되므로, 중요하지 않다.

도 17b는 대형 OD 프리폼(100)으로부터 훨씬 더 작은 팁으로의 크기에 있어서의 트랜지션은 테이퍼의 중간에서 바람직하지 않은 높은(왜곡된) 프리폼 OD/코어 OD의 비율이 된다는 것을 도시한다. 도 17b에 예시된 예시적인 시뮬레이션의 경우, 비율은 프리폼(100)의 상부에서 15.6에서 시작하고 17 이상에서 피크가 된다. 그러나, 열 전달 및 유리 흐름의 물리현상으로 인해 프리폼(100)이 팁으로 테이퍼 영역을 빠져나갈 때 비율은 15 미만의 일정한 "양호한" 값으로 회복된다. 유리는 상향식 인발 온라인 팁핑 공정 동안 심봉들(30) 및 클래딩(32) 둘 모두에서 유동한다.

따라서, 프리폼 팁핑 공정은 실제로 팁 내부에서 왜곡된 클래드 대 코어 비율을 초래한다. 그러나, 중요한 점은 광섬유로 인발될 때 프리폼 팁은 양호하고 일정한 클래드 대 코어 비율 섬유가 된다는 점이다. 프리폼 팁핑 공정 및 섬유 인발 공정 둘 다에서 대혁 OD 프리폼으로부터 작은 팁(팁핑 공정 동안)으로 또는 섬유(섬유 인발 공정 동안)로 크기에 있어서의 큰 트랜지션은 테이퍼의 중간에서 매우 유사 높은 클래드 대 코어 피크 비율을 수틱하지만 이러한 높은 클래드 대 코어 비율은 열 전달 및 유리 흐름의 동일한 물리현상으로 인해 팁 또는 섬유로 테이퍼 영역을 빠져 나올 때 일정하고 양호한 값으로 회복될 것이라는 것이 이 결과에 대한 이유이다. 다시 말해, 왜곡된 클래드 대 코어 비율 프리폼 팁을 인발하는 것이 실제로 양호한 클래드 대 코어 비율 섬유가 될 것이며, 이는 클래드 대 코어 비율이 일반 섬유 인발에서 테이퍼를 통해 대형 프리폼으로부터 섬유로 어떻게 발전될 것인지와 매우 유사하다. 요약하면, 상기에 설명된 프리폼 팁핑 공정은 궁극적이고 후속적인 광섬유 인발 공정에 매우 적합하다.

도 18은 최소 제곱 피팅 지수 함수(least square fitted exponential function)를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 하부 팁핑 동작에서 달성된 비선형 속도(또는 벨로시티) 프로파일의 그래프이다. FEM 시뮬레이션은 0.2g을 사용하는 150 mm OD 프리폼(100)에 적용된 온라인 하부 팁핑 공정을 반영한다. 이산 데이터 포인트들은 시뮬레이션을 사용하여 "실제" 속도들로 생성되었다. 연속적인 지수 곡선은 많은 데이터 포인트들을 통해 실선으로 도시된다. 곡선은 최소 제곱 피팅 함수 y = 0.3117*exp(0.0207*x - 4.0428를 따르며, 여기서 y는 속도(mm/분)을 나타내고 x는 시간(초)을 나타낸다. 가로좌표 및 세로좌표는 각각 도 18에 예시된 2차원 그래프의 x축 및 y축을 형성하는 수평축 및 수직축이다.

데이터 포인트들에 대한 곡선의 전체 핏은 0.2g 속도 프로파일이 실제로 "지수형(exponential-like)"이라는 점을 나타낸다. 저속에서의 곡선 핏의 품질은 고속에서의 핏만큼 좋지 않다. 그럼에도 불구하고, 비선형 벨로시티 프로파일은 확실히 지수 곡선에 근사한다.

상기에 설명된 온라인 팁핑 공정들은 광섬유로 인발할 준비가 된 팁핑된 프리폼을 만드는데 사용될 수 있다. FEM 시뮬레이션은 팁핑 공정 레시피들을 효율적으로 식별하고 필요한 실제 시험의 양을 최소화하는데 이용되었다. 그리퍼 시스템(80)의 마운팅 엘리먼트(84)에 설치된 로드 셀(68)로부터의 판독치들을 설계된 레시피들의 견고한 구현을 보장하는데 사용되었다.

온라인 팁핑 공정들은 상기에 개략적으로 설명한 목적들을 달성하고 많은 이점들을 제공한다. 예를 들어, 공저은 기존 오프라인 팁핑 프로세스와 비교할 때 상당한 양의 프로세스 시간과 비용을 절약합니다. 또한 우수한 프리폼 재료의 페기물을 줄인다: 최적화된 온라인 하부 팁핑 공정은 폐기물을 총 프리폼(100)의 <1 % 미만으로 줄이며 최적화된 온라인 중간 팁핑 공정의 폐기물은 0에 가깝다. 아마도 가장 중요한 온라인 팁핑 공정은 가장 효율적인 섬유 인발을 위해 팁 형상(길이 및 너비)과 모양을 최적화한다.

보다 구체적으로, 온라인 팁핑 공정들은 프리폼 팀에서 최소량의 유리를 달성한다. 관련 이점은 최소량의 유리 드립 및 시작 시간으로 후속 섬유 인발을 시작하는 것이 상대적으로 쉽도록 상기 공정들이 최소의 팁 길이(프리폼 직경에 비해) 및 샤프한 팁 단부를 달성한다는 점이다. 또 다른 관련 이점은 상기 공정들이 프리폼(100)으로부터 인발된 최종 광섬유에서 도파관 왜곡을 최소화한다는 점이다. 온라인 팁핑 공정들로부터 생긴 200 mm 외경(대형) 프리폼(100)은 예를 들어, 최소 도파관 왜곡을 가지면서 8.2 μm의 도파관 코어 직경(또는 125/8.2 = 15.2의 비율)을 갖는 125 μm 외경 (소형) 광섬유로 인발될 수 있다. 프리폼 팁은 그로부터 인발된 섬유가 최소한의 파손 및 폐기물을 갖는 정확한 섬유 컷오프 성능을 갖도록 적절한 클래드 대 코어 비율을 갖는다. 팁핑 공정에 따라, 적어도 일부 종래 및 시판되고 있는 프리폼 팁들은 양호환 섬유로 인발될 수 없도록 상당한 양의 왜곡된("불량(bad)") 도파관 유리를 포함한다. 이러한 불량 팁들은 팁핑 공정에서 양호한 프리폼 유리의 상당한 낭비를 나타낸다.

본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 앞의 설명은 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명을 제한하는 것이 아니라 예시하는 것으로 간주되어야 한다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 청구 범위에 제시된 바와 같이 본 발명을 벗어나지 않으면 상기에 설명한 특징들의 다양한 변형들 및 조합들이 이용될 수 있다. 이러한 변형들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어난 것으로 간주되지 않으며, 이러한 모든 변형들은 다음의 청구 범위의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 예를 들어, 이 문서에서 광범위하게 나열된 모든 범위는 더 넓은 범위 내에 속하는 모든 더 좁은 범위를 포함하도록 명시적으로 의도된다. 또한, 당업자에게 이해되는 바와 같이, 공정에 포함된 특정 단계들은 생략될 수 있고; 특정 추가 단계들이 추가될 수 있으며; 상기 단계들의 순서는 설명된 특정 순서로부터 변경될 수 있다.

Claims

미리 결정된 팁 기하학적 구조들 및 형태들, 감소된 유리 폐기물 및 프리폼으로부터 인발된 섬유에서의 최소한의 클래드 대 코어 도파관 왜곡을 갖는 팁형 유리 프리폼을 수득하는 자동화된 대형 외경 프리폼 팁핑 공정에 있어서,
가열 구역, 상기 프리폼의 일단에 고정되도록 적응된 제1 고정 유닛 및 상기 프리폼의 대향단에 고정되도록 적응된 제2 고정 유닛을 갖는 장치에서 유리 프리폼을 생성하는 단계;
상기 가열 구역에서 상기 유리 프리폼의 영역을 가열하여, 상기 프리폼을 상기 영역에서 초기에 연화시키는 단계;
상기 가열 구역의 온도를 조절하는 단계;
상기 제1 및 상기 제2 고정 유닛들을 동기화된 방식으로 동시에 이동시킴으로써 팁핑 위치에서 상기 가열 구역에 대해 상기 프리폼을 위치시키는 단계;
상기 프리폼 영역이 연화될 때까지 상기 가열 구역에 열을 인가하는 단계;
적어도 상기 제2 고정 유닛을 미리 결정된 비선형 벨로시티 프로파일에 따라 상기 가열 구역으로부터 멀리 이동시키는 단계;
상기 제2 홀딩 유닛의 상기 벨로시티가 상기 유리 프리폼의 상기 영역에서 박막형 유리 스트랜드를 생성하는 최대값을 달성하면, 적어도 상기 가열 구역의 상기 온도를 감소시키는 단계; 및
팁형 유리 프리폼을 수득하도록 상기 박막형 유리 스트랜드를 절단하는 단계를 포함하는, 프로폼 팁핑 공정.
제1항에 있어서, 상기 유리 프리폼은 상향식 콜랩스(collapse) 공정에 의해 생성되는, 프리폼 팁핑 공정.
제1항에 있어서, 상기 가열 구역의 온도를 조절하는 단계는 상기 프리폼을 냉각시키기 위한 온도를 감소시키는 단계를 포함하는, 프리폼 팁핑 공정.
제1항에 있어서, 상기 가열 구역에 대해 상기 프리폼을 위치시키는 단계는 상기 프리폼을 상기 가열 구역의 중심의 약간 일측에 위치시키는, 프리폼 팁핑 공정.
제1항에 있어서, 상기 가열 구역에 대해 상기 프리폼을 위치시키는 단계는 상기 프리폼을 상기 가열 구역의 거의 중심에 위치시키는, 프리폼 팁핑 공정.
제1항에 있어서, 상기 팁핑 위치는 FEM 시뮬레이션의 사용에 의해 최적화되는, 프리폼 팁핑 공정.
제1항에 있어서, 상기 제1 고정 유닛의 위치는 로드 셀에 응답하여 변경되며, 상기 제1 고정 유닛의 위치는 상기 로드 셀이 실질적으로 제로 로드를 나타낼 때까지 변경되는, 프리폼 팁핑 공정.
제7항에 있어서, 상기 열은 상기 가열 구역에 인가되어, 상기 로드셀의 판독의 기울기가 실질적으로 제로가 될 때까지 상기 프리폼 영역을 연화시키는, 프리폼 팁핑 공정.
제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 비선형 벨로시티 프로파일은 지수 곡선에 근사하는, 프리폼 팁핑 공정.
제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 비선형 벨로시티 프로파일은 FEM 시뮬레이션의 사용에 의해 정의되는, 프로폼 팁핑 공정.
제1항에 있어서, 상기 적어도 상기 제2 고정 유닛을 미리 결정된 비선형 벨로시티 프로파일에 따라 상기 가열 구역으로부터 멀리 이동시키는 단계는 상기 제1 고정 유닛을 상기 제2 고정 유닛의 방향과 반대되는 방향으로 상기 동일한 미리 결정된 비선형 벨로시티 프로파일을 따라 상기 가역 구역으로부터 멀리 이동시키는 단계를 더 포함하는, 프리폼 팁핑 공정.
제11항에 있어서, 상기 적어도 상기 가열 구역의 상기 온도를 감소시키는 단계는 상기 가열 구역을 턴 오프시키고 상기 제1 고정 유닛이 상기 가열 구역을 향해 그리고 상기 제2 고정 유닛의 방향과 동일한 방향으로 이동지만 약간 더 작은 벨로시티로 이동되도록 상기 제1 고정 유닛의 이동을 역전시키는 단계를 포함하는, 프리폼 팁핑 공정.
제1항에 있어서, 상기 적어도 상기 가열 구역의 상기 온도를 감소시키는 단계는 상기 가열 구역을 턴 오프시키고 상기 제2 고정 유닛이 미리 결정된 비선형 벨로시티 프로파일을 완성하는 동안 상기 제1 고정 유닛을 상기 제2 고정 유닛의 방향과 반대되는 방향으로 상기 가열 구역으로부터 멀리 신속하게 이동시키는 단계를 포함하는, 프리폼 팁핑 공정.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 컨트롤러에 의해 하나 이상의 공정 단계들을 관리하는 단계를 더 포함하는, 프리폼 팁핑 공정.
제1항 내지 제14항에 있어서, 수득된 팁형 유리 프리폼은 상기 프리폼의 상기 외경에 비해 샤프하고 짧은 팁을 갖는, 프리폼 팁핑 공정.