Быстрее и меньше брака: ученые создали универсальный инструмент для производства оптоволокна

Оптическое волокно — основа современного интернета, связи и многих медицинских приборов. Его производство — очень сложный процесс, требующий высочайшей точности на каждом шаге. Даже небольшие отклонения в технологии могут привести к существенному повышению себестоимости готового материала и к тому, что дорогостоящая заготовка окажется непригодной для дальнейшего применения.

Один из ключевых начальных этапов создания оптоволокна — процесс «жакетирования» кварцевых труб. Это процесс, когда тонкая кварцевая трубка аккуратно нагревается и надевается на производственный стержень. Жакетирование нужно, чтобы создать прочную и толстую заготовку, из которой потом вытягивают тонкое оптическое волокно. Однако оборудование для этого процесса обычно рассчитано на работу с несколькими стандартными размерами трубок. На практике размеры сырья могут немного отличаться от идеала. Так, отсутствие инструкций для разных видов заготовок вынуждает технолога подбирать настройки методами расчета промежуточных значений между несколькими известными установленными режимами. Однако такой подход не работает, потому что процессы тепломассопереноса подчиняются более сложным, нелинейным законам.

Как правило, в такой ситуации специалисту приходится вручную адаптировать все настройки. Чаще всего это делается путем простой корректировки. Например, если диаметр трубки на 2% больше стандартного, то скорость нагревания волокна интуитивно снижают примерно на те же 2%. Однако на процесс жакетирования влияет множество взаимосвязанных факторов, а примерная корректировка одного параметра не может учесть всех аспектов производства. В итоге дорогостоящая заготовка может потерять свои оптические свойства, а процент брака вырастет, увеличивая себестоимость конечного продукта.

Оптимальные режимы работы также часто охраняются компаниями как производственная тайна (ноу-хау). Это приводит к тому, что научно-обоснованных и общедоступных методик расчета параметров для такого процесса практически не существует. В итоге это создает дефицит знаний, мешает стандартизации отрасли и замедляет общий технологический прогресс.

Ученые Пермского Политеха создали универсальный инженерный инструмент для процесса жакетирования. Он позволит в два раза ускорить обработку заготовок с нестандартными размерами и сократить долю брака в производстве на 75%. Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления».

Сначала эксперты проанализировали весь цикл жакетирования, разбив его на ключевые этапы. Они сосредоточились на трех наиболее важных: травление (очистка поверхности), полировка и сплавление трубки со стержнем.

Для каждого этапа производства ученые создали свою виртуальную модель: указали размеры кварцевой трубки, стержня и зазора между ними, задали свойства материалов и прописали, как движется горелка, с какой мощностью она греет, предложили метод расчета температурных полей в кварце.

Далее в созданных цифровых моделях они стали изменять исходные параметры так, как это происходит в реальности: варьировали толщину стенки трубки, ее диаметр, скорость движения горелки и множество других факторов. Созданная компьютерная программа для каждого варианта рассчитывала, как будет вести себя система, и будет ли результат соответствовать критериям качества.

Ученые проверили свои модели, используя реальные заводские данные. Они взяли стандартные размеры труб и стержней из промышленного норматива, а также фактические режимы работы горелки с ее скоростями и температурами. В расчетах учли также точные свойства материалов кварца и газов из профессиональных баз данных, чтобы убедиться, что виртуальная модель работает с теми же параметрами, что и физический процесс.

— Финальным и самым практическим шагом стало преобразование массива сложных данных в удобный для производства инструмент. На основе выявленных закономерностей мы построили так называемые технологические номограммы. По сути, это набор наглядных инструкций, где отражены измеряемые параметры трубки (например, диаметр и толщина), а также какую скорость движения горелки нужно выставить для таких показателей, — прокомментировала Дарья Владимирова, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Прикладная математика» ПНИПУ.

Технологическая схема процесса жакетирования кварцевой трубы / © Пресс-служба ПНИПУ

Для работника на производстве решение сводится к простому и быстрому поиску нужных значений на номограммах. В начале работы он измеряет размеры реальной трубки и, опираясь на созданные при моделировании графики, находит все нужные параметры: с какой скоростью двигать горелку, какую выставить мощность или сколько подать газа. Благодаря готовому инструменту даже для нестандартных трубок можно мгновенно найти верные настройки, не тратя время на ошибки и не рискуя испортить заготовку.

Номограмма зависимостей толщины жакетной трубы и мощности горелки от расстояния между стержнем и жакетной трубой / © Пресс-служба ПНИПУ

— В результате работа с нестандартными заготовками стала в два раза эффективнее, потому что отпала необходимость в долгом подборе параметров. Также важно, что количество брака на основных этапах производства сократилось на 75%. Это означает, что дорогое сырье теперь расходуется экономнее, а качество готовой продукции стало стабильно высоким. Наша разработка поможет создать общую научную базу для важной отрасли, поскольку раньше такие знания часто были коммерческой тайной, — рассказал Владимир Первадчук, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Прикладная математика» ПНИПУ.

Сам подход, который использовали ученые, можно применить и в других сферах. Метод создания точной компьютерной модели сложного процесса, а затем — простых инструкций для работников, подходит для многих высокотехнологичных производств.

Например, его можно использовать для управления плавкой специального стекла, где пузырьки и неоднородности недопустимы. Специалист, измерив температуру и вязкость сплава, мог бы по готовой инструкции сразу определить, как скорректировать режим печи. Точно так же с помощью предложенного инструмента можно будет настраивать химические реакторы для синтеза сложных веществ. По показаниям датчиков о температуре и концентрации компонентов технолог находил бы точные значения для регулировки подачи реагентов.