Интернет-коммуникации, сотовая связь, медицинская диагностика – далеко не все области, где востребовано оптоволокно. Стабильность работы систем определяется его качеством. Выпуск, при этом, является сложным технологическим процессом, не допускающим даже минимальных ошибок. Например, перегрев заготовки всего на градус приведет к ее порче, материальным потерям.
Главная трудность, с которой сталкивается промышленность – программирование оборудования под эталонные параметры деталей достижимо не всегда. Специалистам приходится вносить в программу новые вводные, оценивать фактические показатели “на глаз”, что приводит к ошибкам и браку.
Инженеры ПНИПУ оценили масштаб проблемы, предложили ее решение – инструмент, анализирующий требуемые показатели. Специалисты полагают, что его применение вдвое ускорит выпуск и на 75 процентов – снизит брак.
Характер проблемы
Без оптоволокна невозможна прокладка линий связи, сборка медицинского оборудования, задействованного в ответственных операциях и диагностических процедурах. Изготовление оптики не терпит даже минимальных погрешностей. Использование заготовок с геометрическими отклонениями, выражающимися в сотых долях миллиметра, недопустимо.
Базовая первая стадия выпуска оптического волокна – “жакетирование” трубок на основе кварцевого стекла. Обработка строится на термическом воздействии, размягчении заготовки и ее надевании на стержень. Полученная деталь становится основой для вытягивания оптоволокна.
Метод выглядит простым, но он сопряжен с ограничениями. Главное – приспособленность оборудования к работе с заготовками определенного размера. Фактические – могут сильно отличаться. Технологу приходится рассчитывать параметры самому, рассчитывать средние величины. Риск ошибки в таком случае огромен. Усредненные формулы неэффективны, действуют нелинейные принципы, где крайне трудно учесть все переменные.
Пример ручной адаптации настроек – пропорциональная корректировка. К примеру, специалист фиксирует, что заготовка на 3% крупнее эталона. Он делает логичный вывод, увеличивает интенсивность термического воздействия на аналогичные 3 процента. Это ошибка. Пропорциональные законы не действуют, а нелинейность связей определить и рассчитать крайне сложно. Ошибка приводит к следующему:
- Порча заготовки. Из-за перегрева кварцевое стекло теряет прозрачность, передача светового импульса оказывается затрудненной или невозможной.
- Крупные финансовые потери. Заготовки, в особенности крупные, очень дороги.
- Увеличение объемов бракованного товара. Оптоволокно, характеристики которого расходятся с проектными, непригодно для эксплуатации.
Решение
Специалисты ПНИПУ представили инженерный инструмент, упрощающий жакетирование. Разработать его удалось за счет комплексного анализа производственного цикла. Его ключевые стадии – подготовка поверхности, удаление загрязнений и минимальных неровностей, соединение трубки и стержня термическим воздействием.
Для каждой стадии была представлена компьютерная модель, отражающая следующее:
- Габариты стержня.
- Габариты заготовки.
- Выраженность зазора между деталями.
- Физические параметры материалов.
- Интенсивность движения горелки, необходимой для сплавления.
- Мощность, выраженность, интенсивность термического воздействия.
Подготовленные модели стали основой для множества экспериментов. Ученые получили возможность изменять параметры в виртуальной среде, без физических ресурсов. Точность результатов, при этом, на 100% аналогична практике. Программное обеспечение анализировало указанные переменные, рассчитывало результат, определяло, насколько он отвечает проектным требованиям.
Точность виртуального моделирования была подтверждена практически. Несколько испытаний подтвердили, что программа корректно выполняет все расчеты, учитывает все переменные, устанавливает правильные зависимости между ними.
Экспертные мнения
О завершающей стадии экспериментов рассказала Дарья Владимирова, доцент ПНИПУ. Закономерности, установленные при помощи компьютерного моделирования, стали базой для построения технологических номограмм. Фактически, это инструкции, которыми могут руководствоваться технологи при работе с трубками определенных размеров. Самостоятельно рассчитывать интенсивность термического воздействия, скорость движения горелки не нужно – все вводные есть в таблицах.
Выводами поделился и Владимир Первадчук, возглавляющий кафедру “Прикладная математика”. Он отметил, что максимальная эффективность была достигнута в работе с нестандартными заготовками, точные параметры которых трудно определить. Инструкции экономят время, снижают опасность брака почти вдвое. Это дает выраженный экономический эффект. Перерасход материала исключен, вся выпущенная продукция может поступать в эксплуатацию.
Первадчук отметил, что университет не намерен скрывать результаты. Таблицы будут предоставлены всем заинтересованным организациям. Им не придется самостоятельно проводить эксперименты, расходовать массу ресурсов. Известно, что ранее подобные данные были известны некоторым производителям, но относились к разряду “коммерческой тайны”, строго охранялись, не публиковались в общем доступе.
Подведение итогов
Компьютерное моделирование, использованное учеными ПНИПУ, универсально. Оно востребовано не только при производстве оптоволокна, легко адаптируется к другим процессам, где также помогает в формировании точных и подробных инструкций.
Пример – плавка стекла с максимальной прозрачностью, особыми оптическими параметрами. Критическими дефектами для него являются даже микронные пузырьки, воздушные вкрапления. Моделирование поможет в определении оптимальной температуры, вязкости расплава, даст точные указание по настройке печи. Возможно применение и в синтезе химических веществ, где модель убережет от ошибок при дозировке компонентов.
Источник – LANart (lan-art.ru).
