A macchina di rivestimento secondario funziona alimentando continuamente fibre ottiche con rivestimento primario attraverso una filiera di estrusione di precisione, dove il materiale termoplastico fuso viene formato in un tubo tampone protettivo attorno alle fibre. Il processo integra il controllo della tensione delle fibre, l'estrusione a doppio strato, l'iniezione di gel tixotropico, il raffreddamento a bagnomaria e il monitoraggio dimensionale in tempo reale in un'unica linea di produzione sincronizzata. Il risultato finale è un buffer a tubo sciolto dimensionalmente stabile, l’elemento strutturale principale della maggior parte dei cavi in fibra ottica utilizzati nelle reti di telecomunicazioni in tutto il mondo.
In termini pratici, la macchina aspira le fibre nude dalle bobine di svolgimento da un lato e fornisce dall'altro tubi buffer avvolti in bobina, riempiti di gel e di dimensioni precise, il tutto a velocità di linea che possono raggiungere 300 metri al minuto su sistemi produttivi ad alte prestazioni. Ogni parametro, dalla temperatura di fusione alla tensione delle fibre, viene monitorato e regolato a circuito chiuso per garantire che ogni metro di tubo soddisfi le stesse rigorose specifiche.
Prima di esaminare nel dettaglio i singoli sottosistemi, è utile comprendere la macchina come un processo continuo e lineare. Il materiale e la fibra entrano dall'estremità a monte e vengono progressivamente trasformati mentre si spostano a valle. La sequenza delle operazioni segue questo flusso logico:
Ognuna di queste fasi è interdipendente. Una variazione della velocità della linea sul cabestano, ad esempio, influisce contemporaneamente sullo spessore della parete del tubo, sull'EFL delle fibre, sul rapporto di riempimento del gel e sull'efficienza di raffreddamento: ecco perché le macchine moderne si affidano a sistemi di controllo a circuito chiuso basati su PLC anziché a impostazioni regolate manualmente.
La precisione di lavoro di una macchina per rivestimento secondario inizia dalla sua struttura fisica. Il telaio della macchina è costruito mediante saldature di piastre in acciaio A3 ad alta tensione abbinate a lavorazioni di acciaio di tipo strutturale. L'acciaio A3 (paragonabile al grado Q235) fornisce una resistenza alla trazione di circa 370–500 MPa, eccellente saldabilità e basso stress residuo dopo la lavorazione: tutte proprietà essenziali per un telaio che deve rimanere dimensionalmente stabile sotto carichi termici e meccanici continui.
Il telaio deve supportare e allineare tutti i principali sottosistemi (estrusori, vasche di raffreddamento, argano e avvolgimento) entro frazioni di millimetro. Qualsiasi flessione o vibrazione del telaio si traduce direttamente in una variazione del diametro del tubo o in una deviazione della posizione delle fibre all'interno del tubo. Per questo motivo, la struttura in acciaio saldato viene generalmente sottoposta a distensione dopo la fabbricazione e lavorata con precisione su tutte le superfici di montaggio critiche prima dell'assemblaggio.
Una linea di rivestimento secondario di livello produttivo comunemente si estende Da 15 a 30 metri di lunghezza totale e il telaio deve mantenere l'allineamento lungo l'intero arco anche quando i cilindri dell'estrusore raggiungono i 250–280°C e le vasche di raffreddamento funzionano a 15–40°C nelle zone adiacenti. I giunti di dilatazione termica e i rinforzi incrociati rigidi sono integrati nel design del telaio per gestire queste esigenze senza compromettere la precisione del posizionamento.
Il processo inizia presso la stazione di svolgimento della fibra, dove le bobine di fibra ottica con rivestimento primario vengono montate su culle di svolgimento motorizzate. Ogni bobina può trasportare Da 20 a 25 km di fibra e più bobine vengono caricate simultaneamente per la produzione di tubi multifibra: in genere 2, 4, 6, 8, 12 o 24 fibre per tubo.
La tensione delle fibre è uno dei parametri più critici nel rivestimento secondario. Se la tensione è troppo elevata, le fibre potrebbero essere precompresse all'interno del tubo finito, causando un'elevata attenuazione ottica. Se la tensione è troppo bassa, le fibre potrebbero aggrovigliarsi o formare anelli irregolari, causando difetti nella geometria del tubo. La tensione operativa è generalmente impostata tra 30 e 80 grammi per fibra , gestito da un sistema di feedback a braccio ballerino o da un payoff servocomandato con misurazione della tensione in tempo reale.
Le fibre vengono instradate attraverso una serie di guide in ceramica o acciaio inossidabile che le convergono gradualmente nella spaziatura e disposizione precise richieste all'ingresso della filiera di estrusione. Queste guide sono lucidate con una ruvidità superficiale inferiore al micron per evitare qualsiasi graffio del delicato rivestimento primario sulle fibre.
Il sistema di estrusione è il cuore della macchina di rivestimento secondario. La maggior parte delle linee di produzione utilizza una configurazione a doppio estrusore per applicare il materiale del tubo tampone in due strati distinti. Nel layout standard, l'estrusore del rivestimento frontale è posizionato nella parte anteriore della macchina, mentre l'estrusore del rivestimento inferiore è posizionato nella parte posteriore. Questa disposizione consente di controllare in modo indipendente ogni strato in termini di tipo di materiale, temperatura di fusione e velocità di produzione.
L'estrusore del rivestimento frontale fornisce materiale che forma la superficie interna del tubo tampone, la superficie a diretto contatto con le fibre ottiche e il gel di riempimento. Questo strato deve essere chimicamente compatibile con il composto gel e deve presentare un ritiro molto basso durante il raffreddamento per evitare di indurre stress meccanici sulle fibre. Il PBT (polibutilene tereftalato) è la scelta del materiale predominante, offrendo un ritiro lineare dello stampo inferiore allo 0,5% e un intervallo di temperature di servizio compreso tra -40°C e 85°C.
L'estrusore del rivestimento frontale utilizza tipicamente a Monovite diametro 30 mm o 45 mm con un rapporto di compressione compreso tra 2,5:1 e 3,5:1, operando a temperature della canna comprese tra 200°C e 270°C. La temperatura della zona di dosaggio è quella controllata più strettamente, poiché la viscosità del fuso nello stampo deve rimanere entro una finestra ristretta per ottenere uno spessore di parete costante.
L'estrusore del rivestimento inferiore applica lo strato della parete esterna del tubo tampone, che determina il diametro esterno e le proprietà meccaniche del tubo. Questo strato fornisce la resistenza strutturale necessaria per la cordatura del cavo: il tubo deve resistere alla pressione laterale delle apparecchiature di cordatura senza distorsioni e deve mantenere la sua sezione trasversale circolare dopo la cordatura attorno a un elemento di rinforzo centrale.
Lo spessore dello strato di rivestimento inferiore è generalmente compreso tra 0,3 mm e 0,9 mm , a seconda dei requisiti di progettazione del cavo. In alcune configurazioni, il materiale del rivestimento inferiore può essere un composto PBT modificato con l'aggiunta di stabilizzanti UV, coloranti o modificatori di impatto, consentendo l'identificazione del tubo con codice colore nelle costruzioni di cavi multitubo senza richiedere un passaggio di colorazione separato.
I due flussi di fusione provenienti dagli estrusori del rivestimento frontale e inferiore convergono in una testa di coestrusione, dove si formano concentricamente attorno al fascio di fibre. La testa della filiera è costituita da una punta guidafibra, un corpo della filiera con due ingressi per il materiale fuso e un orifizio della filiera che modella il diametro esterno del tubo finito. Il diametro dell'orifizio della matrice e la lunghezza della parte terminale determinano il diametro esterno del tubo e la caduta di pressione che determina un flusso di materiale fuso costante.
La concentricità della matrice (l'allineamento del centro della punta della matrice con il centro dell'orifizio) deve essere mantenuta entro ±0,02 mm per evitare eccentricità della parete. La maggior parte delle teste portapettini moderne include viti di regolazione fine o meccanismi di centratura termica che consentono agli operatori di correggere la concentricità durante la produzione senza arrestare la linea.
Una funzione fondamentale del processo di rivestimento secondario è il riempimento dell'interno del tubo tampone con un composto tixotropico blocca-acqua, comunemente indicato come gel di riempimento o composto di riempimento. Questo gel impedisce all'acqua che entra nel punto di rottura del cavo di spostarsi longitudinalmente attraverso il tubo e raggiungere punti sensibili di giunzioni o connettori.
Il sistema di riempimento del gel è costituito da un serbatoio di stoccaggio riscaldato, una pompa dosatrice di precisione (solitamente una pompa a ingranaggi o una pompa a cavità progressiva) e un sottile ago di iniezione in acciaio inossidabile che passa attraverso la punta dello stampo e deposita il gel direttamente all'interno del tubo di formatura. La velocità di iniezione del gel deve essere perfettamente sincronizzata con la velocità della linea - tipicamente espresso come rapporto volume per metro - per garantire un riempimento completo senza eccesso di gel che creerebbe contropressione e distorcerebbe la disposizione delle fibre.
Il gel di riempimento viene mantenuto a una temperatura elevata (tipicamente 60–80°C) nel serbatoio di stoccaggio per ridurre la viscosità per il pompaggio, ma gelifica fino a raggiungere uno stato tissotropico semisolido dopo il raffreddamento nel tubo finito. Questa combinazione di fluidità durante il riempimento e stabilità in servizio è ciò che rende il gel tixotropico la scelta standard per i progetti di cavi a tubo sciolto che operano nell'intero intervallo ambientale da -40°C a 70°C richiesto dalla maggior parte degli standard di telecomunicazione.
Subito dopo la filiera di estrusione, il tubo appena formato entra nel sistema di raffreddamento. Il raffreddamento deve essere attentamente controllato: un raffreddamento troppo rapido provoca stress superficiale e potenziali fessurazioni; un raffreddamento troppo lento consente al tubo di abbassarsi o deformarsi prima di solidificarsi completamente, soprattutto a velocità di linea elevate.
Il sistema di raffreddamento su una tipica linea di rivestimento secondario è costituito da più vasche d'acqua disposte in serie. La prima vasca (la più vicina allo stampo) utilizza acqua calda 40–60°C per avviare un raffreddamento graduale senza shock termico. Le vasche successive riducono progressivamente la temperatura dell'acqua, alla quale normalmente operano le vasche finali 15–25°C — portare il tubo ad uno stato stabile e completamente solidificato prima che raggiunga il cabestano.
La lunghezza totale della vasca di raffreddamento varia da Da 6 a 15 metri a seconda della velocità della linea e dello spessore della parete del tubo. Per una linea da 300 m/min che produce un tubo con diametro esterno di 2,0 mm, il tubo rimane solo da 1,5 a 3 secondi circa nel sistema di raffreddamento, il che significa che il gradiente di temperatura dell'acqua attraverso le vasche deve essere impostato con precisione per ottenere un'adeguata solidificazione in questo breve intervallo.
Ciascuna zona della mangiatoia è controllata in modo indipendente dalla temperatura tramite un sistema di circolazione dell'acqua con uno scambiatore di calore. Gli operatori possono visualizzare e regolare il setpoint di ciascuna zona dall'HMI centrale e alcuni sistemi avanzati includono la compensazione automatica della zona che regola la portata dell'acqua di raffreddamento in risposta ai cambiamenti nella velocità della linea.
Dopo le vasche di raffreddamento, il tubo passa attraverso uno o più micrometri laser senza contatto che ne misurano il diametro esterno in continuo e in tempo reale. Questi calibri utilizzano la triangolazione laser o la tecnologia di scansione delle ombre e possono risolvere differenze di diametro anche piccole ±0,001 mm alla massima velocità della linea.
I dati di misurazione del diametro esterno vengono reimmessi nel sistema di controllo PLC, che regola automaticamente una o più variabili di processo per correggere qualsiasi deriva dal diametro target:
Questo circuito di feedback a circuito chiuso funziona tipicamente con un tempo di risposta inferiore a un secondo, consentendo al sistema di compensare le variazioni di viscosità della materia prima, i cambiamenti della temperatura ambiente o le fluttuazioni meccaniche minori senza l'intervento dell'operatore. I sistemi moderni mantengono il diametro esterno del tubo entro ±0,03 mm dal target durante un intero ciclo di produzione di 25 km o più.
Oltre alla misurazione del diametro esterno, alcune linee avanzate incorporano la misurazione dell'eccentricità (uniformità dello spessore della parete) utilizzando misuratori rotanti o sistemi a raggi X e il rilevamento della posizione delle fibre utilizzando sensori ottici in linea che verificano che le fibre siano centrate all'interno del tubo anziché spostate su un lato.
Il cabestano è l'elemento regolatore della velocità dell'intera linea. È costituito da una o più ruote o cinghie motorizzate che afferrano il tubo raffreddato e lo trascinano attraverso la macchina a una velocità costante e controllata con precisione. Poiché la velocità del cabestano determina la velocità con cui il materiale viene estratto dalla testa di estrusione, controlla direttamente sia il diametro esterno del tubo (attraverso il rapporto di stiro) sia la lunghezza in eccesso della fibra all'interno del tubo.
La lunghezza in eccesso della fibra (EFL) è definita come la percentuale di cui la lunghezza della fibra all'interno di un determinato tubo supera la lunghezza del tubo stesso. Ad esempio, un EFL dello 0,3% significa che per ogni 1.000 metri di tubo la fibra interna è lunga 1.003 metri. Questo piccolo surplus di fibra è essenziale: permette al cavo di sostenere carichi di trazione senza che le fibre stesse subiscano tensioni, il che aumenterebbe l'attenuazione ottica.
L'EFL è impostato dal rapporto tra la velocità di avanzamento della fibra e la velocità del cabestano:
I valori EFL per i cavi loose-tube standard in genere rientrano tra 0,2% e 0,5% , con tolleranze più strette richieste per i cavi destinati all'interramento diretto o ad applicazioni sottomarine dove i cicli termici e i carichi meccanici sono più severi.
Tutti i sottosistemi sopra descritti (tensione di profitto, temperatura e velocità dell'estrusore, velocità della pompa del gel, temperatura dell'acqua di raffreddamento, feedback del misuratore OD e velocità del cabestano) sono coordinati da un sistema centrale di controllo logico programmabile (PLC). L'operatore interagisce con questo sistema attraverso un touchscreen HMI (interfaccia uomo-macchina) che visualizza dati di processo in tempo reale, condizioni di allarme e grafici di tendenza.
Le principali funzioni di controllo del PLC includono:
I sistemi avanzati possono anche integrarsi con i MES (Manufacturing Execution Systems) a livello di fabbrica per segnalare i volumi di produzione, il consumo di materiali e i dati sulla qualità in tempo reale al software di gestione dell'impianto.
Comprendere come interagiscono i parametri chiave del processo è essenziale per gli operatori che devono risolvere problemi di qualità o ottimizzare l'efficienza della produzione. La tabella seguente riassume le relazioni più importanti tra parametri e output:
| Parametro di processo | Se troppo alto | Se troppo basso | Intervallo target (tipico) |
|---|---|---|---|
| Temperatura del cilindro dell'estrusore | Degradazione del polimero, scolorimento | Elevata pressione di fusione, rugosità superficiale | 200–280°C (PBT) |
| Velocità della linea del cabestano | Parete sottile, diametro esterno ridotto, EFL basso | Parete spessa, diametro esterno elevato, EFL in eccesso | 40–300 metri/min |
| Tensione di payoff delle fibre | Pre-tensione delle fibre, aumento dell'attenuazione | Aggrovigliamento delle fibre, deformazione del tubo | 30–80 g per fibra |
| Velocità di iniezione del gel | Contropressione, spostamento delle fibre | Riempimento incompleto, rischio di ingresso di umidità | Sincronizzato alla velocità della linea (ml/m) |
| Temperatura dell'acqua di raffreddamento | Solidificazione incompleta, cedimento del tubo | Shock termico, fessurazione superficiale | 15–60°C (zone classificate) |
| Velocità di rotazione della vite | Surriscaldamento, degrado della fusione | Throughput inadeguato, calo OD | 10–120 giri/min |
Gli operatori che comprendono profondamente queste interazioni possono risolvere la maggior parte delle deviazioni di qualità regolando un singolo parametro anziché apportare più modifiche contemporaneamente: questo è il percorso più rapido per ripristinare una produzione stabile e conforme alle specifiche.
La fase finale del processo di rivestimento secondario consiste nell'avvolgimento del tubo tampone finito su bobine di avvolgimento per lo stoccaggio e la lavorazione a valle. Il sistema di avvolgimento deve applicare una tensione controllata e costante al tubo durante l'avvolgimento per evitare deformazioni o sollecitazioni delle fibre dovute a una pressione irregolare della bobina.
Il meccanismo di traslazione sulla bobina di riavvolgimento dispone il tubo in strati uniformi e sovrapposti su tutta la larghezza della flangia della bobina, prevenendo eventuali punti di pressione localizzati che potrebbero intaccare la parete del tubo e alterare la geometria delle fibre all'interno. La capacità della bobina varia generalmente da Da 2 km a 25 km di tubo finito in funzione del diametro del tubo e della dimensione della bobina.
Quando una bobina è piena, la macchina esegue il cambio della bobina, manualmente o automaticamente. Durante questo breve passaggio, un tratto di tubo che non può essere avvolto né sulla bobina piena né su quella nuova viene generalmente tagliato e scartato come pezzo di transizione della produzione. Ridurre al minimo la lunghezza di transizione del cambio è un importante parametro di efficienza per i produttori di cavi ad alto volume, poiché influisce direttamente sulla resa del materiale per bobina.
Ogni bobina completata viene etichettata con i dati di produzione (specifiche del tubo, lunghezza della bobina, data di produzione e registro delle misurazioni del diametro esterno) e trasferita all'area di cordatura, dove più tubi tampone verranno assemblati attorno a un elemento di rinforzo centrale per formare il cavo in fibra ottica completo.
La sequenza di lavoro di a macchina di rivestimento secondario non si limita alla produzione in condizioni stazionarie: le fasi di avvio e di arresto sono ugualmente importanti e richiedono un'attenzione sistematica per evitare la generazione di scarti e danni alle apparecchiature.
Anche le linee di rivestimento secondario ben mantenute incontrano sfide operative ricorrenti. Comprendere le cause profonde dei problemi più comuni consente ai team di produzione di risolverli in modo efficiente.
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