A Sekundärbeschichtungsmaschine funktioniert, indem primärbeschichtete optische Fasern kontinuierlich durch eine Präzisionsextrusionsdüse geführt werden, wo geschmolzenes thermoplastisches Material zu einem schützenden Pufferschlauch um die Fasern herum geformt wird. Der Prozess integriert Faserspannungskontrolle, zweischichtige Extrusion, thixotrope Gelinjektion, Wasserbadkühlung und Echtzeit-Abmessungsüberwachung in einer einzigen synchronisierten Produktionslinie. Das fertige Ergebnis ist ein formstabiler Bündeladerpuffer – das zentrale Strukturelement der meisten Glasfaserkabel, die weltweit in Telekommunikationsnetzen eingesetzt werden.
In der Praxis nimmt die Maschine an einem Ende blanke Fasern von Abwickelspulen auf und liefert am anderen Ende gespulte, mit Gel gefüllte, präzise dimensionierte Aderhüllen – und das alles bei Liniengeschwindigkeiten, die dies erreichen können 300 Meter pro Minute auf leistungsstarken Produktionsanlagen. Jeder Parameter, von der Schmelzetemperatur bis zur Faserspannung, wird im geschlossenen Regelkreis überwacht und angepasst, um sicherzustellen, dass jeder Meter Rohr die gleichen strengen Spezifikationen erfüllt.
Bevor einzelne Teilsysteme im Detail betrachtet werden, hilft es, die Maschine als kontinuierlichen, linearen Prozess zu verstehen. Material und Fasern treten am stromaufwärtigen Ende ein und werden auf dem Weg stromabwärts zunehmend umgewandelt. Die Abfolge der Vorgänge folgt diesem logischen Ablauf:
Jede dieser Phasen ist voneinander abhängig. Eine Änderung der Liniengeschwindigkeit an der Winde wirkt sich beispielsweise gleichzeitig auf die Rohrwandstärke, den Faser-EFL, das Gelfüllverhältnis und die Kühleffizienz aus – weshalb moderne Maschinen auf SPS-basierte Regelsysteme und nicht auf manuell angepasste Einstellungen angewiesen sind.
Die Arbeitsgenauigkeit einer Sekundärbeschichtungsmaschine beginnt mit ihrem physikalischen Aufbau. Der Maschinenrahmen wird durch Hochspannungsschweißen von A3-Stahlplatten in Kombination mit der Verarbeitung von Strukturstahl hergestellt. A3-Stahl (vergleichbar mit Q235-Qualität) bietet eine Zugfestigkeit von ca. 370–500 MPa, hervorragende Schweißbarkeit und geringe Restspannung nach der Bearbeitung – alles wesentliche Eigenschaften für einen Rahmen, der unter kontinuierlichen thermischen und mechanischen Belastungen formstabil bleiben muss.
Der Rahmen muss alle wichtigen Subsysteme – Extruder, Kühlwannen, Winde und Aufnahme – bis auf Bruchteile eines Millimeters tragen und ausrichten. Jede Biegung oder Vibration im Rahmen führt direkt zu einer Variation des Rohrdurchmessers oder einer Abweichung der Faserposition im Rohr. Aus diesem Grund wird die geschweißte Stahlkonstruktion nach der Herstellung typischerweise spannungsarm geglüht und vor der Montage an allen kritischen Montageflächen präzisionsbearbeitet.
In der Regel erstreckt sich eine Sekundärbeschichtungslinie in Produktionsqualität 15 bis 30 Meter Gesamtlänge , und der Rahmen muss über die gesamte Spanne ausgerichtet bleiben, selbst wenn sich die Extruderzylinder auf 250–280 °C erhitzen und Kühltröge in angrenzenden Zonen bei 15–40 °C betrieben werden. Wärmedehnungsfugen und starre Querverstrebungen sind in die Rahmenkonstruktion integriert, um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ohne die Positionsgenauigkeit zu beeinträchtigen.
Der Prozess beginnt an der Faserabwickelstation, wo Spulen mit primärbeschichteten Glasfasern auf motorisierten Abwickelgestellen montiert werden. Jede Spule kann tragen 20 bis 25 km Glasfaser , und mehrere Spulen werden gleichzeitig für die Produktion von Mehrfaserrohren geladen – typischerweise 2, 4, 6, 8, 12 oder 24 Fasern pro Rohr.
Die Faserspannung ist einer der kritischsten Parameter bei der Sekundärbeschichtung. Wenn die Spannung zu hoch ist, können die Fasern im fertigen Rohr vorgespannt werden, was zu einer erhöhten optischen Dämpfung führt. Wenn die Spannung zu niedrig ist, können sich die Fasern verheddern oder ungleichmäßige Schleifen bilden, was zu Defekten in der Rohrgeometrie führt. Die Betriebsspannung wird typischerweise zwischen 30 und 80 Gramm pro Faser eingestellt , aufrechterhalten durch ein Tänzerarm-Feedbacksystem oder eine servogesteuerte Abwicklung mit Echtzeit-Spannungsmessung.
Die Fasern werden durch eine Reihe von Führungen aus Keramik oder Edelstahl geführt, die sie nach und nach in den genauen Abstand und die genaue Anordnung bringen, die am Eingang der Extrusionsdüse erforderlich sind. Diese Führungen sind auf eine Oberflächenrauheit im Submikronbereich poliert, um Kratzer auf der empfindlichen Primärbeschichtung der Fasern zu vermeiden.
Das Extrusionssystem ist das Herzstück der Sekundärbeschichtungsmaschine. Die meisten Produktionslinien verwenden eine Dual-Extruder-Konfiguration, um das Hüllrohrmaterial in zwei unterschiedlichen Schichten aufzutragen. In der Standardanordnung ist der Extruder für die Vorderbeschichtung an der Vorderseite der Maschine und der Extruder für die Unterbeschichtung an der Rückseite positioniert. Diese Anordnung ermöglicht die unabhängige Steuerung jeder Schicht hinsichtlich Materialtyp, Schmelztemperatur und Durchsatzrate.
Der Extruder für die Außenbeschichtung liefert Material, das die Innenfläche des Pufferrohrs bildet – die Oberfläche, die in direktem Kontakt mit den optischen Fasern und dem Füllgel steht. Diese Schicht muss mit der Gelverbindung chemisch kompatibel sein und beim Abkühlen eine sehr geringe Schrumpfung aufweisen, um eine mechanische Belastung der Fasern zu vermeiden. PBT (Polybutylenterephthalat) ist die vorherrschende Materialwahl und bietet eine lineare Formschrumpfung von weniger als 0,5 % und einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis 85 °C.
Der Extruder für die Gesichtsbeschichtung verwendet typischerweise a Einzelschnecke mit 30 mm oder 45 mm Durchmesser mit einem Verdichtungsverhältnis von 2,5:1 bis 3,5:1, Betrieb bei Zylindertemperaturen zwischen 200 °C und 270 °C. Die Temperatur der Dosierzone wird am strengsten kontrolliert, da die Schmelzeviskosität in der Düse innerhalb eines engen Bereichs bleiben muss, um eine gleichmäßige Wandstärke zu erreichen.
Der Bodenbeschichtungsextruder trägt die Außenwandschicht des Pufferschlauchs auf, die den Außendurchmesser und die mechanischen Eigenschaften des Schlauchs bestimmt. Diese Schicht sorgt für die strukturelle Festigkeit, die für die Kabelverseilung erforderlich ist – das Rohr muss dem seitlichen Druck der Verseilausrüstung ohne Verformung standhalten und seinen kreisförmigen Querschnitt nach der Verseilung um ein zentrales Festigkeitselement beibehalten.
Die Dicke der unteren Schicht liegt typischerweise zwischen 0,3 mm und 0,9 mm , abhängig von den Anforderungen des Kabeldesigns. In einigen Konfigurationen kann das Material der Unterschicht eine modifizierte PBT-Verbindung mit zusätzlichen UV-Stabilisatoren, Farbstoffen oder Schlagzähmodifikatoren sein – was eine farbcodierte Rohridentifizierung in Kabelkonstruktionen mit mehreren Rohren ermöglicht, ohne dass ein separater Farbdurchgang erforderlich ist.
Die beiden Schmelzeströme aus den Deck- und Untermantelextrudern laufen an einem Koextrusionsdüsenkopf zusammen, wo sie konzentrisch um das Faserbündel geformt werden. Der Düsenkopf besteht aus einer Faserführungsspitze, einem Düsenkörper mit zwei Schmelzeinlässen und einer Düsenöffnung, die den Außendurchmesser des fertigen Rohrs formt. Der Durchmesser der Düsenöffnung und die Steglänge bestimmen den Rohraußendurchmesser und den Druckabfall, der für einen gleichmäßigen Schmelzfluss sorgt.
Die Konzentrizität der Matrize – die Ausrichtung der Mitte der Matrizenspitze mit der Mitte der Matrizenöffnung – muss innerhalb von ±0,02 mm eingehalten werden um eine Exzentrizität der Wand zu verhindern. Die meisten modernen Düsenköpfe verfügen über Feineinstellschrauben oder thermische Zentriermechanismen, die es dem Bediener ermöglichen, die Konzentrizität während der Produktion zu korrigieren, ohne die Linie anzuhalten.
Eine entscheidende Funktion des sekundären Beschichtungsprozesses besteht darin, das Innere des Pufferrohrs mit einer thixotropen wasserblockierenden Verbindung zu füllen – üblicherweise als Füllgel oder Flutmittel bezeichnet. Dieses Gel verhindert, dass Wasser, das in eine Kabelbruchstelle eindringt, in Längsrichtung durch das Rohr wandert und empfindliche Spleiß- oder Verbindungsstellen erreicht.
Das Gelfüllsystem besteht aus einem beheizten Vorratstank, einer Präzisionsdosierpumpe (normalerweise eine Zahnradpumpe oder eine Exzenterschneckenpumpe) und einer dünnen Injektionsnadel aus rostfreiem Stahl, die durch die Düsenspitze verläuft und Gel direkt in das Formrohr einbringt. Die Geleinspritzrate muss genau mit der Liniengeschwindigkeit synchronisiert werden – typischerweise ausgedrückt als Volumen-pro-Meter-Verhältnis – um eine vollständige Füllung ohne überschüssiges Gel zu gewährleisten, das einen Gegendruck erzeugen und die Faseranordnung verzerren würde.
Das Füllgel wird im Lagertank auf einer erhöhten Temperatur (normalerweise 60–80 °C) gehalten, um die Viskosität zum Pumpen zu verringern. Nach dem Abkühlen in der fertigen Tube geliert es jedoch zu einem halbfesten thixotropen Zustand. Diese Kombination aus Fließfähigkeit beim Füllen und Stabilität im Betrieb macht thixotropes Gel zur Standardwahl für Bündeladerkabeldesigns, die im gesamten von den meisten Telekommunikationsstandards geforderten Umgebungsbereich von -40 °C bis 70 °C betrieben werden.
Unmittelbar nach der Extrusionsdüse gelangt der frisch geformte Schlauch in das Kühlsystem. Das Abkühlen muss sorgfältig kontrolliert werden – ein zu schnelles Abschrecken führt zu Oberflächenspannungen und möglichen Rissen; Eine zu langsame Abkühlung führt dazu, dass das Rohr durchhängt oder sich verformt, bevor es vollständig erstarrt, insbesondere bei hohen Liniengeschwindigkeiten.
Das Kühlsystem einer typischen Sekundärbeschichtungslinie besteht aus mehreren in Reihe angeordneten Wassertrögen. Der erste Trog (am nächsten an der Matrize) verwendet warmes Wasser 40–60°C um eine allmähliche Abkühlung ohne Thermoschock einzuleiten. Nachfolgende Tröge senken schrittweise die Wassertemperatur – die letzten Tröge arbeiten normalerweise bei dieser Temperatur 15–25°C — Bringen des Rohrs in einen stabilen, vollständig erstarrten Zustand, bevor es die Winde erreicht.
Die Gesamtlänge der Kühlrinne reicht von 6 bis 15 Meter Abhängig von der Liniengeschwindigkeit und der Rohrwandstärke. Bei einer 300 m/min-Linie, die ein Rohr mit 2,0 mm Außendurchmesser produziert, verbringt das Rohr nur etwa 1,5 bis 3 Sekunden im Kühlsystem – das bedeutet, dass der Wassertemperaturgradient über die Tröge genau eingestellt werden muss, um in diesem kurzen Fenster eine ausreichende Verfestigung zu erreichen.
Jede Trogzone wird unabhängig über ein Umlaufwassersystem mit Wärmetauscher temperiert. Bediener können jeden Zonensollwert über das zentrale HMI anzeigen und anpassen. Einige fortschrittliche Systeme verfügen über eine automatische Zonenkompensation, die die Kühlwasserdurchflussrate als Reaktion auf Änderungen der Liniengeschwindigkeit anpasst.
Nach den Kühlwannen durchläuft das Rohr ein oder mehrere berührungslose Laser-Mikrometermessgeräte, die seinen Außendurchmesser kontinuierlich und in Echtzeit messen. Diese Messgeräte verwenden Lasertriangulation oder Schattenscan-Technologie und können Durchmesserunterschiede von bis zu 100 mm auflösen ±0,001 mm bei voller Liniengeschwindigkeit.
Die OD-Messdaten werden zurück in das SPS-Steuerungssystem eingespeist, das automatisch eine oder mehrere Prozessvariablen anpasst, um etwaige Abweichungen vom Zieldurchmesser zu korrigieren:
Diese geschlossene Rückkopplungsschleife arbeitet typischerweise mit einer Reaktionszeit von weniger als einer Sekunde, sodass das System Schwankungen der Rohstoffviskosität, Änderungen der Umgebungstemperatur oder geringfügige mechanische Schwankungen ohne Bedienereingriff ausgleichen kann. Moderne Systeme halten den Rohraußendurchmesser über einen gesamten Produktionslauf von 25 km oder mehr innerhalb von ±0,03 mm vom Ziel.
Zusätzlich zur Außendurchmessermessung umfassen einige fortschrittliche Linien die Messung der Exzentrizität (Gleichmäßigkeit der Wandstärke) mithilfe rotierender Messgeräte oder Röntgensysteme sowie die Erkennung der Faserposition mithilfe optischer Inline-Sensoren, die überprüfen, ob die Fasern im Rohr zentriert und nicht zur Seite verschoben sind.
Die Winde ist das geschwindigkeitsbestimmende Element der gesamten Linie. Es besteht aus einem oder mehreren motorisierten Rädern oder Riemen, die das gekühlte Rohr ergreifen und es mit einer präzise kontrollierten, gleichmäßigen Geschwindigkeit durch die Maschine ziehen. Da die Windgeschwindigkeit bestimmt, wie schnell Material aus der Extrusionsdüse gezogen wird, steuert sie direkt sowohl den Außendurchmesser des Rohrs (durch das Abziehverhältnis) als auch die überschüssige Faserlänge im Rohr.
Die überschüssige Faserlänge (EFL) ist definiert als der Prozentsatz, um den die Faserlänge innerhalb einer bestimmten Rohrlänge die Rohrlänge selbst überschreitet. Ein EFL von 0,3 % bedeutet beispielsweise, dass pro 1.000 Meter Rohr die Faser im Inneren 1.003 Meter lang ist. Dieser kleine Faserüberschuss ist wichtig: Er ermöglicht es dem Kabel, Zugbelastungen standzuhalten, ohne dass die Fasern selbst einer Belastung ausgesetzt sind, die die optische Dämpfung erhöhen würde.
Der EFL wird durch das Verhältnis der Faserabwickelgeschwindigkeit zur Windengeschwindigkeit festgelegt:
Die EFL-Werte für Standard-Bündeladerkabel liegen typischerweise dazwischen 0,2 % und 0,5 % , mit engeren Toleranzen für Kabel, die für direkte Erdverlegung oder Unterwasseranwendungen vorgesehen sind, wo thermische Wechselwirkungen und mechanische Belastung stärker sind.
Alle oben beschriebenen Subsysteme – Abzugsspannung, Extrudertemperatur und -geschwindigkeit, Gelpumpenrate, Kühlwassertemperatur, Rückmeldung des Außendurchmessermessers und Windengeschwindigkeit – werden von einem zentralen speicherprogrammierbaren Steuerungssystem (SPS) koordiniert. Der Bediener interagiert mit diesem System über ein Touchscreen-HMI (Human-Machine Interface), das Prozessdaten, Alarmbedingungen und Trenddiagramme in Echtzeit anzeigt.
Zu den wichtigsten SPS-Steuerungsfunktionen gehören:
Fortschrittliche Systeme können auch in MES (Manufacturing Execution Systems) auf Fabrikebene integriert werden, um Produktionsmengen, Materialverbrauch und Qualitätsdaten in Echtzeit an die Werksverwaltungssoftware zu melden.
Für Bediener, die Qualitätsprobleme beheben oder die Produktionseffizienz optimieren müssen, ist es wichtig zu verstehen, wie die wichtigsten Prozessparameter interagieren. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Parameter-Ausgabe-Beziehungen zusammen:
| Prozessparameter | Wenn zu hoch | Wenn zu niedrig | Zielbereich (typisch) |
|---|---|---|---|
| Temperatur des Extruderzylinders | Polymerabbau, Verfärbung | Hoher Schmelzedruck, Oberflächenrauheit | 200–280 °C (PBT) |
| Geschwindigkeit der Capstan-Leitung | Dünne Wand, reduzierter Außendurchmesser, niedriger EFL | Dicke Wand, hoher Außendurchmesser, übermäßiger EFL | 40–300 m/min |
| Faserabwickelspannung | Faservorspannung, Dämpfungserhöhung | Faserverwirrung, Rohrverformung | 30–80 g pro Faser |
| Gelinjektionsrate | Gegendruck, Faserverdrängung | Unvollständige Füllung, Gefahr des Eindringens von Feuchtigkeit | Synchronisiert mit der Liniengeschwindigkeit (ml/m) |
| Kühlwassertemperatur | Unvollständige Erstarrung, Rohrdurchhang | Thermoschock, Oberflächenrisse | 15–60°C (abgestufte Zonen) |
| Drehzahl der Schnecke | Überhitzung, Zersetzung der Schmelze | Unzureichender Durchsatz, OD-Abfall | 10–120 U/min |
Bediener, die diese Wechselwirkungen genau verstehen, können die meisten Qualitätsabweichungen durch die Anpassung eines einzelnen Parameters beheben, anstatt mehrere Änderungen gleichzeitig vorzunehmen – was der schnellste Weg zur Wiederherstellung einer stabilen, spezifikationsgerechten Produktion ist.
Der letzte Schritt des sekundären Beschichtungsprozesses besteht darin, den fertigen Pufferschlauch zur Lagerung und Weiterverarbeitung auf Aufwickelspulen aufzuwickeln. Das Aufwickelsystem muss beim Aufwickeln eine kontrollierte, gleichmäßige Spannung auf den Schlauch ausüben, um Verformungen oder Faserspannungen durch ungleichmäßigen Spulendruck zu verhindern.
Der Quermechanismus an der Aufwickelspule legt das Rohr in gleichmäßigen, überlappenden Schichten über die gesamte Breite des Spulenflansches ab und verhindert so örtliche Druckstellen, die die Rohrwand eindrücken und die Geometrie der Fasern im Inneren verändern könnten. Die Spulenkapazität liegt typischerweise im Bereich von 2 km bis 25 km des fertigen Schlauchs je nach Schlauchdurchmesser und Rollengröße.
Wenn eine Rolle voll ist, führt die Maschine einen Spulenwechsel durch – entweder manuell oder automatisch. Während dieser kurzen Umstellung wird in der Regel ein Schlauchstück, das weder auf die volle noch auf die neue Rolle aufgewickelt werden kann, abgeschnitten und als Produktionsübergangsstück entsorgt. Die Minimierung der Wechselübergangslänge ist eine wichtige Effizienzkennzahl für Großserienkabelhersteller, da sie sich direkt auf die Materialausbeute pro Rolle auswirkt.
Jede fertige Spule wird mit Produktionsdaten – Rohrspezifikation, Spulenlänge, Produktionsdatum und Außendurchmesser-Messprotokoll – beschriftet und zum Verseilbereich transportiert, wo mehrere Aderhüllen um ein zentrales Festigkeitselement herum montiert werden, um das komplette Glasfaserkabel zu bilden.
Der Arbeitsablauf eines Sekundärbeschichtungsmaschine ist nicht auf die stationäre Produktion beschränkt – die Anlauf- und Abschaltphasen sind gleichermaßen wichtig und erfordern systematische Aufmerksamkeit, um Ausschussbildung und Geräteschäden zu vermeiden.
Selbst gut gewartete Sekundärbeschichtungsanlagen stehen vor wiederkehrenden betrieblichen Herausforderungen. Das Verständnis der Grundursachen für die häufigsten Probleme ermöglicht es Produktionsteams, diese effizient zu lösen.
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