Diplomarbeit: Fasergreifer für Spleißen für einen Faserlaser

Diplomarbeit

Entwicklung und Charakterisierung eines Fasergreifers zur präzisenPositionierung von zehn optischen Fasern für einen anschließenden

Spleißprozess

vonGeorgios WenetiadisMatrikelnummer: 395100 unter Betreuung vonStudiengang: Feinwerktechnik Dipl-Ing. Steffen Böhme (IOF)Ausgabe: 17.08.09, Abgabe: 15.01.10 Prof. Dr.-Ing. Martin Schröck (FH Jena)

Autorreferat

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung und Konstruktion eines 10-Faser-Greifers dargelegt. Mit seiner Hilfe sollen zehn Fasern an einen Pumpkoppler fürFaserlaser gespleißt werden. Die Motivation hinter dieser Aufgabe wird begründetund es wird auf die Grundlagen von Faserlasern eingegangen.Zur Entwicklung des Greifers werden verschiedene Greiferkonzepte untersucht undin Verbindung mit dem recherchierten Stand der Technik ein Konzept für denGreifer entwickelt. Die Planung des Vorgehens beim Spleißprozess wird ausgeführt.Zwei Testgreifer und ein finalen Greifer werden umgesetzt und optimiert. Die Funk-tionalität der Greifer wird bewertet und die Fähigkeit des finalen Greifers demons-triert. Das vorhandene Optimierungspotential wird aufgezeigt und die Möglichkei-ten bewertet.

Tabellen: 1Abbildungen: 101Literaturstellen: 29Anzahl der Seiten: 80

ii

Inhaltsverzeichnis

Autoreferat ii

Glossar vii

1 Einleitung 1

2 Zielstellung 32.1 Anforderungsliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3 Grundlagen 53.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2 Eigenschaften von Kieselglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.3 Herstellung des Kopplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.3.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.3.2 Schritt 1: Kollabieren der Kapillare auf die aktive Faser . . . 93.3.3 Schritt 2: Ätzen der Kapillare zur Konusform . . . . . . . . 13

Schützen der Kapillare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Prinzip des Ätzvorgangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Säubern nach dem Ätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Herausforderungen des Ätzens und Ausblick . . . . . . . . . 16

3.3.4 Schritt 3: Anspleißen der Pumpfasern . . . . . . . . . . . . . 17Laserringdurchmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4 Stand der Technik 194.1 Vorhergende Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.1.1 Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.1.2 Anwendbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.2 Patente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.2.1 Koppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Patent: Stirnflächenkoppler mit Kapillare . . . . . . . . . . 21Patent: Mantelflächenkoppler . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.2.2 Greifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22V-Nuten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

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Inhaltsverzeichnis iv

Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Gelochte Basissubstrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Elektrostatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Dreh-Klemm-Greifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.3 Kommerzielle Produkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5 Greiferkonzepte und Auswahl 275.1 Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.1.1 Mechanische Greifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Fingergreifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27V-Nuten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.1.2 Metallisierte Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.1.3 Metapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.1.4 Elektrostatischer Greifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.1.5 Kleben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295.1.6 Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.2 Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6 Prozessablauf des Spleißens 326.1 Vorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326.2 Einfädeln der Pumpfasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336.3 Justage der Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336.4 Spleißen und Entfernen des Greifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7 Konstruktiver Entwicklungsprozess: Erster Testgreifer 357.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367.2 Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

7.2.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377.2.2 Leitung des Luftstroms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377.2.3 Halterung des Vakuumgreifers . . . . . . . . . . . . . . . . . 387.2.4 Luftstrom im Greifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387.2.5 Material, Zerlegbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

7.3 Umsetzung und Anwendbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397.3.1 Äußere Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397.3.2 Anwendbarkeit des Greifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Das Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Reinigung der Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Verkippung der Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7.4 Optimierung der Anwendbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Inhaltsverzeichnis v

7.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

8 Konstruktiver Entwicklungsprozess: Zweiter Testgreifer 458.1 Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

8.1.1 Veränderungen zum ersten Testgreifer . . . . . . . . . . . . 458.1.2 Erläuterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

8.2 Umsetzung und Anwendbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498.2.1 Äußere Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Handhabbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Halterung des Vakuumgreifers . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

8.2.2 Anwendbarkeit des Greifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Verhalten der Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Biegung der Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Selbstordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

8.3 Optimierung der Anwendbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548.3.1 Das radiale Bohrlochmuster . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548.3.2 Die Blende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

8.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9 Konstruktiver Entwicklungsprozess: Finaler Greifer 589.1 Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

9.1.1 Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599.1.2 Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Halterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Klemmung des Greifers . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Schlitten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Zugentlastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60RBM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Blende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Vakuumgreifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Laserfaserhalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Verbindungselement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

9.2 Umsetzung und Anwendbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689.2.1 Äußere Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Halterung und Klemmung des Greifers . . . . . . . . 68Zugentlastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Faserführung durch Spiegel . . . . . . . . . . . . . . 69RBM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Inhaltsverzeichnis vi

Blende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Vakuumgreifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Laserfaserhalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Verbindungselement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

9.2.2 Anwendbarkeit des Greifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Einfädeln der Pumpfasern in das RBM . . . . . . . 73Cleaven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Justieren des Vakuumgreifers . . . . . . . . . . . . . 74Justieren des Greifers und der Laserfaser . . . . . . . 74Einfädeln der Pumpfasern in den Vakuumgreifer . . . 75Pumpfasern ausrichten und Spleißen . . . . . . . . . 75

9.3 Optimierungsmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 779.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

10 Zusammenfassung 79

11 Ausblick 80

Literaturverzeichnis I

Abbildungsverzeichnis II

Tabellenverzeichnis VII

Selbstständigkeitserklärung IX

Thesen X

Danksagung XI

Glossar

Cladding Der Kern einer Glasfaser wird vom Cladding umgeben. Er bewirkt dieFührung des Lichts im Kern durch Totalreflexion. Fasern können mehre-re Schichten Cladding haben (DCF). Es wird auch Mantelschicht genannt.Nicht zu verwechseln mit dem Coating. S. 7, 22, 25

Double-Clad-Faser Optische Fasern mit kleinem Kern, zwei Mantelschichten undMikrokanälen. Der Kern führt das Laserlicht, die innere Mantelschicht dasPumplicht und die äußere Mantelschicht verhindert das seitliche Austretenvon Licht. Durch die Verwendung dieser Art von Faser sind deutlich höhereAusgangsleistungen erreichbar. [1] S. 1, 5

Endkappe auch Ronde genannt. Wird an Faserlaser angespleißt, um beim Austrittder Laserstrahlung aus der Stirnfläche die Leistungsdichte zu verringern, umBeschädigung zu vermeiden. S. 9, 42

Entcoaten Entfernen des Coatings mit speziellen mechanischen Werkzeugen odermit Hilfe von Heißluft. S. 33

FABRI Faserlaser höchster Brillanz - durch das Bundesministerium für Bildungund Forschung gefördertes Projekt zur Steigerung der Ausgangsleistung vonFaserlasern bis auf 6kW. [2] S. 1

Glasübergangstemperatur TG Temperatur, bei der ein Glas die größte Änderung derVerformungsfähigkeit aufweist. Trennt den unterhalb liegenden spröden en-ergieelastischen Temperaturbereich vom oberhalb liegendem entropieelasti-schen Bereich. S. 7, 12

Knickstabilität Beschreibt die Kraft die ein strukturelles Element aufnehmen kann,ohne zu vebiegen. S. 31

Large-Mode-Area-Design Bei der Skalierung von einfachen Single-Mode-Faserlaserntreten ab bestimmten Leistungsdichten im sehr kleinen Kern nichtlineareEffekte oder gar Zerstörung des Kerns auf. Daher wird mittels Mikrokanälen

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Glossar viii

in der Faser (PCF) der Führungsquerschnitt des Laserlichts erhöht, was zueiner geringeren Leistungsdichte führt. [3] S. 5

Laserfaser Zentrale Faser eines Faserlasers. In ihr läuft der Laserprozess ab. Siewird auch aktive Faser genannt. S. 1, 7, 9

Laserprozess Phsyikalischer Vorgang bei dem Pumpenergie unter spezifischen Be-dingungen in Laserlicht gewandelt wird. S. 5, 7

Macor Eine gratfrei spanbare Glaskeramik der Firma Corning Inc. S. 47, 62

PMMA Polymethylmethacrylat, auch Plexiglas - glasähnlicher thermoplastischerKunststoff. S. 39

Pumpfaser Multimode-Faser. Wird zur Verbindung der Pumplaserdioden mit demPumpkoppler verwendet. S. 1, 9

RBM Radiales Bohrlochmuster – Anordnung von mehreren kleinen Bohrungen ineinem Kreisring um eine große zentrale Bohrung. Abbildung 7.8a zeigt einExemplar. S. 43, 62

Venturi-Düse Kann mit Hilfe von Druckluft einen Unterdruck erzeugen. S. 11, 38

1 Einleitung

Die Bedeutung und Verbreitung von Faserlasern in industriellen Anwendungen istin den letzten Jahren deutlich gestiegen. Sie haben sich aufgrund ihrer Vorteile wieGröße, Ausgangsleistung, hohem Wirkungsgrad und beugungsbegrenzter Strahl-qualität zur Technologie der Wahl entwickelt [5]. Ihr Einsatzbereich deckt nichtnur Aufgaben herkömmlicher Lasersysteme ab (z. B. CO2- oder Nd:YAG-Laser),sondern erschließt auch neuartige Prozesse in der Mikrobearbeitung [6].Ursache für die schnelle Entwicklung und Verwendung von Faserlasern ist un-ter anderem die Einführung von Fasern mit zwei Mänteln (Double-Clad-Faser).Hierdurch können Pumplichtquellen mit geringer Strahlqualität, wie Laserdioden,verwendet werden. Sollen Laser im kW-Bereich realisiert werden, birgt dieser großeVorteil einen entscheidenden Nachteil: Laserdioden im höheren Leistungsbereichsind teuer und sehr groß. Dies hat zwar den Vorteil einen relativ geringen Hand-lingaufwand zu haben, dafür hat der Ausfall einer starken Diode eine deutlichKonsequenz auf die Ausgangsleistung. Kleine und leichte Laser, ein großer Vorzugdieses Prinzips, lassen sich auf diesem Wege nicht erreichen.Als Problemlösung dienen sogenannte Pump-Koppler. In diesen wird das Pum-plicht von mehreren Pumpdioden kombiniert und in die Laserfaser eingebracht.Dies verringert Gewicht und Größe erheblich. Auch der Ausfall einer Pumpdiodemacht sich nur wenig in der Ausgangsleistung bemerkbar. Im Gegenzug wächstder Handlingaufwand für die vielen Pumpfasern.Ein weiteres Problem der Faserlaser ist die Freistrahlführung. Sie bedeutet erheb-lichen Aufwand bezüglich der Justage und eine potentielle Fehlstelle im System,wenn beispielsweise Verschmutzung eine Beschädigung der Faser zur Folge hat. Esist daher anzustreben einen monolithischen Faserlaser zu realisieren.Ein monolithischer Pumpkoppler löst beide erwähnten Probleme. Hierzu wird indem Projekt FABRI, in welches diese Diplomarbeit eingebettet ist, ein Kopplerentwickelt, der hohe Pumpleistungen ermöglichen soll, ohne dabei die Laserfaserdestruktiv zu beeinflussen oder Linsen und andere verschmutzungsgefährdete op-tische Bauelemente zu verwenden.Als Anbindung der Pumpfasern an die Laserfaser ist die Mantelfläche der Laser-faser die beste Lösung, denn hierdurch ist der verfügbare Platz zur Einkopplungvon Licht sehr viel größer als bei einem Pumpen über die zwei Stirnflächen.

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1 Einleitung 2

Abbildung 1.1: Konzept des Pumpkopplers

Abbildung 1.1 zeigt das Konzept, mit dem diese Anforderungen umgesetzt werdensollen. Hierzu werden zehn Pumpfasern auf die Stirnfläche einer Kapillare gespleißt.Die Kapillare wurde zuvor mit der Laserfaser verbunden und mit einer konischenForm versehen, so dass Licht aus den Pumpfasern über die Kapillare und ihrenKonus in den Mantel der Laserfaser gelangen kann.Im Rahmen dieser Diplomarbeit und dem vorhergehendem Praktikum wurdenmehrere Aspekten der Herstellung dieses Kopplers erprobt und ausgeführt. DasKollabieren der Kapillare auf die Laserfaser gehört genauso zu diesem Aufgaben-bereich, wie das Verfahren zur Ätzung der konischen Form der Kapillare. Als Kern-thema dieser Arbeit ist ein Greifer für zehn Ø114 µm Pumpfasern zu entwickeln,um diese in einem Spleißprozess mit der Kapillare verbinden zu können.Dies erfordert alle Fasern in eine Ringanordnung mit einem Durchmesser von ca.555 µm zu bringen, diese Form präzise einzuhalten (± 15 µm in lateraler Richtung)und die Enden der Fasern auf eine Höhe auszurichten. Nötig ist diese genauePositionierung für die Gewährleistung eines einwandfreien Spleißprozesses.Die Entwicklung und Realisierung eines Greifers mit diesen Eigenschaften ist Ge-genstand dieser Diplomarbeit.

2 Zielstellung

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines Fa-sergreifers zur präzisen Positionierung von zehn optischen Fasern für einen an-schließenden Spleißprozess.Dieser spezifische 10-fach-Fasergreifer soll für eine bestehende Spleißvorrichtungentwickelt und erprobt werden. Er muss zehn optische Pumpfasern mit einem Man-teldurchmesser von jeweils 114 µm auf einem Kreisringdurchmesser von 555 µmpositionieren und ausreichend für einen späteren Spleißvorgang fixieren. Dabeisind sehr hohe Genauigkeiten bzgl. axialer und lateraler Lagetoleranzen der zer-brechlichen Fasern sowohl untereinander als auch zu einer planen Referenzflächeeinzuhalten.In einem Variantenvergleich mit entsprechenden Voruntersuchungen ist zunächstein geeignetes Greiferprinzip auszuwählen. Das favorisierte Greiferprinzip ist an-schließend konstruktiv mit dem CAD Programm Pro-E Wildfire 4 umzusetzen.Dabei ist zu beachten, dass sich der Greifer in die bereits bestehende Spleißvor-richtung integrieren lässt.Anschließend soll der Greifer aufgebaut und charakterisiert werden.

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2 Zielstellung 4

2.1 Anforderungsliste

Tabelle 2.1: AnforderungstabelleMerkmal Typ AnforderungFunktion F Greifer zur Halterung von zehn Ø114 µm-Fasern in einer

Kreisanordnung (Ø555 µm)F Eine Zugentlastung für die Pumpfasern (>50 cm lang)W Fasern sollten gut auf eine Höhe justierbar seinW Skalierbarkeit auf andere Kapillardurchmesser mit anderer

PumpfaseranzahlGeometrie F Radiale Positioniergenauigkeit der Pumpfasern ± 15 µm

F Axiale Positioniergenauigkeit der Pumpfasern ± 1 µmF Greifer darf Strahlengang des Lasers der Spleißanlage nicht

behindern und ist entsprechend zu dimensionierenF Befestigung an vorhandene PositionierungsschieneF Mittige Laserfaser muss durch gesamten Greifer geführt

werden könnenKräfte F Kraft zum Andrücken der Fasern auf Kapillarrand beim

Spleißen muss aufgebracht werden könnenF Gewicht < 5kg (zulässige Belastung der Lineareinheit)

Material F Teile des Greifers, die sich (zwangsläufig) im Strahlengangbefinden, müssen aus Material bestehen, dass den Tempe-raturen standhält

Ergonomie W Selbstpositionierendes und schnelles Einlegen der FasernW Halteeinheit der Fasern mit diesen verklebbar bzw. Fasern

untereinander verklebbar gestalten, um Handhabung desKopplers ohne Beschädigung einfach zu realisieren

Fertigung F Stückzahl: FunktionsmusterF Fertigung in hauseigener Werkstatt mittels vorhandener

CNC-AnlagenGebrauch F Laboranwendung

W Lebensdauer: >10 000 Spleißvorgänge

F - Forderung W - Wunsch

3 Grundlagen

3.1 Motivation

Für den Aufbau eines Lasers benötigt man eine Energiequelle, die den Laserpro-zess mit Energie versorgt. Die Zuführung dieser Energie wird als Pumpen bezeich-net. Bei einem Faserlaser wird im Kern Pumplicht absorbiert, während über dieEndflächen der Faser Pumpstrahlung in den Kern eingekoppelt wird. Die gerin-ge Dicke einer Glasfaser und die Möglichkeit sie aufzuspulen, führen zu geringenGrößen, guter Kühlbarkeit und sehr guter Strahlqualität. Diese sehr vorteilhaf-ten Eigenschaften von Faserlasern haben zu einer steigenden Verwendung in derIndustrie geführt. Sie verbinden außerdem noch hohe Ausgangsleistung und exzel-lente optische Eigenschaften [5]. Zwei Hauptursachen für diese Entwicklung sinddie Einführung von Double-Clad-Fasern und Fasern im Large-Mode-Area-Design.Durch Ersteres ist es möglich, einfache Laserdioden mit geringer Strahlqualität alsPumplichtquellen zu nutzen. Letztere Technologie vergrößert die Querschnittsflä-che der Strahlführung im Kern, wodurch deutlich höhere Leistungen erzielt werdenkönnen ohne die Faser durch zu hoheh Leistungsdichten zu gefährden. In beidenFällen verringert sich die Strahlqualität nicht.

Abbildung 3.1: Schematische Darstellung des Pump-Kopplers

Das Ziel des FABRI-Projektes ist es einen Hochleistungsfaserlaser im kW-Bereichzu realsieren. Hierfür stellt der Greifer ein wesentliches Hilfsmittel zur Realisie-rung der effektiven Pumpdioden-Einkopplung dar. Verwendet man einzelne starke

5

3 Grundlagen 6

Pumplaserdioden, um eine hohe Leistung zu erreichen, verschwindet der Vorteilder Größe und des Gewichts der Faserlaser – Laserdioden solcher Stärke sind sehrgroß und schwer. Die Kombination von mehreren schwächeren Laserdioden würdedieses Problem lösen. Außerdem hat eine einzelne Pumplaserdiode den Nachteil,die Laserfaser auf die Absorptionslänge zu begrenzen, in welcher der Großteil derPumpleistung absorbiert wurde. So wird in bestimmten Fällen die maximale Aus-gangsleistung limitiert.Beide Probleme können durch die Einkopplung über die Mantelfläche der Laserfa-ser gelöst werden. Dieses in Abbildung 3.1 dargestellte Konzept erlaubt es, mehrereLaserdioden via Pumpfasern als Pumplichtquellen zu nutzen. Zusätzlich kann nachder Absorptionslänge ein weiterer Koppler zur Erhöhung der Ausgangsleistung hin-zugefügt werden.

Abbildung 3.2: Raytrace des eingekoppelten Lichts im Koppler [7]

Erreicht wird dies durch die Verwendung einer modifizierten Kapillare als Koppel-stück zwischen der Mantelfläche der Laserfaser und den Stirnflächen der Pumpfa-sern. Abbildung 3.1 verdeutlicht dies. Das Pumplicht wird über dünne Pumpfasernin die Kapillare geleitet, welche mit der Laserfaser verschmolzen wurde. Durch diekonisch zulaufende Form der Kapillare wird das Licht in die Laserfaser reflektiert(Abbildung 3.2) und dort absorbiert, um den Laserprozess anzutreiben.Zur Herstellung dieser komplexen Baugruppe sind mehrere Schritte nötig, die inKapitel 3.3 beschrieben werden.

3.2 Eigenschaften von Kieselglas

Zum besseren Verständnis der Herstellung des Kopplers ist es wichtig, die mate-riellen Eigenschaften von Glasfasern zu kennen. Sie werden im Allgemeinen ausdotiertem Kieselglas hergestellt. Dieses enthält im Gegensatz zu konventionellenGläsern keine Beimengungen von Soda oder Calciumoxid, besteht also aus reinem

3 Grundlagen 7

Siliziumdioxid (SiO2). Ausgangsmaterial ist Quarz (künstlich hergestellt oder inForm von natürlichem Quarzsand), welcher sich durch Aufschmelzen und Wieder-erstarren in Kieselglas verwandelt. Daher auch die englische Bezeichnung fusedsilica. Der aufgeschmolzene Quarz erstarrt in einem amorphen Gefüge. Kieselglasbesitzt daher andere Eigenschaften als kristalliner Quarz. Die Bezeichnung Quarz-glas ist aus diesem Grund für das Material der Fasern nicht korrekt.Ungleich einer kristallinen Substanz gibt es keinen genauen Übergangspunkt zwi-schen dem flüssigen und dem festen Zustand. Festes Kieselglas kann als erstarrteFlüssigkeit angesehen werden. Materialeigenschaften wie Viskosität, Oberflächen-spannung, Dichte etc. ändern sich stetig über einen weiten Temperaturbereich.

1200 1400 1600 1800 2000 2200

Temperatur (°C)

104

105

106

107

108

109

1010

1011

1012

1013

1014

Visko

sitä

t (N

s/m

2)

untere Entspannungsgrenze(1108°C)

oberer Kühlpunkt1190°C

Erweichungspunkt1670°C

Verarbeitungspunkt2350°C

Abbildung 3.3: Veränderung der Viskosität von reinem Kieselglas in Abhän-gigkeit von der Temperatur [8]

Die Viskosität des Glases nimmt mit steigender Temperatur exponentiell ab (Ab-bildung 3.3). Um eine Spleißverbindung herzustellen, muss die Viskosität des Gla-ses auf eine Größenordnung von 104 N s

m2 gesenkt werden. Dazu ist bei reinem Kie-selglas eine Temperatur von über 2000 °C nötig [9].In der Laserfaser wird der Laserprozess durch Pumpen aufrecht erhalten. Die hier-für gewollte Absorption des Pumplichts im Cladding der Faser wird durch eineDotierung des Kieselglases erreicht. Reines Kieselglas ist für die Wellenlänge desverwendeten Pumplichts nahezu transparent. Zusätzlich ändert sich die Brechzahldes dotierten Glases, was die Lichtführung innerhalb der Faser steuert.Als Folge der Dotierung ergibt sich aber auch eine Senkung der Glasübergangs-temperatur TG. Hierdurch können Schwierigkeiten während des Kollabierens (Ka-

3 Grundlagen 8

pitel 3.3.2) entstehen, denn die hierfür verwendete Kapillare besteht aus reinemKieselglas, die Laserfaser ist hingegen dotiert. Die sehr heiße Kapillare erhitzt folg-lich die Laserfaser über die für sie nötige Temperatur hinaus. Dies führt zu einerDiffusion der Dotierungsatome und damit zu einer ungewollten Veränderung derAbsorptions- und Lichtführungseigenschaften der Faser. Untersuchungen zur Stär-ke und zu Folgen dieser Veränderungen bei der Herstellung des Kopplers stehennoch aus. Im Unterschied zur im Kern mit Ytterbium dotierten Laserfaser sinddie Pumpfasern im Mantel mit Fluor dotiert.Eine weitere wichtige Materialeigenschaft für das Spleißen ist die Oberflächen-spannung. Sie verändert sich im Temperaturbereich des Spleißens nur wenig undliegt bei ca. 0,3 N

m [8]. Verringert sich aber die Viskosität beim Spleißen, nimmt sieEinfluss auf die Form des Glases – eine Kugel wird als Idealform angestrebt. Ausdiesem Grund müssen die beiden zu verbindenden Glasteile aufeinander gedrücktwerden. Andernfalls formt sich am Ende der Faser eine Kugel aus und eine Ver-bindung kommt nicht zustande. Dieser Vorgang wird auch als Zurückschmelzenbezeichnet.

3 Grundlagen 9

3.3 Herstellung des Kopplers

3.3.1 Überblick

Beim Bau eines Kopplers werden drei Hauptschritte durchgeführt: Als Erstes wirddie unbearbeitete, lediglich auf Länge geschnittene Kapillare mit Hilfe eines CO2-Lasers auf die Laserfaser kollabiert (Abbildung 3.5a). Im zweiten Schritt wird diekonische Form der Kapillare durch einen Ätzvorgang hergestellt (Abbildung 3.5b).Abschließend werden die Pumpfasern mit Hilfe des in dieser Arbeit beschriebenenGreifers auf die Kapillare gespleißt (Abbildung 3.6). Abbildung 3.4 zeigt eine ge-naueren Ablaufplan dieser Vorgänge. In den folgenden Abschnitten wird detailliertauf die einzelnen Schritte eingegangen.

Laserfaser undKapillare vorbereiten

Kollabieren der Kapillare auf die Laserfaser

Kollabieren

Einfädeln der Pumpfasernin den Greifer

Anspleißen der Pumpfasernan die kollabierte Kapillare

Einlegen des Greifers und der Laserfaser in

die Spleißanlage

Spleißen

Vorbereitungen zum Ätzen(Schützen etc.)

Ätzen der Kapillarezur Konusform

Nachbearbeitung:Entfernen des Schutzmantels,Entfernen des Opferstücks

Ätzen

Abbildung 3.4: Prozessschritte beim Bau eines Kopplers

3.3.2 Schritt 1: Kollabieren der Kapillare auf die aktive Faser

Als Ausgangsmaterial werden eine Kapillare mit passendem Durchmesser (innen:Ø420 µm, außen: Ø700 µm) aus reinem Kieselglas, eine Glasfaser (Ø400 µm, sin-glemode), welche speziell für den Laserprozess dotiert und strukturiert wurde (La-serfaser) und die Pumpfasern (Ø114 µm, multimode) verwendet.Das Kollabieren findet an der vorhandenen Spleißanlage statt. Diese wurde ur-sprünglich für das Spleißen von Fasern an Endkappen mittels eines CO2-Lasersentworfen, konnte aber mit leichten Modifizierungen für das Kollabieren genutztwerden. Abbildung 3.7 zeigt die Spleißanlage. Der angedeutete Laserstrahlengang

3 Grundlagen 10

Vakuum Schrumpf-schlauch

Laserring

BewegungKapillare

aufgeschrumpfterBereichKapillare

Laserfaser

(a) Kollabieren der Kapillare auf die La-serfaser

BewegungKapillare

kollabierterBereich

Kapillare

Form nachdem Ätzen

Flusssäure

Laserfaser

(b) Beginn des Ätzvorgangs zur Herstel-lung des konischen Bereichs

Abbildung 3.5: Schritte der Bearbeitung der Kapillare

Pumpfasern

Laserring

kollabierterBereich

Kapillare

Laserfaser

Abbildung 3.6: Spleißen der 10 Pumpfasern auf den Kapillarrand

3 Grundlagen 11

(orange) wird ab dem sich drehenden, schräg gestellten Spiegel (weißer Pfeil) pe-riodisch geändert. Auf diese Weise wird ein Laserring erzeugt. Hier ist der Über-sichtlichkeit wegen lediglich der Zustand zu einem Zeitpunkt dargestellt.

Abbildung 3.7: Laserstrahlengang (orange) der Spleißanlage, vorbereitet zumSpleiß einer Endkappe

Für das Kollabieren wird die Kapillare über das Ende der Laserfaser geschobenund in ca. 20 cm Entfernung vom Ende der Faser positioniert. Da die Enden derKapillare gecleavt sind und hier in einem späteren Prozessschritt die Pumpfasernangespleißt werden sollen, ist darauf zu achten, dass diese Endflächen nicht be-schädigt werden.Der Verbund aus Kapillare und Faser wird mit Hilfe eines Schrumpfschlauchesan einer Metallkanüle angebracht (Abbildung 3.9a). Die Laserfaser wird dabei einStück in die Kanüle hineingeschoben, um eine Führung zu gewährleisten. Eine amanderen Ende der Kanüle angeschlossene Venturi-Düse erzeugt ein Vakuum. Durchden Schrumpfschlauch wird die Kanüle mit der Kapillare verbunden, so dass auchinnerhalb der Kapillare ein Unterdruck anliegt.Nun wird dieser Verbund mittels des vorhandenen Greifers in die Spleißanlageeingesetzt und die Mantelfläche der Kapillare erhitzt. Der verwendete Laserstrahl(λ = 10,6 µm, IR, nicht sichtbar) wird dabei durch verschiedene optische Elementegeführt, so dass er die Form eines konisch zulaufenden Rings mit der Kapillarein der Mitte annimmt. Der Einfallswinkel zur Achse der Kapillare beträgt ca. 18°(Abbildung 3.8).Ein teleskopartiger Linsenaufbau defokussiert den Laser dabei so, dass er einen

3 Grundlagen 12

Abbildung 3.8: Detail des Laserstrahlengangs der Spleißanlage

vergleichsweise großen Bereich (ca. 1 mm Höhe) erhitzt. Dadurch wird das Glasüber die Glasübergangstemperatur TG erhitzt und erweicht auf eine Viskositätvon 103 N s

m2 . Durch den angelegten Unterdruck innerhalb der Kapillare wird diesean die innen liegende Laserfaser angezogen und Kontakt erreicht. Diese Wärmebrü-cke leitet die Energie des Lasers an die Laserfaser weiter und erhitzt sie. Dadurchverschwindet die Grenzfläche zwischen Kapillare und Faser. Eine Erwärmung derLaserfaser vor dem Kontakt mit der Kapillare wird lediglich durch die geringe Wär-meleitung der Luft, die sich zwischen Faser und Kapillare befindet, verursacht. DieLaserenergie wird bereits in sehr dünnen Oberflächenschichten des Kapillarglasesabsorbiert [10] und gelangt daher nicht an die Faser.Die Kapillar-Laserfaser-Kombination wird mit Hilfe einer Lineareinheit unter demLaserring verschoben (Abbildung 3.8) und so die Kapillare über eine Länge von25 mm kollabiert. Am Ende dieses Vorgangs wird die Laserleistung, und damit dieTemperatur im Glas, langsam innerhalb von 60 s heruntergefahren, so dass keineSpannungen, und damit Risse, im Glas entstehen.Die Schwierigkeit dieses Prozessschrittes ist es, sowohl die Kapillare, als auch dieLaserfaser zueinander spannungsfrei auf einer Achse zu positionieren und zu füh-ren. Es darf keine Biegung oder Parallelverschiebung während der Erweichung desGlases auftreten. Die Verfahrgeschwindigkeit, Laserleistung und der Grad der De-fokussierung sind weitere kritische Parameter.Der kollabierte Bereich wird nicht auf die gesamte Länge des Kapillarstücks aus-gedehnt (Abbildung 3.10). An dem Ende, welches später mit den Pumpfasern

3 Grundlagen 13

(a) Schrumpfschlauch zur Befestigung derKapillare an der Kanüle

(b) Kapillare während des Kollabierens

Abbildung 3.9: Kollabieren der Kapillare auf die aktive Faser

bestückt werden soll, werden ca. 5 mm im ursprünglichen Zustand belassen. Diesermöglicht das spätere Aufspleißen der Pumpfasern ohne Beeinflussung der Laser-faser, vor allem aber verhindert es eine Verrundung der Kapillarstirnfläche durchdie Erwärmung während des Kollabierens.

Abbildung 3.10: Kollabierte Kapillare (zu kurz kollabiert)

Am gegenüberliegendem Ende werden ebenfalls ca. 10 mm unbehandelt belassen.Beim darauf folgenden Ätzvorgang fungiert dieses Ende der Kapillare als das so-genannte Opferstück (vgl. Kapitel 3.3.3).

3.3.3 Schritt 2: Ätzen der Kapillare zur Konusform

Nachdem Kapillare und Laserfaser verbunden worden sind, wird im zweiten Schrittdie Kapillare zu einer Konusform geätzt. Hierzu wird Flusssäure verwendet. Damitnur der gewünschte Bereich geätzt wird und die Laserfaser nicht beschädigt wird,ist es nötig die Kapillare und Faser zu schützen.

Schützen der Kapillare

Zur Ätzung des Glases wird 40%-ige Flusssäure verwendet. Durch ihre Eigenschaftätzend und toxisch zu sein, müssen während des Umgangs starke Sicherheitsmaß-nahmen getroffen werden. Dies gilt auch für Bereiche der Kapillare, die nicht geätzt

3 Grundlagen 14

werden sollen. Um diese zu schützen, wird ein säureresistentes Wachs verwendet.Erwärmung mittels einer Heizplatte erweicht das Wachs, woraufhin es durch Ein-tauchen der Kapillare bzw. mittels eines schmalen Spachtels aufgebracht wird.Hierbei ist auf eine korrekte und scharfe Begrenzung des Wachses zu achten, dasonst das Ätzergebnis nicht optimal wird.Zum Schutz des Glases vor Säuredämpfen wird auf die Flusssäure ein Mineral-öl aufgebracht. Es dient als Dampfsperre und erhält so die gute Oberfläche desGlases. Aus diesem Grund wird die Kapillare aus der Säure herausgezogen. An-dernfalls bestünde die Gefahr einer Benetzung der Kapillare mit Öl innerhalb derFlusssäure.

Prinzip des Ätzvorgangs

Ziel des Ätzens ist es, der kollabierten Kapillare eine konische Form zu geben,durch die das Pumplicht in die Laserfaser geführt wird (Abbildung 3.1). Dazu wirddie Kapillare an einer Lineareinheit angebracht wird, die sie mit sehr langsamerGeschwindigkeit aus der Säure herausfährt (Abbildung 3.11a). Durch die linearabnehmende Einwirkzeit der Säure auf die Kapillare entsteht eine konische Form.

(a) Ätzvorrichtung mit Lineareinheit (b) Behältnis für die Flusssäure, Lage einereingelegten Faser dargestellt

Abbildung 3.11: Vorrichtung für den Ätzprozess

Da ein signifikant langes Stück Laserfaser (ca. 20 m) benötigt wird, kann nicht diegesamte Länge in Flusssäure getaucht werden. Abbildung 3.11b zeigt ein für diesenZweck gefertigtes Behältnis. Dort wird die Faser gebogen gehalten, so dass nur ca.30 cm der Faser vor der Säure geschützt werden müssen. Durch die eingebrachteBiegung besteht die Gefahr eines Bruches der Faser bzw. der Kapillare. Insbeson-dere der Übergang zwischen kollabiertem Bereich und aktiver Faser ist als kritischzu nennen, da an diesem die größten Spannungen auftreten.

3 Grundlagen 15

(a) Unterätztes Teststück (b) Nahezu kantenloser Übergang zwischenKonus (rechts) und Laserfaser (links)

Abbildung 3.12: Ätzprozess

Besonders wichtig für einen guten Koppler ist der Übergangsbereich zwischen (vor-mals getrennter) Kapillare und Laserfaser. Endet der geätzte Konus mit einerKante und geht nicht nahtlos in die Laserfaser über, wird an dieser Stelle Pum-plicht ausgekoppelt. Hierdurch wird die Koppeleffizienz verringert und bei hohenPumpleistungen steigt die Gefahr von Beschädigungen durch die auftretende Er-wärmung.

kolla

bier

ter

Ber

eich

Opferstück

Form nachdem Ätzen

Schutzwachs

kolla

bier

ter

Ber

eich

Laserfaser

vorher nachher

Abbildung 3.13: Das Prinzip des Opferstücks - vor und nach dem Ätzen

Das Problem beim Erzeugen eines kantenlosen Überganges ist das Unterätzen. Da-bei ätzt die Säure auch unter dem aufgebrachten Schutzmantel (Abbildung 3.12a).Würde man nur die Faser schützen, während man an der Kapillare ätzen möchte,

3 Grundlagen 16

würde die Faser ebenfalls durch das Unterätzen angegriffen. Dies kann vermiedenwerden, indem am unteren Ende der Kapillare ein Bereich nicht kollabiert wird.Die Schutzschicht (Wachs) wird so aufgebracht, dass ca. 1 mm nicht kollabierteKapillare ungeschützt bleibt. Dieses Segment befindet sich genau so lange in derSäure, dass die komplette Wandstärke der Kapillare weggeätzt wird. Darum kanndas nicht kollabierte Stück Kapillare nach dem Ätzprozess entfernt werden, da esvon der kollabierten Kapillare getrennt ist. Es hat den Namen Opferstück erhalten.Mit dieser Methode wird erreicht, dass der Konus im Idealfall genau an der Kantezwischen kollabiertem und losen Bereich endet. Nach dem Ätzen ist das Opfer-stück auf der Laserfaser verschiebbar und kann vorsichtig zerbrochen werden, umes zu entfernen. Eine schematische Darstellung zeigt Abbildung 3.13. Abbildung3.12b zeigt einen nahezu kantenlosen Übergang (genau mittig) zwischen dem sehrflachen Konus auf der rechten Seite und der Faser auf der linken Seite.Vorhergehende Versuche die Kapillare zuerst in Konusform zu ätzen und dannauf die Laserfaser aufzuschrumpfen, erbrachten nicht das gewünschte Ergebnis, dadie Wandstärke nicht unter 20 µm gesenkt werden konnte – das Eigengewicht derKapillare verursachte eine unsaubere Bruchkante.

Säubern nach dem Ätzen

Nach ca. 4 Stunden (abhängig von der Ätzrate) ist der Ätzvorgang abgeschlossenund die Kapillare muss aus der Flusssäure entfernt und gereinigt werden. Dies er-folgt mit deionisiertem Wasser. Das Wachs wird mit einer Heißluftpistole erwärmtund abgetupft.

Herausforderungen des Ätzens und Ausblick

Insgesamt stellt der Ätzvorgang eine schwierige Handhabungsaufgabe dar. Es wirdmit langen Fasern gearbeitet, es müssen starke Schutzhandschuhe getragen wer-den, die Positionierung des sehr kleinen Kopplers in der Flusssäure ist kritisch undder Koppler selbst ist empfindlich gegen Biegung. Hier könnten deutliche Verbes-serungen im Bereich Qualität und Prozesssicherheit erreicht werden.Das eigentliche Problem beim Brechen der Faser ist die Empfindlichkeit des Kapil-larbereichs. Daher sollte die Prozessführung des Kollabierens genauer untersuchtwerden. Durch das Kollabieren kommt es zu erhöhten Spannungen im Glas. Dieserhöht die Empfindlichkeit zusätzlich zur geometrisch ungünstigen Lage.Eine andere Möglichkeit wäre, den Biegeradius der Faser durch ein größeres Be-hältnis zu verringern oder eine Zugentlastung anzubringen. Diese müsste sich aberwährend des Ätzens mitbewegen.

3 Grundlagen 17

Das verwendete Öl erschwert die optische Kontrolle der Positionierung der Ka-pillare in der Säure. Es muß sehr dick (ca. 5 mm) aufgebracht werden, damit diegesamte Oberfläche der Säure bedeckt ist. Hier könnte ein Mittel zur Verringe-rung der Oberflächenspannung des Öls helfen. Oder die Verwendung einer ande-ren Flüssigkeit. Glycerol funktioniert bei einem Flusssäure-Salpetersäure-Gemischsehr gut, hat aber eine geringere Dichte als reine Flusssäure und kann daher nichtverwendet werden.

3.3.4 Schritt 3: Anspleißen der Pumpfasern

Zu Beginn dieses Schrittes ist der Grundkörper des Kopplers fertig. Der letzteArbeitsschritt besteht darin, die Pumpfasern an diesen anzuspleißen. Hierfür sollder in dieser Diplomarbeit zu entwickelnde Greifer zum Einsatz kommen.Ausgangspunkt ist die Spleißanlage. Durch diese steht ein Laserring mit variablemDurchmesser zur Verfügung. Er wird auf den Durchmesser der Kapillare eingerich-tet und erwärmt sie. Die zehn Pumpfasern werden daraufhin mit Hilfe des Greifersgleichzeitig auf die Stirnfläche der Kapillare gepresst. Der Laser wird zu diesemZeitpunkt abgeschaltet. Durch Wärmeleitung von der Kapillare zu den Pump-fasern entsteht eine Spleißverbindung. Gibt es keinen Kontakt zu der Kapillare,kann keine Wärmeleitung stattfinden, der Fügeprozess findet nicht statt. Aus die-sem Grund ist es sehr wichtig alle Pumpfasern im Greifer vor dem eigentlichenSpleißen sehr genau auf eine Höhe in axialer Richtung auszurichten und dort zufixieren. Eine nähere Erläuterung der genauen Vorgänge in diesem Abschnitt derHerstellung werden in Kapitel 6 erläutert.

Laserringdurchmesser

In vorhergehenden Untersuchungen wurde das grundlegende Konzept des Kopplersmit einer einzelnen angespleißten Pumpfaser validiert. Durch das Fehlen eines ent-sprechenden Greifers konnte pro Spleißvorang nur eine Faser gehandhabt werden.Beim Anspleißen wurden dabei zwei Vorgehensweisen geprüft:

• Variante 1: Laserring angepasst an den Pumpfaserdurchmesser• Variante 2: Laserring angepasst an den Kapillardurchmesser

Abbildung 3.14b zeigt die Varianten schematisch. Wählt man die erste Variantebesteht die Gefahr durch eine übermäßige Erwärmung die Kapillarstirnfläche zuverrunden (Abbildung 3.14a). Ein kleiner Bereich um die Pumpfaser herum muss soweit erhitzt werden, dass eine Verbindung zur Kapillare hergestellt werden kann.

3 Grundlagen 18

Ist dort aber keine Faser, ist die Energie zu groß, das Glas wird zu weich undverrundet. Dadurch fehlt nach wenigen Spleißvorgängen der Flächenkontakt zurKapillare und es kann keine weitere Pumpfaser mehr angespleißt werden. Wirddie Laserleistung so gewählt, dass keine Verrundung auftritt, kann eine sichereBefestigung der Pumpfaser nicht sichergestellt werden.Zudem schatten die angespleißten Pumpfasern den Laserring ab. Dadurch gelangtunter Umständen nicht mehr genug Leistung an die Kapillare und der Spleiß-versuch missglückt. Zusätzlich werden die angespleißten Pumpfasern wiederumerwärmt und können Schaden nehmen.Zwar gelang es vier Fasern anzuspleißen, doch war hierfür ein erheblicher zeitli-cher Aufwand nötig. Außerdem würden diese vier Fasern aufgrund der begrenztenPumpdioden-Leistung nicht ausreichen.

(a) Verrundung der Kapillarstirnflächenach vier Spleißvorgängen

Kapillare

Variante 1 Variante 2

Laserring

Pumpfaser

(b) Varianten der Platzierung des Laser-rings

Abbildung 3.14: Ätzprozess

Die zweite Variante ist für ein serielles Anspleißen der Faser jedoch ungeeignet.Verrundungen wären nicht zu umgehen. Aus dieser Problematik heraus wurde einKonzept entwickelt, bei dem alle Pumpfasern mit einem Mal angespleißt werden.Der Laserring ist dabei an den Kapillardurchmesser angepasst (Variante 2). Dieprinzipielle Funktionsweise wurde daraufhin mit einer Pumpfaser bestätigt.

4 Stand der Technik

Im Vorfeld dieser Diplomarbeit wurde am Fraunhofer IOF eine Greifervariantemit der selben Funktion entwickelt. Die Erkenntnisse aus dieser ersten Version,aus grundlegenden Konzeptüberlegungen, kommerziellen Produkten und einer Pa-tentrecherche werden in diesem Kapitel zusammengefasst.

4.1 Vorhergende Entwicklung

4.1.1 Prinzip

Bei der ersten Variante des Greifers (Abbildung 4.1a) wird eine zentrale Bohrungan ihrem Umfang mit zehn weiteren, deutlich kleineren Bohrungen versehen. DieMittelpunkte der kleinen Bohrungen liegen auf dem Umfang der großen Bohrung,ähnlich einer Rosette. In die so entstehenden Halbkreise sollen sich die Pumpfaserneinordnen. Dazu wird ein entsprechend dimensionierter Draht in die Mitte der Ro-sette platziert. Einen anderen Platz als den vorgesehenen, können die Pumpfasernsomit nicht einnehmen (Abbildung 4.1b).

(a) Sichtbar: Draht (schwarz), Pumpfasern(hellgrau), Rosetten (hellblau), Kegel-stumpf (orange), Hilfselement (grau)

Rosette

Pumpfasern

Draht

(b) Prinzip der Positionierung der Pumpfa-sern

Abbildung 4.1: Vorhergende Ausführung des 10-Faser-Greifers

Dieses Prinzip wird auf zwei von einander getrennte Ebenen dupliziert, so dass sicheine Führung der Pumpfasern ergibt. Zur axialen Fixierung der Fasern soll ein auf

19

4 Stand der Technik 20

den Draht geschobener Kegelstumpf mit Durchgangsbohrung (in der Abbildungorange) dienen. Er drückt die Fasern gegen die Innenwand der Rosette, wodurchsie klemmen.Zur Positionierung der Fasern auf den Rand der Kapillare dient ein Hilfselement(in der Abbildung grau), welches zum Spleißen entfernt wird.

4.1.2 Anwendbarkeit

Bei den vom Autor durchgeführten Erprobungen dieses Greifers offenbarten sicheinige Probleme:

• Abscherung – Der Kegelstumpf zur Klemmung der Fasern erfüllt diese Auf-gabe nur sehr bedingt: wird er stark genug herunter gedrückt, klemmen dieFasern temporär, werden jedoch durch die Kante am Ende des Stumpfesentweder angeritzt und so mit einer Sollbruchstelle versehen oder sie werdendirekt von dieser abgeschert.

• Fixierung – Die Klemmung durch den Kegelstumpf wurde nicht selbsthem-mend entworfen, daher löst sich die Fixierung im Moment des Aufspleißens.Durch die Kraft des Aufdrückens der Pumpfasern auf die Kapillare wird derKegelstumpf nach oben geschoben und die Klemmwirkung geht verloren.

• Biegung der Fasern – Die für den Spleißvorgang sehr wichtige Parallelität derPumpfasern wird durch den Kegelstumpf negativ beeinflusst, da dieser beider Klemmung die Fasern verbiegt. Diese Biegung kann durch die Führungender Rosetten nicht wieder aufgehoben werden und setzt sich daher bis an dieFaserenden fort. Die angestrebte Ringform der Fasern wird nicht erreicht.

• Axiale Positionierung – Wie in Kapitel 3.3.4 erklärt, müssen alle Fasern aufeine Höhe gebracht werden. Hierzu werden die Fasern auf eine ebene Flächeaufgedrückt und danach fixiert. Da beim Fixieren aber eine Kraft auf die Fa-sern in axialer Richtung ausgeübt wird (durch den Kegelstumpf), verschiebtsich die Höhe der Fasern. Die Ausrichtung auf eine Höhe scheitert.Zusätzlich stört, dass z. B. mit einer Pinzette, der Kegelstumpf herunter-gedrückt werden muss. Hierbei berührt und verschiebt man zwangsläufigPumpfasern, welche über die Rosetten hinaus weiter nach oben geführt wer-den.

• Handhabung - Die allgemeine Handhabung der Fasern stellt hohe Anforde-rungen, die bei diesem Greifer nicht ausreichend berücksichtigt wurden.


Die in der Theorie sinnvoll erscheinende Konstruktion führte in der Praxis nichtzum Erfolg. Dies ist zum einen auf die sehr kleinen Dimensionen zurückzuführen,die bei der Konstruktion im CAD leicht unterschätzt werden können. Andererseitsverhalten sich dünne Glasfasern anders als Rohre oder Stäbe in üblichen Dimen-sionierungen, weshalb intuitive Lösungen meist nicht angewendet werden können.

Positiv zu bewerten, ist der Erfolg der Anordnung der Fasern. Es konnte keinespleißfähige Ordnung der Fasern erreicht werden, jedoch funktionierte die reinePositionierung in einen Kreis mit entsprechend kleinem Durchmesser (Ø555 µm)hinlänglich. Auch die Aussage über die Machbarkeit der Fertigung dieser sehr klei-nen Bauteile war hilfreich.

4.2 Patente

Ein Überblick über die Marktsituation ergab eine Recherche zum Stand der Tech-nik, kombiniert mit einer Suche nach Anbietern von Fasergreifern und -kopplernim Internet. Bereits dokumentierte Verfahren zur Herstellung von Kopplern undFasergreifern wurden in Patenten und Veröffentlichungen ermittelt. Dies erfolgteunter der Nutzung des Deutschen Patent- und Markenamtes [11], der Onlinedaten-bank des europäischen Patentamtes [12] und den Onlinedatenbanken ScienceDirect[13] und Scirus [14].Die Suche wurde in zwei Suchbereiche geteilt: Koppler und Greifer.

4.2.1 Koppler

Es existieren mehrere Patente in denen Koppler mit ähnlicher, teilweise identischerFunktionsweise beschrieben werden. In keinem wird auf den Herstellungsprozesseingegangen, lediglich die nötigen Schritte werden aufgeführt, konkrete Umsetzun-gen fehlen. Daher waren diese Patente nur zur Orientierung dienlich, denn dasKonzept des gewünschten Kopplers stand bereits zu Beginn der Diplomarbeit festund ist nicht Gegenstand der Entwicklung. Im Folgenden wird kurz auf die wich-tigsten Patente eingegangen, um einen Überblick zu erhalten.

Patent: Stirnflächenkoppler mit Kapillare

Dieses Patent der GSI Group Limited [15] beschreibt einen Pumpkoppler, der einsehr ähnliches Äußeres mit dem hier gewählten Konzept teilt. Allerdings wird überdie Stirnfläche eingekoppelt (Abbildung 4.2). Pumpfasern werden in Bohrungen inder Stirnfläche einer Kapillare eingeführt und dort mit dieser verschmolzen. Die


Kapillare wird getapert und mit der Hauptfaser im Inneren an eine Absorptions-faser angespleißt, so dass eingekoppeltes Licht über das Cladding der Absorptions-faser aufgenommen wird.

Abbildung 4.2: Stirnflächenkoppler ähnlicher Bauart [15]

Patent: Mantelflächenkoppler

Nahezu identisch zum gewählten Kopplerkonzept ist das Patent von François Gon-thier [16]. Wie in Abbildung 4.3 zu erkennen, soll die Hauptfaser unberührt ver-bleiben und über ihre Mantelfläche das Licht eingekoppelt werden. Die Existenzdieses Patents verhinderte den Antrag eines eigenen, doch wurde dieser Ansatztrotzdem fortgeführt, da er Teil eines komplexen Forschungsprojektes ist.Zur genauen Vorgehensweise der Herstellung werden keine Angaben gemacht. Esexistiert nach aktuellem Wissensstand keine kommerzielle Umsetzung dieses Pa-tents, weshalb eine Realisierung weiterhin angestrebt wird.

4.2.2 Greifer

Die Recherche nach Patenten zum Thema ergab keine Treffer für diese konkreteAnwendung. Fasergreifer wurden ausführlich patentiert, doch handelt es sich dabeiimmer um Greifer für einzelne Fasern oder Faserbündel - ein Patent welches eineringförmige Anordnung beschreibt, konnte nicht gefunden werden.


Abbildung 4.3: Mantelfächenkoppler mit nahezu identischem Konzept [16]

Grundlegende Greifer-Prinzipien, welche auch auf mehrere Fasern angewandt wer-den können, ließen sich erkennen und werden in den folgenden Absätzen beschrie-ben.

V-Nuten

Am weitesten verbreitet beim Halten von Glasfasern ist das Prinzip der V-Nut(Abbildung 4.4a). Sie wird in nahezu allen handelsüblichen Cleave- und Spleißge-räten verwendet. Dabei wird sie immer mit einem flachem Gegenstück kombiniertum Überbestimmung zu vermeiden.Über Kanäle in der V-Nut kann ein Unterdruck angelegt werden, welcher die Glas-faser in die Nut hineinzieht und so eine Vereinfachung des Einlegens erreicht. Eskann sogar die komplette Haltekraft erzeugt werden.

Vakuum

Vakuum wird oft in Kombination mit V-Nuten verwendet. Dies ist nötig, da dasVakuum lediglich die Haltekraft erzeugen kann, eine Positionierung muss durcheine entsprechende Form gewährleistet werden. Im Patent der Firma AT&T [19]wird dazu eine einfache Nut verwendet, welche eine unter der Oberfläche des Werk-


(a) Prinzip einer V-Nut [17] (b) V-Nuten in einem Spleißgerät der Fa.Vytran [18]

Abbildung 4.4: V-Nuten in Patent und Anwendung

stücks befindliche Bohrung als Kanal für das Vakuum verwendet (Abbildung 4.5a).Grundsätzlich entspricht dies dem Prinzip aller Vakuum-Fasergreifer, lediglich Zu-leitungen und Austrittsöffnungen variieren.

(a) Ein Vakuum fixiert die Glasfasern [19] (b) Gelochtes Basissubstrat [19]

Abbildung 4.5: Vakuumgreifer und gelochte Basissubstrate

Gelochte Basissubstrate

Unter dem Begriff der gelochten Basissubstrate können flächige Körper mit defi-niert gesetzten, regelmäßigen Bohrungen zusammengefasst werden. Eine Variantezeigt Abbildung 4.5b. Kombiniert man mehrere dieser Platten mit fluchtendenBohrungen, ergibt sich eine Führungsfunktion für Fasern. Werden Bohrungen miteinem Öffnungswinkel größer 0° gewählt, erreicht man eine Einlegehilfe bzw. Zen-trierung für die Fasern.

Elektrostatik

Im Patent der Firma Bell Telephone Laboratories [20] wird die Fixierung einerGlasfaser mit Hilfe von elektrostatischen Kräften beschrieben. Hierbei liegt an


zwei voneinander isolierten Flächen eine hohe Spannung an, gleich dem Prinzipeines Kondensators. Das zwischen diesen Flächen entstehende inhomogene elek-trische Feld übt eine Kraft auf die im Feld befindliche Faser aus, so dass sie andie Fläche angezogen wird und an dieser verbleibt (Abbildung 4.6a). Die Flächendienen gleichzeitig als Positionierungsanschläge.

Dreh-Klemm-Greifer

Ursprünglich für einen Faserstecker entwickelt, könnte das Patent der Firma Matsu-shita [21] auch zur Realisierung eines Greifers für mehrere Fasern adaptiert werden.Bei diesem werden Fasern durch ein Loch mit spezieller Außenform geführt, wel-ches sich in einer drehbaren Scheibe befindet. Wird diese nun verdreht, wird dieFaser an eine zentrale Faser gedrückt, und somit fixiert (Abbildung 4.6b).

(a) Halterung einer Faser mittels Elektro-statik [20]

(b) Über ein Drehung klemmender Greifer[21]

Abbildung 4.6: Elektrostatischer Greifer und Drehgreifer

4.3 Kommerzielle Produkte

Um zu überprüfen, ob bereits Produkte mit den gewünschten Eigenschaften amMarkt verfügbar sind, wurde eine Internetrecherche durchgeführt. Hierbei wur-den Koppler gefunden, die nach verschiedenen Prinzipien das Licht von mehrerenFasern zusammenführen. Ein großer Teil ist für Telekommunkationsanwendungenkonzipiert und daher nur für kleine Leistungen ausgelegt [22].Einige Firmen bieten aber auch Koppler für höhere Koppelleistungen an. So ver-kauft die Firma OFS Optics einen Koppler für bis zu 18 Pumpfasern und einermaximalen Gesamteingangsleistung von 100 Watt [23]. Wie in Abbildung 4.7a er-kennbar, wird hierbei über das Cladding eingekoppelt.


(a) Koppler mit Eingangsleistung < 100 Wder Firma OFS Optics [23]

(b) 61:1 Combiner der Firma NKT Photo-nics mit präsentierter Ausgangsleistungvon 1,2 kW [24]

Abbildung 4.7: Kommerzielle Pumpkoppler

Besonders weit fortgeschritten auf diesem Gebiet scheint die Firma NKT Pho-tonics. Sie bietet Verstärker auf Glasfaserbasis mit Pumpleistungen größer 100Watt an [25]. In einer Präsentation [24] werden sogar von 1,2 kW erreichter Aus-gangsleistung gesprochen (Abbildung 4.7b). Es wurden dabei mehrere Laserdiodenkombiniert.

5 Greiferkonzepte und Auswahl

Zu Beginn der Entwicklung des Greifers wurden verschiedene Greiferkonzepte eru-iert. Einige dieser wurden aus Patenten, wie in Kapitel 4 aufgeführt, abgeleitet.Die Forderungen an den zu entwickelnden Greifer sind, wie in der Anforderungslis-te (Tabelle 2.1) ersichtlich, sowohl bezüglich der zu erzielenden Genauigkeiten, alsauch der Umgebungsbedingungen sehr hoch. Um diese erfüllen zu können, wurdenVor- und Nachteile der jeweiligen Konzepte untersucht, weshalb auf eine jeweiligeerneute Erklärung verzichtet wird.

5.1 Konzepte

5.1.1 Mechanische Greifer

Fingergreifer

Intuitiv erscheint das Prinzip des mechanischen Greifers am erfolgversprechends-ten. Es funktioniert wie die menschliche Hand und klemmt zwischen zwei Backenden gewünschten Gegenstand fest. Abbildung 3.1 zeigt, dass die Positionierung derPumpfasern mit Kontakt bzw. einem sehr geringen Abstand (maximal ca. 10 µm)zur aktiven Faser sowie zwischen den Pumpfasern untereinander geschehen muss.Wird dies nicht erreicht, kann keine vollständige Verbindung zwischen Pumpfasernund Kapillare erzielt werden.Da ein solch kleiner Greifer kaum zu fertigen ist und nicht die nötigen Haltekräfteaufbringen könnte, kann nicht um die Faser herum gegriffen werden. Lediglich dieder Laserfaser abgewendete Seite kann genutzt werden. Ein klassisches Greifen vonzwei Seiten scheidet somit aus.

V-Nuten

Für die hier gewünschte Anwendung ist das Prinzip der V-Nut, zumindest in derVariante mit einem Gegenstück zum Halten der Faser in der Nut, nicht anwendbar.Es steht kein Raum zur Verfügung ein solches Gegenstück unterzubringen.Ohne ein Gegenstück, lediglich mit Hilfe von Vakuum die Faser in der V-Nut zuhalten, erscheint dagegen als eine zielführende Möglichkeit. Die Fasern werden ge-

27

5 Greiferkonzepte und Auswahl 28

nau positioniert und es erfolgt eine Selbstorganisation. Eine genaue Untersuchungdieser Variante findet sich in Kapitel 5.1.6.

5.1.2 Metallisierte Fasern

Durch die Verwendung von metallisierten Glasfasern im Fraunhofer IOF, entstandder Ansatz diese Metallisierung über elektromagnetische Kräfte zu nutzen. Dereigentliche Verwendungszweck dieser Fasern besteht in einem Lötvorgang, bei wel-chem sie an der Metallisierung, durch ein appliziertes Lot, fixiert werden. Hierzuwird ein Schichtsystem aus Titan, Platin und Gold mit dem Kathodenzerstäu-bungsverfahren auf die zuvor plasmagereinigten Fasern aufgebracht.Neben dem Aufwand und den Kosten die dieses Verfahren mit sich bringt, be-schränkt besonders die Materialauswahl die Verwendung für den Zweck einer ma-gnetischen Fixierung, denn das verfügbare Schichtsystem besteht aus nicht magne-tischen Metallen. Die Option eine magnetische Beschichtung zu entwickeln bestandnicht.Die Möglichkeit einer elektrischen, falls realisierbar sogar je Faser individuellen,Steuerung der Haltekraft erscheint trotzdem als sehr wünschenswert.

5.1.3 Metapor

Das Material Metapor der Firma Portec [26] ist ein mikroporöses und damit luft-durchlässiges Verbundmaterial aus Keramik und Aluminium. Es wird in vielenVarianten als Vakuumgreifer im Maschinenbau verwendet. Um den Aufbau einesFasergreifers mit diesem Prinzip zu testen, wurde eine V-Nut in ein Stück ausMetapor gefräst. Der Rest der Oberfläche wurde mit Klebestreifen abgeklebt undüber ein gebohrtes Loch Vakuum angelegt. Eine Glasfaser, welche in die V-Nutgelegt wurde, konnte nicht gehalten werden. Aus diesem Grund wurde eine weitereVerwendung von Metapor nicht in Erwägung gezogen.

5.1.4 Elektrostatischer Greifer

Ein ausgelaufenes Patent der Firma Bell [20] (Abbildung 4.6a), vorgestellt in Ka-pitel 4.2.2, legte den Grundstein für das Konzept des elektrostatischen Greifers.Hierzu wurde ein Testaufbau mit zwei Metallplatten realisiert. Eine Lage Papier(ca. 100 µm Dicke) isolierte die Platten voneinander. Spannungen von bis zu 1 kVwurden angelegt, während an den Spalt zwischen den Platten, eine entmantelteFaser gelegt wurde (Ø128 µm und Ø720 µm).Die Fasern wurden an dem Testaufbau (Abbildung 5.1) gehalten. Ein Drehmo-mentsensor der Firma Lorentz des Typs D-MK2416 maß die von der Faser axial


V

Platte

Isolierung

Faser

Drehmoment-sensor

Abbildung 5.1: Versuchsaufbau zum Elektrostatischen Greifer

aufnehmbare Kraft. Hierzu wurde ein Hebel an ihm angebracht, um seine Emp-findlichkeit zu erhöhen (dadurch rechnerisch minimal messbare Kraft: 0,33 mN).Der Sensor wurde an einer Lineareinheit befestigt und von unten an die Faserherangefahren. Hierbei konnte keine Kraft gemessen werden, bevor sich die Fasernach oben verschob.Die geringe Anpresskraft an die Platten in Kombination mit dem geringen Haft-reibungskoeffizienten ( µs = 0,5-0,7 [27]) verursachen diesen geringen axialen Wi-derstand. Hier könnte eine Optimierung der Haftreibung und Vergrößerung derangelegten Spannung eine ausreichende Gegenkraft erzeugen.Wegen der schlechten Messergebnisse und dem erforderlichen Aufwand durch Si-cherheitsmaßnahmen beim Umgang mit Hochspannung auf sehr kleinem Raum,wurde diese Variante verworfen.

5.1.5 Kleben

Die Handhabung des Kopplers nach der Fertigung war der Ausgangspunkt für dasKonzept des Klebens. Die 10 Pumpfasern und die Laserfaser sollen im späterenGebrauch natürlich nicht beschädigt oder abgebrochen werden. Daher ist eine Ver-klebung des gesamten Kopplers insofern sinnvoll, als dass Kräfte auf die Fasernsomit vom Klebstoff aufgenommen werden und nicht die Spleißstellen Gefahr lie-fen, zerstört zu werden. So könnte man die Fasern über eine geeignete Vorrichtungwie gewünscht ausrichten, um sie anschließend mit Klebstoff an einer Haltevor-


richtung zu fixieren. Diese Vorrichtung könnte auch nach dem Spleiß die erwähnteStabilität gewährleisten.Problematisch ist dabei die feste Verbindung zur Laserfaser in der Mitte, müsstedoch der ausgehärtete Klebstoff ein Verschieben des Pumpfaserbündels auf derHauptfaser für den Spleißvorgang erlauben. Zusätzlich besteht das Problem derHitze. Beim Spleißen entstehen im Glas lokale Temperaturen um 2000 °C. Trotzdes Abstandes zwischen Kleber und Spleißstelle müsste dieser erheblichen Tempe-raturen standhalten. Dies trifft auch auf den Betrieb zu, wenn hohe Leistungendurch den Koppler geführt werden.Ein weiterer Nachteil besteht in der Unveränderbarkeit des Bündels nach dem Aus-härten des Klebstoffs. Ist eine Faser nicht im Toleranzfeld, kann die Position nichtmehr verändert werden und das Bündel müsste von Neuem hergestellt werden.Die Summe der Vorteile unterliegt den Nachteilen, weshalb auch dieses Prinzipnicht zum Einsatz kommt.

5.1.6 Vakuum

In Abschnitten 5.1.1 (V-Nuten) und 5.1.3 (Metapor) wurden bereits die Verwen-dung von Vakuum diskutiert. Die Vorteile sind die Variabilität der Haltekraft inKombination mit der nicht absoluten Fixierung.Würde man die Pumpfasern mit einem klassischen Fingergreifer klemmen, müssteman die Fasern vor der Fixierung auf eine axiale Höhe ausrichten, da ein späteresÖffnen das komplette Lösen der Fasern bedeuten würde. Wird dagegen bei einerV-Nut mit Vakuum eine Kraft auf die Faser in axialer Richtung ausgeübt, wirddiese bis zu einem bestimmten Wert aufgenommen und die Faser verschiebt sichnicht. Wird dieser Wert überschritten, verschiebt sich die Faser aber ohne Schadenzu nehmen.Folglich ist ein solcher Vakuumgreifer sehr gut dazu geeignet, alle Pumpfasern aufeine Höhe auszurichten. Dies würde über Kontakt der eingelegten Fasern zu einerebenen Fläche realisiert werden. Sollte die Stirnfläche der Kapillare nicht kompletteben sein, könnte die Position der Fasern über den Kontakt an diese spezielle Formangepasst werden.Erste Versuche mit einer Dosiernadel zeigten ein deutliches Optimierungspotenti-al. Die Nadel mit einem Innendurchmesser von 200 µm wurde an eine Venturi-Düseangeschlossen. Der erzeugte Luftstrom hielt die Faser an der Ausgangsöffnung derNadel fest. Mit dem selben Messprinzip aus Abbildung 5.1 konnte jedoch keineGegenkraft gemessen werden. Auch mit zwei nebeneinander angeordneten Dosier-nadeln änderte sich dies nicht.


Eine, wie anfangs vermutet, durch den Luftstrom hervorgerufene automatischeZentrierung der Faser auf der Endfläche der Nadel konnte nicht beobachtet werden.

5.2 Auswahl

Im Laufe des Entwicklungsprozesses wurden noch weitere Ideen in Betracht gezo-gen, deren Detaillösungen hier nicht näher erläutert werden sollen. Die zugrunde-liegenden Funktionsweisen wurden in diesem Kapitel vorgestellt.Nach einem theoretischen, wie auch praktischem Vergleich aller Konzepte, stell-te sich die Verwendung von Vakuum als beste Lösung dar. Die Ausrichtung allerFasern auf eine Höhe kann hiermit sehr effektiv gewährleistet werden, was kei-ne andere Variante bietet. Weitere Experimente relativierten das Problem der zugeringen Haltekraft.So wurde am Spleißaufbau die Anpresskraft während des Spleißens einer Faser(Ø720 µm) auf eine Endkappe gemessen. Hierfür wurde wiederum der bekannteDrehmomentsensor in Kombination mit einem Hebel verwendet, auf welchem dieEndkappe platziert wurde. Die Messauflösung von 0,33 mN war wiederum zu groß,um eine Kraft messen zu können. Da beim Spleißen die Glastemperatur bis ca.2000 °C steigt, erklärt sich die geringe Kraft durch die gesunkene Viskosität desGlases.Ebenfalls sehr gering ist die Knickstabilität der verwendeten Pumpfasern. Wie in[28] gezeigt, fangen Fasern mit Ø125 µm und einer freien Länge von 10 mm bereitsbei einer axialen Kraft von 21 mN an, sich zu verbiegen. Da bei Spleißvorgängenim Allgemeinen keinerlei Biegung an den Fasern erkennbar ist, darf angenommenwerden, dass die aufzunehmende Kraft in axialer Richtung beim Spleißvorgangdeutlich unter diesem Wert liegt.Eine geeignete Konstruktion würde die Punktberührung, wie sie bei den Dosierna-deln stattfand, zu einer Linienberührung ausdehnen. In Kombination mit einem ge-eigneten Material, sollte hierbei eine erhöhte Kraft aufgenommen werden können.Die Positionierung der Fasern kann, in Kombination mit Vakuum zur Fixierung,über eine V-Nut realisiert werden.Aus diesen Gründen fiel die Wahl auf einen Greifer mit Vakuum. Die detaillierteUmsetzung wird in den folgenden Kapiteln konkretisiert.

6 Prozessablauf des Spleißens

Ein wichtiger Bestandteil der Konstruktion des Greifers sind die Vorgaben, diesich aus dem Ablauf des Spleißens ergeben. Bestimmte Schritte müssen zu be-stimmten Zeitpunkten ausgeführt werden, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.Abbildung 6.1 zeigt die Schritte des Anspleißens der Pumpfasern. Eine genaueErläuterung findet im Folgenden statt. Dieses Kapitel beschreibt dabei den ge-planten Prozessablauf des Spleißens. Da Änderungen während der Konstruktionund Charakterisierung des Greifers zu einer Anpassung des Ablaufs führten, gehtKapitel 9.2.2 unter anderem auf diese Änderungen ein.

Entcoaten der Pumpfasern

Pumpfasern auf Längezuschneiden

Vorbereitung

Pumpfasern in denGreifer einfädeln

Cleaven der Pumpfasern

EinfädelnZugentlastung der

Pumpfasern einrichten

Ausrichten der gecleavtenPumpfasern auf eine Höhe

Justage

Entfernen des Greifersaus der Spleißanlage

Zerlegen des Greifers undEntnahme des Kopplers

NachbereitungHochfahren der Pumpfasern,kein Kontakt zwischen Fasern

und Kapillare

Herunterfahren der Fasern aufheiße Kapillare Spleißen

Erhitzen der Kapillaremittels Laser

Spleißen

Abbildung 6.1: Ablauf des Spleißprozesses

6.1 Vorbereitung

Bevor der eigentliche Spleißvorgang durchgeführt werden kann, müssen alle not-wendigen Teile vorbereitet sein. Das Kollabieren und Ätzen der Kapillare alsHauptkörper des Kopplers wurde bereits in Kapitel 3.3 erklärt. Für den anschließen-den Schritt des Spleißens müssen vorbereitende Maßnahmen getroffen werden. So

32

6 Prozessablauf des Spleißens 33

ist ein Entcoaten der Pumpfasern notwendig. Die Länge des zu entmantelnden Be-reichs muss mindestens 15 cm betragen, da sonst der Kunststoff des Coatings durchdie Wärmeentwicklung beim Spleißen beschädigt und die Güte des Spleißes nega-tiv beeinflusst wird. Zudem werden die Fasern nach dem Einlegen in den Greifergecleavt, was sie um ca. 15 mm verkürzt. Würde man die Fasern im Voraus cleaven,bestünde die Gefahr die Endflächen der Fasern beim Einlegen zu beschädigen.

(a) Greifer in der Halterung (b) Beim Cleaven der eingelegten Fasern

Abbildung 6.2: Hilfsmittel zur Vorbereitung des Spleißens

6.2 Einfädeln der Pumpfasern

Das Einführen der Fasern in den Greifer erfolgt außerhalb der Spleißanlage. Hierfürist eine Halterung vorgesehen, in die der leere Greifer eingehängt wird (Abbildung6.2a). Von oben werden die Pumpfasern zugeführt und so weit unten hinausge-führt, dass sie mit dem Fujikura CT-30 gecleavt werden können (Abbildung 6.2b).Anschließend werden sie wieder auf die korrekte Länge hinauf gezogen und derkomplette Greifer mit den Fasern in den Spleißaufbau eingehängt. Zur grobenFixierung der Pumpfasern befindet sich am oberen Ende des Greifers eine Zugent-lastung.

6.3 Justage der Fasern

Bearbeitende Vorbereitungen sind damit abgeschlossen. Das Ausrichten aller Kom-ponenten zueinander folgt. So muss ein Fluchten der Achse des konzentrischen La-serrings mit der Achse des Greifers erreicht werden. Eine Feinstellschraube an derSchiene der Spleißanlage ist hierfür vorgesehen (Abbildung 6.3b). Zur optischen

6 Prozessablauf des Spleißens 34

Kontrolle dient eine Kamera, welche über einen Spiegel von unten auf den Greiferschaut (Abbildung 6.3a).

(a) Blick der Kamera von unten (b) Feinstellschraube zur Justage des Grei-fers

Abbildung 6.3: Justage der Greiferposition

Die Laserfaser mit der Kapillare ist in einer Haltevorrichtung auf die Achse desLaserrings ausgerichtet. Diese Vorrichtung wird auch als unterer Greifer bezeichnetund beinhaltet einen Kreuztisch zur horizontalen Justage der Laserfaser.Durch die Lineareinheit (Abbildung 3.8) kann der Greifer mit den Pumpfasern ver-tikal verfahren werden. Somit kann das Einstellen aller Pumpfasern auf eine Höheüber ein Kontaktfahren erfolgen – es werden die Pumpfasern auf die Stirnflächeder Kapillare gefahren und somit ausgerichtet. Das angelegte Vakuum hält sie aufder eingerichteten Höhe. Anschließend wird der Greifer wieder hoch gefahren undder eigentliche Spleißvorgang kann beginnen.

6.4 Spleißen und Entfernen des Greifers

Zum Spleißen sind die Fasern anfangs von der Kapillare getrennt. Der Laser er-wärmt die Kapillare, die Fasern werden herunter gefahren und durch Wärmeleitungvon der Kapillare zu den Pumpfasern findet der Spleiß statt.Wurde der Spleißvorgang erfolgreich durchgeführt, muss der Greifer vom fertigenKoppler getrennt werden. Verursacht durch die nun geschlossene Verbindung zwi-schen den Pumpfasern und dem Koppler, kann die Zerlegung nicht in umgekehrterRichtung des Einlegens geschehen. Folglich können die Pumpfasern ausschließlichüber das untere Ende des Greifers entfernt werden. Sie werden durch den Greifernach unten hinaus gezogen. Dies geschieht wiederum in der Haltevorrichtung.

7 Konstruktiver Entwicklungsprozess:Erster Testgreifer

Nachdem verschiedene Konzepte in Kapitel 5 verglichen wurden, fiel die Entschei-dung auf das Vakuumkonzept. Damit steht das Prinzip fest, doch muss noch einekonkrete Umsetzung erfolgen. Abbildung 7.1 zeigt die Idee dieser Umsetzung. DiePumpfasern im Greifer werden durch den Luftstrom in den horizontalen Bohrun-gen an die Innenwand der zentralen vertikalen Bohrung gezogen. Die Reibungzwischen Innenwand und Faser hält letztere an der gewünschten Position.

PumpfasernGreifer

Luftstrom

Abbildung 7.1: Konzept des Vakuumgreifers

In den ersten beiden Versionen des Greifers wird hauptsächlich das Kernstückuntersucht: der Vakuumgreifer. Das Handling der Pumpfasern außerhalb wird er-probt und dabei geeignete Ideen gesammelt, die während der Konstruktion desfinalen Greifers vollständig entwickelt werden.

35

7 Konstruktiver Entwicklungsprozess: Erster Testgreifer 36

7.1 Überblick

Die drei Ausgangsmaterialien des Kopplers und ihre Maße sind zusammen mit demKonzept des Greifers der Ausgangspunkt der Konstruktion. Die beiden Fasertypenund die Kapillare haben folgende Herstellerangaben:

• Laserfaser: Nufern LMA-YDF-20/400 [29]– Cladding Ø400 ± 15 µm– Coating Ø550 ± 20 µm

• Pumpfaser: J-Fiber J1461911AE– Cladding Ø114 ± 10 µm (Toleranzen keine Herstellerangaben)– Coating Ø240 ± 10 µm

• Kapillare:– Außen: Ø700 µm (keine Toleranzangaben verfügbar)– Innen: Ø420 µm

Da herstellungsbedingt der Durchmesser innerhalb einer gezogenen Faser nur mi-nimal schwankt (± 1 µm) und nach Rücksprache mit dem Hersteller üblicherweiseein Exemplar sehr nah am gewünschten Durchmesser verfügbar ist, sind die Tole-ranzen real deutlich geringer als die Herstellerangaben. Trotzdem werden bei derKonstruktion die Herstellerangaben, soweit verfügbar, verwendet und die Bauteileentsprechend dimensioniert. Zur Pumpfaser sind keine Toleranzen verfügbar, fürdie Konstruktion werden die oben genannten angenommen.

Das Ziel bei der Konstruktion des ersten Testgreifers ist es, das Verhalten derFasern in einer Umsetzung des Vakuumkonzepts (Abbildung 7.1) zu überprüfen.Die Erzeugung einer guten Führung für die Fasern ist ebenfalls wichtig, dennder Vakuumgreifer muss sich mindestens 10 mm entfernt vom Spleißort befinden,andernfalls würde er den Laser abschatten und ein Spleiß wäre nicht möglich. Dahermüssen die Fasern diesen Abstand überbrücken, aber weiterhin im gefordertenKreisring liegen – sie müssen den Greifer also parallel verlassen. Das ist auchnötig, damit die Fasern senkrecht auf die Kapillare treffen, um sich beim Spleißvollständig mit ihr verbinden zu können.Abbildung 7.2 zeigt den fertigen Testgreifer mit daran befestigten Schläuchen fürdas Vakuum. Eine Bohrung, in der die Fasern geführt werden, liegt in der Mitteund durchzieht den kompletten Greifer in vertikaler Richtung. Als Schwarz zuerkennen ist eine der Backen, die den Vakuumgreifer selbst hält.


Abbildung 7.2: Umsetzung des ersten Testgreifers

7.2 Konstruktion

7.2.1 Aufbau

Das zentrale Element des Vakuumgreifers ist ein Zylinder. Er erlaubt es sowohldas Vakuumkonzept zu realisieren als auch die Führungsaufgabe zu erfüllen. DieInnenwand dieses Zylinders dient dabei als Führung für die Fasern. Die Fixie-rung der Fasern wird über Kanäle an diesem Zylinder realisiert, durch welche einLuftstrom die Fasern an die Innenwand zieht.Um eine Parallelität der Fasern zu erreichen, werden die Bohrungen auf zwei Ebe-nen verteilt (Abbildung 7.3a). Dadurch sind die Fasern dazu gezwungen an derZylinderinnenwand anzuliegen, was zu einer Parallelität führt. Es erhöht zusätz-lich die Ansaugkraft und damit die aufnehmbaren Kräfte.

7.2.2 Leitung des Luftstroms

Die Leitung des Luftstroms wird über vier Bohrungen realisiert, welche in einemWinkel von 90° zueinander stehen und in die zentrale Bohrung münden (Abbildung7.3b). Zwei der Seitenflächen werden zur Halterung des Vakuumgreifers selbst be-nötigt. Die an diesen Seiten endenden Bohrungen benötigen daher eine Zuleitung.Zwei weitere Bohrungen, rechtwinklig zu den direkt im Zylinder endenden Bohrun-gen, stellen diese Funktionalität zur Verfügung. Die offenen Bohrungsenden (keinaustretender Pfeil in Abbildung 7.3b) werden mit Klebestreifen (blau) verschlos-


(a) Vertikaler Schnitt durch den Greifer,vertikal der Führungszylinder, horizon-tal die Vakuumkanäle

(b) Horizontaler Schnitt durch den Greifermit Bohrungen für das Vakuum

Abbildung 7.3: Vakuumkanäle des ersten Testgreifers

sen. So kann ein rechter Winkel im Kanal hergestellt werden, ohne ein Trennebenein den Greifer einziehen zu müssen.Die Verbindung zur Venturi-Düse erfolgt über acht Silikonschläuche, welche übereinen Verteiler extern zusammengeschlossen sind.

7.2.3 Halterung des Vakuumgreifers

Zur Halterung des Vakuumgreifers selbst, wird der bereits vorhanden Backengrei-fer aus der vorhergenden Greiferversion (Kapitel 4.1) verwendet. Dieser stellt dieSchnittstelle zum Spleißaufbau bereit und hält den Vakuumgreifer durch zwei Ba-cken fest (Abbildung 7.4a). An den Backen befinden sich je zwei Extrusionen,die ihre Gegenstücke als entsprechend geformte Ausfräsungen im Vakuumgreifervorfinden und diesen somit fixieren.

7.2.4 Luftstrom im Greifer

Um das Verhalten der Fasern bei unterschiedlichen Vakuumverhältnissen zu unter-suchen, wird ein Mechanismus eingebaut, der erlaubt die effektive Öffnungsgrößeder Vakuumbohrungen zu variieren (Abbildung 7.4b). Hierzu ist an beiden endender zentralen Bohrung ein Gewinde vorhanden. Hinein kommen Schrauben, diemit einer axialen Bohrung versehen sind in der sich wiederum eine Metallkanü-le befindet. Diese verkörpert den Zylinder über die zentrale Bohrung hinaus undkann durch das Drehen der Schraube in der Höhe justiert werden. Dadurch än-dert sich die Spaltbreite durch die der Luftstrom fließt. Eine Veränderung auf dieHalteeigenschaften des Greifers sollen damit untersucht werden.


(a) Halterungsmechanismus für den Vaku-umgreifer

Schraube

PumpfasernMaden-schraube

Luftstrom

Kanülen

variierbareÖffnung

(b) Schnitt durch den Vakuumgreifer (linksFoto, rechts Skizze – vereinfacht), unte-re Schraube weiter hineingedreht

Abbildung 7.4: Details des ersten Testgreifers

In der zentralen Bohrung befindet sich ebenfalls ein Stück Kanüle, welches übereine Madenschraube fixiert wird und als Führung der Fasern im mittleren Be-reich dient. Dadurch ist ein konstanter Innendurchmesser des Führungszylindersgewährleistet.Die Wandstärke der Kanülen erzeugt einen Abstand zwischen dem inneren Endeder Vakuumkanäle und der Innenfläche der Kanüle (Abbildung 7.7). Dadurch ver-teilt sich der Luftstrom der Vakuumkanäle relativ gleichmäßig auf den gesamtenUmfang des Kreisrings.

7.2.5 Material, Zerlegbarkeit

Der Vakuumgreifer wird aus PMMA gefertigt. Es ist ein leichtes und gut spanbaresMaterial mit sehr geringer Gratbildung.Auf die in Kapitel 6.4 vorgeschlagene Zerlegbarkeit des Greifers wird in diesemfrühen Stadium der Entwicklung verzichtet, da lediglich die grundlegende Funkti-onstüchtigkeit geprüft werden soll.

7.3 Umsetzung und Anwendbarkeit

7.3.1 Äußere Eigenschaften

In Abbildung 7.2 ist der fertige Testgreifer dargestellt. Die Schläuche sind zu er-kennen, jedoch fehlen die Schrauben mit eingesetzten Kanülen. Erste Tests zeigen,dass eine ausreichende Übereinstimmung der Achsen aller drei Kanülen durch dieFertigung nicht erreicht wurde. Die eingelegten Fasern liegen stets an einer Seite


der Kanülen an und bilden nicht wie gewünscht einen Kreisring. Daraus lässt sichschließen, dass die Projektion der effektiven Durchgangsfläche des gesamten Zylin-ders deutlich kleiner als der gewünschte Kreisdurchmesser ist. Daraufhin wurdendie Schrauben und die zentrale Kanüle entfernt und nur die Bohrung zwischen denVakuumkanälen als zylindrische Führung genutzt. Dadurch entsprach der Durch-messer des Kreises zwar nicht mehr den Vorgaben, es konnte aber eine sehr gutekreisförmige Orientierung der Fasern erzielt werden (Abb. 7.5a).

(a) Kreisring im Vakuumgreifer (b) Anordnung der Schläuche

Abbildung 7.5: Praktischer Einsatz des ersten Testgreifers

Ein Übereinstimmen der Achsen aller drei Zylinderstücke wurde aus konstruktiverSicht nicht erreicht, da ein Gewinde zwangsweise Spiel haben muss, um funkti-onstüchtig zu sein. Zusätzlich ist die Herstellung einer präzisen Bohrung durcheine Schraube entlang ihrer Drehachse mangels einer zuverlässigen Referenzflä-che schwierig. Mit der Einführung einer Kanüle in die Bohrung wird eine weitereKomponente hinzugefügt, welche die Toleranzen abermals erhöht.Die Verwendung von Silikonschlauch stellt sich als problematisch heraus, da seinBiegeradius verhältnismäßig groß ist. Außerdem müssen die als Verbindungsstückezwischen Bohrung und Schlauch verwendeten Kanülenstücke ca. 3 mm aus demGreifer herausragen, um eine dauerhafte Fixierung des Schlauches zu gewährleis-ten. Beides zusammen ergibt räumliche Probleme bezüglich des Laserrings derSpleißanlage. Er darf nicht abgeschattet werden und beschädigt bereits bei kur-zer Bestrahlung den Silikonschlauch. Dieses Problem konnte durch eine bestimmteBefestigung der Schläuche am Greifer gelöst werden (Abbildung 7.5b). Sie liegendabei in einer Flucht mit den Greiferbacken, welche den Vakuumgreifer selbsthalten. Hierdurch befinden sich die Schläuche in einem vom Laser abgeschatte-ten Bereich – zumindest auf der rechten Seite im Bild. Auf der linken Seite desGreifers befinden sich die Schläuche, allerdings aus Sicht der Laserquelle, vor denGreiferbacken. Somit werden die Schläuche der Laserstrahlung ausgesetzt. Als tem-


poräre Lösung kann Kupferklebeband zur Reflexion der Laserstrahlung in diesemBereich angebracht werden. Der Laserring wird dadurch nicht negativ beeinflusst,da die Greiferbacken in der gleichen Flucht liegen und den Laserring zwangsläufigabschatten – eine Designentscheidung bei der Konstruktion der Spleißanlage.Das Problem konnte provisorisch gelöst werden, es sollte aber eine elegantere Mög-lichkeit der Schlauchführung für die nächste Teststufe gefunden werden. Ein wei-terer Grund dafür ist, dass die Schläuche durch den 2 mm schmalen Spalt imSpiegel der Spleißanlage (Abbildung 3.8) geführt werden müssen. Beim Verfahrendes Greifers mittels Linearachse kann es dadurch zu Behinderungen kommen.

7.3.2 Anwendbarkeit des Greifers

Bedingt durch die Größe der Fasern und des Greifers selbst, ist die Beobachtungmit bloßem Auge nicht möglich. Es steht ein Stereomikroskop zur Verfügung, mitdem das Einlegen der Fasern und eine Kontrolle der Positionierung durchgeführtwird.

(a) Testspleiß mit dem ersten Testgreifer (b) Verkippung der Fasern

Abbildung 7.6: Hilfsmittel und Erzeugnis des Greifers

Das Vakuum

Im Zuge von Tests bestätigt sich, dass die Fasern im Zylinder an die Innenwändegezogen werden. In radialer Richtung stellt sich das Prinzip des Vakuums damitals funktionstüchtig dar. In axialer Richtung ist die aufnehmbare Kraft, wie schonin den Vortests, verhältnismäßig gering. Das erleichtert die Ausrichtung der Fa-sern auf eine Höhe, doch bestehen Zweifel, ob ein Spleiß durchführbar ist. EineMessung mit dem bereits verwendeten Drehmomentmessgerät (vgl. Kapitel 5.1.4)kann erneut keine Aussage über die Kräfte generieren.


Aus diesem Grund wird ein Probespleiß zwischen einer Faser und einer Endkappedurchgeführt. Es kann eine Verbindung hergestellt werden, was für eine ausreichen-de Anpresskraft spricht (Abbildung 7.6a). Eine gute Verbindung wird noch nichterreicht, eine langwierige Optimierung der Spleißparameter ist an dieser Stelle abernoch unangebracht.Der Abstand zwischen der Innenseite der Kanülen und der Öffnung der Vakuum-kanäle ist beim Entwurf des Greifers als Bereich zur gleichmäßigen Verteilung desLuftstroms gedacht gewesen (Abbildung 7.7). Durch das Entfernen der Schrau-ben, inklusive der Führungskanülen, wird dieser Abstand entfernt. Die Haltekrafterhöht sich dadurch, da die Fasern direkt an der Endöffnung der Vakuumkanäleanliegen und der Luftstrom weniger Querschnitt zur Verfügung hat an den Fasernvorbei zu fließen. Der Nachteil aber ist, dass dies nur auf die Fasern, die im mittle-ren Bereich einer Endöffnung liegen, zutrifft. An den Rändern der Vakuumkanäle,wo zwei der Bohrungen zusammenstoßen, werden die Fasern aus zwei Richtungenangezogen und befinden sich daher nicht in einer stabilen Lage. Das macht sichdurch einzelne Fasern bemerkbar, die sich in zufälligen Zeitabständen in axialerRichtung bewegen. Auch leichtes Anstoßen des Greifers induziert dieses Verhalten.Erst die Konstruktion ohne einen Abstand im zweiten Testgreifer erbrachte dieseErkenntnis.

KanüleKraft

Luft-strom

Pump-fasern

Abstand

Abbildung 7.7: Mit und ohne Abstand zwischen Innenfläche der Kanüle undÖffnung der Vakuumkanäle

Reinigung der Fasern

Ein weiteres Problem stellt die gegenseitige Beeinflussung der Fasern dar. Sindmehrere Fasern eingelegt und nicht vollständig gereinigt, beeinflussen sie sich ge-


genseitig. Das äußert sich, wenn an einer einzelnen Faser gezogen wird und sich dieumliegenden Fasern in die selbe Richtung bewegen – sie kleben aneinander. Direktnach der Reinigung der Fasern kann der gleiche Effekt auftreten, da die Faserndurch die Reinigung elektrostatisch aufgeladen werden. Nach kurzer Zeit baut sichdie Ladung wieder ab. Gleichmäßiges Ausrichten aller Fasern auf eine Höhe wirddurch diesen Effekt sehr erschwert. Eine Reinigung der Fasern und Arbeiten mitHandschuhen ist daher unumgänglich.

Verkippung der Fasern

Wie in Abbildung 7.6b erkennbar, stellte sich die Zylinderform als sehr gute Füh-rung der Fasern in radialer Richtung dar, kann jedoch keinen Einfluss auf dieFasern in Umfangsrichtung ausüben. Dies führt in ungünstigen Fällen zu einerVerkippung der Fasern entlang der Innenseite des Führungszylinders und damitzu einer Verdrehung des gesamten Bündels.

7.4 Optimierung der Anwendbarkeit

Der erste Testgreifer verzichtet auf eine Führung der Fasern außerhalb des eigentli-chen Greifers, da lediglich das Kernstück des Greifers erprobt werden soll. Deshalbwurden anfangs nur kurze Faserstücken von maximal 10 cm Länge verwendet.Um die Positioniergenauigkeit zu erhöhen und die Handhabung von längeren Fa-sern zu testen, wird auf ein vorhandenes Bauteil zurückgegriffen. Es ist in Ab-bildung 7.8a zu sehen und besteht aus Macor. Die runde Grundform wurde miteiner zentralen Bohrung und einem Kreisring aus kleineren Bohrungen um die-se herum versehen. Im folgenden wird diese Anordnung von Bohrungen RadialesBohrlochmuster (RBM) genannt.Die Idee dieses RBM ist die Vorpositionierung und -fixierung der Pumpfasern ineinen Kreisring. Es soll damit die Aufgabe des Vakuumgreifers erleichtern.Da die Fasern im RBM in Bohrungen gehalten werden, nicht in Halbkreisen wiebei der vorhergehenden Greiferversion (vgl. Kapitel 4.1), müssen sie einen gewissenAbstand zur zentralen Bohrung und untereinander wahren. Andernfalls ist dieStabilität des Bauteils gefährdet. Infolgedessen ist der Durchmesser des Kreisringsgrößer als der am Koppler benötigte, so dass der Vakuumgreifer eine Verkleinerungdieses Durchmessers erreichen muss.Die Verwendung des RBM stellt sich in der Praxis als deutliche Vereinfachung beider Handhabung der Fasern dar. Insbesondere das Einführen in den Vakuumgreiferwird erleichtert, und verbessert ebenfalls die kreisförmige Anordnung der Fasern.


(a) RBM zur Vorpositionierung der Fasern (b) RBM im Testaufbau mit Fasern

Abbildung 7.8: Test-RBM zur Vorpositionierung der Fasern

Durch die unterschiedlichen Durchmesser der Kreisringe im RBM und im Vaku-umgreifer, werden die Pumpfasern in eine Kegelform gebracht (Abbildung 7.8b).Der Abstand des RBM zum Vakuumgreifer ist maßgeblich für den Winkel diesesKegels verantwortlich und darf aus diesem Grund nicht zu klein sein. Andernfallswird der Winkel deutlich erhöht und den Fasern eine unnötige Biegung zugefügt.Ein zu großer Abstand verringert die Vorteile der Vorpositionierung wiederum.

7.5 Zusammenfassung

Positives• Führung und Halterung der Fasern in radialer Richtung bestätigt• Geringe, aber ausreichende Haltekraft für die Fasern in axialer Richtung• RBM zur Vorpositionierung sinnvoll

Negatives• Schrauben mit Kanülen als Faserführung nicht verwendbar• Schlauchanzahl und -führung erfordert Optimierung• Kippen der Fasern entlang der Zylinderinnenwand

8 Konstruktiver Entwicklungsprozess:Zweiter Testgreifer

Nachdem durch den ersten Testgreifer (Kapitel 7.1) gezeigt wurde, dass ein Haltenund Positionieren der Fasern mittels Vakuum grundsätzlich möglich ist, werden dieErkenntnisse in einem zweiten Testgreifer umgesetzt.

8.1 Konstruktion

8.1.1 Veränderungen zum ersten Testgreifer

Am zweiten Testgreifer werden vier grundlegende Veränderungen vorgenommen.Abbildung 8.1 zeigt zur Verdeutlichung das Modell.

1. Auf die Verstellmöglichkeit der Vakuumspaltbreite wird verzichtet. Statt des-sen wird eine einzelne Bohrung als Führungszylinder verwendet. Dies garan-tiert eine durchgehende Führung über die gesamte Länge des Greifers ohneAchsen aufeinander abstimmen zu müssen.

2. Ein Abstand zwischen Zylinderinnenseite und Öffnung der Vakuumkanäle(Abbildung 7.7) wird zugunsten einer erhöhten Haltekraft der Fasern weg-gelassen.

3. Um zu verhindern, dass die Fasern entlang der Zylinderinnenwand kippen,wird eine seitliche Führung pro Faser eingeführt. Der Kreisring der Fasernwird weiterhin durch die Zylinderinnenwand bestimmt, ein Verkippen derFasern ist dennoch ausgeschlossen.

4. Die Führung des Luftstroms wird so verändert, dass eine Verteilung undLeitung innerhalb des Greifers selbst geschieht und lediglich zwei Schläucheam oberen Ende des Greifers angeschlossen werden müssen. Auf diese Wei-se können diese gut vor der Laserstrahlung geschützt werden und schattenselbige nicht ab.

45

8 Konstruktiver Entwicklungsprozess: Zweiter Testgreifer 46

Abbildung 8.1: Modell des zweiten Testgreifers, Grün: zentrale Bohrung, Rot:Vakuumkanal

8.1.2 Erläuterungen

Zu 1 Durch Rücksprache mit der Fertigung im IOF wurden Einschränkungenbezüglich der Herstellungstechnologie der zentralen Bohrung aufgezeigt. Der ge-wünschte Durchmesser beträgt 670 µm. Die Länge dieser Bohrung, welche als Füh-rung für die Fasern dient, soll möglichst groß sein. Aus diesem Grund wird ein Boh-rer und kein Fräser verwendet. Fräser erreichen ein Durchmesser-Tiefen-Verhältnisvon 1:1, wohingegen Bohrer zwischen 5:1 und 10:1 liegen (abhängig vom Durch-messer). In diesem Fall wird aufgrund des geringen Durchmessers das Verhältnisauf 7,5:1 begrenzt, weshalb die maximal mögliche Länge der Bohrung 5 mm be-trägt. Dieser Wert fließt in die Konstruktion ein und begrenzt die Bauhöhe desGreifers. Eine Bearbeitung von zwei Seiten, zur Verdopplung der möglichen Boh-rungslänge, wird ausgeschlossen, da ein exaktes Fluchten der zwei Bohrungsachsennach Aussagen der Fertigung nicht zu erreichen ist. Ein erwartetes Abweichen derBohrungsachsen von ca. 50 µm wäre inakzeptabel, da dies die Führung der Faserndeutlich negativ beeinflussen würde.

Zu 2 Ein Abstand zwischen der Zylinderinnenseite und den Öffnungen der Va-kuumkanäle (Abbildung 7.7) wird aufgrund der Fertigung nicht implementiert. Eshätte ein größerer Durchmesser innerhalb der zentralen Bohrung hergestellt wer-den müssen. Dies ist ohne eine Teilungsebene im Greifer einzuführen nicht möglich.


Luft-strom

Bereich derÜberschneidung

Kraft

ZentraleBohrung

Pump-fasern

Abbildung 8.2: Schematischer Aufbau des zweiten Testgreifers

Der Durchmesser der Luftkanäle ist so gewählt, dass zwischen den angrenzendenKanälen eine Überschneidung von ca. 13 µm vorhanden ist.(Abbildung 8.2). Aufdiese Weise ist in allen Bereichen ein Luftstrom für die Anziehung der Fasernvorhanden.

(a) Rosette zur Führung der Fasern (b) Schnitt durch die eingebaute Rosettemit Pumpfasern

Abbildung 8.3: Rosette im zweiten Testgreifer

Zu 3 Um zu verhindern, dass die eingelegten Fasern verkippen (vgl. Kapitel 7.3),wird an beiden Enden der zentralen Bohrung eine sogenannte Rosette platziert(Abbildung 8.3a). Diese wird aus Macor gefertigt, um eine hohe Genauigkeit undGratfreiheit zu erreichen. Aus diesem Grund wird die Rosette nicht in das PMMA-Hauptteil integriert. Dies wäre aus Sicht der Fertigung nicht möglich gewesen, da


die Rosette einen kleineren Innendurchmesser besitzt als die dahinter liegendeBohrung.Die Rosette besitzt eine runde Außenform mit einer abgeflachten Seite, welcheden korrekt aufeinander abgestimmten Sitz der beiden Rosetten gewährleistet.Die Führungselemente für die Pumpfasern sind aus fertigungstechnischen Grün-den als Halbkreise ausgeführt. Effektiv im Eingriff sind lediglich die Seitenwändeder Halbkreise. Die Maße sind so gewählt, dass die Fasern ausschließlich an derInnenwand der Bohrung anliegen, nicht an der mittleren Fläche der Halbkreise.Die Seitenwände der Halbkreise begrenzen somit allein die Bewegungsmöglichkeitder Fasern entlang der Innenwand der Bohrung. Ein Schema zur Verdeutlichungzeigt Abbildung 8.3b.

(a) Schnitt durch eine Ebe-ne der Luftführung umdie Zentralbohrung

(b) Nut in der Außenflächezur Zusammenführungder Luftkanäle der bei-den Ebenen

(c) Bohrung zur Zusam-menführung der Luft-kanäle zweier angren-zender Außenflächen

Abbildung 8.4: Luftführung im zweiten Testgreifer

Zu 4 Vom ersten Testgreifer wird die Anordnung der Vakuumkanäle im Bereichdirekt an der zentralen Bohrung übernommen – in zwei Ebenen befinden sich jevier Bohrungen im rechten Winkel zueinander, welche mit der Zentralbohrungverbunden sind (Abbildung 8.4a). Um nicht, wie beim ersten Testgreifer, achtSchläuche aus der Laserzone herausführen zu müssen, wird eine Zusammenführungder Kanäle bereits im Greifer erreicht.Dazu werden die zwei pro Außenfläche austretenden Kanäle über eine Nut in derAußenfläche zu einem Kanal vereint (Abbildung 8.4b). Die Nut wird mit Klebe-streifen geschlossen, so dass ein geschlossener Kanal entsteht. Dieser trifft mit demgleichen Kanal der einen angrenzenden Außenfläche in einer Bohrung zusammen,welche von oben in den Greifer eingebracht wird (Abbildung 8.4c). An dieser Stellesind somit vier der acht Kanäle zu einem zusammengeführt. Das Gleiche geschieht


auf der anderen Hälfte des Greifers. So befinden sich nur noch zwei Schläuche ander oberen Seite des Greifers. Die Führung der Luft am Beispiel eines hervorgeho-benen Kanals verdeutlicht Abbildung 8.5.

Abbildung 8.5: Übersicht der Luftführung innerhalb des zweiten Testgreifers.Grün: zentrale Bohrung; Rot: Vakuumkanal



Die Montage und das Arbeiten mit dem Greifer sind nicht ohne optische Hilfsmitteldurchführbar. Die Rosetten entziehen sich durch ihre Größe einer Handhabungmit der Hand und bloßem Auge. Der Zusammenbau mit Hilfsmitteln (Pinzette,Stereomikroskop, Geduld) gestaltet sich aber praktikabel. Die Toleranzen wurdenzu knapp gewählt, da die Rosetten sehr fest im Greifer sitzen. Ein Entfernen derRosetten ist deswegen ohne eine Zerstörung derselbigen nicht möglich. Anlass zumEntfernen bestünde lediglich in der Erprobung des Greifers ohne die Rosettenoder eines Austausches derselbigen. Letzteres wäre nur nötig, wenn eine Rosettebeschädigt würde. Eine Anpassung an andere Faserdurchmesser müsste mit einerVeränderung des Durchmessers der zentralen Bohrung einhergehen und ist somitnicht ohne erneute Fertigung eines entsprechenden Greifers möglich.


(a) Zweiter Testgreifer, fertig aufgebaut mitStreichholz zum Größenvergleich

(b) Detail mit Schläuchen zur Luftführungund in die Zentralbohrung eingelegtenFasern

Abbildung 8.6: Ansichten des gefertigten zweiten Testgreifers

Handhabbarkeit

Abbildung 8.6a zeigt den fertig aufgebauten Greifer mit angebrachten Schläuchen.Hier ist eine deutliche Verbesserung zum ersten Greifer (Abbildung 7.5b) bzgl.der Schlauchführung erkennbar. Gefahr einer Abschattung des Lasers oder Be-schädigung der Schläuche besteht nicht mehr. Allerdings schränkt die Lage derSchläuche, direkt neben der Öffnung für die Fasern, den Platz in Bezug auf dasEinlegen der Fasern in den Greifer ein (Abbildung 8.6b). Eine zum Einfädeln ver-wendete Pinzette hat somit an der oberen Öffnung kein Freiraum zur Handhabungder Fasern. Statt dessen müssen die Fasern während des Einführens mit einemAbstand gegriffen werden. Dies erschwert den Vorgang, verhindert aber nicht dieDurchführbarkeit. Im Zuge der Weiterentwicklung sollte eine deutliche Vereinfa-chung der Handhabbarkeit erreicht werden, so dass die Fasern über Hilfsmittel inden Vakuumgreifer eingeführt werden. Damit wäre diese Behinderung im finalenGreifer nicht mehr relevant.

Halterung des Vakuumgreifers

Die Halterung des Vakuumgreifers ist identisch zum ersten Testgreifer ausgeführt(vgl. Kapitel 7.2). Der zweite Testgreifer ist allerdings aufgrund der Längenbegren-zung der zentralen Bohrung (vgl. Kapitel 8.1.2) von 15 mm auf 7 mm in der Höheverkürzt. Der Abstand der beiden Extrusionen am vorhandenen Backengreifer be-trägt aber 10,5 mm, weshalb es nicht möglich ist beide Extrusionen zur Fixierungdes zweiten Vakuumgreifers zu verwenden. Durch Untersuchungen mit dem erstenTestgreifer bestätigt, wird auf eine zweite Ausfräsung im Greifer verzichtet. Eine


Verkippung des Vakuumgreifers im Backengreifer wird durch die Klemmung zwi-schen den Backen verhindert. Die Funktionfähigkeit bestätigt sich mit dem fertigenTestgreifer.


Verhalten der Fasern

Ein erstes Einführen von Pumpfasern in den Greifer zeigt, dass die komplexe Füh-rung des Luftstroms funktioniert. Fasern werden ausreichend gehalten. Die Ver-teilung der Rosetten auf zwei Ebenen mit signifikantem Abstand hat zur Folge,dass eingeführte Fasern in beiden Ebenen die gleiche Führungsnut nutzen müssen.Andernfalls ergibt sich eine Schieflage der Fasern. Korrektes manuelles Einlegen isteine sehr schwierige Aufgabe, welche im finalen Greifer durch Hilfsmittel erleichtertwerden sollte. Optional wäre es möglich, eine der beiden Rosetten zu entfernen.Hierdurch würde das korrekte Einlegen erleichtert, eine Verkippsicherung für dieFasern innerhalb des Greifers bestünde dann aber nicht mehr. Ein RBM wie esin Kapitel 7.4 eingeführt wurde, könnte die Funktion der zweiten Rosettenebeneübernehmen.

(a) Winkel der Fasern zueinander durchVerringerung des Kreisdurchmessers

(b) Im RBM hängende Fasern mit sichtba-rer Eigenbiegung

Abbildung 8.7: Anwendbarkeit des zweiten Testgreifers

Es würde als Vorpositionierung der Pumpfasern dienen, wodurch nicht nur dasEinlegen erleichtert werden würde, sondern auch die Halterung der Fasern. Dennum eine korrekte Anordnung zu erreichen, ist es nötig die Laserfaser als erstein den Vakuumgreifer einzuführen. Möchte man anschließend die Pumpfasern miteiner Pinzette zuführen, ist der Freiraum noch begrenzter, als bereits durch die Va-kuumschläuche verursacht. Schiebt man daher die im RBM eingelegten Fasern an


den Vakuumgreifer heran, muss nur noch eine Verringerung des Kreisdurchmesserserzielt werden. Die Halterung der Fasern übernimmt das RBM .Alternativ könnte die Laserfaser nach den Pumpfasern eingeführt werden. Dabeiwäre mehr Platz zum Einlegen der Pumpfasern vorhanden. Allerdings dient dieLaserfaser, im Zusammenspiel mit der zentralen Bohrung, als Führungselement fürdie Pumpfasern. Fehlt diese, ist eine korrekte Anordnung der Fasern nur schwerlichzu erreichen. Denn durch die Verringerung des Kreisringdurchmessers vom RBMzum Vakuumgreifer werden die Fasern in eine Kegelform gebracht (vgl. Kapitel7.4). Der entstehende Winkel (Abbildung 8.7a) muss innerhalb des Vakuumgreifersausgeglichen werden, damit die Fasern wieder in eine parallele Anordnung gebrachtwerden. Die Laserfaser dient hierfür als Führungsfläche. Fehlt die Faser, ist einnachträgliches Einführen dieser sehr schwierig, da die Pumpfasern nicht über diegesamte Länge an der Innenseite der zentralen Bohrung anliegen. Das Vakuumvermag zwar die Fasern an der Innenseite zu halten, nicht aber diese dorthinanzuziehen.

Biegung der Fasern

Bei der weiteren Erprobung fiel eine Eigenbiegung der Pumpfasern auf (Abbildung8.7b). Deshalb wurden die Fasern einige Tage ohne formende Krafteinwirkunggelagert, jedoch verringerte sich die Biegung nicht, lediglich das Entfernen desCoatings half.Diese Biegung innerhalb der Fasern ist für die genaue Positionierung der Pumpfa-sern auf die Stirnfläche der Kapillare sehr nachteilig. Da der Spleißvorgang unterhoher Temperatur stattfindet und der Laser nicht abgeschattet werden darf, ist einAbstand zwischen Greifer und Spleißstelle von 10 mm vorgesehen. Auch wenn dieFasern innerhalb des Greifers ideal geführt werden, kann in diesem Zwischenraumkein Einfluss auf die Fasern genommen werden. Dies verschlechtert die erzielbarenToleranzen.Der Lieferant der Faser J-fiber GmbH bestätigte eine Biegung, welche bei derHerstellung entsteht. Der Grenzwert des Biegeradius für Telekommunikationsfa-sern liegt laut j-fiber bei 4 m. Alle von j-fiber hergestellten Fasern unterliegen die-sem maximalen Biegeradius. Auf Wunsch kann ein deutlich geringerer Biegeradiusdurch Veränderung der Herstellungsparameter erreicht werden. Eine nachträglicheVerringerung ist nach Aussagen von j-fiber nicht möglich. Lediglich die Entfernungdes Coatings und gerade Lagerung für wenige Stunden hilft, die durch die Anlie-ferung auf einer Rolle hervorgerufene Biegung zu entfernen. Bei der Herstellungkann eine Biegung ”eingebrannt“ werden [28]. Ist dies geschehen, kann sie nichtmehr verändert werden.


Nimmt man den maximal auftretenden Biegeradius von 4 m an, ergibt sich dar-aus bei einem Abstand zwischen Greifer und Spleißstelle von 10 mm eine lateraleAbweichung von 12,5 µm. Laut Anforderungsliste (Kapitel 2.1) ist maximal eineAbweichung von ±15 µm zulässig.Als Lösungsansätze stehen nur wenige Optionen zur Wahl. Die beste Lösung wäredie Verwendung einer Faser mit ausreichend geringem Biegeradius. Ist der nötigeWert fertigungstechnisch nicht erreichbar, oder muss eine vorhandene Faser mitBiegung verwendet werden, könnte eine gezielte rotatorische Ausrichtung der Fa-sern Abhilfe schaffen. Würden alle Fasern mit dem Biegeradius nach innen, zurLaserfaser hin, gedreht werden, müssen sie an dieser anliegen. Die Fähigkeit einegezielte rotatorische Beeinflussung jeder einzelnen Pumpfaser in den Greifer zu in-tegrieren, stellt sich in den vorgegebenen Platzverhältnissen als äußerst schwierigrealisierbar dar.Durch eine Anpassung des Austrittswinkels der Fasern aus dem Greifer könnteeine Biegung der Fasern ebenfalls kompensiert werden. Die Stärke der Biegungkann aber zwischen den Produktionschargen variieren, weshalb eine Variabilitätdes Austrittswinkels nötig wäre. Diese Funktionalität zu implementieren erscheintwenig aussichtsreich. Aus diesen Gründen ist eine Faser mit geringem Biegeradiuszu verwenden.

(a) Rosette nach häufiger Benutzung (b) Fasern in der Rosette eingelegt

Abbildung 8.8: Details der Rosetten

Verschleiß

Nachdem über einen längeren Zeitraum mit dem zweiten Testgreifer Erprobungendurchgeführt wurden, verschlechterte sich der Zustand der seitlichen Führungenin den Rosetten merklich. Abbildung 8.8a zeigt den Verschleiß an den Rosetten.Durch die Fertigung mittels Fräsen kann ein maximales Verhältnis von Tiefe zu


Durchmesser der Halbkreise von 1:1 erreicht werden. Daher ist die Führungsstruk-tur lediglich 125 µm dick, was sie sehr empfindlich macht. Die Austauschbarkeitder Rosetten ist daher wichtig, um eine dauerhafte Funktionsfähigkeit zu gewähr-leisten.

Selbstordnung

Eine wünschenswerte Selbstordnung der Fasern beim Einlegen, verursacht durchdas Vakuum, findet nicht statt. Die Fasern müssen sehr gezielt in die vorgesehenenFührungselemente eingebracht werden. Eine Vorpositionierung ist daher nötig.

8.3 Optimierung der Anwendbarkeit

8.3.1 Das radiale Bohrlochmuster

Da eine Vorpositionierung bereits im Zusammenspiel mit dem ersten Testgreiferverbesserte Ergebnisse erzielte, wird dieses Verfahren auch beim zweiten Testgreiferangewendet. Das anfangs verwendete RBM (Abbildung 7.8a) stammt aus einemanderen Projekt des IOF, weshalb die Maße (Bohrungsanzahl, Durchmesser) nichtmit den für diesen Greifer benötigten übereinstimmen. Es werden zehn Fasernverwendet, das RBM stellt aber 14 Bohrungen bereit. Dies führt zu einem falschenWinkel zwischen den Fasern und verschlechtert die Testbedingungen.

(a) Zahnrad mit Schrumpfschlauch zur Vor-positionierung der Fasern

(b) Separierte Zahnräder mit eingelegtenPumpfasern

Abbildung 8.9: Verbesserte Version der Vorpositionierung

Um eine realistischere Einschätzung des Greifers zu erreichen, wird eine günstigeund einfache Erprobung mittels zweier Zahnräder durchgeführt (Abbildung 8.9a).Diese besitzen zehn Zähne und einen geringeren Durchmesser (Ø1,8 mm).


Sie werden mit Schrumpfschlauch ummantelt, so dass die Zahnzwischenräume alsFührungselemente für die Fasern dienen können. Um eine erhöhte Parallelität derFasern zu erreichen, werden zwei Zahnräder direkt übereinander platziert. In diezentrale Bohrung der Zahnräder wird die Laserfaser eingeführt, um beide Zahnrä-der zueinander auszurichten (bei Tests wurde stets eine Faser aus reinem Kieselglasmit den gleichen Abmessungen der aktiven Laserfaser verwendet, da lediglich diemechanischen Eigenschaften getestet werden sollten und die aktive Faser sehr teu-er und empfindlich ist). Wenn in alle Zahnzwischenräume Pumpfasern eingeführtsind, werden beide Zahnräder auseinandergezogen, wie dies in Abbildung 8.9b zuerkennen ist. Die Fasern liegen parallel in Form eines Kreisrings. Das Spiel derFasern in den Zahnrädern ist groß, eine exaktere Führung kann mit Kaufteilenjedoch nicht erreicht werden. Als Testaufbau ist die Genauigkeiten ausreichend.

8.3.2 Die Blende

Ein großer Kritikpunkt der vorhergehenden Entwicklung eines Greifers war das zuschwierige Handling der Fasern (vgl. Kapitel 4.1). Um dem Anwender das Einfüh-ren der Fasern in den Vakuumgreifer zu erleichtern, wurde beim zweiten Testgreifereine Blende erprobt. Die Vorpositionierung durch das RBM ergibt aus erwähntenGründen einen größeren Ringdurchmesser der Fasern, als er am Vakuumgreiferbenötigt wird. Um die Fasern nicht manuell in den Vakuumgreifer einfädeln zumüssen, soll diese Blende den Durchmesser des vom RBM kommenden Faserbün-dels so verkleinern, dass es in den Vakuumgreifer nahezu halbautomatisch eingefä-delt wird. Bei der Blende handelt es sich um eine handelsübliche Lamellenblende,ursprünglich als Apertur- bzw. Feldblende in optischen Aufbauten gedacht.

(a) Blende der Firma Edmund Optics (b) Kleinste mögliche Öffnung der Blende

Abbildung 8.10: Blende zur Verringerung des Bündeldurchmessers


Die Funktionsweise einer Blende resultiert in der Drehung des Vielecks (das zentra-le Loch der Blende, siehe Abbildung 8.10b), während die Blende geschlossen wird.Durch den Schließvorgang wird jedoch keine Torsion des Bündels verursacht. DieKontaktfläche zwischen Blendenlamellen und Fasern ist sehr klein, ebenso wie dieNormalkraft. Daher werden die Fasern beim Schließen der Blende, außer in radialerRichtung, nicht beeinflusst.Der minimal mögliche Durchmesser, den die Blende erreichen muss, beträgt 628 µm(Laserfaserdurchmesser + 2 x Pumpfaserdurchmesser). Die Firma Edmund OpticsInc. bietet eine Blende mit einer kleinsten Öffnung von Ø500 µm an. Ihr äußeresAbmaß ist mit einem Durchmesser von 10 mm sehr gut für die geringen Platz-verhältnisse geeignet. Ein bestelltes Testexemplar unterschreitet die angegebeneminimale Blendenöffnung sogar um 100 µm (Abbildung 8.10b). Die Lage der Blen-denöffnung in Bezug auf die Außenkontur des Blendengehäuses ist sehr gut, was fürdie Ausrichtung der Blende auf eine Achse mit dem RBM und dem Vakuumgreifervon großer Bedeutung ist. Um dies zu testen, wird die Blende an einen rechtwink-ligen Anschlag angelegt, mit dem Mikroskop die kleinste mögliche Blendenöffnungformatfüllend abgebildet und die Blende in mehreren Schritten um insgesamt 360°gedreht. Es ließ sich keine Veränderung der Position der Blendenöffnung im Mi-kroskop erkennen.Die ca. 50 µm dünnen Lamellen lassen eine geringe Stabilität vermuten, wenn aufdie (nahezu) geschlossene Blende Kraft in axialer Richtung ausgeübt wird. Da dieFasern entlang der Blendenöffnung geschoben werden sollen, wird eine Belastungdieser Art auftreten. Eine Beschädigung der Blende ist aber nicht zu befürchten.Zum einen sind die axialen Kräfte, die auf die Blende wirken sehr gering, zumanderen ist der Verbund aus zehn Lamellen ausreichend stabil.


8.4 Zusammenfassung

Abbildung 8.11: Nahezu kreisförmige Anordnung von Pumpfasern

Positives• Durchgehende zentrale Bohrung funktional• Schlauchführung deutlich verbessert• Vorpositionierung mit angepasstem RBM in zwei Ebenen• Blende als Einfädelhilfe für den Vakuumgreifer• Seitliche Führung durch Rosette verhindert verkippen

Negatives• Laserfaser muss im Vakuumgreifer eingelegt sein, andernfalls keine korrekte

Positionierung der Pumpfasern• Rosette erschwert korrektes Einführen der Pumpfasern• Fasern schlecht fixiert an bestimmten Positionen im Vakuumgreifer

9 Konstruktiver Entwicklungsprozess:Finaler Greifer

Mit den ersten beiden Testgreifern wurden umfangreiche Untersuchungen durchge-führt. Die dabei aufgetretenen Probleme fließen nun in Form neuer Ideen in einenfinalen Greifer ein. Dieser ist in Abbildung 9.1 mit allen Komponenten dargestellt.

Abbildung 9.1: Finaler Greifer mit allen Komponenten

Bisher lag der Fokus der Entwicklung auf dem Vakuumgreifer und seiner Op-timierung. Nun muss die komplette Faserführung oberhalb des Vakuumgreiferskonstruiert werden. Die Komponenten und ihre grundsätzliche Lage stehen zwarfest, doch ist die Integration aller Funktionen auf den verfügbaren Platz mit denEinschränkungen des Laserrings eine große Herausforderung.

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9 Konstruktiver Entwicklungsprozess: Finaler Greifer 59

9.1 Konstruktion

9.1.1 Prinzip

Für den finalen Greifer werden die gut funktionierenden Komponenten der Test-greifer übernommen und zu einer Baugruppe vereint. Dazu gehört das RBM zurVorpositionierung der Pumpfasern, die Blende zur Verringerung des Faserbündel-durchmessers und der Vakuumgreifer zur genauen Positionierung der Pumpfasernauf die Kapillare.

Luftstrom

Blende

ZugentlastungRBM

Pumpfasern

Vakuumgreifer

Laserfasermit Kapillare

Abbildung 9.2: Prinzip des Greifers, nicht maßstabsgetreu

Eine Zugentlastung für die Pumpfasern war bereits angedacht, wurde jedoch bishernicht umgesetzt.

9.1.2 Komponenten

Der gesamte Greifer besteht aus zehn Komponenten. Ihre Konstruktion und Auf-gaben werden im Folgenden erläutert.

Halterung Es wird relativ viel Zeit benötigt, um den Greifer vorzubereiten. Ermuss justiert werden und die Fasern müssen präpariert und eingeführt werden.Einige dieser Schritte erfordern die Verwendung eines Mikroskops und ausreichendPlatz, um die Durchführung zu erleichtern. Aus diesen Gründen wird der Greifer


für diese Vorbereitungen aus der Spleißanlage herausgenommen. Damit steht dieSpleißanlage in dieser Zeit für andere Benutzer bereit und wird nicht unnötigblockiert.Als Befestigungsmöglichkeit zur Durchführung dieser Aufgaben ist die Halterunggedacht (Abbildung 9.1). Sie kann an eine Tischkante platziert werden, so dassdie sehr lange Laserfaser in einem kleinen Biegeradius vom Greifer weggeführtwird. Als Aufnahme für den Greifer wird die Form der Schiene kopiert, die sich imSpleißaufbau befindet und in die der Greifer eingehängt wird.

Klemmung des Greifers Um den Greifer fest mit der Halterung zu verbinden undein versehentliches Herunterfallen zu verhindern, existiert eine Klemmung des Grei-fers auf der Schiene. Dieses Bauteil war bereits am Spleißaufbau vorhanden, einzweites Exemplar wird in die Halterung integriert.

Schlitten Als Schnittstelle zur Spleißanlage existieren bereits Schlitten, welche andie Schiene der Spleißanlage angepasst sind. Sie werden als Basis für 1-Faser-Greifer verwendet. Ein solcher Schlitten bildet auch die Basis dieses Greifers. Erbesitzt einen integrierten Klemmmechanismus, der ursprünglich für die Fixierungeiner Faser gedacht ist. Ein horizontal verschiebbarer Quader wird über eine Federnach rechts gezogen (bezogen auf Abbildung 9.1). Von links zieht eine Schraubeam Quader und klemmt bei der ursprünglichen Verwendung die Faser über eineangebrachte Backe. Diese Fähigkeit wird für die Zugentlastung verwendet.

(a) Übersicht der Zugentlastung (b) Detail mit geklemmten Fasern

Abbildung 9.3: Zugentlastung des finalen Greifers

Zugentlastung Damit die ca. 50 cm langen Pumpfasern nicht ungewollte Kräfte aufden Greifer ausüben, wird eine Zugentlastung eingeführt. Sie wird an die vorhan-dene Klemmvorrichtung des Schlittens angeschraubt. Dadurch drückt die in dem


Schlitten integrierte Feder einen O-Ring auf einen Kubus und klemmt damit dieFasern (Abbildung 9.3b).Abbildung 9.3a zeigt den Verlauf der Pumpfasern an der Zugentlastung. Die er-kennbare Biegung der Fasern sorgt dafür, dass sie im Greifer weiterhin in vertikalerRichtung verschoben werden können, ohne die Zugentlastung zu öffnen – die Fa-sern biegen sich einfach etwas stärker, wenn sie nach oben geschoben werden. Diestritt auf, wenn die Pumpfasern unten am Vakuumgreifer auf die Kapillare aufge-stoßen werden, um sie auf eine Höhe auszurichten. Würde sich die Zugentlastungin der selben Achse wie die Bohrung des Vakuumgreifers befinden, müsste die Zug-entlastung für das Aufstoßen geöffnet werden, da die Fasern andernfalls gestauchtwerden würden.

(a) Nut im Spiegel der Spleißanlage (b) Führungskanüle zum Schutz der Fasernim Spiegel

Abbildung 9.4: Führung der Pumpfasern durch den Spiegel

Faserführung durch Spiegel In Abbildung 9.4a ist der Spiegel der Spleißanlage zusehen, an den der Greifer angepasst ist. Er dient dazu, den Laserring nach untenzu reflektieren (vgl. Abbildung 3.8). Da sich die Greifer der Spleißanlage konstruk-tionsbedingt unterhalb des Spiegels befinden müssen, wurde eine 2 mm breite Nutin den Spiegel eingebracht. Der 10-Faser-Greifer darf daher in diesem Bereich nichtbreiter als 1,8 mm sein. Während des Einlegens wird der Greifer in dieser Nut ver-schoben. Da die Pumpfasern durch den Spiegel hindurch nach oben geleitet werdenmüssen, ist dafür zu sorgen, dass sie nicht mit dem Spiegel in Berührung kommenund beschädigt werden. Für diese Aufgabe wird eine Führungskanüle in diesem Be-reich angebracht (Abbildung 9.4b). Durch sie werden die Fasern im Spiegel geführtund somit geschützt.


RBM Bei den bisherigen Tests wurden bereits zwei Versionen des Radialen Bohr-musters (RBM) erprobt. Die besten Ergebnisse erzielten zwei RBM zur parallelenAnordnung der Fasern (Abbildung 8.9b). Daher werden auch hier zwei getrennteRBM verwendet.

(a) Mikroskopaufnahme eines RBM mitMesswerten

(b) CAD-Modell der zwei Ebenen des RBM

Abbildung 9.5: RBM

Die Bohrungsdurchmesser sind an die Faserdurchmesser angepasst, so dass einebestmögliche Führung erreicht wird (Abbildung 9.5a). Es wird wiederum Macorals Material verwendet, da es sich um sehr kleine Strukturen handelt. Der Ab-stand zwischen den Bohrungen ist so gering gewählt, wie die Fertigung dies zuließ.Dadurch wird der Unterschied des Ringdurchmessers zum Durchmesser des Vaku-umgreifers gering gehalten.Das RBM wird in eine Fassung aus Aluminium eingelegt, um sie mit dem Greifer zuverbinden (Abbildung 9.5b). Hierdurch wird das spröde Macor vor Beschädigunggeschützt und kann bei Verunreinigung oder Abnutzung getauscht werden.Damit die Pumpfasern durch beide RBM gleichzeitig gefädelt werden können, sindsie Fassungen verschiebbar ausgelegt. Fixiert werden sie mit einer Madenschraube,deren Spitze auf die rechte Flanke der V-Nut drückt und sie dadurch klemmt(siehe Pfeil in Abbildung 9.5b). Die korrekte Position der Fassung wird über einenAnschlag sichergestellt, an den sie durch die Madenschraube gezogen wird.Die beiden Fassungen sind bis auf die Gewindebohrung für die Madenschraubeidentisch. Sind beide aufeinander geschoben, liegen die Löcher des RBM direktübereinander, so dass die Fasern durch beide gleichzeitig durchgefädelt werden.Ist dies geschehen, können sie wieder auseinander geschoben werden und erfüllendann ihre Funktionalität als Vorpositionierung.


Blende Um den Ring aus Pumpfasern, der aus dem RBM geführt wird, in denVakuumgreifer einfädeln zu können, muss sein Durchmesser verringert werden.Dafür wird eine Blende verbaut, die beim Schließen den Durchmesser des Ringsverkleinert (Abbildung 9.2).Verwendet wird die in Kapitel 8.3.2 bereits erwähnte Blende der Firma EdmundOptics (Abbildung 8.10a). Es ist die kleinste verfügbare Blende dieser Art, wasden Einsatz im Greifer erst möglich macht. Um sie mit dem Rest des Greifersverbinden zu können, wird eine Fassung verwendet (Abbildung 9.6). Diese wirdebenso durch eine Madenschraube und eine V-Nut fixiert. Die Blende wird vonunten in die Fassung eingeschoben und über eine Madenschraube auf der Rückseiteder Fassung geklemmt. Der Hebel zur Verstellung der Blende ist abnehmbar.

(a) CAD-Modell der Blendenfassung miteingebauter Blende

(b) Foto der Blendenfassung, der Blendeund eingelegten Fasern

Abbildung 9.6: Die Blende und ihre Fassung

Neben der Aufgabe die Blende zu halten, wird die Fassung als Verbindungsstückzwischen den beiden Backen, welche den Vakuumgreifer halten, verwendet. DieseFunktionsintegration spart erheblich Platz.

Vakuumgreifer Am grundsätzlichen Aufbau des Vakuumgreifers wird im Vergleichzum zweiten Testgreifer nichts verändert. Er wird durch zwei Backen gehalten (Ab-bildung 9.7a). Die linke von beiden steht fest, die rechte kann geöffnet werden. UmPlatz zu sparen wird wiederum das Prinzip einer V-Nut mit einer Madenschraubeverwendet. Ein Zylinderstift dient als Drehachse, die Madenschraube drückt dieBacke nach links.Die Führung des Luftstroms erfolgt identisch und auch die Rosetten bleiben grund-sätzlich unverändert. Es muss allerdings eine Teilungsebene eingefügt werden.Ist der Spleiß erfolgreich abgeschlossen, soll der fertige Koppler aus dem Greiferentnommen werden. Da die Fasern jetzt mit der Kapillare verbunden sind, können


(a) Vakuumgreifer und Haltemechanismus (b) Nut zur Vereinheitlichung des Luft-stroms

Abbildung 9.7: Details zum Vakuumgreifer

sie nicht mehr auf dem Weg, durch den sie eingefädelt wurden, nach oben hinaus-gezogen werden. Darum müssen die kompletten Fasern durch den Vakuumgreifergezogen werden. Er ist für Pumpfasern ohne Coating ausgelegt, oberhalb sind sieaber noch mit einem Coating versehen, welches auch nicht entfernt werden soll.Folglich passen die Fasern mit dem Coating nicht durch den Vakuumgreifer. Ausdiesem Grund wird er in zwei Teile geteilt, die nach dem Spleiß auseinander ge-nommen werden können. Diese simpel klingende Aufgabe verursacht eine Reihevon aufwändigen Veränderungen.

(a) Teilungsebene des Vakuumgreifers (b) Hälfte einer Rosette im Vakuumgreifer

Abbildung 9.8: Details des finalen Vakuumgreifers

Als Teilungsebene wird eine Diagonale durch den quadratischen Grundkörper ge-legt (Abbildung 9.8a). Auf diese Weise können die Vakuumkanäle unverändertbleiben, da jeweils zwei Kanäle zusammengeschlossen werden und die Teilungs-ebene zwischen den beiden ”Kanalpaaren“ hindurchgeht.


Doch sind sowohl die Rosetten, als auch der Vakuumgreifer bereits vor der Tei-lung sehr kleine und aufwändig zu fertigende Bauteile. Die Teilung erhöht dieAnforderungen noch einmal. Zur Sicherung der Rosetten wird die äußere Formso angepasst, dass ein herausfallen oder verdrehen ausgeschlossen werden kann(Abbildung 9.8b). Die beiden Greiferhälften müssen korrekt aneinander liegen, daandernfalls die zentrale Bohrung keine Kreisform beschreibt. Um dies sicherzustel-len werden mehrere Maßnahmen ergriffen.Der Vakuumgreifer wird bezüglich der Backen die ihn halten, um 45° gedreht.Gleichzeitig werden die beiden klemmenden Backen mit V-Nuten versehen, so dassein zusammendrücken der Backen auch ein zusammendrücken der beiden Grei-ferhälften bewirkt (Abbildung 9.9a). Dadurch ist sichergestellt, dass die Hälftenaneinander liegen und kein Zwischenraum vorhanden ist. Zusätzlich hat es eine au-tomatische Zentrierung des Vakuumgreifers zur Folge. Damit dieser Mechanismussicher funktioniert werden die ”Spitzen“ der beiden Hälften abgeflacht.

(a) Selbstjustage des Vakuumgreifers beiZusammendrücken der Backen (hori-zontaler Schnitt)

(b) Bohrungen für Stifte zur korrekten Aus-richtung der beiden Greiferhälften

Abbildung 9.9: Maßnahmen zur Ausrichtung der beiden Greiferhälften

Um eine Verschiebung des Greifers nach unten zu verhindern, werden an eine derGreiferhälften zwei ”Nasen“ zur Sicherung angebracht (Abbildung 9.9b). Sicherun-gen an beiden Hälften hätten zu Überbestimmung geführt.Damit die Greiferhälften in vertikaler Richtung korrekt zueinander ausgerichtetsind, werden sie mit zwei Stiften verbunden (Abbildung 9.9b). Zur Verhinderungvon Überbestimmung ist eine der Bohrungen oval ausgeführt.Ein Problem im zweiten Testgreifer war der mangelnde Abstand zwischen Zylinde-rinnenwand und Ausgang der Vakuumkanäle (Abbildung 7.7). Da eine Teilungs-ebene in den Greifer eingeführt wird, kann ein solcher Abstand gefertigt werden.Abbildung 9.7b zeigt den eingefügten Abstand zur Optimierung des Luftstroms.


Laserfaserhalter Bei den Untersuchungen des zweiten Testgreifers stellte sich her-aus, das die Laserfaser ein unverzichtbares Element zur korrekten Anordnung derPumpfasern darstellt. Aus diesem Grund muss sie auch vorhanden sein, wenn sichder Greifer in der Halterung außerhalb des Spleißaufbaus befindet und die Pump-fasern eingefädelt werden. Eine Möglichkeit zur Halterung und Positionierung derLaserfaser im Vakuumgreifer ist also nötig. Damit die Justage auch beim Wech-sel zur Spleißanlage erhalten bleibt, muss die Halterung mit dem Greifer selbstverbunden sein. Nachdem alles in die Spleißanlage eingelegt ist, kann der dortvorhandene Greifer die Halterung der Laserfaser übernehmen.Abbildung 9.10a zeigt die umgesetzte Lösung. Zwei einfach aufgebaute Justier-möglichkeiten realisieren eine parallele Verschiebung. Sie sind um 90° zueinandergedreht angeordnet, wodurch eine Verstellung in zwei Richtungen (Pfeile im Bild)ermöglicht wird. Zwei Federbleche zur Parallelverschiebung und eine M1 Schraubezur Verstellung bilden die Funktionsgrundlage für die Justierung. Durch die geringeSteigung der Schraube von 0,25 mm kann eine verhältnismäßig genaue Einstellungerreicht werden. Eine Mikrometerschraube wäre angebracht, doch sind alle amMarkt deutlich zu groß, weshalb auf diese Variante ausgewichen wird.Die Laserfaser wird durch einen Magneten in eine V-Nut gedrückt und so an derHalterung befestigt. Die Halterung selbst wird auf den Greifer geschoben u nddurch eine Madenschraube festgeklemmt.

(a) Laserfaserhalterung zur Ausrichtungder Laserfaser im Vakuumgreifer

(b) Orange hervorgehoben: Verbindungs-element des Greifers

Abbildung 9.10: Komponenten des finalen Greifers

Verbindungselement Um alle bisher aufgeführten Komponenten zu einem gesamtenGreifer zu verbinden dient das Verbindungselement (Abbildung 9.10b). Es bildetdas ”Rückgrat“ des Greifers, an dem die Komponenten befestigt werden. Als Ma-terial wird Edelstahl gewählt, da es lediglich 1,8 mm stark ist, aber entscheidend


für das Fluchten der Achsen aller angebrachten Komponenten. Die Fertigung istaufgrund der geringen Stärke und der großen Länge (100 mm) sehr aufwändig. DasMaterial muss vor der spanenden Bearbeitung geglüht werden, damit es sich späternicht durch innere Spannungen verzieht.Die Anzahl der Vakuumschläuche konnte beim zweiten Testgreifer auf zwei ge-senkt werden. Bei der Integration des finalen Greifers in das CAD-Modell derSpleißanlage zeigt sich der sehr eingeschränkte Platz. Bei den Testgreifern gab eskeine weiteren Komponenten neben dem Vakuumgreifer, so dass genug Platz fürdie beiden Schläuche vorhanden war. Der finale Greifer vereint all diese Kompo-nenten, weshalb eine andere Lösung für die Leitung des Vakuum gefunden werdenmuss.

Abbildung 9.11: Nut im Verbindungselement zur Leitung des Luftstroms

Zur Leitung des Vakuums wird eine Nut in das Verbindungselement eingefügt.In Abbildung 9.11 ist diese orange hervorgehoben. Sie wird mit Kaptonband ver-schlossen. Dies ist trotz des an dieser Seite des Greifers auftreffenden Lasers mög-lich, denn zum einen hält Kapton Temperaturen bis 230 °C stand, zum anderenbesitzt der Laserstrahl in diesem Bereich einen großen Durchmesser und erhitztdas Kapton folglich nur gering.An beiden Enden der Nut ist je eine Bohrung eingebracht, durch die eine Kanülegesteckt wird. Die Kanüle wird durch einen Schlauch mit der Venturi-Düse bzw.dem Vakuumgreifer verbunden. Damit im Inneren der Nut die Luft aus bzw. in dieKanüle strömen kann, wird sie in diesem Bereich halbseitig abgeschliffen. Dadurchkann sie am unteren Loch als Verteiler dienen, da auf beiden Seiten des Verbin-


dungsstückes Schläuche angeschlossen werden können. Die obere Kanüle wird aufeiner Seite mit Klebstoff verschlossen.

Abbildung 9.12: An den Laserstrahlengang angepasster Greifer

Abbildung 9.12 illustriert die geringen Platzverhältnisse die einerseits der Spiegel,andererseits der Laserstrahlengang verursacht. So dürfen die RBM nicht an denSpiegel anstoßen, müssen aber möglichst weit auseinander sein, um eine optimaleFührung zu gewährleisten. Zudem müssen sie sich in dem von links kommendenLaserring befinden, damit sie diesen nicht abschatten, bevor er auf den Spiegel trifftund nach unten reflektiert wird. Das Gleiche gilt für die Blende, nur dass sich dieseaußerhalb des Laserrings befindet. Aus diesem Grund sind auch die Backen für denVakuumgreifer abgeschrägt. Die linke Backe ist ein Teil des Verbindungselements.



Nach einer umfangreichen Erprobung des finalen Greifers werden die Erkenntnissezur Funktionalität der einzelnen Komponenten im Folgenden ausgeführt.

Halterung und Klemmung des Greifers Die Halterung funktioniert wie erwartet undbietet eine gute Handhabbarkeit des gesamten Greifers. Er muss nicht extra vor-sichtig behandelt werden, da man ohne Gefahr die Halterung greifen kann und


nicht den Greifer selbst. Auch kann er so ohne weitere Hilfsmittel unter das Mi-kroskop gestellt werden.Die Klemmung ist hilfreich, da die Halterung dadurch transportiert werden kann,ohne auf einen eventuell herunter fallenden Greifer achten zu müssen.Zur Verbesserung der Sichtbarkeit der Fasern im Greifer wird die Frontseite derHalterung mit schwarzem Papier beklebt. Die reflektierende Metalloberfläche mitschrägen Spuren der Herstellung irritiert beim Einlegen der Fasern.

Zugentlastung Die Zugentlastung klemmt die Pumpfasern zuverlässig und aus-reichend stark, ohne die Fasern dabei zu beschädigen. Lediglich wenn eine Faserversehentlich auf einer der seitlichen Führungen des Würfels liegt (Abbildung 9.3b)und die Zugentlastung geschlossen wird, kann die Faser stark gebogen werden. Istdas Coating in diesem Bereich noch vorhanden, entsteht dabei kein Schaden.Durch die Biegung der Fasern können diese wie gewünscht in der Höhe verscho-ben werden ohne die Zugentlastung öffnen zu müssen. Allerdings verschiebt dasSchließen der Zugentlastung die Fasern durch den spitzen Winkel zwischen demO-Ring und dem Gegenstück. Zusätzlich werden die Fasern in der Mitte des Gegen-stückes weiter verschoben als außen, da dort der O-Ring später Kontakt erhält.Durch ein rechtwinkliges Aufdrücken eines ebenen Gummis auf das Gegenstückkönnte dieses Problem gelöst werden.

Faserführung durch Spiegel Bei der Messung der Pumpfasern zur Dimensionierungder Faserführung ist ein Fehler gemacht worden: da das Coating verhältnismäßigweich ist, wurde es durch die verwendete Bügelmessschraube zusammen gepresstund verfälschte so die Messung. Die nach der Fertigung durchgeführte optischeMessung ergab einen Durchmesser mit Coating von 240 µm, wohingegen die Bü-gelmessschraube rund 200 µm anzeigte.Dies hat zur Folge, dass nicht alle zehn Pumpfasern gleichzeitig durch die Kanüleder Faserführung passen. Wäre dieser Messfehler früher aufgefallen, hätte aberauch keine andere Kanüle verwendet werden können, da es sich bereits um diegrößte verfügbare Kanüle handelt, die noch durch die Nut des Spiegels passt. EineHalterung für die Kanüle muss ebenfalls in der Gesamtbreite von 1,8 mm bleiben.Die einfachste Lösung ist, die Kanüle zu entfernen und die Fasern in der Halterungder Kanüle zu führen. Dies hat sich als sehr praktikabel herausgestellt und schütztdie Fasern gut gegen Beschädigung bei Einführung des Greifers in den Spiegel.

RBM Die Höhenverstellung des RBM funktioniert zufriedenstellend. So sind beideExemplare parallel, wenn sie per Madenschraube fixiert sind. Auch das Einfädeln


der Pumpfasern durch beide bereitet keine Probleme – neben dem offensichtlichenFingerspitzengefühl, welches benötigt wird um die 220 µm kleinen Löcher mit derFaser zu treffen. Lediglich die Vertiefung im Einsatz, an deren Boden sich dieLöcher befinden, behindert die seitliche Sicht auf die Löcher – sie können nur ineinem kleinen Winkelbereich von oben gesehen werden. Die Vertiefung ist herstel-lungsbedingt, da die verwendeten Fräser keine großen Tiefen erlauben ist in diesemBereich die Dicke des Einsatzes auf 250 µm verringert. Bei der Fertigung des kor-rekten Einsatzes sollten daher Bohrer verwendet werden, so dass keine Vertiefungbenötig wird. Alternativ kann die Vertiefung als umgedrehter Kegel und nicht alsZylinder ausgeführt werden, so dass eine Beobachtung von der Seite möglich ist.Durch den Messfehler der Pumpfasern wurden die Bohrungen des RBM eben-falls falsch dimensioniert, so dass die Fasern mit Coating nicht hindurch passen.Für die Erprobung werden die Fasern komplett entcoated, ein korrekt dimensio-nierter Einsatz kann später eingesetzt werden. Für eine Fertigung blieb in derSpanne dieser Diplomarbeit keine Zeit. So ist das Spiel der Ø114 µm-Fasern in den220 µm-Bohrungen deutlich größer als gewollt, eine dadurch verursachte wesentli-che Verschlechterung der Funktion des gesamten Greifers kann nicht festgestelltwerden.

Blende Sowohl der Blendenhalter als auch die Blende selbst funktionieren wieerwartet. Positiv zu bemerken ist, dass die Blende bei allen Öffnungsgraden hin-reichend fest steht, ein ungewolltes Öffnen durch die Fasern tritt nicht auf. EinSchließen der Blende ohne den Vakuumgreifer oder eine Laserfaser formt die Pump-fasern bereits in eine gute Kreisform.

Vakuumgreifer Bei der Fertigung traten Schwierigkeiten mit den Rosetten auf. Sokonnten die vorgegeben Maße an den Rosetten nicht eingehalten werden. Der Mit-arbeiter der Fertigung vermutet, dass Verschleiß am Fräser dazu führte, dass dieAußenkontur am unteren Ende der Rosette größer wurde als die am oberen En-de. Trotz der Fertigung mehrerer Vakuumgreifer mit unterschiedlichen Aufmaßengefertigt wurden, konnte keine Kombination eine zufriedenstellende Passung errei-chen. Abbildung 9.13a zeigt ein Beispiel. Daher wurden alle Untersuchungen ohneRosetten durchgeführt, da für weitere Fertigungsversuche keine Zeit blieb.Die Teilung des Vakuumgreifers selbst bringt dagegen kaum Schwierigkeiten mitsich. So werden die beiden Hälften durch die Stifte bereits gut zueinander aus-gerichtet. Legt man den Vakuumgreifer in die V-Nuten ein und drückt diese zu-sammen, ergibt sich ein nahezu perfekter Kreis der zentralen Bohrung (Abbildung9.13b).


(a) Übermaß an der Rosette (b) Greiferhälften gut ausgerichtet

Abbildung 9.13: Details des Vakuumgreifers

Durch die diagonale Anordnung des Vakuumgreifers und die dadurch folgendeLage der Vakuumanschlüsse, ist eine Beobachtung und manuelle Korrektur desFasereinfädelns nur sehr begrenzt möglich (Abbildung 9.7a).Die Schläuche vom Vakuumgreifer zum Verbindungselement behindern den La-serstrahlengang nicht, müssen aber an den Kanülen festgeklebt werden, um einensicheren Sitz zu erreichen.

Laserfaserhalter Die Halterung der Laserfaser funktioniert leider nicht zufrieden-stellend. Damit die drei Hauptbauteile der Halterung parallel zueinander stehen,gibt es an jedem Bauteil zwei Anschläge. Diese sind in Abbildung 9.14a orange her-vorgehoben und sollen als Anschlag für die Federbleche dienen. Da das Federblechlediglich 100 µm stark ist, sind auch die Anschläge in dieser Dicke konstruiert.Das Federblech lässt sich daher relativ leicht über diese Anschläge hinaus drehen,so dass die beabsichtigte Ausrichtung nicht automatisch hergestellt wird. Die perHand zugeschnittenen Blechstücke besitzen außerdem keine definiert gerade Kan-te, was zu einer Verschlechterung der Situation führt. Folge dieser Probleme ist,dass die V-Nut zur Halterung der Laserfaser nicht automatisch parallel zur Achsedes Vakuumgreifers liegt. Ein korrektes Einfädeln der Pumpfasern ist somit nichtmöglich.Abgesehen von diesem Winkelfehler funktioniert die Parallelverschiebung der Hal-terung sehr gut. Auch die Steigung der Verstellschraube ist für die Ausrichtungder Laserfaser im Vakuumgreifer ausreichend genau.

Verbindungselement Das Prinzip der V-Nuten zur Befestigung der Komponentenam Verbindungselement funktioniert sehr gut – es kann eine mehr als ausreichendstarke Klemmung erfolgen. Nur das Anzugsmoment der Madenschraube darf nicht


(a) Zu kleiner Anschlag für das Federblech (b) Blick in die V-Nut der linken Backe

Abbildung 9.14: Detailprobleme

zu hoch werden, da sich sonst Einkerbungen in den V-Nuten bilden. Durch dieAnschläge des RBM und des Blendenhalters werden beide gut parallel positioniert.Beim Vakuumkanal treten dagegen Schwierigkeiten auf. Er leitet den Luftstromzwar, doch ist dieser durch den geringen Querschnitt der halb geöffneten Kanülendeutlich geringer als über die vorher verwendeten beiden Schläuche.Die Integration in den Spleißaufbau ist korrekt ausgeführt, so dass keine Kollisionenauftreten. Lediglich der Verfahrweg des Greifers mit der Linearachse ist durch dasRBM begrenzt – eine Kollision mit dem Spiegel der Spleißanlage ist sonst die Folge.Dieser Fakt war bereits bei der Konstruktion bekannt und ist für einen größerenAbstand zwischen den beiden RBM in Kauf genommen worden. Der Verfahrwegvon ca. 4,5 mm ist aber ausreichend.Ob alle Maße bei der Fertigung eingehalten wurden ist schwer zu überprüfen. Sokann die Kontrolle nur indirekt erfolgen, indem eine möglichst gerade Faser durchden gesamten Greifer geführt wird.Dagegen mit bloßem Auge sichtbar ist die ungenau gefertige V-Nut am unters-ten Teil des Greifers (Abbildung 9.14b). Diese zur Klemmung des Vakuumgreifersverwendete Nut hat über ihre gesamte Länge nicht die selbe Tiefe, gleichzeitig na-türlich auch nicht die selbe Breite. Selbiges gilt für die V-Nut der rechten Backe,wenn auch in deutlich abgeschwächter Form.Als Folge stimmt die Achse des Vakuumgreifers mit der Achse der Blende und desRBM nicht mehr überein. Außerdem kann eine Verkippung des Vakuumgreiferserfolgen, ein fester Sitz ist nicht mehr garantiert.



Einfädeln der Pumpfasern in das RBM Der erste Schritt in der Vorbereitung desGreifers ist das Einfädeln der Pumpfasern in das RBM . Dazu werden die Fasernentcoated und auf Länge geschnitten, der Greifer in seiner Halterung unter einMikroskop gestellt und eine Pinzette zur Hand genommen. Nun fädelt man dieFaser von oben durch die Führung und lässt sie knapp über dem RBM enden. Dielinke Hand greift daraufhin das obere Ende der Faser und variiert die Höhe, dierechte Hand fädelt die Faser per Pinzette und unter mikroskopischer Beobachtungin eines der Löcher ein.

(a) Alle Fasern in das RBM eingefädelt (b) RBM in beiden Positionen

Abbildung 9.15: Details des RBM

Diese Aufgabe erfordert Geschick, geht nach etwas Übung aber schnell. So kannder komplette RBM innerhalb von ca. 15 Minuten mit zehn Fasern befüllt werden(Abbildung 9.15a). Die letzte Faser ist dabei am schwierigsten, da am wenigstenPlatz zur Verfügung steht und die bereits eingefädelten Fasern nicht beschädigtwerden dürfen.Nach dem Einlegen jeder Faser wird sie in der Zugentlastung geklemmt, um einversehentliches Verschieben zu vermeiden. Jetzt werden die beiden RBM ausein-ander geschoben und die Vorpositionierung ist abgeschlossen (Abbildung 9.15b).

Cleaven Ursprünglich sollten die Pumpfasern nach dem Einfädeln in den Vaku-umgreifer gecleavt werden. Das ist zwar möglich, doch dauert es lange, da alleFasern einzeln gecleavt werden müssen. Außerdem kann dabei leicht eine Faserabgebrochen werden, da sie in einem Winkel von 90° in einem kleinen Radiusgebogen werden müssen.Die erfolgreich praktizierte Alternative ist, die Pumpfasern ohne Laserfaser durchden Vakuumgreifer zu führen, sie alle auf einmal zu cleaven (Abbildung 6.2b), sie


wieder zurückzuziehen und anschließend mit der Laserfaser in den Vakuumgrei-fer einzuführen. Auf diese Weise ist ein guter Kompromiss zwischen Schutz dergecleavten Faserenden und einfachem Handling gefunden.

(a) Dünne Stellen an den Greiferbacken (b) Knete als Hilfsmittel zur Justage

Abbildung 9.16: Probleme bei der Ausrichtung des Vakuumgreifers

Justieren des Vakuumgreifers Durch die erwähnte ungenaue Fertigung der V-Nuten,ist der Vakuumgreifer nicht auf einer Achse mit der Blende. Außerdem musste dasVerbindungselement in dem Bereich direkt unterhalb der Blende dünn gestaltetwerden (Abbildung 9.16a), damit auf der einen Seite die Blendenhalterung Platzfindet, zum anderen der Laser nicht abgeschattet wird (Abbildung 9.12). Trotz derFertigung aus Edelstahl ist dieser Bereich nur bedingt vor Verbiegung resistent.Aus diesen Gründen ist es sehr schwierig den Vakuumgreifer korrekt auszurichten.So wird zwischen Vakuumgreifer und V-Nuten eine Schicht Knetmasse hinzuge-fügt. Auf diese Weise kann der Vakuumgreifer in seiner Position justiert werden.Am besten funktioniert ein kurzes Stück Laserfaser in den Greifer einzulegen, sodass es am unteren Ende bündig mit dem Vakuumgreifer abschließt. Wird dieBlende dann geschlossen, ist sichtbar, ob der Vakuumgreifer in der Mitte der zen-tralen Bohrung sitzt. Ist dieser langwierige Schritt abgeschlossen, muss sehr genuadarauf geachtet werden, keinerlei Kräfte auf den Vakuumgreifer auszuüben, da dieweiche Knete eine sofortige Dejustage bewirkt.

Justieren des Greifers und der Laserfaser Durch die mangelnde Anwendbarkeit derLaserfaserhalterung ist an dieser Stelle ein Umzug des Greifers in die Spleißanla-ge nötig. Dort wird er mittels der eingebauten Kameras auf die korrekte Positionbezüglich des Laserrings eingestellt. Anschließend ist die Laserfaser in den Vaku-umgreifer einzuführen und über den unteren Greifer in die Mitte der zentralen


Bohrung zu positionieren. Ob dies erreicht wird, ist schwierig zu erkennen. Ei-ne zusätzliche Kamera ist nötig, um von zwei Seiten (90° versetzt) die korrektePosition zu verifizieren.

Einfädeln der Pumpfasern in den Vakuumgreifer Als ersten Schritt ist es sinnvoll allePumpfasern ungefähr auf eine Höhe zu bringen. Dazu kann die Blende geschlossenund die Fasern auf diese aufgestoßen werden. Daraufhin wird sie wieder geöffnetund ab jetzt versucht, alle Fasern immer zusammen zu verschieben, so dass sichihre Höhe zueinander nicht mehr verändert. Sind sie am Vakuumgreifer angekom-men, kann die Blende geschlossen werden. Schließen bedeutet in diesem Fall keinkomplettes Schließen, sondern ein Verringern des Durchmessers, bis die Pumpfa-sern an der Laserfaser anliegen (Abbildung 9.17a).

(a) Blende offen und ”geschlossen“ (b) Pumpfasern in korrekter Anordnung

Abbildung 9.17: Erfolgreiche Positionierung der Pumpfasern

Jetzt können die Pumpfasern vorsichtig in den Vakuumgreifer eingeführt werden.Wenn es Widerstände gibt, kann ein Drehen der Fasern zwischen den Fingernhelfen. Falls auch nach mehrmaligem Versuch nicht alle Fasern durch den Vaku-umgreifer kommen, ist eine Dejustage aufgetreten.Ist dieser Schritt abgeschlossen, liegen die Fasern unterhalb des Vakuumgreiferssehr gut über eine große Strecke (15-20 mm) an der Laserfaser an (Abbildung9.17b). Die Eigenbiegung der Fasern stellt entgegen der Erwartung kein Problemdar.

Pumpfasern ausrichten und Spleißen In Vortests zeigte sich bereits, dass ein kurzesStück Faser nicht durch das Vakuum im Greifer gehalten werden kann – der Luft-kanal verhindert ein ausreichend starken Luftstrom. Schließt man die Venturi-Düsedirekt an den Vakuumgreifer an, ist dies dagegen möglich. Beim Ausrichten der


Pumpfasern auf eine Höhe reicht auch das direkt angeschlossene Vakuum nichtaus, um die Fasern auf einer Höhe zu halten. Werden die Fasern beim Auffahrenauf die Kapillare nach oben gedrückt, biegen sie sich wie erwartet etwas stärker.Dieses Verbiegen wirkt aber wie eine Feder – auf die Faser wird dadurch eine nachunten gerichtete Kraft ausgeübt. Diese Kraft kann die durch das Vakuum gehalte-ne Faser nicht aufnehmen und rutscht wieder herunter. Damit ist der Ansatz desVakuums in Kombination mit der Zugentlastung nicht funktionsfähig.Dieser federnde Effekt kann aber auch als Vorteil gesehen werden. Durch ihn kannman die Fasern auf die Kapillare auffahren und weiter herunterfahren bis alle Fa-serenden aufsitzen, falls diese bereits im Vorfeld in ungefährer Nähe zueinanderliegen. Daraufhin kann der Spleißvorgang allerdings nicht mehr nach dem bisheri-gen Plan durchgeführt werden. Stattdessen wird die Höhe der Kapillare so einge-stellt, dass der Laserring ihre Mantelfläche kurz unterhalb der Stirnfläche erwärmt.Dabei behalten die Pumpfasern den Kontakt zur Kapillare und werden durch ihrdeutlich geringeres Volumen per Wärmeleitung schnell aufgeheizt und verspleißenmit der Kapillare. Abbildung 9.18 zeigt den ersten erfolgreichen Spleiß. Es konntenacht Fasern in einem Durchgang angespleißt werden.

Abbildung 9.18: Erfolgreicher Spleiß von acht Pumpfasern

Die fehlenden zwei Fasern hatten vermutlich schlicht keinen Kontakt zur Kapillare.Doch ist dies sehr schwer zu sagen, denn ein genaues Prüfen aller zehn Pumpfasernist momentan nicht möglich. Die geringe Größe erfordert optische Hilfsmittel zurBeobachtung. Durch die Kreisanordnung mit der Laserfaser in der Mitte ist einBetrachten von mindestens drei Seiten nötig, um alle Pumpfasern eindeutig zusehen und ihre korrekte Lage zu überprüfen.Die Stabilität des Spleißes ist gut, so kann der Testkoppler an den Fasern gehaltenwerden, ohne beschädigt zu werden.Bei diesem Teststück handelt es sich um eine aufgeschrumpfte Kapillare – einÄtzvorgang wurde nicht durchgeführt. Dies reicht für den Spleißversuch aus, Tests


zur Koppeleffizienz etc. können damit allerdings nicht durchgeführt werden.Mit der letzten noch vorhandenen bereits geätzten Kapillare wird versucht einenKoppler fertigzustellen. Die Stirnfläche der Kapillare ist durch einen schlechtenCleave nicht komplett eben, ein erfolgreicher Spleiß kann trotzdem durchgeführtwerden, da sich durch die federnde Wirkung der Zugentlastung die Fasern an dieOberfläche anpassen. Da diese Kapillare aber auf eine 30 cm lange Laserfaser kolla-biert wurde, im Gegensatz zum nur 5 cm langen Teststück, muss diese aufgrund derca. 15 cm unterhalb des Spleißortes befindlichen Grundplatte umgebogen werden.Dadurch wird nach dem Öffnen des unteren Greifers ein Moment auf die Kapillareausgeübt. Da sich die Pumpfasern darüber aber noch im Greifer befinden, kanndies ein Abbrechen der Fasern von der Kapillare bewirken.Bei den drei mit dieser Kapillare durchgeführten Spleißversuchen brachen die Fa-sern jedes mal beim Versuch den Greifer aus dem Spleißaufbau herauszunehmen ab.Es wurde dabei versucht die Kapillare möglichst gerade zu halten und gleichmäßigmit dem Greifer auf der Schiene nach links zu verschieben. Für diesen Arbeits-schritt, der sich als empfindlicher als angenommen herausstellt, muss daher nocheine bessere Lösung gefunden werden.

9.3 Optimierungsmöglichkeiten

Einige Detailveränderungen würden das Handling deutlich erleichtern. So solltedafür gesorgt werden, dass die Löcher des RBM gut sichtbar sind und sich nicht ineiner Vertiefung befinden. Auch am Vakuumgreifer selbst könnte auf das Vakuumund die Rosetten verzichtet werden und statt dessen ein ”Trichter“ in die obereFläche eingebracht werden, der ein Einführen der Fasern in die zentrale Bohrungvereinfachen würde.Durch die Zugentlastung werden die Fasern zwar bereits in einem Bereich geführt,doch kann es dazu kommen, dass sich die ca. 30 cm langen losen Enden demBedienenden ungünstig in den Weg legen. Eine weitere lose Führung der Fasernwäre daher angebracht.Es könnte versucht werden, den Vakuumkanal im Verbindungselement zu opti-mieren, doch erscheint dies Aufgrund der guten Spleißergebnisse ohne Vakuum alsnicht nötig.Wichtig dagegen ist das Sicherstellen der korrekten Position des Vakuumgreifers.Entweder muss dazu die Fertigung optimiert werden oder es muss eine bessereJustiermöglichkeit gefunden werden. Für letzteres ist allerdings aufgrund des La-serrings nahezu kein Platz vorhanden.Soll der ursprünglich geplante Ablauf des Spleißvorganges ausgeführt werden (Ver-


fahren der Pumpfasern während des Spleißes), könnte eine andere Zugentlastungeingeführt werden. So wäre es mögich die Pumpfasern in der Hauptachse des Grei-fers zu klemmen. Dazu könne der Mechanismus im Schlitten verwendet werden, in-dem zwischen dem verschiebbaren Quader und dem rechten Rand des Verbindungs-elements eine Klemmung realisiert wird. Dabei müsste ein Verschieben der Fasernbeim Klemmen verhindert werden. Dadurch könnten die Fasern aufgedrückt, dieKlemmung geschlossen und anschließend der Spleißvorgang durchgeführt werden.

9.4 Zusammenfassung

Positives• Integration des Greifers in die Spleißanlage• Halterung des Greifers erleichtert Vorbereitung deutlich• Zugentlastung und Klemmung des Greifers funktional• RBM sehr hilfreich• Anordnung der Pumpfasern im Vakuumgreifer auch ohne Rosetten sehr gut• Blende erleichtert Einführen der Pumpfasern in Vakuumgreifer deutlich• Erfolgreicher Spleiß mit acht Fasern durchgeführt

Negatives• Kanüle der Pumpfaserführung zu klein, auch ohne Greifer funktional• Vakuum zu schwach, auch ohne ist ein Spleiß durchführbar• Fertigungsprobleme bei Rosetten, auch ohne Greifer funktional• Laserfaserhalterung nicht verwendbar, auch ohne gute Ergebnisse erreicht• Vakuumgreifer nicht korrekt ausgerichtet, Justierbarkeit schwierig• Entfernen eines fertigen Kopplers aus dem Greifer problematisch

10 Zusammenfassung

Im Rahmen der Diplomarbeit wurde ein 10-Faser-Greifer entwickelt, konstruiertund charakterisiert. Dieser Greifer führt einen wichtigen Schritt bei der Fertigungeines Mantelflächen-Pumpkopplers aus. Dazu wurde der Kontext dieser Aufgabeerläutert und die Vor- und Nachteile von Faserlasern und den unterschiedlichenPumpkonzepten beleuchtet.Nach der Recherche des Standes der Technik wurde zusammen mit eigenen Kon-zepten die verschiedenen Greiferarten untersucht und sich für einen Vakuumgreiferentschieden.Durch den entwickelten Prozessablauf des Spleißens ergaben sich Vorgaben, diebei der Konstruktion beachtet wurden. So sind zwei Testgreifer zur Erprobung desVakuums und ein finaler Greifer entstanden. Neben der Halterung der Fasern perVakuum wurde dabei auch das Konzept der Vorpositionierung der Pumpfasernentwickelt und eine Blende zur Erleichterung des Faserhandlings eingeführt.Sowohl die Vorpositionierung, als auch die Blende hat sich als sehr gut funktio-nierendes Hilfsmittel bestätigt. Besonders die Vorpositionierung fällt ein entschei-dender Anteil bei der korrekten Positionierung der Fasern zu.Die Verwendung von Vakuum in Verbindung mit der gewählten Zugentlastunghat sich dagegen als nicht funktional herausgestellt. Auch die Rosetten halfen inden Testgreifern zwar deutlich, doch wurde ihr Aufgabe ausreichend gut von derVorpositionierung durch das RBM übernommen.Als Schlüssel zur korrekten Positionierung der Pumpfasern zeigte sich die Kom-bination aus Vorpositionierung und der zentralen Bohrung im Vakuumgreifer. Soist die zentrale Bohrung nicht mehr für die komplette Positionierung der Fasernzuständig, sondern übernimmt (mit Hilfe der Blende) lediglich die Skalierung undParallelisierung des bereits korrekt aufgebauten Faserbündels. Durch die Dimen-sionierung der Führung im Vakuumgreifer in Kombination mit der Laserfaser istes den Pumpfasern nicht möglich eine andere Lage in der Bohrung einzunehmen,zumindest wenn alles korrekt justiert ist.Das Wegfallen der Haltefunktion durch das Vakuum verursachte eine Anpassungdes Spleißprozesses. Dabei übernahm die Federwirkung der in der Zugentlastungeingelegten Fasern das Aufdrücken und ermöglichte so einen erfolgreichen Spleißvon acht Fasern.

79

11 Ausblick

Zur kompletten Fertigstellung des Greifers sind noch einige Schritte nötig. So müss-ten die Einsätze des RBM mit den korrekten Maßen gefertigt werden. Eine Kor-rektur der V-Nuten zur Halterung des Vakuumgreifers ist ebenfalls nötig. Fallsdies aus Sicht der Fertigung nicht möglich ist, müssten beide Backen erneut herge-stellt werden. Die Implementierung einer Justagemöglichkeit des Vakuumgreiferswäre wünschenswert, erscheint Aufgrund des mangelnden Raumes dafür aber alsnahezu unmöglich. Zuvor sollte überprüft werden, ob bei korrekter Fertigung derBacken die Position des Vakuumgreifers genau genug eingehalten wird und damiteine Justage überflüssig macht.Zwar wurde das Ziel dieser Arbeit erreicht, doch auf einem anderen Weg als ge-plant. Aus diesem Grund könnten einige Vereinfachungen eingeführt werden. DasWeglassen des Vakuums und der Rosetten würde die Fertigung des ”Vakuumgrei-fers“ deutlich vereinfachen. Ein ”Trichter“ auf der oberen Seite des ”Vakuumgrei-fers“ würde das Einfädeln der Pumpfasern vereinfachen.Die Beobachtung aller Prozesse im Greifer ist problematisch. So wird nahezu beiallen Schritten eine optische Vergrößerung benötigt, die aber flexibel positionier-bar sein muss, da an mehreren Stellen des Greifers ein Überprüfen der Lage derFasern nötig ist. In den durchgeführten Tests wurde dazu eine digitale Spiegel-reflexkamera mit Zwischenringen verwendet, um eine ausreichende Vergrößerungbei guter Flexibilität zu erzielen. Die Beleuchtung und Fokussierung ist dabei aberrecht zeitraubend, so dass hier noch Optimierungspotential besteht.Ein bisher noch ungelöstes Problem liegt in der Entnahme eine fertigen Kopplersaus dem Greifer. Zwar ist dies rein technisch möglich, erfordert aber bisher er-hebliches Feingefühl beim Bediener. Eine wiederholbare und einfache Möglichkeitsollte hier geschaffen werden.Ist eine Anpassung an andere Faserdurchmesser gewünscht, kann dies über dieFertigung der RBM und des ”Vakuumgreifers“ mit den entsprechenden Maßenerreicht werden.

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Abbildungsverzeichnis

1.1 Konzept des Pumpkopplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

3.1 Schematische Darstellung des Pump-Kopplers . . . . . . . . . . . . 53.2 Raytrace des eingekoppelten Lichts im Koppler [7] . . . . . . . . . . 63.3 Veränderung der Viskosität von reinem Kieselglas in Abhängigkeit

von der Temperatur [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.4 Prozessschritte beim Bau eines Kopplers . . . . . . . . . . . . . . . 93.5 Schritte der Bearbeitung der Kapillare . . . . . . . . . . . . . . . . 10

(a) Kollabieren der Kapillare auf die Laserfaser . . . . . . . . . . 10(b) Beginn des Ätzvorgangs zur Herstellung des konischen Bereichs 10

3.6 Spleißen der 10 Pumpfasern auf den Kapillarrand . . . . . . . . . . 103.7 Laserstrahlengang (orange) der Spleißanlage, vorbereitet zum Spleiß

einer Endkappe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.8 Detail des Laserstrahlengangs der Spleißanlage . . . . . . . . . . . . 123.9 Kollabieren der Kapillare auf die aktive Faser . . . . . . . . . . . . 13

(a) Schrumpfschlauch zur Befestigung der Kapillare an der Kanüle 13(b) Kapillare während des Kollabierens . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.10 Kollabierte Kapillare (zu kurz kollabiert) . . . . . . . . . . . . . . . 133.11 Vorrichtung für den Ätzprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

(a) Ätzvorrichtung mit Lineareinheit . . . . . . . . . . . . . . . . 14(b) Behältnis für die Flusssäure, Lage einer eingelegten Faser dar-

gestellt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.12 Ätzprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

(a) Unterätztes Teststück . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15(b) Nahezu kantenloser Übergang zwischen Konus (rechts) und

Laserfaser (links) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.13 Das Prinzip des Opferstücks - vor und nach dem Ätzen . . . . . . . 153.14 Ätzprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

(a) Verrundung der Kapillarstirnfläche nach vier Spleißvorgängen 18(b) Varianten der Platzierung des Laserrings . . . . . . . . . . . . 18

4.1 Vorhergende Ausführung des 10-Faser-Greifers . . . . . . . . . . . . 19

III

Abbildungsverzeichnis IV

(a) Sichtbar: Draht (schwarz), Pumpfasern (hellgrau), Rosetten(hellblau), Kegelstumpf (orange), Hilfselement (grau) . . . . . 19

(b) Prinzip der Positionierung der Pumpfasern . . . . . . . . . . . 194.2 Stirnflächenkoppler ähnlicher Bauart [15] . . . . . . . . . . . . . . . 224.3 Mantelfächenkoppler mit nahezu identischem Konzept [16] . . . . . 234.4 V-Nuten in Patent und Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

(a) Prinzip einer V-Nut [17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24(b) V-Nuten in einem Spleißgerät der Fa. Vytran [18] . . . . . . . 24

4.5 Vakuumgreifer und gelochte Basissubstrate . . . . . . . . . . . . . . 24(a) Ein Vakuum fixiert die Glasfasern [19] . . . . . . . . . . . . . 24(b) Gelochtes Basissubstrat [19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.6 Elektrostatischer Greifer und Drehgreifer . . . . . . . . . . . . . . . 25(a) Halterung einer Faser mittels Elektrostatik [20] . . . . . . . . 25(b) Über ein Drehung klemmender Greifer [21] . . . . . . . . . . . 25

4.7 Kommerzielle Pumpkoppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26(a) Koppler mit Eingangsleistung < 100 W der Firma OFS Optics

[23] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26(b) 61:1 Combiner der Firma NKT Photonics mit präsentierter

Ausgangsleistung von 1,2 kW [24] . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.1 Versuchsaufbau zum Elektrostatischen Greifer . . . . . . . . . . . . 29

6.1 Ablauf des Spleißprozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326.2 Hilfsmittel zur Vorbereitung des Spleißens . . . . . . . . . . . . . . 33

(a) Greifer in der Halterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33(b) Beim Cleaven der eingelegten Fasern . . . . . . . . . . . . . . 33

6.3 Justage der Greiferposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34(a) Blick der Kamera von unten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34(b) Feinstellschraube zur Justage des Greifers . . . . . . . . . . . 34

7.1 Konzept des Vakuumgreifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357.2 Umsetzung des ersten Testgreifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377.3 Vakuumkanäle des ersten Testgreifers . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

(a) Vertikaler Schnitt durch den Greifer, vertikal der Führungs-zylinder, horizontal die Vakuumkanäle . . . . . . . . . . . . . 38

(b) Horizontaler Schnitt durch den Greifer mit Bohrungen für dasVakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.4 Details des ersten Testgreifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39(a) Halterungsmechanismus für den Vakuumgreifer . . . . . . . . 39

Abbildungsverzeichnis V

(b) Schnitt durch den Vakuumgreifer (links Foto, rechts Skizze –vereinfacht), untere Schraube weiter hineingedreht . . . . . . 39

7.5 Praktischer Einsatz des ersten Testgreifers . . . . . . . . . . . . . . 40(a) Kreisring im Vakuumgreifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40(b) Anordnung der Schläuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.6 Hilfsmittel und Erzeugnis des Greifers . . . . . . . . . . . . . . . . 41(a) Testspleiß mit dem ersten Testgreifer . . . . . . . . . . . . . . 41(b) Verkippung der Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

7.7 Mit und ohne Abstand zwischen Innenfläche der Kanüle und Öff-nung der Vakuumkanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

7.8 Test-RBM zur Vorpositionierung der Fasern . . . . . . . . . . . . . 44(a) RBM zur Vorpositionierung der Fasern . . . . . . . . . . . . . 44(b) RBM im Testaufbau mit Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

8.1 Modell des zweiten Testgreifers, Grün: zentrale Bohrung, Rot: Va-kuumkanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

8.2 Schematischer Aufbau des zweiten Testgreifers . . . . . . . . . . . . 478.3 Rosette im zweiten Testgreifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

(a) Rosette zur Führung der Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . 47(b) Schnitt durch die eingebaute Rosette mit Pumpfasern . . . . 47

8.4 Luftführung im zweiten Testgreifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48(a) Schnitt durch eine Ebene der Luftführung um die Zentralboh-

rung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48(b) Nut in der Außenfläche zur Zusammenführung der Luftkanäle

der beiden Ebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48(c) Bohrung zur Zusammenführung der Luftkanäle zweier an-

grenzender Außenflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488.5 Übersicht der Luftführung innerhalb des zweiten Testgreifers. Grün:

zentrale Bohrung; Rot: Vakuumkanal . . . . . . . . . . . . . . . . . 498.6 Ansichten des gefertigten zweiten Testgreifers . . . . . . . . . . . . 50

(a) Zweiter Testgreifer, fertig aufgebaut mit Streichholz zum Größen-vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

(b) Detail mit Schläuchen zur Luftführung und in die Zentral-bohrung eingelegten Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

8.7 Anwendbarkeit des zweiten Testgreifers . . . . . . . . . . . . . . . . 51(a) Winkel der Fasern zueinander durch Verringerung des Kreis-

durchmessers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51(b) Im RBM hängende Fasern mit sichtbarer Eigenbiegung . . . . 51

8.8 Details der Rosetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Abbildungsverzeichnis VI

(a) Rosette nach häufiger Benutzung . . . . . . . . . . . . . . . . 53(b) Fasern in der Rosette eingelegt . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

8.9 Verbesserte Version der Vorpositionierung . . . . . . . . . . . . . . 54(a) Zahnrad mit Schrumpfschlauch zur Vorpositionierung der Fa-

sern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54(b) Separierte Zahnräder mit eingelegten Pumpfasern . . . . . . . 54

8.10 Blende zur Verringerung des Bündeldurchmessers . . . . . . . . . . 55(a) Blende der Firma Edmund Optics . . . . . . . . . . . . . . . 55(b) Kleinste mögliche Öffnung der Blende . . . . . . . . . . . . . 55

8.11 Nahezu kreisförmige Anordnung von Pumpfasern . . . . . . . . . . 57

9.1 Finaler Greifer mit allen Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . 589.2 Prinzip des Greifers, nicht maßstabsgetreu . . . . . . . . . . . . . . 599.3 Zugentlastung des finalen Greifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

(a) Übersicht der Zugentlastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60(b) Detail mit geklemmten Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

9.4 Führung der Pumpfasern durch den Spiegel . . . . . . . . . . . . . 61(a) Nut im Spiegel der Spleißanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . 61(b) Führungskanüle zum Schutz der Fasern im Spiegel . . . . . . 61

9.5 RBM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62(a) Mikroskopaufnahme eines RBM mit Messwerten . . . . . . . 62(b) CAD-Modell der zwei Ebenen des RBM . . . . . . . . . . . . 62

9.6 Die Blende und ihre Fassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63(a) CAD-Modell der Blendenfassung mit eingebauter Blende . . . 63(b) Foto der Blendenfassung, der Blende und eingelegten Fasern . 63

9.7 Details zum Vakuumgreifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64(a) Vakuumgreifer und Haltemechanismus . . . . . . . . . . . . . 64(b) Nut zur Vereinheitlichung des Luftstroms . . . . . . . . . . . 64

9.8 Details des finalen Vakuumgreifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64(a) Teilungsebene des Vakuumgreifers . . . . . . . . . . . . . . . 64(b) Hälfte einer Rosette im Vakuumgreifer . . . . . . . . . . . . . 64

9.9 Maßnahmen zur Ausrichtung der beiden Greiferhälften . . . . . . . 65(a) Selbstjustage des Vakuumgreifers bei Zusammendrücken der

Backen (horizontaler Schnitt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65(b) Bohrungen für Stifte zur korrekten Ausrichtung der beiden

Greiferhälften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659.10 Komponenten des finalen Greifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

(a) Laserfaserhalterung zur Ausrichtung der Laserfaser im Vaku-umgreifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Abbildungsverzeichnis VII

(b) Orange hervorgehoben: Verbindungselement des Greifers . . . 669.11 Nut im Verbindungselement zur Leitung des Luftstroms . . . . . . 679.12 An den Laserstrahlengang angepasster Greifer . . . . . . . . . . . . 689.13 Details des Vakuumgreifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

(a) Übermaß an der Rosette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71(b) Greiferhälften gut ausgerichtet . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

9.14 Detailprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72(a) Zu kleiner Anschlag für das Federblech . . . . . . . . . . . . . 72(b) Blick in die V-Nut der linken Backe . . . . . . . . . . . . . . 72

9.15 Details des RBM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73(a) Alle Fasern in das RBM eingefädelt . . . . . . . . . . . . . . . 73(b) RBM in beiden Positionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

9.16 Probleme bei der Ausrichtung des Vakuumgreifers . . . . . . . . . . 74(a) Dünne Stellen an den Greiferbacken . . . . . . . . . . . . . . 74(b) Knete als Hilfsmittel zur Justage . . . . . . . . . . . . . . . . 74

9.17 Erfolgreiche Positionierung der Pumpfasern . . . . . . . . . . . . . 75(a) Blende offen und ”geschlossen“ . . . . . . . . . . . . . . . . . 75(b) Pumpfasern in korrekter Anordnung . . . . . . . . . . . . . . 75

9.18 Erfolgreicher Spleiß von acht Pumpfasern . . . . . . . . . . . . . . . 76

Tabellenverzeichnis

2.1 Anforderungstabelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

VIII

Selbstständigkeitserklärung

Ich erklare, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbstandig und nur unter Ver-wendung der angegebenen Quellen und Hilfsmittel angefertigt habe.

Jena den 15.01.2010 Georgios Wenetiadis

IX

Thesen

1. Die Halterung von Glasfasern mit Hilfe von Vakuum an der Innenwand einesFührungszylinders ist in bestimmten Grenzen möglich.

2. Ein Zylinder als Grundform zur Anordnung von Fasern im Kreis ist in Kom-bination mit einem zentralen Gegenstück möglich.

3. Eine seitliche Führung der Fasern durch die Rosetten ist bestätigt, aber nachder Einführung der Vorpositionierung nicht mehr nötig.

4. Die Vorpositionierung ist ein sehr guter Ausgangspunkt zur genauen Anord-nung der Fasern in einem weiteren Bauteil.

5. Die Vorpositionierung in zwei Ebenen ermöglicht eine parallele Anordnungvon Fasern.

6. Die Blende erreicht eine gleichmäßige Skalierung des Faserbündels.

7. Das Anpressen der Pumpfasern zum Spleißen durch Ausnutzung der Feder-wirkung bei gebogenem Einspannen funktioniert, auch bei unebenen Ober-flächen.

8. Das Anspleißen von mehreren Fasern in einem Spleißvorgang ist möglich.

9. Ein Anspleißen von Fasern an die Stirnfläche einer Kapillare ist mit reinerWärmeleitung möglich.

X

Danksagung

Ich danke herzlichst natürlich und vor allem meinen Eltern, für die Vermittlungihrer Erfahrungen und Unterstützung auf so vielen Ebenen!Auch meinen Großeltern kommt ein großer Dank entgegen, und ein Gruß an denehemaligen Ingenieur.Besonderen Dank auch an meinen Betreuer Herrn Böhme für seine Geduld unddas finale Anstupsen.Ebenso gebührt der Werkstatt des IOF in Person von Ronald Schmidt und WilkoFuhlrott großen Dank für ihre präzise Arbeit und die Freundlichkeit trotz dervorherrschenden Hektik.Die IOF-Crew mit der guten Laune, den guten Witzen und den kompetenten Tipshat das Arbeiten deutlich verschönert.Herzlichen Dank daher an Andre ”Meeegaaa Buffen“ Oswald, Christian ”lütt“ Ha-gemann, Karsten ”Kahdö“ Doering, Ben ”Da steckt man nicht drinn“ Zaage, Ro-land ”Caramel“ Klein, Stefan ”Rennrad“ Rhein und Christian Semmler. What anadventure, Charlieeeeee!Und natührlich den Unterstützern in letzer Minute für Hilfe und Felersuche: MariaSenz, Karsten Doering und Elisa Gärtner.Sowie für überhaupt alles musikalischen Dank an Anki.

XI

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Diplomarbeit: Fasergreifer für Spleißen für einen Faserlaser