Montage von Glasfasern

Glasfaser ist das Rückgrat der heutigen digitalen Wirtschaft. Globale Finanztransaktionen, Hochgeschwindigkeits-Internetzugang, Online-Shopping, Videospiele und andere Dinge, die für die meisten Menschen selbstverständlich sind, sind dank dünner Glasstränge möglich, die jede Sekunde riesige Datenmengen übertragen.

Während die Technologie die Telekommunikation revolutioniert hat, gewinnt Glasfaser auch in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, medizinischen Geräten sowie Öl und Gas immer mehr an Bedeutung. Und da Automobilingenieure sich mit Fragen im Zusammenhang mit Autonomie und Leichtbau befassen, wird erwartet, dass die Nachfrage nach Glasfasern im nächsten Jahrzehnt steigen wird.

Trotz dieser zunehmenden Beliebtheit bleibt der Prozess des Schneidens, Abisolierens und Zusammenbaus von Glasfaserkomponenten eine Herausforderung. Ingenieure müssen sich mit Themen wie Ausrichtung und Positionierung, Klarheit, Faservorbereitung und Ausgasung befassen.

Lichtwellenleiter sind flexible, transparente Kabel aus hochwertigem Glas, Kunststoff und Siliziumdioxid, die nach dem Prinzip der Totalreflexion des Lichts arbeiten. Während Single- und Multimode-Glasfaserkabel über einen Glaskern verfügen, verfügen Glasfaserkabel aus Kunststoff über einen Polymerkern.

Das Licht wird durch haarfeine Strähnen abgestrahlt, die einer monofilen Angelschnur ähneln.

Um Licht zu erzeugen, zu übertragen, zu modulieren, zu leiten, zu verstärken, zu schalten und zu erkennen, sind verschiedenste optoelektronische Komponenten und photonische Geräte erforderlich. Diese winzigen Geräte werden zu einem Paket oder Modul zusammengebaut, das Licht in Glasfaserkabel ein- und auskoppelt.

Optische Fasern können Daten viel schneller übertragen als Aluminium- oder Kupferdrähte. Weitere Vorteile sind die geringere Größe und das geringere Gewicht. Im Vergleich zu beispielsweise Kupfer ergibt sich bei Glasfaser eine durchschnittliche Platzersparnis von 25 Prozent und eine Gewichtsersparnis von 50 Prozent. Optische Fasern sind außerdem immun gegen elektrisches Rauschen und können Daten über größere Entfernungen übertragen als Kupferkabel oder -drähte.

Allerdings erfordert die Faser eine sorgfältige Handhabung und eine präzise Ausrichtung und sie kann nicht wie herkömmliche Kabel in komplexe Formen gebogen werden. Glasfaser ist nicht wie Kupferdraht, der falsch ausgerichtet sein kann und trotzdem Strom überträgt. Aufgrund seiner geringen Größe sind höchste Genauigkeit und kleine Verschiebungen erforderlich, um die Faser korrekt auszurichten.

Laut Grandview Research belief sich der weltweite Markt für Glasfaser im Jahr 2018 auf insgesamt 7 Milliarden US-Dollar. Von 2019 bis 2025 soll er jährlich um 5 Prozent wachsen.

Der durchschnittliche Haushalt mit Glasfaseranschluss erzeugte im Jahr 2017 monatlich 86 Gigabyte an Daten. Bis 2022 sollen es jedoch über 260 Gigabyte pro Monat sein.

„Die Nachfrage nach Glasfaserkomponenten steigt aufgrund des wachsenden Bandbreitenbedarfs und der steigenden Netzwerknachfrage“, sagt Adam Houston, Produktmanager für den Geschäftsbereich optische Lösungen von Molex LLC, einem führenden Anbieter von Steckverbindern, Adaptern und Kabelzubehör. „Die Bandbreite verdoppelt sich alle fünf Jahre.

„Vor zehn Jahren waren 10 bis 40 Gigabit pro Sekunde die große Diskussion“, erklärt Houston. „Jetzt bereiten wir uns auf Bandbreiten von 200 und 400 Gigabit pro Sekunde vor.“

Um dieses Problem anzugehen, fördert Molex mehrere neue Arten von Steckverbindern auf Keramikhülsenbasis, die eine höhere Portdichte ermöglichen. CS-Steckverbinder unterstützen beispielsweise QSFP-DD- und OSFP-Transceiver der nächsten Generation mit einer Verdoppelung der Portdichte. Sie zeichnen sich durch einen reduzierten Ferrulenabstand und eine fast 50 Prozent höhere Dichte als herkömmliche LC-Steckverbinder aus.

„Dichte und geringe Verluste bestimmen heute den Steckverbindermarkt“, sagt Tom Schiltz, Leiter Produktmanagement bei Molex. „Da die Komponenten immer kleiner werden, wird die Verpackung zu einem größeren Problem. Es besteht ein Gleichgewicht zwischen Dichte, Benutzerfreundlichkeit und Leistung.“

„Denken Sie kleiner, dichter, schneller und einfacher“, sagt Robert Whitman, Vizepräsident für globale Marktentwicklung für Carrier-Netzwerke bei Corning Inc., dem weltweit führenden Anbieter von Glasfasern. „Angesichts der heutigen Bandbreitenanforderungen benötigen Netzwerkbetreiber kleinere, dichtere Kabeldesigns, um mehr Kapazität auf kleinerem Raum unterzubringen. Sie legen außerdem Wert auf Designs, die einfacher und schneller zu installieren, zu reparieren und zu warten sind, damit sie die Kosten minimieren und gleichzeitig die Markteinführungsgeschwindigkeit maximieren können.“

Corning hat kürzlich ein Kabel mit extremer Dichte namens RocketRibbon vorgestellt. Es liefert bis zu 3.456 Fasern im gleichen Durchmesser wie bestehende zentrale und verseilte Rohrkabel mit 1.728 Fasern.

„Zusätzlich zur verbesserten Faserdichte sorgt ein einzigartiges Banddesign dafür, dass die Fasern im RocketRibbon-Kabel einfach zu verwalten, zu identifizieren und zu verfolgen sind, was die Installationszeiten erheblich verkürzt und die laufenden Wartungskosten senkt“, behauptet Whitman.

Rechenzentren und die Telekommunikationsindustrie sind nach wie vor die wichtigsten Märkte für Glasfaser, da sie eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung sowohl in der Kurz- als auch in der Fernkommunikation ermöglichen. Die wachsende Nachfrage nach Cloud-basierten Anwendungen, Video-on-Demand-Diensten und 5G-Netzwerken wird künftige Glasfaseranwendungen vorantreiben.

Allerdings wächst die Nachfrage nach Glasfasern auch in anderen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Medizintechnik sowie der Öl- und Gasindustrie. Auch wenn es den Ruf hat, teuer und schwierig zu handhaben zu sein, haben jüngste Fortschritte die Glasfasertechnologie robuster und einfacher zu verarbeiten gemacht.

„Eine der Herausforderungen, Ingenieure in Branchen außerhalb des Telekommunikationssektors dazu zu bringen, Glasfasern einzuführen, besteht darin, die Befürchtungen zu überwinden, dass es sich um eine empfindliche, spröde, schwer zu verwendende und schwer zu terminierende Technologie handelt“, sagt Bill Weeks, Corporate Technology Fellow bei TE Connectivity. „Eine häufige Fehleinschätzung ist, dass die Faser reißt, wenn man sie berührt. Während das in den 1970er-Jahren vielleicht der Fall war, ist es heute ganz sicher nicht mehr.“

Aufgrund des wachsenden Interesses an minimalinvasiver Chirurgie sind viele neue medizinische Geräte auf Glasfasern angewiesen. Die Technologie wird für Lichtleitung und -beleuchtung, flexible Bündelung und Laserabgabesysteme, beispielsweise in Endoskopiegeräten, eingesetzt.

Faseroptik ist auch in der Öl- und Gasindustrie für Anwendungen im Bohrloch beliebt, beispielsweise zur Erfassung von Druck und extremen Temperaturen.

Darüber hinaus ist die Transportausrüstungsindustrie hinsichtlich der Glasfasertechnologie optimistisch.

„Luft- und Raumfahrtingenieure versuchen, die Komplexität sowohl bei Verkehrs- als auch bei Militärflugzeugen zu beseitigen“, sagt Weeks. „Sie wollen kilometerlange parallele Kupferleitungen ersetzen. Neben Gewichtseinsparungen suchen sie nach Produkten, die einfacher zu installieren und zu reparieren sind und gleichzeitig elektromagnetische Störfestigkeit und höhere Geschwindigkeiten bieten.“

„Neben Kommunikation und Bordunterhaltung ist die Sensorik eine wachsende Anwendung für Glasfasern in der Luft- und Raumfahrtindustrie“, erklärt Weeks. „Einige Hersteller erwägen den Einsatz von Glasfasern zur Überwachung von Dingen wie Fahrwerk, Rumpf- und Flügelermüdung und Überhitzungserkennung in Verbundflugzeugstrukturen, die eingebettete Heizgeräte zum Schmelzen von Schnee und Eis enthalten.“

„Der Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungssektor verzeichnet ebenfalls einen erhöhten Bedarf an Bandbreite“, fügt Scott Flint, Direktor für Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsmärkte bei Corning, hinzu. „Datenfusion, hochauflösendes Echtzeitvideo sowie multispektrale und hyperspektrale Bilddatenströme sind Treiber in allen Bereichen – Land, Meer, Luft und Weltraum.“

„Darüber hinaus werden für diese Plattformen reduzierte SWAP-C-Lösungen (Größe, Gewicht und Stromkosten) gefordert“, betont Flint. „Wenn man das Gewicht und den Formfaktor mehrerer Kupferkabel im Vergleich zu einem einzelnen Glasfaserkabel berücksichtigt, ermöglicht letzteres aufgrund eines geringeren Kraftstoffverbrauchs eine längere Lebensdauer auf diesen Plattformen. Außerdem kann es die Mitnahme zusätzlicher Hardware oder Sensoren ermöglichen.“ weil mehr Platz zur Verfügung steht.

Laut Weeks mangelt es den Ingenieuren in der Automobilindustrie an Platz für Kabelbäume, insbesondere bei neuen autonomen Fahrzeugen, die zahlreiche Kameras, Lidar, Radar und andere Sensorgeräte erfordern. „Anstatt dedizierte Kupferdrahtpaare zu verwenden, ist Glasfaser in Autos und Lastwagen sinnvoller“, betont Weeks.

„Automobilingenieure beschäftigen sich mit Glasfasern, um Leichtbau- und Bandbreitenprobleme zu lösen“, sagt Tom Marrapode, Direktor für fortschrittliche Technologieentwicklung bei Molex. „Sie sind außerdem bestrebt, die Überlastung und Komplexität herkömmlicher Kabelbäume zu reduzieren.“

„Aufgrund der Fortschritte bei Automobilnetzwerken wächst der Bandbreitenbedarf innerhalb eines Fahrzeugs weiter“, fügt Mark Bradley, Direktor für industrielle optische Netzwerke bei Corning, hinzu. „Während die Verbindungen innerhalb von Fahrzeugen möglicherweise kurz sind (weniger als 15 Meter), wird erwartet, dass der Bandbreitenverbrauch im nächsten Designzyklus auf über 5 Gigabyte pro Sekunde ansteigt.

„Ein wesentlicher Treiber dieser Datengeschwindigkeiten ist die Verbreitung unkomprimierter Videos, die sich auf die Leistungsreaktionszeiten neuer Sicherheitssysteme auswirken können“, erklärt Bradley. „Während Kupferkabel (Twisted Pair oder Koax) höhere Bandbreiten liefern können, müssen Kompromisse wie Kabelgröße, Kabelgewicht und Störfestigkeit des Kabels berücksichtigt werden. Optische Lösungen können Vorteile bieten, um diese Einschränkungen zu mildern und gleichzeitig den wachsenden Bandbreitenbedarf zu unterstützen.“ genau wie in Rechenzentren.“

Die Montage von Glasfaserkomponenten ist eine Herausforderung. Die flexible Beschaffenheit von Fasern unterscheidet sie von der Handhabung starrer Teile wie Aluminium- oder Kupferdrähten.

Bevor Fasern an einen Stecker oder eine Ferrule angeschlossen werden können, müssen sie vorbereitet werden. Dieser Prozess umfasst typischerweise das Abziehen der Schutzummantelung und des Außenmantels, die die optische Faser umgeben; Reinigen Sie alle verbleibenden Rückstände. Spaltung der Faser; und Polieren der Faserendfläche, um eine Oberfläche optischer Qualität zu erzielen.

Das Abisolieren der Fasern erfolgt üblicherweise mit Handwerkzeugen oder halbautomatischen Tischgeräten. Schutzschichten werden mit Klingen oder Lasern entfernt. Außerdem werden Heizsysteme eingesetzt, um die Beschichtungen aufzuweichen, sodass sie sich leicht entfernen lassen.

„Der große Unterschied zwischen Glasfaser- und Kupferkabeln besteht in den Abschlussanschlüssen“, sagt Weeks. „Es ist relativ einfach, einen Kupferdraht anzuschließen. Das Anschließen einer oder mehrerer Fasern an einen Stecker ist jedoch ein aufwändigerer Prozess.“

„Die Qualität von Steckverbindern ist heute viel besser als früher“, fügt Pete Doyon, Vizepräsident für Produktmanagement bei Schleuniger Inc., hinzu. „Allerdings werden Steckverbinder auch immer kleiner, was die Automatisierung erschwert. Die gängigste Größe von Steckverbindern, die wir verwenden.“ Die mit unseren Geräten verwendete Faser beträgt 125 Mikrometer. Im Vergleich dazu hat eine Singlemode-Faser eine Kerngröße von nur 9 Mikrometern. Eine Multimode-Faser hat jedoch eine größere Kerngröße.

„Die Nachfrage nach unseren Glasfaserverarbeitungsgeräten ist stabil und wächst“, sagt Doyon. „Unser beliebtestes Produkt ist der FiberStrip 7030, eine Tischmaschine, die den Puffer und die Beschichtung bis auf das blanke Glas abzieht. Sie entfernt die Fasern halbautomatisch, ohne die Glasfaser zu berühren.“

Die motorisierte Maschine ist zum Abisolieren einzelner beschichteter und gepufferter Fasern konzipiert. Abisoliergeschwindigkeit, Heizzeit und Heiztemperatur sind einstellbar.

„Unsere Ausrüstung wird hauptsächlich zur Massenproduktion von Pigtails und Jumpern verwendet“, erklärt Doyon. „Ein Pigtail ist ein kurzer Kabelstrang, dessen eines Ende an einem Stecker befestigt ist und dessen anderes Ende an ein anderes Kabel gespleißt wird. Die Längen variieren, aber Pigtails werden normalerweise in 3-, 6-, 9-, 12- und 15-er Länge hergestellt. Fußvarianten. Bei Jumpern sind an beiden Enden Anschlüsse angebracht.

„Das Zusammenbauen von Pigtails und Jumpern ist normalerweise kein Hochgeschwindigkeitsvorgang; es kommt in der Regel eher auf die Qualität an“, betont Doyon. „Der Vorgang dauert durchschnittlich 20 Sekunden oder länger.“

Da selbst ein winziges Staubkorn das Licht vollständig blockieren kann, ist die Reinigung wichtig. Wenn ein Faserstrang nicht ordnungsgemäß gereinigt wird, kann dies zu schlechten Schweißspleißen und unzureichenden Verbindungen führen. Fasern werden normalerweise mit Isopropylalkohol oder einem Ultraschallreiniger gereinigt.

„Die Oberflächenvorbereitung spielt bei der Glasfasermontage eine entscheidende Rolle“, sagt Venkat Nandivada, Manager für technischen Support bei Master Bond Inc., einem führenden Anbieter von Klebstoffen für Glasfasermontageanwendungen. „Vor dem Auftragen des Klebstoffs müssen die Teile sauber und trocken sein. Ein Produkt kann in Bezug auf seine optischen und thermischen Eigenschaften wirklich gut sein, aber wenn die Oberfläche nicht richtig vorbereitet ist, ist die Klebefestigkeit begrenzt.“

Da die Anforderungen an die Glasfasermontage von 10 Mikrometer bis hin zum Submikrometerbereich reichen, ist eine präzise Ausrichtung entscheidend, um genaue und konsistente Ergebnisse zu erzielen. Das Hauptproblem beim Verbinden von Fasern besteht darin, die Flächen jeder Faser auszurichten und rechtwinklig zueinander zu halten. Die Verstärkung von Lichtsignalen ist sehr wichtig.

Die Hauptfunktion der Nanopositionierung bei der photonischen Montage besteht darin, Sende- und Empfangskomponenten auszurichten, um Lichtverluste bei optischen Kopplungen zu minimieren. Monteure müssen den Kern der Faser sorgfältig ausrichten.

Jede Fehlausrichtung führt zu einem Signalverlust. Eine Fehlausrichtung von nur einem Zehntel Mikrometer führt zu einem 30-prozentigen Verlust der Lichtkopplung.

Faktoren wie die Krümmung der Faserspitze und die Griffposition an einem Faserpigtail verleihen dem Ausrichtungsprozess ein zusätzliches Maß an Variabilität. Glasfasern haben außerdem eine äußere Schicht, die aus einer Schutzummantelung und einem Puffer besteht, die vor der Verarbeitung entfernt werden müssen.

„Die meisten unserer Kunden nutzen manuelle Montageprozesse“, sagt Marrapode von Molex. „Der Montageprozess umfasst das Entfernen der Ummantelung und des Faserpuffers, das Einsetzen der Fasern in die Keramikhülse mit Epoxidharz und das anschließende Polieren der Endfläche.“

„Ingenieure verlassen sich in der Regel auf Epoxidharz, um optische Fasern an Ferrulen zu befestigen, da sie eine über Temperatur und Lebensdauer stabile Schnittstelle benötigen“, erklärt Marrapode. „Für einige Anwendungen werden auch schnell aushärtende UV-Klebstoffe verwendet – meist in Rechenzentren, die keine strengen Umweltanforderungen oder kürzere Lebensdauern haben.“

„Typischerweise werden Klebstoffe verwendet, um einzelne optische Fasern oder Faserbündel an Bauteilen zu befestigen“, sagt Nandivada. „Zu den üblichen Anwendungen gehören das Bonden von Lichtwellenleitern zu Steckverbindern, das Vergießen von Faserbündeln und das Versiegeln von Fasern in Ferrulen.“

„Klebstoffe werden auch zum Zusammenbau von Glasfaserkomponenten wie Verstärkern, Filtern, Isolatoren, Schaltern und Transceivern verwendet“, erklärt Nandivada. „Für die meisten Montageanwendungen wird häufig Epoxidharz verwendet, aber auch Silikone, Urethane und UV-härtende Systeme sind andere Optionen.“

„Wir bieten eine große Auswahl an Epoxidharzen an, die von steiferen Chemikalien mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten bis hin zu flexibleren Epoxidharzen mit hervorragender Temperaturwechselbeständigkeit reichen“, bemerkt Nandivada. „EP30-2 ist unser beliebtestes Zweikomponenten-Epoxidprodukt. Es wird für eine Vielzahl von Glasfasermontageanwendungen verwendet.

„UV-Härtung ist ideal für großvolumige Produktionsanwendungen, die einen Durchsatz erfordern“, betont Nandivada. „Ein Einkomponentenmaterial, das kein Mischen und Abmessen erfordert, eignet sich normalerweise besser für die Automatisierung. Diese Klebstoffe härten auch extrem schnell aus, wenn sie richtig UV-Licht ausgesetzt werden.“

„In manchen Anwendungen können Silikone jedoch besser sein, weil sie eine extrem geringe Belastung und eine gute Temperaturbeständigkeit bieten“, sagt Nandivada.

Traditionell war die automatisierte Handhabung und Montage von Glasfaserkomponenten eine Herausforderung. Die flexible Beschaffenheit von Glasfasern erschwert die Handhabung im Vergleich zu starren Teilen wie Aluminium- oder Kupferdrähten.

„Die Konfektionierung von gebündelten Lichtwellenleitern mit Steckverbindungen, die in der Informations- und Kommunikationstechnik eingesetzt werden, lässt sich heute noch nur schwer automatisieren“, sagt Marvin Berger, Ingenieur am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT).

„Insbesondere polarisationserhaltende (PM) Fasern der nächsten Generation erfordern eine hochpräzise Manipulation der Faser in mindestens 4 Freiheitsgraden“, erklärt Berger. „Fasern mit fester Polarisation müssen im Stecker sehr präzise ausgerichtet werden, auch ihre Handhabung und Verklebung erfordert höchste Genauigkeit.“

„Bei Singlemode-Faser-Arrays ist die genaue Anordnung der einzelnen Fasern entscheidend“, betont Berger. „Bis zu 32 lichtleitende Fasern sind in mehreren Lagen in einem Stecker montiert. Heute werden sie meist noch manuell und einzeln im Stecker verklebt, da die richtige Ausrichtung jeder einzelnen Faser darüber entscheidet, ob das Bauteil die gewünschte Datenübertragung durchführen kann.“ "

Allerdings haben Ingenieure des Fraunhofer IPT und der Aixemtec GmbH kürzlich eine automatisierte Methode entwickelt, um die komplexe und kostspielige Aufgabe der Montage von PM-Faser-Arrays zu bewältigen.

„Das System automatisiert alle wesentlichen Prozessschritte zur Herstellung der Steckverbinder, von der Lagerung und Zuführung der Fasern über die rotatorische und translatorische Ausrichtung, das Verkleben und Aushärten einzelner Fasern bis hin zur Endmontage des Gesamtsystems zu einem linearen Faserverbund“, sagt er Berger.

„Es kann bereits jetzt Steckverbinder mit bis zu 16 Glasfaseranschlüssen autonom konfektionieren“, sagt Berger. „Mit der Weiterentwicklung erhoffen wir uns, die Anzahl der verarbeiteten Fasern zu erhöhen, die Handhabung der nicht starren Fasern zu verbessern und so den gesamten Produktionsprozess weiter zu beschleunigen.“

„Das patentierte Manipulationssystem ist das weltweit erste System, das die Voraussetzungen für eine automatisierte PM-Faser-Array-Montage erfüllt“, betont Berger. „Und die flexible Montagezellenplattform ermöglicht uns die einfache Integration zusätzlicher Hardware.

„Visionbasierte Routinen in Kombination mit der entwickelten Hardware ermöglichen die Ausrichtung einzelner Fasern mit einer Wiederholgenauigkeit unter 0,01 Grad“, sagt Berger. „Die Platzierung selbst erfolgt mit Maschinengenauigkeit (ca. 1 µm). Besonderes Augenmerk wurde jedoch darauf gelegt, die Faserheftung auf einem V-Nut-Element für Faserarrays zu optimieren.

„Die Einzelfasern werden mit einem speziellen UV-härtenden Kleber in einer V-Nut verklebt“, erklärt Berger. „Durch einen optimierten Montageprozess liegen die Faserspitzen anschließend dicht beieinander.

„Derzeit muss die Maschine für jedes Faserfeld von einem Bediener beschickt werden“, ergänzt Berger. „Aber wir entwickeln verschiedene Schritte, um die Maschineneinrichtung vollständig zu automatisieren und Menschen aus der Prozesskette auszuschließen.“