Optical characterization and study of the stability of a glass fibre drawing process
Caractérisation optique et étude de la stabilité d'un procédé de fibrage du verre
Résumé
In this PhD work several theoretical, numerical and experimental tools are developed to study the stability of a E-glass fibre drawing process. A phase Doppler interferometer and a high resolution diffractometer have been developed to determine the diameter of a fibre (D = 5 − 42μm) under drawing conditions (VelocityVf = 5 − 65m/s). These systems allow high resolutions measurements (0.35μm and 0.02μm respectively) thanks to the derivation of a rigorous model for the light scattering by a multilayered cylinder. This last model takes also into account various particular properties of these fibres : single-axis birefringence induced by the drawing stress, the refractive index dependence with the cooling rate, hollow fibres... The process is modelled by the drawing of a one dimensional and axi symmetrical viscous jet at high temperature. This model allows predicting various quantities such as the fibre's temperature and contraction profiles... under stationary or non stationary conditions. Preliminary experimental results, performed on a single fibre drawing bench, have shown that the stability of the drawing process is maximum for temperatures in the range T0 = 1145 − 1175◦C and for fibres with a diameter bellow D ≈ 15μm. Nevertheless, even under such conditions, the fibre's diameter
fluctuates periodically with a mean amplitude of σD/¯D ≈ 1.8%. The frequency of theses oscillations increases νosc = 0.5 → 0.9Hz with the temperature T0 = 1145 → 1250◦C. The mean rate of the diameter's fluctuations is about dσD/dt ≈ 1.9μm/s and dσD/dL ≈ 0.07μm/m (for Vf = 20m/s).
fluctuates periodically with a mean amplitude of σD/¯D ≈ 1.8%. The frequency of theses oscillations increases νosc = 0.5 → 0.9Hz with the temperature T0 = 1145 → 1250◦C. The mean rate of the diameter's fluctuations is about dσD/dt ≈ 1.9μm/s and dσD/dL ≈ 0.07μm/m (for Vf = 20m/s).
Dans ce travail de thèse différents outils théoriques, numériques et expérimentaux, ont été développés afin d´étudier les conditions de stabilité d'un procédé de fibrage du verre-E. Un interféromètre phase Doppler et un diffractomètre haute résolution ont été mis au point pour mesurer, en temps réel, l'évolution du diamètre d'une fibre (D = 5−42µm) en sortie de filière (vitesses : Vf = 5 − 65ms-1). L'interféromètre permet également de mesurer la tension de fibrage. Les résolutions obtenues avec ces systèmes (respectivement de 0.35µm et 0.02µm) l'ont été grâce au développement d'un modèle rigoureux de diffusion de la lumière par une cylindre multicouche et en prenant en compte des effets optiques propres à ce procédé : biréfringence uni-axe induite par la tension de fibrage, dépendance de l'indice de réfraction avec les conditions de refroidissement, fibres creuses... Le procédé de fibrage a été modélisé par l'étirage d'un jet visqueux à haute température, 1D et axisymétrique. Ce modèle hydrodynamique, physique, permet notamment de prédire l'évolution du profil axiale de température du jet, son profil de contraction... pour des régimes stationnaires et non stationnaires. Les travaux expérimentaux réalisés sur une filière mono téton ont montré que la stabilité du procédé est maximale pour des températures de fibrage de T0 = 1145− 1175°C et des fibres dont le diamètre est inférieur à D ≈ 15µm. Cependant, même dans ces conditions, le diamètre de la fibre produite fluctue périodiquement avec une amplitude moyenne de l'ordre de σD/D ≈ 1.8%. La fréquence de ces oscillations croît avec la température de fibrage : νosc = 0.5 → 0.9Hz pour T0 = 1145 → 1250˚C. Le taux moyen des fluctuations du diamètre est de l'ordre de dσD/dt ≈ 1.9µms-1 et dσD/dL ≈ 0.07µm-1 (pour Vf = 20m/s).