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Filling behavior and process analysis of high-temperature-vulcanFilling behavior and process analysis of high-temperature-vulcanized silicone rubber insert injection molding for hybrid glass insulatorsized silicone rubber insert injection molding for hybrid glass insulators

Este estudio demuestra que la optimización de la temperatura del molde y el empleo de estrategias de inyección graduada mejoran significativamente la estabilidad de llenado y la uniformidad dimensional en la moldeo por inyección de insertos de caucho de silicona vulcanizada a alta temperatura para aisladores de vidrio híbridos, tal como lo validan las simulaciones acopladas de termo-flujo-curado y los resultados experimentales.

Autores originales: Riqing Chen, Xin Luo, Donglei Liu, Kailin Ren, Shaojian Zhang

Publicado 2026-09-03

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CC BY 4.0

Autores originales: Riqing Chen, Xin Luo, Donglei Liu, Kailin Ren, Shaojian Zhang

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Las líneas de alta tensión se extienden a través de vastos paisajes, transportando electricidad a lo largo de cientos de millas. Para mantener esta energía segura y evitar que salte al suelo o cause cortes de suministro, los ingenieros confían en los aisladores. Los aisladores tradicionales hechos de vidrio o porcelana son increíblemente fuertes, pero tienen dificultades cuando el aire está cargado de contaminación, hielo o humedad, lo que puede provocar peligrosas descargas eléctricas. Para resolver esto, los ingenieros modernos suelen utilizar un diseño híbrido: un núcleo de vidrio resistente para la fuerza, envuelto en una capa protectora de caucho de silicona. Esta capa de caucho repele el agua y resiste la suciedad, manteniendo el flujo de energía incluso en condiciones climáticas adversas. Sin embargo, la fabricación de estas piezas híbridas es un delicado acto de equilibrio. El proceso consiste en inyectar caucho de silicona líquido y caliente alrededor del núcleo de vidrio dentro de un molde. Si el caucho fluye demasiado lento, podría no llegar a cada rincón antes de endurecerse, dejando huecos. Si fluye demasiado rápido o el molde está demasiado caliente, el caucho podría empezar a curarse, o endurecerse, demasiado rápido, obstruyendo el camino antes de que la pieza esté completa. Lograr este equilibrio es esencial para crear una infraestructura de energía fiable y segura.

Investigadores de la Universidad de Nanchang en China se propusieron comprender exactamente cómo funciona este proceso de llenado para un componente específico de gran escala: un aislador híbrido de 160 kilonewtons. Querían ver cómo afectaban al producto final la temperatura del molde y la velocidad de la inyección. Para lograrlo, no se limitaron a suponer; primero midieron las propiedades físicas del caucho de silicona bruto. Probaron qué tan espeso y pegajoso era el material a diferentes temperaturas y presiones, y midieron exactamente qué tan rápido comenzaba a endurecerse al calentarse. Utilizando estas mediciones del mundo real, construyeron una simulación informática detallada que podía imitar el flujo del caucho, la transferencia de calor y el proceso químico de endurecimiento, todo al mismo tiempo. Luego probaron su modelo informático realizando experimentos reales, inyectando el caucho en moldes a diferentes temperaturas para ver si los resultados del mundo real coincidían con sus predicciones digitales.

El equipo descubrió que la intuición puede ser engañosa cuando se trata de este material. Un supuesto común podría ser que calentar más el molde haría que el caucho fluyera mejor, ya que el calor suele hacer que los líquidos sean más fluidos. Sin embargo, sus experimentos mostraron lo contrario. Cuando calentaron el molde a 140 grados Celsius, el caucho fluyó suavemente y llenó la cavidad completa totalmente. Pero cuando aumentaron la temperatura a 160 o 180 grados Celsius, el caucho no logró llenar el molde, dejando espacios vacíos conocidos como "short shots" (defectos de llenado). La razón reside en la carrera entre el flujo y el endurecimiento. Aunque el calor más alto hizo que el caucho fuera más fluido inicialmente, también desencadenó el proceso de endurecimiento mucho más rápido. Mientras el caucho permanecía en el molde caliente, comenzaba a curarse y a espesarse de nuevo antes de que pudiera alcanzar los rincones más lejanos de la cavidad. Las simulaciones por computadora, que rastreaban el movimiento del frente del caucho, coincidieron con los experimentos físicos con alta precisión, prediciendo los lugares exactos donde el caucho dejaba de fluir. Esto confirmó que, para este material y forma específicos, un molde más frío permite que el caucho viaje más lejos antes de asentarse.

Más allá de la temperatura, los investigadores también investigaron cómo la velocidad de la inyección afecta la forma final de la capa de caucho. Compararon un método estándar, donde el caucho se introduce a una velocidad constante, contra un enfoque "graduado", donde la velocidad de inyección comienza rápida y luego disminuye en etapas. El método de velocidad constante creó una alta presión dentro del molde y resultó en un recubrimiento de caucho muy desigual; en un lado del aislador, el caucho tenía casi nueve milímetros de espesor, mientras que en el otro lado, tenía solo unos tres milímetros. Este desequilibrio ocurre porque la presión constante obliga al caucho a filtrarse en los huecos de manera desigual a medida que se endurece. Cuando el equipo cambió a la inyección graduada, ralentizando el flujo a medida que el molde se llenaba, la presión disminuyó significamente. El resultado fue una capa de caucho mucho más uniforme, con la diferencia de espesor entre los dos lados reduciéndose en casi un 77 por ciento. El método graduado también redujo la presión máxima que la máquina necesitaba aplicar en aproximadamente un 8.5 por ciento y la fuerza requerida para mantener el molde cerrado en casi un 16 por ciento.

Estos hallazgos ofrecen un camino claro hacia adelante para la fabricación de estos componentes críticos de energía. El estudio demuestra que simplemente aumentar el calor no es la solución para llenar moldes complejos; en su lugar, controlar la temperatura para ralentizar la reacción de endurecimiento es la clave. Además, reducir la velocidad de inyección a medida que el molde se llena permite que el caucho se asiente de manera más uniforme, reduciendo el estrés en la maquinaria y asegurando una capa protectora constante. Al combinar mediciones precisas del material con modelos computacionales y pruebas del mundo real, los investigadores proporcionaron una guía fiable para los ingenieros. Demostraron que, al gestionar cuidadosamente el calor y la tasa de flujo, es posible crear aisladores híbridos que estén completamente llenos, sean estructuralmente sólidos y tengan un recubrimiento uniforme, asegurando que la red eléctrica permanezca resiliente ante los elementos.

Resumen Técnico: Comportamiento de Llenado y Análisis de Proceso del Moldeo por Inyección de Caucho de Silicona HTV para Aisladores Híbridos de Vidrio

Planteamiento del Problema
Los aisladores híbridos de vidrio, que combinan un núcleo de vidrio o porcelana con una cubierta de caucho de silicona vulcanizada a alta temperatura (HTV), son críticos para los sistemas de transmisión de ultra alta tensión que operan en entornos severos. Sin embargo, la fabricación de estos componentes mediante moldeo por inyección de insertos presenta desafíos significativos debido a las cavidades estrechas y no uniformes formadas entre el inserto de vidrio y el molde. El comportamiento de flujo del caucho de silicona HTV está gobernado por una competencia compleja: los efectos térmicos reducen la viscosidad para facilitar el flujo, mientras que los efectos de curado aumentan la viscosidad, lo que puede detener el flujo antes de que la cavidad se llene. Esta interacción a menudo conduce a defectos como llenados incompletos (short shots), acumulación excesiva de presión y espesor de la capa de caucho no uniforme. La literatura actual carece de investigaciones sistemáticas sobre cómo las estrategias de temperatura del molde y de tasa de inyección influyen en estos fenómenos específicos en aplicaciones de sobremoldeo de HTV de gran escala y brecha estrecha.

Metodología
El estudio empleó un enfoque multifacético que combina la caracterización de materiales, simulación numérica y validación experimental a escala real:

Caracterización de Materiales: Se realizaron pruebas reológicas, de Presión–Volumen–Temperatura (PVT) y de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) en el caucho de silicona HTV DL-SRF-04 para determinar el comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento, la dependencia de la viscosidad de cizallamiento cero con la temperatura y la presión, y la cinética de curado.
Modelado Numérico: Se desarrolló una simulación acoplada de termo–flujo–curado utilizando Autodesk Moldflow Insight. El modelo incorporó la ecuación de estado de Tait, el modelo de Cross para la viscosidad de flujo base y el modelo de Kamal–Sourour para la cinética de curado. Crucialmente, el modelo contabilizó el crecimiento de la viscosidad inducido por el curado, el cual se activa cuando la temperatura local supera un umbral característico dependiente de la presión ( $T_\eta$ ).
Validación Experimental: Se realizaron experimentos de moldeo por inyección de insertos a escala completa en un aislador de vidrio híbrido de 160 kN utilizando una máquina de 160 kN. El estudio comparó las predicciones de la simulación frente a especímenes físicos bajo diversas temperaturas de molde (140, 160 y 180 °C) y dos estrategias de inyección: velocidad constante e inyección graduada (reducción escalonada de la tasa de flujo).

Contribuciones Clave

Parametrización de un Modelo Acoplado: El estudio integró con éxito parámetros de reología, PVT y cinética de curado derivados experimentalmente en un marco numérico capaz de predecir los efectos competitivos de la reducción de viscosidad térmica y el crecimiento de la viscosidad inducido por el curado.
Mecanismo de Llenados Incompletos (Short-Shots): La investigación elucida que en el moldeo de HTV de brecha estrecha, aumentar la temperatura del molde no garantiza un mejor llenado. Por el contrario, temperaturas más altas aceleran el curado, lo que aumenta la viscosidad y la resistencia al flujo más rápido de lo que el adelgazamiento térmico puede compensar, provocando un cese prematuro del flujo.
Optimización del Proceso mediante Inyección Graduada: El artículo demuestra que una reducción escalonada en la tasa de inyección (inyección graduada) durante la etapa final de llenado mitiga eficazmente los picos de presión y mejora la uniformidad dimensional sin comprometer el volumen total de llenado.

Resultos

Efectos de la Temperatura del Molde: Se logró el llenado completo de la cavidad a 140 °C. Por el contrario, aumentar la temperatura del molde a 160 °C y 180 °C resultó en llenados incompletos, con fracciones de llenado final cayendo a 85.0% y 47.6% (experimental), respectivamente. La simulación predijo estos resultados con errores relativos inferiores al 8%, identificando correctamente las regiones no llenadas en los aisladores distales.
Progresión del Llenado: El análisis de las etapas de llenado reveló que la deceleración del flujo es más pronunciada en el último 25% del volumen de llenado (75–100%) a 140 °C, y que el incremento de masa inyectada cae drásticamente en el último 20% del tiempo de inyección a 160 °C, indicando el inicio de una restricción de flujo severa.
Impacto de la Estrategia de Inyección: En comparación con la inyección de velocidad constante, la inyección graduada (reduciendo las tasas de 49 a 19 mL·s⁻¹ en cuatro etapas) produjo mejoras significativas:
- La presión máxima de inyección se redujo en un 8.5% (de 7.123 a 6.518 MPa).
- La presión de cierre máxima requerida se redujo en un 15.9% (de 7.898 a 6.642 MPa).
- La diferencia de espesor medio entre los puntos de medición P1 y P2 (que representa la no uniformidad de la capa) disminuyó en un 76.9% (de 5.33 mm a 1.23 mm).

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que controlar la temperatura del molde e implementar ajustes en la tasa de inyección escalonada son críticos para mejorar la estabilidad del llenado y la uniformidad dimensional en el moldeo de insertos de caucho de silicona HTV a gran escala. El estudio proporciona una herramienta numérica validada para evaluar los riesgos de llenado incompleto y ofrece una guía práctica para seleccionar temperaturas de molde que equilibren la fluidez frente a la velocidad de curado. Además, establece que la inyección graduada es una estrategia efectiva para reducir las presiones pico y minimizar las variaciones en el espesor de la capa de caucho, mejorando así la estabilidad del proceso de fabricación de aisladores híbridos de vidrio. Los autores señalan modestamente que sus puntos de cambio específicos y perfiles de tasa son para evaluación comparativa más que para un óptimo universal, sugiriendo que el trabajo futuro debería centrarse en establecer criterios generales basados en las respuestas de presión de la cavidad.

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