​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

高電圧の送電線は広大な風景を横切り、何百マイルにもわたって電気を運びます。このエネルギーを安全に保ち、地面へ飛び散ったり停電を引き起こしたりするのを防ぐために、エンジニアは絶縁体に頼っています。ガラスや磁器で作られた従来の絶縁体は非常に強力ですが、空気が汚染物質や氷、あるいは水分で厚くなった場合、危険な電気的フラッシュ（放電）を引き起こすことがあります。これを解決するために、現代のエンジニアはしばしばハイブリッド設計を採用します。それは、強度のための頑丈なガラスの芯を、シリコーンゴムの保護シェルで包み込んだものです。このゴムのシェルは水を弾き、汚れに耐えるため、過酷な天候下でも電力を流し続けることができます。しかし、これらのハイブリッド部品を製造することは、非常に繊細なバランス調整を伴います。そのプロセスには、金型の中でガラスの芯の周囲に熱い液状のシリコーンゴムを注入することが含まれます。もしゴムの流れが遅すぎると、硬化する前に隅々まで到達できず、隙間が生じる可能性があります。もし流れが速すぎたり、金型が熱すぎたりすると、部品が満たされる前にゴムが硬化（キュア）し始め、経路を塞いでしまうかもしれません。このバランスを正しく取ることが、信頼性が高く安全な電力インフラを構築するために不可欠です。

中国の南昌大学の研究者たちは、この充填プロセスが特定の大型コンポーネント、すなわち160キロニュートンのハイブリッドガラス絶縁体において、具体的にどのように機能するかを理解しようと取り組みました。彼らは、金型の温度と注入速度が最終製品にどのように影響するかを知りたいと考えました。これを行うために、彼らは単に推測するのではなく、まず原料であるシリコーンゴムの物理的特性を測定しました。彼らは、異なる温度と圧力の下で材料がどの程度粘り強く、粘着性があるかをテストし、加熱された際にどのくらいの速さで硬化し始めるかを正確に測定しました。これらの実世界の測定値を用いて、彼らはゴムの流れ、熱の伝達、そして化学的な硬化プロセスを同時に模倣できる詳細なコンピュータシミュレーションを構築しました。その後、彼らは実際の実験を行い、異なる温度で金型にゴムを注入して、実世界の実験結果がデジタル予測と一致するかどうかを確認することで、このコンピュータモデルをテストしました。

研究チームは、この材料を扱う際には直感が誤解を招く可能性があることを発見しました。熱は通常液体をサラサラにするため、金型をより加熱すればゴムがより流れやすくなるという一般的な仮定があります。しかし、彼らの実験は正反対の結果を示しました。金型を140度まで加熱したとき、ゴムはスムーズに流れ、空洞全体を完全に満たしました。しかし、温度を160度または180度に上げると、ゴムは金型を満たすことができず、「ショートショット」と呼ばれる空隙を残しました。その理由は、流れと硬化の間の競争にあります。高い熱は初期段階ではゴムをより薄く（流動性を高く）させますが、同時に硬化プロセスをはるかに速めてしまいます。ゴムが熱い金型の中に置かれると、金型の隅々に到達する前に硬化し、再び厚くなってしまうのです。ゴムの移動前線を追跡したコンピュータシミュレーションは、物理的な実験と高い精度で一致し、ゴムが流れを止める正確な場所を予測しました。これにより、この特定の材料と形状においては、より低い温度の金型の方が、硬化する前にゴムがより遠くまで移動できることが確認されました。

研究者は、温度だけでなく、注入速度がゴム層の最終的な形状にどのように影響するかについても調査しました。彼らは、ゴムを一定の速度で押し込む標準的な方法と、注入速度を段階的に徐々に遅くしていく「段階的」なアプローチを比較しました。一定速度の方法では、金型内に高い圧力が生じ、結果として非常に不均一なゴムのコーティングができました。絶縁体の片側ではゴムの厚さが9ミリ近くある一方で、もう一方の側ではわずか3ミリほどでした。この不均一性は、一定の圧力が硬化する過程でゴムを不均等に隙間に押し込むために起こります。チームが、金型が満たされるにつれて流れを遅くする段階的な注入法に切り替えると、圧力は大幅に低下しました。その結果、ゴムの層ははるかに均一になり、両側の厚さの差はほぼ77パーセント減少しました。段階的な手法は、機械が必要とする最大圧力も約8.5パーセント減少させ、金型を閉じるために必要な力もNearly 16パーセント減少させました。

これらの知見は、これらの重要な電力部品の製造に向けた明確な道筋を示しています。この研究は、複雑な金型を満たすための解決策は単に温度を上げることではなく、代わりに硬化反応を遅らせるために温度を制御することであると証明しています。さらに、金型が満たされるにつれて注入速度を落とすことで、ゴムがより均一に落ち着き、機械へのストレスを軽減し、一貫した保護層を確保できることが示されました。精密な材料測定、コンピュータモデリング、そして実世界のテストを組み合わせることで、研究者たちはエンジニアのための信頼できるガイドを提供しました。彼らは、熱と流量を注意深く管理することで、完全に充填され、構造的に健全で、均一にコーティングされたハイブリッド絶縁体を作成することが可能であり、それによって電力網が自然環境に対して回復力を維持できることを示したのです。