​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

고전압 송전선은 광활한 풍경을 가로지르며 수백 마일에 걸쳐 전기를 운반합니다. 이 에너지를 안전하게 유지하고 지면으로 튀거나 정전을 일으키는 것을 방지하기 위해, 엔지니어들은 절연체에 의존합니다. 유리나 자기로 만든 전통적인 절연체는 매우 튼튼하지만, 공기가 오염물질, 얼음 또는 습기로 인해 두꺼워질 때 어려움을 겪으며, 이는 위험한 전기 플래시(flash)로 이어질 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 현대의 엔지니어들은 종종 하이브리드 설계를 사용합니다. 강도를 위한 튼튼한 유리 코어를 실리콘 고무 보호 껍질로 감싸는 방식입니다. 이 고무 껍질은 물을 밀어내고 먼지에 저항하여, 가혹한 날씨 속에서도 전력이 계속 흐를 수 있도록 유지합니다. 그러나 이러한 하이브리드 부품을 제조하는 것은 섬세한 균형 잡기입니다. 이 과정은 금형 내부의 유리 코어 주변으로 뜨거운 액상 실리콘 고무를 주입하는 과정을 포함합니다. 만약 고무가 너무 느리게 흐르면, 굳기 전에 모든 구석에 도달하지 못해 틈이 생길 수 있습니다. 반대로 고무가 너무 빨리 흐르거나 금형이 너무 뜨거우면, 부품이 다 채워지기도 전에 고무가 경화(hardening), 즉 굳기 시작하여 경로를 막아버릴 수 있습니다. 이 균형을 맞추는 것은 신뢰할 수 있고 안전한 전력 인프라를 만드는 데 필수적입니다.

중국 난창 대학교의 연구진은 이 특정 대규모 부품인 160킬로뉴턴 하이브리드 유리 절연체의 충전 과정이 정확히 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 금형의 온도와 주입 속도가 최종 제품에 어떤 영향을 미치는지 알아보고 싶었습니다. 이를 위해 그들은 단순히 추측하는 대신, 먼저 원료 실리콘 고무의 물리적 특성을 측정했습니다. 그들은 다양한 온도와 압력에서 재료가 얼마나 걸쭉하고 끈적이는지 테스트했으며, 열을 가했을 때 정확히 언제 굳기 시작하는지를 측정했습니다. 이러한 실제 측정값을 사용하여, 그들은 고무의 흐름, 열 전달, 그리고 화학적 경화 과정을 동시에 모사할 수 있는 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 구축했습니다. 그런 다음, 그들은 실제 실험을 통해 컴퓨터 모델을 테스트했는데, 서로 다른 온도로 고무를 금형에 주입하여 실제 결과가 디지털 예측과 일치하는지 확인했습니다.

연구팀은 이 재료를 다룰 때 직관이 오해를 불러일으킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 열이 액체를 더 묽게 만들기 때문에 금형을 더 가열하면 고무가 더 잘 흐를 것이라는 일반적인 가정이 있을 수 있습니다. 그러나 그들의 실험은 정반대의 결과를 보여주었습니다. 금형을 섭씨 140도로 가열했을 때, 고무는 매끄럽게 흘러 전체 공동(cavity)을 완전히 채웠습니다. 하지만 온도를 160도 또는 180도로 높였을 때, 고무는 공동을 채우지 못하고 '숏 샷(short shots)'이라 불리는 빈 공간을 남겼습니다. 그 이유는 흐름과 경화 사이의 경주에 있습니다. 높은 열이 초기에 고무를 더 묽게 만들기는 하지만, 동시에 경화 과정을 훨씬 더 빠르게 촉도했습니다. 고-온의 금형 안에 놓인 고무는 멀리 떨어진 구석까지 도달하기도 전에 경화되어 다시 두꺼워지기 시작했습니다. 고무의 이동 전선을 추적한 컴퓨터 시뮬레이션은 물리적 실험과 높은 정확도로 일치했으며, 고무의 흐름이 멈추는 정확한 위치를 예측했습니다. 이는 이 특정 재료와 형상에 대해, 더 낮은 온도의 금형이 고무가 굳기 전 더 멀리 이동할 수 있게 해준다는 것을 확인시켜 주었습니다.

연구진은 온도 외에도 주입 속도가 고무 층의 최종 형태에 어떻게 영향을 미치는지 조사했습니다. 그들은 고무를 일정한 속도로 밀어 넣는 표준 방식과, 주입 속도를 빠르게 시작하여 단계적으로 늦추는 '등급형(graded)' 접근 방식을 비교했습니다. 일정한 속도 방식은 금형 내부에 높은 압력을 생성하여 매우 불균일한 고무 코팅을 만들었습니다. 절연체의 한쪽 면에서는 고무 두께가 거의 9밀리미터였던 반면, 반대쪽은 약 3밀리미터에 불과했습니다. 이러한 불균일성은 일정한 압력이 고무가 굳어감에 따라 틈새로 불균형하게 짜여 들어가게 만들기 때문에 발생합니다. 연구팀이 금형이 채워짐에 따라 흐름을 늦추는 등급형 주입 방식으로 전환했을 때, 압력은 크게 감소했습니다. 그 결과, 양쪽의 두께 차이가 거의 77% 줄어들 정도로 훨씬 더 균일한 고무 층이 만들어졌습니다. 등급형 방식은 또한 기계가 가해야 하는 최대 압력을 약 8.5% 줄였고, 금형을 닫는 데 필요한 힘을 거의 16% 감소시켰습니다.

이러한 발견은 이 중요한 전력 부품을 제조하기 위한 명확한 경로를 제시합니다. 이 연구는 복잡한 금형을 채우기 위해 단순히 온도를 높이는 것이 해결책이 아니며, 대신 경화 반응을 늦추기 위해 온도를 제어하는 것이 핵심임을 입증합니다. 또한, 금형이 채워짐에 따라 주입 속도를 늦추면 고무가 더 고르게 자리 잡을 수 있어, 기계에 가해지는 스트레스를 줄이고 일관된 보호층을 보장할 수 있습니다. 연구진은 정밀한 재료 측정과 컴퓨터 모델링, 그리고 실제 테스트를 결합함으로써 엔지니어들에게 신뢰할 수 있는 가이드를 제공했습니다. 그들은 열과 유량(flow rate)을 세심하게 관리함으로써, 완전히 채워지고 구조적으로 견고하며 균일하게 코팅된 하이브리드 절연체를 만드는 것이 가능하다는 것을 보여주었으며, 이를 통해 전력망이 자연 요소에 대해 탄력성을 유지할 수 있도록 했습니다.