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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 estudo demonstra que a otimização da temperatura do molde e o emprego de estratégias de injeção graduada melhoram significativamente a estabilidade de preenchimento e a uniformidade dimensional na moldagem por injeção de insertos de borracha de silicone vulcanizada de alta temperatura para isoladores de vidro híbridos, conforme validado por simulações acopladas de termo-fluxo-cura e resultados experimentais.

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

Publicado 2026-09-03

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CC BY 4.0

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

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Linhas de alta tensão estendem-se por vastas paisagens, transportando eletricidade por centenas de milhas. Para manter essa energia segura e evitar que ela salte para o solo ou cause interrupções, engenheiros dependem de isoladores. Os isoladores tradicionais feitos de vidro ou porcelana são incrivelmente fortes, mas têm dificuldade quando o ar está espesso com poluição, gelo ou umidade, o que pode levar a descargas elétricas perigosas. Para resolver isso, engenheiros modernos frequentemente utilizam um design híbrido: um núcleo de vidro resistente para força, envolto por uma camada protetora de borracha de silicone. Essa camada de borracha repele a água e resiste à sujeira, mantendo a energia fluindo mesmo em condições climáticas adversas. No entanto, fabricar essas peças híbridas é um delicado ato de equilíbrio. O processo envolve a injeção de borracha de silicone líquida e quente ao redor do núcleo de vidro dentro de um molde. Se a borracha fluir muito lentamente, pode não alcançar todos os cantos antes de endurecer, deixando lacunas. Se fluir rápido demais ou se o molde estiver quente demais, a borracha pode começar a curar, ou endurecer, rápido demais, obstruindo o caminho antes que a peça esteja completa. Acertar esse equilíbrio é essencial para criar uma infraestrutura de energia confiável e segura.

Pesquisadores da Universidade de Nanchang, na China, dedicaram-se a entender exatamente como funciona esse processo de preenchimento para um componente específico e de grande escala: um isolador de vidro híbrido de 160 quilonewtons. Eles queriam ver como a temperatura do molde e a velocidade da injeção afetavam o produto final. Para fazer isso, eles não apenas adivinharam; primeiro mediram as propriedades físicas da borracha de silicone bruta. Eles testaram o quão espessa e viscosa a matéria era em diferentes temperaturas e pressões, e mediram exatamente quão rápido ela começava a endurecer quando aquecida. Usando essas medições do mundo real, construíram uma simulação computacional detalhada que poderia imitar o fluxo da borracha, a transferência de calor e o processo químico de endurecimento, tudo ao mesmo tempo. Eles então testaram seu modelo computacional realizando experimentos reais, injetando a borracha em moldes em diferentes temperaturas para ver se os resultados do mundo real coincidiam com suas previsões digitais.

A equipe descobriu que a intuição pode ser enganosa ao lidar com este material. Uma suposição comum poderia ser que aquecer mais o molde faria a borracha fluir melhor, já que o calor geralmente torna os líquidos mais fluidos. No entanto, seus experimentos mostraram o oposto. Quando aqueceram o molde a 140 graus Celsius, a borracha fluiu suavemente e preencheu toda a cavidade completamente. Mas quando aumentaram a temperatura para 160 ou 180 graus Celsius, a borracha falhou em preencher o molde, deixando espaços vazios conhecidos como "falhas de preenchimento" (short shots). A razão reside na corrida entre o fluxo e o endurecimento. Embora o calor mais alto tenha tornado a borracha mais fluida inicialmente, ele também desencadeou o processo de endurecimento muito mais rápido. Enquanto a borracha estava no molde quente, ela começou a curar e engrossar novamente antes de alcançar os cantos distantes da cavidade. As simulações computacionais, que rastreavam o movimento da frente da borracha, coincidiram com os experimentos físicos com alta precisão, prevendo os locais exatos onde a borracha parava de fluir. Isso confirmou que, para este material e formato específicos, um molde mais frio permite que a borracha viaje mais longe antes de se estabilizar.

Além da temperatura, os pesquisadores também investigaram como a velocidade da injeção afeta a forma final da camada de borracha. Eles compararam um método padrão, onde a borracha é empurrada a uma velocidade constante, contra uma abordagem "graduada", onde a velocidade de injeção começa rápida e depois diminui em etapas. O método de velocidade constante criou alta pressão dentro do molde e resultou em um revestimento de borracha muito irregular; em um lado do isolador, a borracha tinha quase nove milímetros de espessura, enquanto no outro lado, tinha apenas cerca de três milímetros. Essa irregularidade acontece porque a pressão constante força a borracha a se espremer nos vãos de forma desigual conforme endurece. Quando a equipe mudou para a injeção graduada, diminuindo o fluxo conforme o molde era preenchido, a pressão caiu significamente. O resultado foi uma camada de borracha muito mais uniforme, com a diferença de espessura entre os dois lados diminuindo em quase 77 por cento. O método graduado também reduziu a pressão máxima que a máquina precisava aplicar em cerca de 8,5 por cento e a força necessária para manter o molde fechado em quase 16 por cento.

Essas descobertas oferecem um caminho claro para a fabricação desses componentes críticos de energia. O estudo demonstra que simplesmente aumentar o calor não é a solução para preencher moldes complexos; em vez disso, controlar a temperatura para retardar a reação de endurecimento é a chave. Além disso, diminuir a velocidade de injeção conforme o molde é preenchido permite que a borracha se acomode de forma mais uniforme, reduzindo o estresse nas máquinas e garantindo uma camada protetora consistente. Ao combinar medições precisas de materiais com modelagem computacional e testes do mundo real, os pesquisadores forneceram um guia confiável para engenheiros. Eles mostraram que, ao gerenciar cuidadosamente o calor e a taxa de fluxo, é possível criar isoladores híbridos totalmente preenchidos, estruturalmente sólidos e uniformemente revestidos, garantindo que a rede elétrica permaneça resiliente contra os elementos.

Resumo Técnico: Comportamento de Preenchimento e Análise de Processo da Moldagem por Injeção de Borracha de Silicone HTV para Isoladores de Vidro Híbridos

Definição do Problema
Isoladores de vidro híbridos, que combinam um núcleo de vidro ou porcelana com uma cobertura de borracha de silicone vulcanizada em alta temperatura (HTV), são críticos para sistemas de transmissão de ultra-alta tensão operando em ambientes severos. No entanto, a fabricação desses componentes via moldagem por injeção de inserto apresenta desafios significativos devido às cavidades estreitas e não uniformes formadas entre o inserto de vidro e o molde. O comportamento de fluxo da borracha de silicone HTV é governado por uma competição complexa: efeitos térmicos reduzem a viscosidade para facilitar o fluxo, enquanto efeitos de cura aumentam a viscosidade, potencialmente interrompendo o fluxo antes que a cavidade seja preenchida. Esse acoplamento frequentemente leva a defeitos como short shots (preenchimento incompleto), aumento excessivo de pressão e espessura não uniforme da camada de borracha. A literatura atual carece de investigações sistemáticas sobre como as estratégias de temperatura do molde e taxa de injeção influenciam esses fenômenos específicos em aplicações de sobremoldagem HTV de grande escala e fendas estreitas.

Metodologia
O estudo empregou uma abordagem multifacetada combinando caracterização de materiais, simulação numérica e validação experimental em escala real:

Caracterização de Materiais: Testes reológicos, de Pressão-Volume-Temperatura (PVT) e de Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) foram realizados na borracha de silicone HTV DL-SRF-04 para determinar o comportamento de afinamento por cisalhamento (shear-thinning), a dependência da viscosidade de cisalhamento zero em relação à temperatura e pressão, e a cinética de cura.
Modelagem Numérica: Uma simulação acoplada termo-fluxo-cura foi desenvolvida utilizando o Autodesk Moldflow Insight. O modelo incorporou a equação de estado de Tait, o modelo Cross para a viscosidade de fluxo base e o modelo de Kamal–Sourour para a cinética de cura. Crucialmente, o modelo considerou o crescimento da viscosidade induzido pela cura, ativado quando a temperatura local excedia um limiar característico dependente da pressão ( $T_\eta$ ).
Validação Experimental: Experimentos de moldagem por injeção de inserto em escala real foram realizados em um isolador de vidro híbrido de 160 kN usando uma máquina de 160 kN. O estudo comparou as previsões da simulação com espécimes físicos sob variadas temperaturas de molde (140, 160 e 180 °C) e duas estratégias de injeção: velocidade constante e injeção graduada (redução em estágios na taxa de fluxo).

Principais Contribuições

Parametrização de um Modelo Acoplado: O estudo parametrizou com sucesso parâmetros de reologia, PVT e cinética de cura derivados experimentalmente em uma estrutura numérica capaz de prever os efeitos conflitantes da redução de viscosidade térmica e do crescimento da viscosidade induzido pela cura.
Mecanismo de Short-Shots: A pesquisa elucida que, na moldagem HTV de fenda estreita, aumentar a temperatura do molde não garante um melhor preenchimento. Em vez disso, temperaturas mais altas aceleram a cura, o que aumenta a viscosidade e a resistência ao fluxo mais rapidamente do que o afinamento térmico pode compensar, levando à interrupção prematura do fluxo.
Otimização de Processo via Injeção Graduada: O artigo demonstra que uma redução em estágios na taxa de injeção (injeção graduada) durante a fase final de preenchimento mitiga eficazmente os picos de pressão e melhora a uniformidade dimensional sem comprometer o volume total de preenchimento.

Resultados

Efeitos da Temperatura do Molde: O preenchimento completo da cavidade foi alcançado a 140 °C. Por outro lado, o aumento da temperatura do molde para 160 °C e 180 °C resultou em short shots, com as frações finais de preenchimento caindo para 85,0% e 47,6% (experimental), respectivamente. A simulação previu esses resultados com erros relativos abaixo de 8%, identificando corretamente as regiões não preenchidas nos sheds distais.
Progressão do Preenchimento: A análise das etapas de preenchimento revelou que a desaceleração do fluxo é mais pronunciada nos últimos 25% do volume de preenchimento (75–100%) a 140 °C, e que o incremento de massa injetada cai drasticamente nos últimos 20% do tempo de injeção a 160 °C, indicando o início de uma severa restrição de fluxo.
Impacto da Estratégia de Injeção: Comparada à injeção de velocidade constante, a injeção graduada (reduzindo as taxas de 49 para 19 mL·s⁻¹ em quatro estágios) rendeu melhorias significativas:
- A pressão máxima de injeção foi reduzida em 8,5% (de 7,123 para 6,518 MPa).
- A pressão máxima de fechamento necessária foi reduzida em 15,9% (de 7,898 para 6,642 MPa).
- A diferença média de espessura entre os pontos de medição P1 e P2 (representando a não uniformidade da camada) diminuiu em 76,9% (de 5,33 mm para 1,23 mm).

Significância e Alegações
Os autores afirmam que o controle da temperatura do molde e a implementação de ajustes na taxa de injeção em estágios são críticos para melhorar a estabilidade de preenchimento e a uniformidade dimensional na moldagem de grande escala de borracha de silicone HTV para insertos. O estudo fornece uma ferramenta numérica validada para avaliar riscos de short-shot e oferece orientação prática para a seleção de temperaturas de molde que equilibram a fluidez versus a velocidade de cura. Além disso, estabelece que a injeção graduada é uma estratégia eficaz para reduzir os picos de pressão e minimizar as variações de espessura da camada de borracha, aumentando assim a estabilidade do processo de fabricação de isoladores de vidro híbridos. Os autores observam modestamente que seus pontos de mudança específicos e perfis de taxa são para avaliação comparativa e não um ótimo universal, sugerindo que trabalhos futuros devem focar no estabelecimento de critérios de mudança gerais baseados nas respostas de pressão da cavidade.

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