Erforschung von Partikeln und Fertigungsprozessen für besseren Zugang zu hochwertigen Produkten
Ein breites Spektrum von Industriezweigen nutzt in ihren Fertigungsprozessen Materialien in Partikelform. Dazu zählen Edelmetalle, Pharmazeutika, Feinchemikalien und keramische Pulver. In den Frühphasen der Produktentwicklung ist jedoch die Feststellung optimaler Funktionseigenschaften für Produkte mit hohem Mehrwert (wie etwa Pharmazeutika und Katalysatoren) unter Einsatz von Systemen im Produktionsmaßstab mit konventionellen experimentellen Ansätzen nicht möglich. Das liegt an der erforderlichen Menge an zuzuführendem Pulver (> 100 kg), die recht kostenintensiv ist (> 10 000 EUR pro kg). Bei fehlenden Instrumenten zur Computermodellierung mussten Forscher auf Systeme im Labor- und Pilotmaßstab zurückgreifen, und die Aufgabe bewältigen, diese in den Produktionsmaßstab zu übertragen. IPROCOM kombinierte die Disziplinen chemische Verfahrenstechnik, Verfahrenstechnik, Pharmatechnik und Informatik, um In-Silico-Prozessmodelle für Walzenverdichtung zu entwickeln. Diese sagen die Fertigungsprozessleistung verschiedener Formulierungen auf Grundlage des gründlichen Verständnisses des gesamten Herstellungsprozesses und seiner einzelnen Bestandteile voraus. Systematischer Ansatz für optimierte Fertigung Die komplizierte Beschaffenheit des Fertigungsprozesses an sich verschärfte zudem die Herausforderung für IPROCOM deutlich, wie Projektkoordinator Professor Chuan-Yu Wu zusammenfasst. „Pulver nehmen verschiedene Spannungszustände an und damit variiert ihre mechanische Reaktion von Prozessstufe zu Prozessstufe. Das Team musste daher einem systematischen Ansatz folgen, indem man zunächst die Eigenschaften von Zwischenprodukten (Bändern/Granulaten) und Endprodukten (Tabletten/ Pellets/Komponenten) auf Grundlage der Eigenschaften einzelner Partikel mit identifizierten optimalen Prozessbedingungen und -rezepturen untersuchte.“ Das Team erforschte die Eigenschaften von Partikeln und Pulvern. Man ermittelte neben der Untersuchung und Quantifizierung der Dynamik und Mikrostrukturen von Mischungen auch kritische Materialattribute (d. h. Partikeleigenschaften), welche die Eigenschaften von Pulver in Reinform dominieren. Sie analysierten außerdem die Auswirkungen von Pulvereigenschaften, Walzenverdichtertyp und Prozessparametern auf den Fertigungsprozess. Des Weiteren wurde unter Einsatz eines Multiskalenansatzes die Wirkung von Bandeigenschaften und Fräsmechanismen auf Granulateigenschaften untersucht. Es wurden Modellierungs- und Berechnungsverfahren angewendet, wobei das DEM-Verfahren (diskrete Elemente) dazu genutzt wurde, um die Pulverfüll-, Misch- und Zuführungsprozesse zusammen mit Entmischungsphänomenen, Einheitlichkeit und Strömungsgeschwindigkeit zu untersuchen. IPROCOM erkundete gleichermaßen, wie die Funktionseigenschaften des Pulvers bei der Walzenverdichtung durch Partikeleigenschaften und Prozessbedingungen beeinflusst wurden. Mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) ermittelte man kritische Materialeigenschaften und Prozessparameter, welche die Granulat- und Tablettenqualität steuern. Im Folgenden wurden Modellierungsvorhersagen darüber getroffen, auf welche Weise Granulateigenschaften und Prozessparameter die Formfüllung, Pulververdichtung und den Auswurf beeinflusst haben. IPROCOM hat zudem ein Computational Intelligence-Modell (CI) entwickelt, welche das Verständnis des Pulvermischens, um kritische Partikeleigenschaften und Prozessvariablen zu ermitteln, von Walzenverdichtungsprozessen und kritischen Pulvereigenschaften, des Bandfräsverfahrens und der Verdichtung erweitert hat, um kritische Materialeigenschaften und Prozessbedingungen zu identifizieren. Siegerrezepturen und wie man sie gewinnt Wie Professor Wu erklärt, hat „IPROCOM die Bewertung einer Mannigfaltigkeit von Verarbeitungsverfahren ermöglicht und diejenigen ermittelt, die am besten auf dominante mechanische Pulverreaktionen während des Fertigungsprozesses abgestimmt sind.“ Das Projekt unterstrich die Bedeutung des Prozesssteuerungsdesigns bei der Walzenverdichtung und resultierte bei LB Bohle (einem assoziierten Partner) bereits in einer deutlichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit. Der kombinierte DEM- und FEM-Modellierungsansatz hat hier erstmals die zugrundeliegenden Mechanismen der Banddichtevariation zutage gebracht, die zur genauen Vorhersage des Walzenverdichtungsprozesses angewandt werden kann. Da die Computational Intelligence-Modelle in exemplarischer Form entwickelt wurden, verfügen sie zusätzlich über ein großes Potenzial auf weiterführende Anwendungen (z. B. Wirkstofffreisetzung und kontinuierliche Fertigung). Durch reduzierte Entwicklungskosten für hochwertige Produkte und damit im Endeffekt reduzierte Marktpreises trägt IPROCOM dazu bei, Produkte für EU-Bürgerinnen und Bürger besser zugänglich zu machen. Professor Wu dazu: „Das Ganze könnte in der Anwendung auf Pharmazeutika einen ausgesprochenen Nutzen für Gesundheit und Wohlbefinden haben, wobei die Unternehmen neue Medikamente dann schneller und kostengünstiger zur Verfügung stellen können.“
Schlüsselbegriffe
IPROCOM, Fertigung, chemische Verfahrenstechnik, Computermodellierung, Verdichtung, Partikel, Feinstaub, Verfahrenstechnik, Pharmatechnik, In-Silico-Prozess, computergestützt simulierter Prozess, hochwertige Produkte