Studiare le particelle e il processo di fabbricazione per incrementare l’accesso a prodotti di alto valore
Un’ampia gamma di settori industriali usano particolati nei loro processi di fabbricazione; tra questi ci sono metalli preziosi, prodotti farmaceutici, prodotti di chimica fina e polvere ceramica. Nelle prime fasi dello sviluppo del prodotto però, determinare prestazioni ottimali per prodotti ad alto valore aggiunto (come i prodotti farmaceutici e catalizzatori), usando sistemi in scala di produzione è impossibile con i metodi sperimentali tradizionali. Questo a causa della quantità necessaria di polveri (>100 kg) che sono costose (>10 000 euro/kg). In assenza di strumenti di modellazione al computer, i ricercatori dovevano affidarsi a sistemi in scala di laboratorio e pilota, con la difficoltà di dover poi ampliare i risultati a livello della produzione. IPROCOM ha associato le discipline di ingegneria chimica, ingegneria dei processi, ingegneria farmaceutica e informatica, per sviluppare modelli di processo in-silico per la compattazione con rullo. Questi prevedono le prestazioni del processo di fabbricazione di varie formulazioni, sulla base di una comprensione completa dell’intero processo di fabbricazione e dei suoi prodotti costituenti. Un approccio sistematico alla fabbricazione ottimizzata La complicata natura del processo di fabbricazione in sé va ad aggiungersi alle sfide di IPROCOM, come riassume il coordinatore del progetto, il prof. Chuan-Yu Wu. “Le polveri subiscono diversi stati di stress e quindi la loro reazione meccanica varia da una fase all’altra del processo. Il team ha dovuto quindi assumere un approccio sistematico, studiando prima le proprietà dei prodotti intermedi (nastri/granuli) e finali (tavolette/pellet/component), sulla base delle proprietà delle singole particelle con determinate condizioni e formulazioni di processo ottimale.” Il team ha studiato le caratteristiche di particelle e polveri. I ricercatori hanno identificato caratteristiche fondamentali del materiale (e cioè le proprietà delle particelle) che dominano le proprietà delle polveri sfuse, accanto allo studio e alla quantificazione delle dinamiche e delle microstrutture delle misture. Hanno analizzato anche l’impatto delle proprietà delle polveri, il tipo di rullo di compattazione e i parametri di processo, sul processo di fabbricazione. Inoltre sono stati studiati gli effetti delle proprietà del nastro e dei meccanismi di lavorazione sulle proprietà dei granuli usando un approccio multiscala. Sono state applicate tecniche di modellazione e computazione, il metodo dell’elemento discreto (DEM) per esempio, è stato usato per studiare i processi di riempimento, mescolatura e immissione delle polveri, oltre ai fenomeni di segregazione, uniformità e velocità di efflusso. IPROCOM ha studiato anche il modo in cui le prestazioni delle polveri nella compattazione con rullo erano influenzate dalle proprietà delle particelle e dalle condizioni del processo. Il metodo dell’elemento finito (finite element method, FEM) ha identificato le proprietà materiali critiche e i parametri di processo che controllano la qualità dei granuli e delle tavolette. Sono state fatte poi previsioni di modellazione di come le proprietà dei granuli e i parametri di processo influenzavano il riempimento, la compattazione e l’espulsione della polvere. IPROCOM ha sviluppato anche un modello di Intelligenza computazionale (IC) che ha permesso di capire meglio la miscelazione della polvere per identificare proprietà critiche delle particelle e variabili critiche del processo, processi di compattazione con rullo e proprietà critiche della polvere; il processo di lavorazione del nastro e la compattazione in dado per identificare proprietà dei materiali e condizioni del processo. Sfruttare le formule vincenti Come spiega il prof. Wu, “IPROCOM ha permesso la valutazione di una varietà di tecniche di lavorazione, identificando quelle che si adattano meglio alle principali reazioni meccaniche della polvere durante il processo di fabbricazione.” Il progetto ha sottolineato l’importanza della progettazione del processo di controllo nella compattazione con rullo e grazie a questo LB Bohle (un partner associato) ha già migliorato significativamente le prestazioni. L’approccio combinato DEM e FEM ha, per la prima volta, rivelato i meccanismi sottostanti per la variazione della densità del nastro, che si possono usare per prevedere con precisione il processo di compattazione con rullo. Inoltre poiché i modelli di intelligenza computazionale sono stati sviluppati per essere di natura generica, essi hanno grandi potenzialità per applicazioni più ampie (per es. rilascio di farmaci e fabbricazione continua). Riducendo i costi di sviluppo di prodotti ad alto valore, e quindi in definitiva il prezzo di mercato, IPROCOM aiuta a rendere i prodotti più accessibili per i cittadini dell’UE. Come dice il prof. Wu, “Questo potrebbe avere un notevole beneficio per la salute e il benessere se applicato ai prodotti farmaceutici, perché le aziende potrebbero mettere a disposizione le medicine più velocemente e a costi più bassi.”
Parole chiave
IPROCOM, fabbricazione, ingegneria chimica, modellizzazione al computer, compattazione, particolati, ingegneria di processo, ingegneria farmaceutica, processo in silico, prodotti di alto valore
