Elastoplastisches Multikontaktmodell für die DEM-Simulation von Kompaktierungs- und Tablettierungsprozessen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Carsten Schilde
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461773986

Ziel des vorliegenden Projekts ist die Weiterentwicklung und Validierung eines neuen elastisch-plastischen Multikontaktmodells für die Diskrete-Elemente-Methode-Simulation (DEM) der Kompaktierung und Tablettierung, z.B. von pharmazeutischen Pulvern, zur besseren Vorhersage der mikro- und makromechanischen Eigenschaften. Die hohen plastischen Partikelverformungen ebenso wie die geringen Porositäten sind bislang Herausforderungen, die verhindern, dass die DEM als Standardwerkzeug für die Auslegung von Prozess- und Formulierungsauslegung bei der Tablettierung, bzw. Kompaktierung, eingesetzt wird. Ein Multikontaktmodell für die DEM wurde bereits bei dem Antragsteller für überwiegend elastische Verformung und mittlere Kompaktierungsgrade etabliert und erfolgreich getestet. Um industriell relevante Prozesse wie die Pulverkompaktierung und Tablettierung abbilden zu können, muss allerdings die plastische Verformung des Materials sowie die Änderung in den Kontaktflächen unter hoher Kompressionsspannung zusätzlich erfasst und in das bestehende Modell implementiert werden. Ziel ist es dabei das Multikontakt-Kontaktmodells auf der Grundlage mechanistischer Abhängigkeiten zu modellieren und mit experimentellen Daten zu kalibrieren, bzw. zu validieren.Um dies zu realisieren, soll in der Anfangsphase eine geringe Anzahl von Partikeln in einem Mikrocomputertomographen (µCT) komprimiert werden. Anschließend werden die Experimente hinsichtlich struktureller Größen analysiert, um dann in Kombination mit den Simulationsmethoden Finite-Elemente-Methode (FEM) und Diskrete-Elemente-Methode (DEM) die Veränderung mikrostruktureller Kenngrößen und deren Einfluss auf die Kontaktkräfte systematisch zu untersuchen. Über eine automatische Teilmodellbewertung, Modellentwicklung und Parametrisierung mittels eines genetischen Algorithmus sollen zudem weitere komplexe physikalische Abhängigkeiten identifiziert und in das neue Kontaktmodell integriert werden. Die Validierung und abschließende Anpassung des Multikontakmodells erfolgt dann anhand der Simulation und experimentellen Untersuchung der Kompaktierung der verwendeten Modellsysteme in einem messtechnisch vollausgestatteten „Compaction Simulator“.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Jan Henrik Finke