DE19502596A1

DE19502596A1 - Verfahren zur Erstellung eines Kraft-Weg-Diagramms der Preßstempel einer Rundläufer-Tablettenpresse

Info

Publication number: DE19502596A1
Application number: DE19502596A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Hinzpeter; Ingo Schmidt; Hans-Joachim Dipl Ing Pierags
Original assignee: Wilhelm Fette GmbH
Current assignee: Fette GmbH
Priority date: 1995-01-28
Filing date: 1995-01-28
Publication date: 1996-08-14
Anticipated expiration: 2015-01-29
Also published as: US5699273A; DE59601573D1; DE19502596C2; JP3713639B2; JPH08276127A; EP0723858A1; EP0723858B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erstel lung eines Kraft-Weg-Diagramms der Preßstempel einer Rund läufer-Tablettenpresse nach dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.

Bekanntlich ist der Rotor einer Rundläufer-Tablettenpresse mit einer Anzahl von Ober- und Unterstempeln bestückt, wo bei während einer Rotorumdrehung jeder Stempel an bestimm ten Positionen des Umfangs (Preßstationen) einer vertika len Bewegung und der damit verbundenen Krafteinwirkung unterliegt. Neben einer Vorpreßstation und einer Haupt preßstation ist eine Auswerferstation hierbei in Betracht zu ziehen.

Je nach Zusammensetzung der zu verpressenden Tabletten ist eine vorgegebene Preßkraft einzuhalten. Sie wird zumeist mit Hilfe von stationären Druckrollen auf die Köpfe der Preßstempel aufgebracht.

Aus der EP 0 431 269 ist bekanntgeworden, bei einer derar tigen Tablettiermaschine die maximalen Preßkräfte an den Preßstempeln zu überwachen. Die Überwachung der Preßkräfte erfolgt, um Fehler festzustellen und schlechte Tabletten rechtzeitig aussortieren zu können. Die Überwachung er folgt auch, um Belege über die Güte der hergestellten Tabletten fortlaufend erstellen zu können. Bei dem bekann ten Verfahren wird die mit den Preßstempeln umlaufende Matrizenscheibe in ihrer Stellung ständig über einen Win kelimpulsgeber überwacht. Ein Rechner koordiniert die angegebenen maximalen Impulse mit den Preßkraftwerten. Den Druckrollen in den Preßstationen ist zum Beispiel eine Kraftmeßdose zugeordnet. Die zentrierte Stellung eines Preßstempelpaares im Bereich eines Druckrollenpaares de finiert zum Beispiel den Nullpunkt, von dem ab die Impulse des Winkelimpulsgebers gezählt werden, wobei entsprechend der Teilung der Matrizenscheibe eine bestimmte Anzahl von Winkelimpulsen die Position des nächsten Preßstempelpaares zentriert zum Druckrollenpaar vorgibt. Auf diese Weise läßt sich für alle Preßstempelpaare einer Tablettierpresse die maximale Preßkraft ermitteln.

Aus vielerlei Gründen ist wünschenswert, die Kompressions charakteristik von Preßmassen zu ermitteln. Hierfür ist vor allen Dingen das Kraft-Weg-Diagramm von herausragender Bedeutung. Physikalisch gesehen beschreibt das Kraft-Weg-Dia gramm den quantitativen Energieverlauf während der Ta blettierung. Mit Hilfe der Kompressionscharakteristik las sen sich Schlüsse ziehen auf die Verpreßbarkeit bestimmter Substanzen und die Eigenschaften der Tablette. Die Ver preßbarkeit wird wesentlich bestimmt durch Druckhaltezeit, Granulatzustand (Feuchte, Korngrößenverteilung), Schütt volumen, Gleitmittel usw. Zu den Tabletteneigenschaften gehören Masse der Tablette, Zerfallzeit, Wirkstofffrei gabe, Abrieb usw.

Bisher war es nur im Galenikbereich mit speziell ausgerü steten Forschungspressen möglich, unter Anwendung des Kraft-Weg-Diagramms die Verpreßbarkeit der zu verpressenden Substanzen zu beurteilen. Zu diesem Zweck wurde die For schungspresse mit einer Kraftmeßeinrichtung und einer Stempelwegmeßeinrichtung ausgestattet. Dies läßt sich an einer Exzenterpresse relativ einfach bewerkstelligen. Die Installation von Wegmeßeinrichtungen an Rundläuferpressen, wie sie auch in der Entwicklung inzwischen eingesetzt wer den, ist aufwendig. Die Meßwertübertragung ist nur über Schleifringe oder berührungslos mit einer entsprechenden Sendeeinrichtung möglich. Für eine Produktionsmaschine ist ein derartiger Aufwand nicht vertretbar.

Es ist zwar möglich, den Weg eines Preßstempels in einer Rundläuferpresse theoretisch zu bestimmen, wie in "Preß kraft- und Weg-Zeit-Charakteristik von Rundlaufpressen", Inaugural-Dissertation von Ulrich Tenter, beschrieben. We gen verschiedener Einflußgrößen der Maschine weichen in dessen die tatsächlichen Stempelwege nicht unerheblich von den theoretisch errechenbaren ab.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren anzugeben, bei dem mit einem minimalen Meßaufwand unter Produktionsbedingungen die Kompressionscharakteri stik einer Rundläuferpresse ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Verlauf der Preßkraft mindestens eines Preßstempels in Winkelschritten gemessen und im Rechner gespeichert. Eine Umdrehung des Rotors entspricht dabei zum Beispiel 3.600 Winkelimpulsen. Jedem dieser Impulse (ein Impuls = 0,1° Drehwinkel des Ro tors) wird ein Kraftmeßwert zugeordnet und entsprechend im Rechner abgespeichert. Ferner werden im Rechner die theo retischen Werte für den Weg des Preßstempels gespeichert. Sie können über entsprechende geometrische Beziehungen er rechnet werden, worauf noch weiter unten näher eingegangen wird. Ausschlaggebend für diesen theoretischen Wert ist der Durchmesser der Druckrolle, die Form des Stempelkopfes sowie die Relativlage dieser Teile zueinander.

Schließlich wird im Rechner eine Korrekturtabelle gespei chert, welche wesentliche Einflußgrößen auf den tatsäch lichen Stempelweg, wie die Auffederung der Tablettenpresse und die Hertz′sche Pressung berücksichtigt. Sowohl die Auf federung als auch die Hertz′sche Pressung sind abhängig von der von der Druckrolle auf den Preßstempel aufgebrach ten Preßkraft. Es werden mithin kraftabhängige Korrektur faktoren ermittelt, die von den theoretischen Werten für den Stempelweg abzuziehen sind, um den tatsächlichen Stem pelweg zu ermitteln.

Da der Stempelkopf lediglich im Umfangsbereich einen Ra dius aufweist, in der Mitte jedoch plan ist, ist die Größe der Hertz′schen Pressung auch abhängig von der Relativlage des Stempelkopfes zur Druckrolle. In einer Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigen daher die Korrekturwerte die Abhängigkeit der Hertz′schen Pressung von der Winkelstel lung des Preßstempels.

Es ist zwar denkbar, die Korrekturwerte für die Hertz′sche Pressung und die Auffederung der Maschine zu berechnen. Vorzuziehen ist hingegen nach einer Ausgestaltung der Erfindung die Ermittlung der Korrekturwerte der Korrektur tabelle auf empirische Weise, indem ein ausgewähltes Preß stempelpaar ohne dazwischenliegende Preßmasse für unter schiedliche Zustellwerte aufeinander gefahren wird.

Durch den Einsatz eines entsprechenden Rechners ist es möglich, mit den Winkelimpulsen den kompletten Kraftver lauf aller Stempel abzutasten und zu speichern. In glei cher Weise lassen sich die Wege der Stempel ermitteln und zu den Kraftwerten in Beziehung setzen, um eine Kraft-Weg berechnung an einer Rundläufer-Tablettenpresse vorzusehen. Mit Hilfe der Erfindung ist es daher möglich, mit einem geringsten Meßaufwand an einer Rundläufer-Tablettenpresse unter Produktionsbedingungen Kompressionscharakteristiken zu erstellen und diese mit den in der Galenik ermittelten Werten zu vergleichen und zu überwachen. Da sich der ge samte Energieaufwand zur Erzeugung einer Tablette aus den aufgewendeten Energien in der Vordruckstation und der Hauptdruckstation ergibt, ist auch die Berechnung des Energieeinsatzes während der Produktion durchführbar.

Es ist auch individuell vorwählbar, ob nur ein oder meh rere Preßstempel hintereinander oder bestimmte Preßstempel innerhalb einer oder mehrerer Rotorumdrehungen zur Berech nung und Auswertung herangezogen werden sollen. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, zwischen Messungen und Auswertungen für die Hauptpreß- und/oder Vorpreß- und/ oder Auswerfstation zu wählen.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Rundläuferpresse.

Fig. 2 zeigt ein Kraft-Weg-Diagramm für einen Stempel der Presse nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild zur Ermittlung des Kraft-Weg-Dia gramms nach Fig. 2.

Fig. 4 zeigt verschiedene Horizontal- und Vertikalpositio nen eines Preßstempels über einen bestimmten Dreh winkel des Rotors der Presse nach Fig. 1.

Fig. 5 zeigt die geometrischen Beziehungen zwischen einer Druckrolle und einem Preßstempel der Presse nach Fig. 1.

Fig. 6 zeigt schematisch die Draufsicht auf den Rotor der Presse nach Fig. 1 im Bereich einer Druckrolle.

Fig. 7 zeigt ein Kraft-Winkel-Diagramm für verschiedene Zustellwerte.

Fig. 8 zeigt ein aus dem Diagramm von Fig. 2 hergeleitetes Kraft-Korrektur-Weg-Diagramm.

Fig. 9 zeigt ein Kraft-Winkel-Diagramm ähnlich dem nach Fig. 7.

Fig. 10 zeigt ein aus dem Diagramm von Fig. 9 hergeleite tes Kraft-Korrektur-Weg-Diagramm.

Von der Tablettenpresse 10 in Fig. 1 sind der Rotor 12 mit einer Matrizenscheibe 14 angedeutet sowie von einer Anzahl von Preßstempeln des Rotors 12 ein Preßstempelpaar mit einem oberen Preßstempel 16 und einem unteren Preßstempel 18 im Bereich einer oberen Druckrolle 20 bzw. einer unte ren Druckrolle 22. Der Rotor 12 wird von einer Welle 24 angetrieben über einen Elektromotor 26, einen Antriebsrie men 28 und ein Getriebe 30. Auf der Welle 24 sitzt auch ein Winkelimpulsgeber 32. Die Halterung der Druckrollen 20, 22 wirkt mit einer Kraftmeßdose 34 bzw. 36 zusammen, mit denen die Kraft gemessen wird, die zwischen Druckrolle und Stempel wirkt, wenn die Stempel 16, 18 zwischen den Druckrollen 20, 22 entlangfahren. Bekanntlich erfolgt hierbei das Vor- oder Hauptpressen einer Preßmasse in der Matrizenscheibe 14 zur Formung einer Tablette oder der gleichen.

In Fig. 2 ist das Kraft-Weg-Diagramm eines Preßstempels, beispielsweise des Preßstempels 16, während seiner Bewe gung unter der Druckrolle 20 dargestellt. Mit Pfeil 38 ist der ansteigende und mit Pfeil 40 der abfallende Ast des Diagramms bezeichnet. Aufgrund der Kompressibilität des Preßmaterials sowie des Rückfederverhaltens des Preßmate rials und des Federverhaltens der Presse selbst bildet sich eine Hysterese, wie durch die Fläche des Diagramms angedeutet.

In Fig. 3 ist angedeutet, wie der Winkelimpulsgeber 32 mit der Drehung des Rotors 12 eine Winkelimpulskette erzeugt, zum Beispiel pro 0,1° Umdrehung einen Impuls. Außerdem erzeugt er einen Anfangsimpuls, der durch die zentrale Position eines Preßstempelpaars bezüglich eines Druckrol lenpaars definiert ist.

Die Impulse gelangen auf eine Impulsauswertevorrichtung 42 und von dort auf einen Analog-Digitalwandler 44. In Fig. 3 ist ferner dargestellt, wie der Kraftsensor 34 über einen Meßverstärker 46 ebenfalls mit dem Analog-Digitalwandler 44 verbunden ist. Dessen Ausgang geht auf einen Maschinen rechner 48. An den Maschinenrechner 48 ist ein Bedienrech ner 50 angeschlossen, mit dem auf noch zu beschreibende Weise das Kraft-Weg-Diagramm nach Fig. 2 erstellt wird.

In Fig. 4 ist zu sehen, daß der Stempel 16 während seiner Horizontalbewegung relativ zur stationären Druckrolle 20 einen vertikalen Weg s zurücklegt. Die Kraftmeßdose 34 er mittelt pro Winkelschritt, der durch die Impulsreihe des Winkelimpulsgebers 32 vorgegeben ist, einen Kraftwert. Der Verlauf der Kraft während des Weges s ist in Fig. 4 bei 52 angedeutet. Für die Erstellung des Kraft-Weg-Diagramms ist außerdem erforderlich, den tatsächlichen Weg des Stempels bei seiner Bewegung um die Strecke s zu ermitteln. Der theoretische Weg kann abhängig vom Drehwinkel durch fol gende Formeln berechnet werden:

wobei s der winkelabhängige Weg und α der Drehwinkel des Rotors 12 ist.

Aus Fig. 5 sind die geometrischen Beziehungen der Druck rolle 20 und des Kopfes 54 des Preßstempels 16 deutlicher zu erkennen. Als Absolutwert gilt:

wobei sich die Größen f und e aus Fig. 5 ergeben und e der Radius der Druckrolle 20 ist. Die Größen f, e und c erge ben ein Dreieck, somit ist:

Weiterhin ist:

Durch Einsetzen erhält man:

Die geometrische Größe a findet man in Fig. 6 wieder in Abhängigkeit vom Teilkreisdurchmesser d₁ und Drehwinkel α. Es ist:

Durch Einsetzen erhält man:

So kann für jeden Drehwinkel α die vertikale Bewegung eines Stempelpaares berechnet werden. Im vorliegenden Fall werden die Drehwinkel in vorzugsweise 0,1°-Schritten ge wählt entsprechend dem Impulsabstand des Winkelimpulsgebers 32. Dieser theoretische Gesamtweg muß jedoch korrigiert werden, und zwar um die Gesamtauffederung der Tabletten presse und um die Hertz′sche Flächenpressung zwischen Stempelkopf und Druckrolle.

Bei der rechnerischen Ermittlung der Abplattung des Stem pelkopfes und der Druckrolle aufgrund der Hertz′schen Pressung sind zwei Bereiche zu unterscheiden, nämlich der kreisförmige abgeflachte mittlere Bereich des Stempel kopfes sowie der Randbereich, der im Querschnitt einen Ra dius r₁ aufweist. Zu dem letzteren Bereich ergibt sich für die Abplattung folgende Gleichung:

wobei f die Preßkraft, 1/r die Summe der Krümmungsradien und e der gemeinsame E-Modul der beteiligten Werkstoffe ist. Die Summe 1/r wird wie folgt ermittelt:

1/r = 1/r₁ + 1/r₂

wobei r₁ die Kugelkrümmung des Außenbereichs des Stempel kopfes und r₂ einen Kreis in diesem Bereich beschreibt.

wobei r_a der Außendurchmesser des Stempelkopfes und r_s der Innendurchmesser des gekrümmten Außenbereichs des Stempel kopfes darstellt.

Die Preßkraft f wird dargestellt in Winkelimpulsen α = x. 1/3600° (0,1°-Schritte).

Im Innenbereich berührt der Stempelkopf 54 mit einer Spie gelfläche die Druckrolle 20, was eine Linienberührung be deutet. Die Abplattung berechnet sich nach folgender Glei chung:

wobei F die Preßkraft und L eff. die tragende Länge der Spiegelfläche ist.

Die Preßkraft wird wie für den obigen Bereich dargestellt. Das Maß für L eff. berechnet sich aus:

wobei r_s der Radius der Spiegelfläche ist. Für die Abplat tung ergibt sich schließlich folgende Formel:

Die Auffederung der Maschine umfaßt folgende Einzelkompo nenten:

- Stauchung der Stempel und Druckrollen sowie der Druck rollenlagerung
- Biegung der Gußgehäuse
- Entfernen der unterschiedlichen Lagerspiele
- Zug, Biegung und Torsion der Maschinensäulen

Es wird davon ausgegangen, daß die Auffederung bis auf den untersten Bereich linear nach dem Hook′schen Gesetz ver läuft. Es ist demnach: Y₃ = f(F) und F = f(α).

Mit F gleich der Preßkraft und α gleich der Lage des Stem pels zur Druckrolle. Mithin ist:

y₃ = x · F

Der Faktor x kann wegen der komplexen Betrachtung nur ex perimentell für jeden Maschinentyp und jede mögliche Werk zeugbestückung ermittelt werden.

Der tatsächliche Stempelweg für den ersten Bereich ist da her der weiter oben angegebene theoretische Wert minus der Abplattung im ersten Bereich minus der Auffederung. Ent sprechendes gilt für den Stempelweg im zweiten Bereich des Druckstempelkopfes. Die entsprechenden Formeln hierzu sind nicht mehr aufgeführt.

In der Praxis werden jedoch die vorstehend rechnerisch er mittelten Korrekturwerte empirisch festgestellt. Dies ge schieht auf folgende Weise.

In die Tablettenpresse wird ein Meßstempelpaar eingebaut, das ohne Preßmasse direkt aufeinander gefahren wird. Mit diesem Meßstempelpaar werden durch Verstellung der Steg höhe (zum Beispiel in 0,1 mm-Schritten) verschiedene Kraft-Winkel-Kurven erzeugt, wie in Fig. 7 dargestellt. In Fig. 7 bedeutet s die Zustellung der Druckrollen. Es ver steht sich, daß die Maxima der Kräfte mit größer werdendem S größer sind. Danach werden die Maxima in ein Kraft-Kor rektur-Weg-Diagramm nach Fig. 8 eingetragen. Mit Hilfe des Diagramms nach Fig. 8 kann die Korrektur des theoretisch errechneten Gesamtwertes vorgenommen werden. Bei dem Aus führungsbeispiel nach Fig. 3 geschieht dies in Form einer Wertetabelle. Im Bedienrechner sind die theoretischen Preßstempelwege eingespeichert, die sich aus der oben auf gezeigten Berechnung ergeben. Außerdem sind im Bedienrech ner 50 die Werte für die Korrekturtabelle gemäß Diagramm nach Fig. 8 eingespeichert, so daß bei einer vorgegebenen Kraft ein vorgegebener Korrekturwert von dem theoretischen Stempelwert subtrahiert wird.

Allerdings ist die bisher beschriebene Korrektur noch nicht hinreichend, denn sie ist für die Hertz′sche Pres sung nur im Bereich des Maximums korrekt. Vielmehr muß der oben beschriebene Korrekturwert einer weiteren Optimierung unterzogen werden. Im Bereich des Maximums der Preßkraft berührt die Druckrolle 20 den Stempelkopf 54 in einer Li nie, die dem Spiegeldurchmesser des Stempelkopfes ent spricht. Vorher und nachher wird diese Linie immer kürzer und geht dann in eine Punktberührung über. Entsprechend ist auch die elastische Eindringtiefe der Druckrolle in den Stempelkopf unterschiedlich. Daher werden mit Hilfe des Rechners nicht nur die Kraftmaxima, sondern auch die jeweiligen Kraftwerte für die 0,1°-Schritte für die ver schiedenen Zustellungswerte aufgenommen, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Für diese Kräfte wird dann in Kenntnis der geometrischen Form von Druckrolle und Stempelkopf für die einzelnen Winkelschritte die Eindringtiefe über die Hertz′sche Pressung ermittelt. Um die Abweichung dieser Werte von den Maximawerten wird dann der ursprüngliche Korrekturwert korrigiert. Diese Werte werden dann in das Kraft-Korrektur-Diagramm eingetragen. In Fig. 10 ist die ses Korrekturdiagramm zu erkennen. Je nachdem, bei welchem Winkelschritt eine Korrektur erfolgen muß, wird eine an dere der in Fig. 10 gezeigten Kurven gewählt. Es versteht sich, daß das Korrekturdiagramm nach Fig. 10 im Bedien rechner 50 wiederum nur in Form einer Korrekturwerteta belle gespeichert ist.

Claims

1. Verfahren für die Erstellung eines Kraft-Weg-Diagramms der Preßstempel einer Rundläufer-Tablettenpresse, bei dem die absolute und relative Stellung der Preßstempel, die mittels einer Druckrolle in einer Preßstation betä tigt werden, mit einem Winkelencoder ermittelt und mit Hilfe eines Rechners zur gemessenen Preßkraft am Stem pel in Beziehung gesetzt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Der Verlauf der Preßkraft mindestes eines Preßstem pels wird in Winkelschritten gemessen und im Rech ner gespeichert
- Die durch die Geometrie von Druckrolle, Preßstem pelkopf und der Relativlage von beiden theoretisch vorgegebenen Werte des Weges des Preßstempels bei den einzelnen Winkelschritten werden errechnet und im Rechner gespeichert
- Im Rechner wird ferner eine Kraft-Weg-Korrekturta belle gespeichert, welche den Einfluß der Hertz′ schen Flächenpressung zwischen Preßstempelkopf und Druckrolle sowie des Auffederverhaltens der Rund läuferpresse auf den tatsächlichen Weg des Preß stempels in Abhängigkeit von der Kraft repräsen tiert und
- der Rechner reduziert den theoretischen Wert des Stempelweges bei den einzelnen Winkelschritten um den entsprechenden Korrekturwert aus der Korrektur tabelle.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturwerte auch die Abhängigkeit der Hertz′ schen Pressung von der Winkelstellung des Preßstempels wiedergeben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Korrekturwerte der Korrekturtabelle em pirisch ermittelt werden, indem ein ausgewähltes Preß stempelpaar ohne dazwischenliegende Preßmasse für unterschiedliche Zustellwerte aufeinander gefahren wird.