DE19502596C2

DE19502596C2 - Meßgerät und Rechner zur Überprüfung der auf einer Rundläuferpresse hergestellten Tabletten der laufenden Produktion

Info

Publication number: DE19502596C2
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: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2015-01-29
Also published as: DE59601573D1; DE19502596A1; EP0723858A1; JP3713639B2; JPH08276127A; EP0723858B1; US5699273A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßgerät und einen Rechner zur Überprüfung der auf einer Rundläuferpresse hergestellten Tabletten 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 Stellung der mit den Preßstempeln umlaufenden Matrizenscheibe ständig über einen Winkelim pulsgeber festgestellt. Ein Rechner ermittelt die Impulse für die Preßkraft-Maxima. Die Preßkräfte werden in den Preßstationen zum Beispiel mit Kraftmeßdosen gemessen. Die zentrierte Stellung eines Preßstempelpaares im Bereich eines Druckrollenpaares definiert zum Beispiel den Null punkt, von dem ab die Impulse des Winkelimpulsgebers ge zählt werden, wobei entsprechend der Teilung der Matrizen scheibe eine bestimmte Anzahl von Winkelimpulsen die Posi tion des nächsten Preßstempelpaares zentriert zum Druck rollenpaar vorgibt. Auf diese Weise läßt sich für alle Preßstempelpaare einer Tablettierpresse die maximale Preß kraft 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- Diagramm 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 von 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 Meßge rät und einen Rechner anzugeben, mit denen mit einem mini malen Meßaufwand die Produktion von Tabletten mit Hilfe einer Rundläuferpresse besser überwacht werden kann, um eine verbesserte bzw. gleichmäßige Qualität zu gewährlei sten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der Erfindung wird der Verlauf der Preßkraft minde stens eines Preßstempelpaares in Winkelschritten gemessen und im Rechner gespeichert. Eine Umdrehung des Rotors ent spricht dabei zum Beispiel 3.600 Winkelimpulsen. Jedem dieser Impulse (ein Impuls = 0,1° Drehwinkel des Rotors) wird ein Kraftmeßwert zugeordnet und entsprechend im Rech ner abgespeichert. Ferner sind im Rechner die theoreti schen Werte für den Weg des Preßstempels in Abhängigkeit von den Drehwinkelimpulsen gespeichert. Sie können über entsprechende geometrische Beziehungen errechnet werden, worauf noch weiter unten näher eingegangen wird. Aus schlaggebend für diese Werte ist der Durchmesser der Druckrolle, die Form des Stempelkopfes sowie die Relativ lage dieser Teile zueinander.

Schließlich ist im Rechner eine den Drehwinkelstellungen zugeordnete Korrekturtabelle gespeichert, welche wesent liche Einflußgrößen auf den tatsächlichen Stempelweg, wie die Auffederung der Tablettenpresse und die Hertz′sche Pressung berücksichtigt. Sowohl die Auffederung als auch die Hertz′sche Pressung sind abhängig von der von der Druckrolle auf den Preßstempel aufgebrachten Preßkraft. Es werden mithin kraftabhängige Korrekturfaktoren ermittelt, die von den theoretischen Werten für den Stempelweg abzu ziehen sind, um den tatsächlichen Stempelweg 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 ein Verfahren nach der Erfindung, bei dem die Ermittlung der Korrekturwerte der Korrekturta belle auf empirische Weise erfolgt, indem ein ausgewähltes Preßstempelpaar ohne dazwischenliegende Preßmasse für un terschiedliche Zustellwerte aufeinander gefahren wird und die zugehörigen Preßkräfte gemessen werden.

Durch den Einsatz eines Rechners ist es möglich, getrig gert durch die Winkelimpulse den kompletten Kraftverlauf aller Stempel abzutasten und zu speichern. In gleicher Weise lassen sich die Positionen der Stempel den Winkelim pulsen zuordnen und zu den Kraftwerten in Beziehung setzen, um eine Kraft-Wegberechnung an einer Rundläufer-Tabletten presse vorzunehmen. Mit Hilfe der Erfindung ist es daher möglich, mit geringstem Meßaufwand an einer Rundläufer- Tablettenpresse unter Produktionsbedingungen produktions spezifische Kompressionscharakteristiken für jedes ein zelne Stempelpaar zu erstellen und diese mit den in der Galenik ermittelten Werten zu vergleichen und zu überwa chen. Da sich der gesamte Energieaufwand zur Erzeugung einer Tablette aus den aufgewendeten Energien in der Vor druckstation und der Hauptdruckstation ergibt, ist bei diesem Verfahren auch die Berechnung des gesamten Energie einsatzes für die einzelne Tablette während der Produktion durchführbar.

Es ist auch individuell vorwählbar, daß nur ein oder meh rere Preßstempel hintereinander oder bestimmte Preßstempel innerhalb einer oder mehrerer Rotorumdrehungen zur Berech nung und Auswertung herangezogen werden. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, zwischen Messungen und Aus wertungen 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-Diagramms 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 Preßstempelpaa res, beispielsweise der Preßstempel 16 und 15, während der Bewegung zwischen den Druckrollen 20 und 22 dargestellt. Mit Pfeil 38 ist der ansteigende und mit Pfeil 40 der ab fallende Ast des Diagramms bezeichnet. Aufgrund der Kom pressibilität des Preßmaterials sowie des Rückfederverhal tens des Preßmaterials 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. Mit der Kraftmeßdose 34 werden Preßkraftwerte ermittelt, die durch Triggern des Analog-Digitalwandlers 44 durch die Winkelschnitte des Winkelimpulsgebers 32 einzelnen Winkelschnitten zugeordnet und im Rechner 48 gespeichert werden. 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 s beider zu einer Preßstation gehörender Stempel bei ihrer vertikalen Bewe gung zu ermitteln. Der tatsächliche Weg setzt sich zusam men aus dem geometrischen Wert Y₁ und den zur Korrektur angesetzten Werten Y₂ und Y₃. Abhängig vom Drehwinkel gel ten folgende Formeln:

s(α) = s₁+s₂ (1)

s(α) = Y₁-Y₂-Y₃ (2)

wobei s der winkelabhängige vertikale Weg und α der Dreh winkel des Rotors 12 ist (siehe Fig. 6).

Aus Fig. 5 sind die geometrischen Beziehungen der Druck rolle 20 und des Kopfes 54 des oberen Preßstempels 16 deutlicher zu erkennen, entsprechende Beziehungen gelten für den unteren Stempel 18. Als Absolutwert für beide Stempel (vertikaler Weg von Ober- und Unterstempel) gilt:

Y₁(α) = 2(e-f)

wobei sich die Größen e und f aus Fig. 5 ergeben. Die Größen e, f und c ergeben ein Dreieck, somit ist:

Weiterhin ist:

wobei r_k der Stempelkopfradius, d₂ der Druckrollendurch messer und d₃ der Durchmesser der Spiegelfläche ist.

Durch Einsetzen erhält man:

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

Durch Einsetzen erhält man:

und damit

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 54 des Stempels 16 und Druckrolle 20 sowie zwischen dem Stempelkopf von Stempel 18 und Druckrolle 22.

Bei der rechnerischen Ermittlung der Abplattung des Stem pelkopfes und der Druckrolle aufgrund der Hertz′schen Pressung sind zwei Bereiche zu unterscheiden, nämlich den Randbereich, der im Querschnitt den Radius r_k aufweist und den abgeflachten mittleren Bereich (Spiegelfläche) des Stempelkopfes. Es gilt allgemein folgende Gleichung für den Randbereich:

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/r_k + 1/r_m

wobei r_k die Kugelkrümmung des Außenbereichs des Stempel kopfes und r_m einen Kreis in diesem Bereich beschreibt.

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

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

Im Innenbereich berührt der Stempelkopf 54 des Stempels 16 mit seiner Spiegelfläche die Druckrolle 20, was eine Li nienberührung bedeutet. Entsprechendes gilt für Stempel 18 und Druckrolle 22. Die Abplattung beider Stempel berechnet sich für den abgeflachten mittleren Bereich (Spiegelfläche) nach folgender Gleichung:

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 wird bewirkt durch Zug, Druck, Biegung und/oder Torsion im wesentlichen von folgenden Einzelkomponenten:

- Stempel und Druckrollen sowie Druckrollenlagerung
- Gußgehäuse
- unterschiedliche Lagerspiele
- 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 gleich der Lage des Stempels 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 gesamte Stempelweg für den Bereich 1 ist somit der weiter oben angegebene geometrische Wert minus der Abplattung im Bereich 1 minus der Auffederung. Ent sprechendes gilt für den Stempelweg im Bereich 2 des Preß stempelkopfes. 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 w die Zustellung der Druckrollen. Es versteht sich, daß die Maxima der Kräfte mit größer werdenden w größer sind. Danach werden die Maxima in ein Kraft-Weg- Korrektur-Diagramm nach Fig. 8 eingetragen. Mit Hilfe des Diagramms nach Fig. 8 kann die Korrektur des theoretisch errechneten Gesamtwegs vorgenommen werden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 geschieht dies in Form einer Wertetabelle. Im Bedienrechner sind die theoretischen Preßstempelwege eingespeichert, die sich aus der oben aufgezeigten Berechnung ergeben. Außerdem sind im Bedienrechner 50 die Werte für die Korrekturtabelle gemäß Diagramm nach Fig. 8 eingespeichert, so daß bei einer vorgegebenen Kraft ein vorgegebener Korrekturwert von dem theoretischen Stempelweg subtrahiert wird.

Allerdings ist die bisher beschriebene Korrektur noch nicht hinreichend, denn sie ist für die Hertz'sche Pressung 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-Weg-Korrektur-Diagramm eingetragen. In Fig. 10 ist dieses Korrekturdiagramm zu erkennen. Je nachdem, bei wel chem Winkelschritt eine Korrektur erfolgen muß, wird eine andere der in Fig. 10 gezeigten Kurven gewählt. Es ver steht sich, daß das Korrekturdiagramm nach Fig. 10 im Be dienrechner 50 wiederum nur in Form einer Korrekturwerte tabelle gespeichert ist.

Claims

1. Meßgerät und Rechner zur Überprüfung der auf einer Rund läuferpresse hergestellten Tabletten, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Erstellung von Weg-Preßkraft-Zuord nungen für die Preßstempel, mindestens für ein Stempel paar folgende Elemente vorhanden sind:

a) ein Winkelencoder für die Ermittlung der laufenden Winkelstellung des Drehtisches und damit der Preß stempelpaare,
b) eine Preßkraftmeßeinheit, mit der die Preßkraftwerte mindestens eines Stempelpaares ermittelt werden und pro Winkelschritt ein Preßkraftmeßwert in den Rech ner übertragen wird,
c) ein Algorithmus im Rechner, der aufgrund der geome trischen Verhältnisse in der Tablettenpresse erstellt ist und mit Hilfe dessen aus den Winkelstellungen des Drehtisches die theoretischen Werte des Weges des Preßstempelpaares in der Matrize berechenbar sind,
d) eine in den Rechner gespeiste Korrekturfunktion zur Umrechnung der theoretischen Weg-Werte der Stempel in tatsächliche Weg-Werte unter Berücksichtigung der der Hertz′schen Flächenpressung zwischen Preßstem pelkopf und Druckrolle sowie des Auffederverhaltens der Rundläuferpresse.

2. Meßgerät und Rechner nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Korrekturwerte auch die Abhängigkeit der Hertz′schen Pressung von der Winkelstellung der Preßstempel wiedergeben.

3. Verfahren zur Ermittlung der Korrekturwerte des Meßge räts und Rechners nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß ein ausgewähltes Preßstempelpaar ohne dazwischenliegende Preßmasse für unterschiedliche Zu stellwerte aufeinander gefahren wird und die zugehöri gen Preßkraftwerte gemessen werden.