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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verpressen von pulverförmigen
Materialien und/oder Granulat zu Formkörpern, insbesondere
die Herstellung von Tabletten.
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Tabletten
im hier gebrauchten Sinne sind dabei nicht nur pharmazeutische Tabletten,
sondern auch tablettierte Düngemittel, Waschmittel, Futtermittel
sowie andere derartig gepresste Produkte.
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Pressvorrichtungen
für pulverförmige Materialien und/oder Granulat
sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Sie bestehen
gewöhnlich aus einer Matrize mit mindestens einer Öffnung,
in die das zu verpressende Pulver und/oder Granulat eingebracht
wird und mindestens einem Stempel, der das Pulver und/oder Granulat
dann verpresst. Der so hergestellte Formkörper, die Tablette,
wird ausgestoßen, gewöhnlich durch den Unterstempel
bei einer Pressvorrichtung mit Ober- und Unterstempel.
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Aus
dem
EP 0 879 140 B1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen und Regeln einer
Tablettenpresse bekannt, bei der die Kompressionskräfte
gemessen werden, um das Gewicht der Tablette zu steuern. Die Kompressionskräfte
sind dabei die Presskräfte, die auf die Stempel während
der Tablettenpressung aufgebracht werden.
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In
der
DE 199 58 999
A1 wird ein Verfahren zur Regelung von Tablettenpressen
vorgeschlagen, das die Schwankungen bei der Bruchfestigkeit von gepressten
Tabletten minimieren soll. Die Verwendung allein der Presskraft
als Regelsignal wird als ungeeignet beschrieben. Stattdessen wir
die Verwendung der Pressenergie als Regelsignal zur Steuerung der
Tablettenpresse genutzt. Die Pressenergie wird dabei bestimmt als
Produkt aus Presskraft und Stempelweg und abgewandelt aus Presskraft
und Presszeit, wobei ein Soll-Ist-Wertvergleich stattfindet.
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Der
Presskraftverlauf von Ober- und Unterstempel verläuft gemäß der
Darstellung der
DE
199 58 599 A1 im Wesentlichen gleich jedoch mit einer Zeitverzögerung
des Kraftanstiegs beim Unterstempel gegenüber dem Oberstempel.
Die Ursache dafür wird in der Reibung des Vorgemisches
an der Matrizenwand gesehen, wodurch die Kraftübertragung von
Ober- zum Unterstempel verzögert erfolgt.
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Ferner
bleibt beim Unterstempel in der Entspannungsphase (dem Kompressionsmaximum
folgend) über eine längere Zeit eine Restkraft
bestehen, die erst mit dem Ausstoß der Tablette auf null
abfällt. Die Ursache besteht in der Haftreibung der fertigen Tablette
und der radialen Verspannung infolge des Pressvorganges.
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Anstelle
oder zusätzlich zur Presskraftmessung wird auch die vertikale
Positionierung von Ober- und Unterstempel zu Steuerungszwecken genutzt (
DE 10 2008 015 820
A1 ).
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In
der
DE 10 2007
052 552 B4 wird auch die Ausstoßkraftmessung in
die Ermittlung von Steuer- und Regelparametern für Tablettenpressen
einbezogen.
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Hohe
Ausstoßkräfte sind nicht nur nachteilig im Hinblick
auf den Maschinenverschleiß allgemein und den Matrizenverschleiß im
Besonderen, sondern können auch zum Zerstören
des gepressten Formlinges, der Tablette, führen.
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Zur
Verringerung der Reibung zwischen Tablette und Matrizenwand werden
deshalb in bestimmten Fällen dem Pulver und/oder Granulat
Schmiermittel beigefügt z. B. Magnesiumstearat.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, den Pressvorgang und das Pulver und/oder Granulat
aufeinander abstimmbar zu machen, so dass der geforderten Formlingsqualität
bei optimalen, möglichst geringen Ausstoßkräften
entsprochen wird.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Pressvorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird
bei einer Pressvorrichtung, mit der Pulver und/oder Granulate zu
Formlingen in der Matrize einer Presse mit mindestens einem Stempel
verpresst und durch eine Ausstoßeinheit ausgestoßen
werden, vorgeschlagen, dass die sich beim Verpressen des Pulvers
und/oder Granulates zum Formkörper aufbauende radiale Verspannung
des Formkörpers gegenüber der Wand der Matrize
gemessen wird und als eine Steuergröße für Pressparameter
und/oder Struktur und Zusammensetzung des Pulvers und/oder Granulates
verwendet wird.
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Radial
im erfindungsgemäßen Sinne bedeutet quer zur Stempelbewegungsrichtung,
wobei quer rechtwinklig zur Stempelbewegungsrichtung einschließt,
aber nicht darauf beschränkt ist.
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Radiale
Verspannung im erfindungsgemäßen Sinn sind Kräfte
oder dem entsprechende Spannungen, die in radialer Richtung eine
Formänderung der Matrize erreichen wollen oder erreichen.
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Neben
der Messung der radialen Verspannung werden als weitere Steuergrößen
die Presskraft und die Ausstoßkraft gemessen und in die
Weiterverarbeitung einbezogen.
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Die
zu steuernden Pressparameter sind dabei insbesondere die Presskraft,
der Pressweg, die Presszeit, die Tablettendicke, die Härte
und Dichte des Press- bzw. Formlings.
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Struktur
und Zusammensetzung betreffen insbesondere die Korngröße,
Schmiermittel und Schüttdichte.
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Ziel
ist es, dass unter Einbeziehung der Messgröße
radiale Verspannung die Pressparameter und/oder die Struktur und
Zusammensetzung des zu verpressenden Pulvers und/oder Granulates
so eingestellt werden, dass die radiale Verspannung einen vorgegebenen
Wert nicht übersteigt.
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Darüberhinaus
kann die radial wirkende Flächenlast auf die Wand der Matrize
während des Ausstoßens dargestellt und somit optimiert
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung wird die radiale Matrizenverformung
zur Ermittlung der radialen Verspannung genutzt.
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Dies
kann in einer Ausführung die positiv radiale Umfangsausdehnung
der Wand der Matrize sein, also ihre Ausbeulung gegenüber
dem Pressraum.
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Die
Umfangsausdehnung ist dabei das Resultat der auf die Wand der Matrize
wirkenden radialen Kräfte, so dass bei einer weiteren Ausführung auch
die auf die Wand der Matrize beim Pressvorgang wirkenden radialen
Kräfte punktuell oder flächenmäßig
und direkt gemessen werden können.
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Eine
erfindungsgemäße Pressvorrichtung zur Herstellung
von Formkörpern, bei der das Verpressen von Pulver und/oder
Granulaten in einer Matrize mit mindestens einem Stempel erfolgt,
der zum Pressen in die Matrize ein- und ausfahrbar ist und die eine
Ausstoßeinrichtung für den gepressten Formling aufweist,
sieht deshalb vor, dass die Wand der Matrize oder Teile der Wand
elastisch verformbar ausgebildet sind, so dass durch die radialen
Kräfte bzw. Spannung des Formkörpers eine Formänderung
der Matrize bewirkbar ist und die Matrize über eine Messeinrichtung
zur Messung der Formänderung verfügt und/oder
in der Wand der Matrize mindestens eine Druckmesseinrichtung zum
Messen der radialen Kräfte beim Pressvorgang angeordnet
ist und die jeweiligen Messergebnisse einer Auswerteeinheit zuleitbar
sind.
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Die
dabei gemessene Formänderung ist bevorzugt die radiale
Formänderung.
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Die
Matrize wird dabei in einer vorteilhaften Ausführung als
elastische Buchse ausgeführt.
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Dabei
kann die Matrize im Querschnitt ein U-Profil besitzt, wobei der
die U-Schenkel verbindende Steg die Wand der Matrize darstellt.
Hier lässt sich besonders einfach die positive radiale
Umfangsausdehnung beim Pressen ermitteln, indem an der Wand der
Matrize innerhalb des durch das U-Profil geschaffenen Hohlringes
partiell oder umlaufend eine Messeinrichtung zur Messung der Umfangsausdehnung angeordnet
wird, vorzugsweise ein Dehnmessstreifen.
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Wird
die Matrize mit dem U-förmigem Querschnitt abgedichtet
in einer Matrizenaufnahme eingesetzt, ist der so gebildete ringförmige
Hohlraum mit einer Druckflüssigkeit verfüllbar,
die sowohl zu Messzwecken für die radiale Verspannung nutzbar
ist als auch um auf die Verformbarkeit der Wand der Matrize selbst
Einfluss zu nehmen, indem beim Pressen ein Gegendruck hergestellt
oder aufrecht erhalten wird. Die Verformung der Matrizenwand hängt
so nicht ausschließlich vom gewählten Matrizenwandmaterial ab.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung verfügt
ein Stempel über eine verschließbare Zuleitung
für Kalibrierflüssigkeit in den Pressraum. Über diese
Zuleitung eines Stempels lässt sich eine Flüssigkeit
in den Pressraum der Matrize einbringen, die dann nach dem Verschließen
der Zuleitung durch mindestens einen Stempel mit einer Presskraft
(F) beaufschlagt wird. Der hydraulische Druck aus Presskraft (F)
und Stempelfläche (A) lässt sich berechnen und
daraus unter Verwendung der Wandfläche (AR) der Matrize
des Pressraumes die auf die Wand der Matrize wirkende Kraft. Diese
Kraft lässt sich als Kalibriergröße nutzen.
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Am
Beispiel einer Pressvorrichtung für Pulver und/oder Granulate
mit Ober- und Unterstempel soll die Erfindung erläutert
werden.
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1 zeigt
einen Ausschnitt einer Exenterpressvorrichtung im Schnitt.
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Am
Pressengestell 1 angeordnet und geführt sind der
Oberstempel 2 und der Unterstempel 3. Ferner ist
am Pressengestell 1 die Matrize 5 mit der Matrizenaufnahme 7 angeordnet.
Der Ober- und der Unterstempel 2, 3 sind zum Pressen
in die Matrize 5 einfahrbar und bilden so den Pressraum 4,
der mit Pulver und/oder Granulat befüllbar ist.
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Die
Matrize 5 ist als elastische Buchse 5.1 ausgebildet,
hier mit einem U-Profilquerschnitt, wobei der die U-Schenkel verbindende
Steg die Wand der Matrize 5 darstellt.
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Als
Matrizenmaterialen haben sich als geeignet erwiesen: Werkzeugstahl,
Chromstahl, Keramik, GFK-Werkstoffe und Kunststoffe, ohne dass die
Erfindung darauf beschränkt werden soll. Es versteht sich,
dass die Wandstärken der Matrize beim Messen deren Ausdehnung
so ausgelegt sein müssen, dass auch eine signifikante Ausdehnung
während des Pressens stattfinden kann.
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Um
die Wand der Matrize 5, die beim Pressen eine positive
radiale Umfangsausdehnung erfährt, ist innerhalb des ringförmigen
Holraumes 5.2 umlaufend eine Messeinrichtung 6,
hier ein Dehnmessstreifen, zur Messung der Umfangsausdehnung angeordnet.
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Bei
der beschriebenen Pressvorrichtung lässt sich so die beim
Verpressen des Pulvers und/oder Granulates zum Formkörper
aufbauende radiale Verspannung des Formkörpers gegenüber der
Wand der Matrize 5 messen und als eine Steuergröße
für Pressparameter und/oder Struktur und Zusammensetzung
des Pulvers und/oder Granulates verwenden.
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Die
Pressparameter und/oder die Struktur und Zusammensetzung des zu
verpressenden Pulvers und/oder Granulates lassen sich so einstellen, dass
die radiale Verspannung einen vorgegebenen Wert nicht übersteigt.
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Neben
der Messung der radialen Verspannung werden bevorzugt die Presskraft
und die Ausstoßkraft gemessen und zusammen mit der ermittelten
Verspannung einer Weiterverarbeitung unterzogen.
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Weiter
wird gezeigt, dass über den Oberstempel 2 geführt
eine verschließbare Zuleitung 8 für Kalibrierflüssigkeit
in dem Pressraum 4 vorhanden ist. Dichtungen 9 am
Ober- und Unterstempel 2, 3 dichten die Stempel
gegenüber der Matrizenwand und damit den Pressraum ab.
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Zur
Kalibrierung der Pressvorrichtung kann wie folgt verfahren werden.
Der Unterstempel 3 wird auf eine vorgegebene Fülltiefe
(hier 16 mm) gefahren und der Oberstempel zum Eingriff in die Matrize 5 gebracht. Über
die Zuleitung 8 des Oberstempels 2 wird Hydrauliköl
in die Matrize eingelassen, bis diese verfüllt ist.
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Der
Oberstempel 2 wird dann weiter in die Matrize 5 eingefahren,
bis der Pressraum die vorgesehene Höhe erreicht hat, hier
10 mm, wobei überschüssiges Öl über
die Zuleitung 8 zurückläuft, die Zuleitung
aber mit Öl gefüllt bleibt. Die Zuleitung 8 wird
dann verschlossen.
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Der
Pressraum 4 zum Kalibrieren ist nun mit Öl gefüllt
und gegenüber der Mittelebene der Matrize 5 nicht
zentrisch, sondern etwas verschoben nach oben angeordnet, was einer
typischen Maschineneinstellung beim Pressen mit Ober- und Unterstempel 2, 3 entspricht.
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Nach
dem Schließen der Zuleitung 8 wird eine definierte
Presskraft (F) eingeleitet. PÖl =
F/AStempelfläche FMatrizenringfläche = PÖl × ARingfläche
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Die
Flächenkraft FMatrizenringfläche wirkt
gleichmäßig auf die Innenfläche der Matrize
und bildet so die Kalibriergröße in Form der Ausgangsspannung für
den Dehnmessstreifen der Messeinrichtung 6.
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- 1
- Pressengestell
- 2
- Oberstempel
- 3
- Unterstempel
- 4
- Pressraum
- 5
- Matrize
- 5.1
- Buchse
- 5.2
- ringförmiger
Hohlraum
- 6
- Messeinrichtung
z. B. Dehnmessstreifen
- 7
- Matrizenaufnahme
- 8
- Zuleitung
Kalibrierflüssigkeit
- 9
- Dichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0879140
B1 [0004]
- - DE 19958999 A1 [0005]
- - DE 19958599 A1 [0006]
- - DE 102008015820 A1 [0008]
- - DE 102007052552 B4 [0009]