Tabletten Werkzeuge – Wie Erzeugt Man Den Größten Druck

Durch den Einfluss neuer Produkte, die in die Branche der Tablettenpressen eindringen, suchen Tablettenhersteller und Werkzeughersteller ständig neue Innovationen. Dieser Artikel beleuchtet, wie die Branche Technologie einsetzt, um die maximale Presskraft für die Werkzeugausrüstung zu bestimmen.

Die Mehrzahl der Unternehmen, die Tabelettierwerkzeuge einsetzen, sind Pharma- und Ernährungsunternehmen. Die Ausrüstung wird jedoch auch in anderen Bereichen wie Süßwaren, Chemie und Energie eingesetzt. Jeder dieser Sektoren hat eigene Richtlinien und Spezifikationen, die eine spezielle Werkzeugausrüstung erfordern. Um sicherzustellen, dass die Anforderungen eingehalten werden, sind technische Hilfen, besonders Computer, im Einsatz, die die älteren Standards ersetzen. Einer dieser älteren Standards ist die Berechnungsmethode der maximalen Presskraft bei unterschiedlichen Tablettenkonfigurationen.

Beim Design eines hochwertigen Stempels ist es wichtig, den richtigen Werkzeugstahl zu finden. Da jede Branche unterschiedliche Produkte fertigt, ist der richtige Typ für das Ergebnis entscheidend. In den USA hat das AISI (American Iron and Steel Institute) einen Standard für Werkzeugstahl gesetzt. Der AISI S7 ist zum bevorzugten Standard geworden, da er nicht nur eine ausgezeichnete Stoßfestigkeit besitzt, sondern zudem eine hohe Zugfestigkeit besitzt und hohen Presskräften widerstehen kann.

Neben dem S7 haben auch andere Typen gute Abnutzungseigenschaften, da sie eine höhere Härte aufgrund höherer Karbidanteile aufweisen (Beispiele: DC-53, AISI D2 und K340) Für korrosive oder klebrige Formeln sind die AISI 440C und M340 gute Stähle, da sie einen hohen Chromanteil besitzen. Als Regel kann angesehen werden, dass je höher die Rockwellhärte ist, desto geringer ist die Stoßfestigkeit und desto höher ist die Abriebfestigkeit. Manche Stähle sind sowohl stoß- als auch abriebfest. Dies liegt an der besonderen chemischen Zusammensetzung sowie dem Herstellungsverfahren. Hoch angesehene Lieferanten bieten den Werkzeugherstellern verschiedene Optionen an und können Ihnen helfen, den richtigen Stahl zu bestellen. Dieser erfüllt nicht nur die Anforderungen, sondern hält auch länger.

Stärke

Egal, welchen Stahl man verwendet oder welche Anwendung verfolgt wird, es ist immer wichtig, verschiedene Faktoren bei der Berechnung der maximalen Spitzenkraft zu berücksichtigen. Neben der Bruchkraft sollten auch die Dehngrenze, die Druckfestigkeit und die Stoßfestigkeit berücksichtigt werden. Um diese Eigenschaften zu bestimmen, sollte man die Zusammensetzung des Materials und dessen Härte bestimmen. Die Druckfestigkeit hängt mit dem Widerstandsniveau des Stahls gegenüber Verformung während der Kompression zusammen. Die Zugfestigkeit gibt die Fähigkeit des Materials wieder, Zug oder Biegen zu widerstehen.

Ein weiterer Indikator, die Dehngrenze, konzentriert sich auf die maximale Kraft, die das Material aushält, bevor es sich verformt. In manchen Fällen wird auch die Stoßfestigkeit berücksichtigt. Diese misst die maximale Energie, der das Material während der Stoßbeanspruchung widerstehen kann. Da unterschiedliche Stahltypen für unterschiedliche Materialien oder Produkte geeignet sind, sind auch die maximalen Kompressionskräfte unterschiedlich.

Konzentration

Während der Kompressionsphase wirken senkrechte Kräfte auf die Becheroberfläche. Die Kraft führt zu Spannungen, die eine Funktion der Tablettengeometrie und der Becherfläche ist. Die Spannung hängt mit der aufgewendeten Kraft und der Oberfläche zusammen. Um die maximal erlaubte Kompressionskraft zu berechnen, müsste man die maximale Spannung mit der Dehngrenze des Materials vergleichen. Neben der Fläche und Kraft sollte man auch das Spannungskonzentrationsniveau berücksichtigen.

Spannungskonzentration ist ein bestimmter Bereich, in dem hohe Kräfte beobachtet werden können. Dies kann an abrupten geometrischen Veränderungen des Stempelprofils liegen. Ein Beispiel wäre ein Halbkreis mit Rundung, wo die Prägung den Becherradius trifft. Stempel, die eine Spannungskonzentration aufweisen, haben eine niedrige maximale Kompressionskraft im Vergleich zu Werkzeug, welches flache Tabletten produziert.

Ein weiterer kritischer Faktor ist das „Land“ des Stempels. Das Land ist die flache Seite des Stempelbechers, an der der Radius des Bechers endet. Obwohl der Einfluss geringer ist als bei anderen Faktoren, spielt er trotzdem eine wichtige Rolle bei der Bestimmung, wie viel Kraft die Stempelspitze aushalten kann. Allgemein gilt, je größer das Land ist, desto höher ist die erlaubte Presskraft. In manchen Fällen kann man das Land vergrößern und damit die maximale Kraft erhöhen. Man sollte dabei jedoch beachten, dass das Werkzeug Abnutzung unterliegt. Dadurch wird das Land kleiner. Dies ist der Grund, warum neue Stempel größeren Kräften widerstehen können als Stempel, die bereits mehrmals benutzt wurden und ein kleineres Land haben. Gute Wartung ist daher entscheidend, da sie nicht nur die Qualität des Produktes sicherstellt, sondern auch hilft, das Werkzeug in Schuss zu halten.

Vorhersagemodell

Um die Auswirkung von verschiedenen Werkzeugdesigns zu verstehen, haben Werkzeughersteller eine Finite Elemente Analyse (FEA) durchgeführt. Damit kann die Wirkung verschiedener Kräfte auf das Werkzeug untersucht werden. Das Ergebnis zeigt Spannungen, Verschiebungen, Belastungen und andere Faktoren, die für die Sicherheit der Werkzeugausrüstung bedeutsam sind. Die Ergebnisse aus dieser Analyse zu nutzen, hilft den Unternehmen, verschiedene geometrische Formen zu analysieren und deren Spannungskonzentration festzustellen. So können bessere Werkzeugdesigns erschaffen werden.

Die FEA identifiziert Schlüsseleinflussfaktoren in einem größeren Modell und bricht sie auf einfache Muster herunter. Zunächst wird das Modell in verschiedene Elemente zerlegt, die handhabbar sind. Das Ergebnis wird Mesh (Netz) genannt. Danach wird jede Eigenschaft definiert und dem Modell wird das Material zugeordnet. Zum Schluss wird die gewünschte Kraft auf die Oberfläche einwirken gelassen.

Das Modell führt dann eine Simulation durch, in der es das Reaktionsniveau prüft. Zum Schluss wird das Modell einem anderen Test unterzogen, in dem es höchstwahrscheinlich scheitert. Sobald der Test beginnt, sammelt die FEA Software die Elemente und Ergebnisse. Eine detaillierte Karte, die die exakte maximale Kraft sowie den wahrscheinlich auftretenden Defekt wiedergibt, wird dann erzeugt.

Für biegsame Materialien wie Metalle ist das Scheiterkriterium die „Äquivalente Zugspannung” – auch von Mises-Vergleichsspannung genannt. Dies funktioniert, wenn ein elastisch deformierbarer Körper einer 3D-Beanspruchung unterzogen wird. Das Material bildet dann ein komplexes Netz aus 3D-Spannungen.

Die von Mises-Spannung kann auch mithilfe des Fließkriteriums formuliert werden. Selbst, wenn keine der drei Hauptkräfte die Spannungsgrenze übersteigt, könnte die Grenze erreicht sein, indem sich mehrere Spannungen addieren. Das Kriterium funktioniert gut, wenn die FEA das Mesh-Model verwendet, da es die Zahl der Freiheitsgrade einschränkt. Die von Mises-Spannung kombiniert alle Spannungen in einem Tensorwert, den man mit der Materialdehnungsgrenze vergleichen kann.

Kumulation, Sicherheits- und Biege-Tipps

Es ist wichtig, zu wissen, dass die maximale Presskraft, die die Hersteller angeben auch die Materialermüdung berücksichtigt. Materialermüdung tritt auf, wenn das Presswerkzeug wiederholt beladen wird und ständig Spannung ausgesetzt wird. Dieses Phänomen ist auch als Ermüdungsbeanspruchung bekannt. Sie kann die Lebensdauer des Werkzeugs beeinflussen. Es ist normal, dass die Maximalkraft, die ein Stempel aushalten kann, mit der Zeit abnimmt. Dies liegt an der Abnutzung, dem Verschleiß und an der Materialermüdung. Dadurch sinkt bei wiederholtem Gebrauch die maximale Kraft des Werkzeugs.

Daher ist es wichtig, dass ein Tablettenhersteller zunächst mit dem Werkzeughersteller spricht, um herauszufinden, ob die Ausrüstung für häufige Beanspruchungen geeignet ist.

Da das Presswerkzeug wiederholt genutzt wird, steigert sich die Eigenspannung. Diese sollte von dem Tablettenhersteller beachtet werden.

Ein weiterer Faktor, der beachtet werden sollte, ist das Biegen der Wände des unteren Stempels. Dies betrifft meist Hersteller, die Spitzen mit 4 Millimeter oder weniger Durchmesser benötigen. Wenn die Spitze klein ist, dann muss die Biegeneigung während der Kompression berücksichtigt werden.

Wenn alle diese Faktoren berücksichtigt werden, dann wird die ideale Presskraft ermittelt und mit der FOS verglichen. Die FOS ist das Verhältnis der berechneten Spannung und der Dehngrenze des Materials.

Eine FOS von 2 bedeutet daher, dass die angewendete Kraft eine Spannung erzeugt, die doppelt so hoch ist, wie die Dehngrenze des Materials. Der FOS-Wert hängt von der Branche und der Anwendung ab. In der Tablettenbranche nutzen unterschiedliche Hersteller unterschiedliche Presskräfte. Dies liegt an der Einschätzung, welche der Hersteller als akzeptabel ansieht.