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[转载]模拟制药压片工艺

已有 385 次阅读 2022-9-5 07:20 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

人们使用药丸治疗疾病已经有数百年的历史了,有些记载甚至可以追溯到古埃及。然而,直到 19 世纪,William Brockedon 和他的“在模具中用压力塑造药丸、锭剂和黑铅”的专利机器才将制药压片工艺大大现代化,该机器可以将粉末压缩成片剂(参考文献1)。今天,粉末压制法由于其高灵活性、高材料利用率,以及比其他制造方法更好的质量控制而被广泛用于制药行业。

这篇博客,我们将使用自 COMSOL Multiphysics® 软件 6.0 版本开始提供 Capped Drucker-Prager 模型探索制药压片工艺。

Capped Drucker-Prager 模型

由粉末生产药片的过程,也称为压片,包括三个主要阶段:

  1. 模具填充:将粉末输送到模具型腔中。

  2. 压制:通过上、下冲头将粉末压入模具内,制成片剂。

  3. 顶出:药片由下冲头从模具中顶出。

药片制造工艺示意图,包括一个上冲头,一个模具腔以及一个下冲头。
药片制造过程示意图。

我们将使用 Capped Drucker-Prager 模型研究压制阶段,评估模具的应力、应变和密度分布以及冲力对轴向压制的影响。

用于粉末压制过程有限元分析的本构材料模型可分为两种主要类型:

  1. 多孔材料模型——用于中、低孔隙率粉末的压制

  2. 颗粒材料模型——用于高孔隙率粉末的压制

COMSOL Multiphysics 中提供的 Fleck-Kuhn-McMeeking 材料模型是多孔材料模型的一个示例,而 Capped Drucker-Prager 塑性选项是颗粒材料模型。Capped Drucker-Prager 塑性模型经常用于模拟药物粉末压制,因为需要的材料参数可以通过实验数据轻松表征和确定。在这个示例中,我们将使用 Capped Drucker-Prager 塑性模型模拟被称为微晶纤维素 (MCC) 的高孔隙率粉末的压制。请注意,材料属性被认为与密度有关,并且考虑了粉末和模具之间的摩擦。

注意:如果你对如何使用 COMSOL Multiphysics 中的 Fleck-Kuhn-McMeeking 和 Gurson-Tvergaard-Needleman 模型来模拟铝粉末压制感兴趣,请阅读博客:利用多孔塑性模型模拟粉末压制

在 COMSOL Multiphysics® 中模拟粉末压制

使用 COMSOL Multiphysics 中的非线性结构材料模块结构力学模块 MEMS 模块的附加模块),我们可以从定义几何结构开始分析。模型几何结构包括工件,本文的示例中是微晶纤维素(MCC)和模具。模型设置所需的两个冲头是固定的下部冲头和上部移动的冲头。下冲头被建模为工件底部边界上的固定轴向位移,上冲头被建模为沿轴向的规定位移。由于模具的刚性特性,它没有被明确地建模。

有关这个模型设置的更多信息,请参阅模型教程文档。在这篇博客中,我们将直接进入模拟结果。

COMSOL Multiphysics®中的仿真结果

为了评估粉末的性能,我们来讨论仿真结果。在压制过程开始时,顶部表面的 von Mises 应力较高,从而在工件中形成较大的应力梯度。随着压制的进行,应力梯度减小,可以在底部观察到较低的应力环。

仿真结果显示了压制过程结束时的 von Mises 应力。
压制过程结束时的 von Mises 应力。

下图显示了粉末压制结束时的体积塑性应变。可以看到,从底面到顶面的体积塑性应变有很大的变化。最大压缩塑性应变出现在顶部。

压制过程结束时的体积塑性应变绘图。
压制过程结束时的体积塑性应变。

我们也可以很容易地评估不同阶段压制的相对密度分布。在压制的所有阶段,高密度区形成在顶端,而低密度区形成在底端,直到压制过程结束时密度达到片剂的最终密度。由于摩擦,在粉末模具中可以观察到不均匀的密度。

四张粉末的压制图,显示了药物压制过程中不同阶段的相对密度。
一组四个粉末的压制图,显示药物压制过程中不同阶段的相对密度。

最后,模拟结果还显示了粉末压制过程中冲力与轴向压制的关系。可以看到,屈服发生在过程的早期阶段。

图片展示了粉末压制过程中冲力与轴向压制的关系。
冲头力与轴向压制。

结束语

在这篇博客中,我们研究了如何在 COMSOL® 软件中模拟制药压制工艺。我们使用最流行的模型之一—— Capped Drucker-Prager 塑性模型来模拟药物粉末的压制过程,该模型通常被用于模拟药物粉末压制,因为它能够表示与压制过程相关的各种现象。

来源:模拟制药压片工艺 | COMSOL 博客

案例文件下载:制药压片工艺 (comsol.com)



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