Essais & Simulations n°110

Retour d’expérience

Retour d’expérience Un logiciel aide à optimiser la forme des comprimés pour un complément alimentaire Asahi Group, fabricant japonais de boissons alcoolisées, de boissons gazeuses et de compléments alimentaires, a exploité Optimus pour peaufiner la forme de comprimés afin de faciliter la déglutition des compléments alimentaires. Des évaluations sensorielles et une modélisation de surfaces de réponse (RSM, Response Surface Modeling) ont permis à Asahi d’identifier la meilleure forme de comprimé, tant du point de vue de la conformité que de la facilité de prise. Cependant, le fait de donner aux comprimés une forme plus arrondie a réduit aussi la durée de vie des comprimés et celle des machines de poinçonnage utilisées pour les produire. En simulant la dureté du comprimé et la résistance du poinçon, les techniques RSM d’Optimus ont révélé un meilleur compromis de conception entre d’une part, la durée de vie des comprimés et de l’outillage et, d’autre part, la facilité de déglutition. Produire des comprimés plus faciles à avaler Disponibles dans une multitude de formes, de couleurs et de saveurs, les comprimés sont aujourd’hui la forme la plus courante d’administration de médicaments et de compléments alimentaires par voie orale. Compte tenu du fait que les personnes âgées éprouvent des difficultés à déglutir les comprimés, il s’est avéré nécessaire de mettre au point des comprimés faciles à avaler. C’est ainsi que M. Hideaki Sato, M. Hideaki Sato a étudié la corrélation pouvant exister entre les caractéristiques des comprimés et la facilité de déglutition. responsable au Research Laboratories for Fundamental Technology of Food, Asahi Group Holdings Ltd., a étudié la corrélation susceptible d’exister entre chacun des trois facteurs caractéristiques du comprimé, à savoir diamètre, rayon de courbure et épaisseur, et la facilité de déglutition. Les recherches ont porté sur des comprimés dont les faces comportaient un ou deux rayons de courbure. La surface de réponse générée à partir des résultats d’évaluation sensorielle a montré qu’un plus petit diamètre du comprimé ne favorise pas nécessairement la déglutition. Compte tenu de la difficulté de modifier le diamètre des comprimés pour des raisons de réglementation, il a été décidé que la Lorsque l’on fabrique des comprimés de forme plus arrondie, cela diminue leur dureté ainsi que la durée de vie des poinçons des presses de production. solution la plus appropriée consistait à réduire leur rayon de courbure (c’est-à-dire à arrondir davantage le comprimé). Cependant, une telle modification de forme réduit la dureté du comprimé et diminue la durée de service de la presse de production. Simulation de la dynamique de poinçonnage des comprimés La machine à poinçonner les comprimés fonctionne en continu pour comprimer instantanément de la poudre par mise en œuvre de pressions extrêmement élevées. Les poinçons de la presse à comprimés subissent en production des niveaux de contrainte très élevés qui provoquent parfois des défaillances mécaniques. Si l’on réduit le rayon de courbure des comprimés, la forme de la tête du poinçon devient plus anguleuse et la force de poinçonnage de l’outil diminue. Pour remédier aux ruptures de têtes de poinçon, les capacités de modélisation de surfaces de réponse (RSM) d’Optimus ont été mises à contribution pour évaluer la relation pouvant exister entre la forme du poinçon et/ou du comprimé et les charges mécaniques admissibles. Des simulations avec Ansys ont fourni les données d’entrée permettant d’effectuer des évaluations RSM à l’aide d’Optimus. En règle générale, Optimus permet une approche de type plan d’expériences (DOE, Design of Experiments) à même de fournir l’entrée la plus pertinente pour la phase de modélisation RSM à venir. Le DOE est un plan d’expériences virtuel visant à obtenir un maximum d’informations pertinentes avec un minimum d’efforts de simulation. En fonction des résultats du plan d’expériences virtuel, Optimus applique une méthode d’interpolation pour créer un modèle de surface de réponse. E S S A I S & S I M U L AT I O N S ● AV R I L , M A I , J U I N 2 0 1 2 ● PAG E 3 6

Le graphique de contribution RSM montre que le critère ayant la plus forte influence sur la charge admissible est le diamètre du comprimé (D), suivi par le rapport des rayons (S). Les deux rayons individuels (R1 et R2) ont montré une influence à peu près identique. La méthode RSM d’Optimus a mis en avant un comprimé comportant un grand rayon de courbure R1 (pour garantir la dureté des comprimés) et un rayon de courbure R2 plus petit (pour faciliter la déglutition). C’est le compromis qui répond le mieux aux objectifs fixés. L’étude des contraintes par la méthode des éléments finis n’était pas gagnée d’avance car les comprimés sont un agglomérat de substances pulvérulentes compactées par compression. Contrairement aux structures mécaniques, la forme et le module d’Young peuvent être très différents en fonction des charges de compression. En collaboration avec Cybernet Systems, le distributeur japonais d’Ansys et d’Optimus, M. Hideaki Sato a mis au point une méthode révolutionnaire de prévision des contraintes subies par un comprimé. De toute évidence, le module d’Young du matériau du comprimé ne pouvait pas être considéré comme constant. L’équipe a alors extrapolé un module d’Young variable réaliste en transcrivant la force de réaction s’exerçant sur la tête du poinçon lors de la compression d’un comprimé et en l’utilisant comme une approche alternative pour définir le module d’Young de ce dernier. La cohérence de cette approche avec les résultats expérimentaux a été validée et a conduit à des résultats de simulation convenables et relativement précis. Pour une région allant du centre au bord du comprimé, le module d’Young local interne diminue progressivement tandis que la densité et le risque de fissure augmentent. Les chercheurs ont également effectué des simulations Ansys pour estimer la capacité de charge de la tête du poinçon. Ils ont préparé un modèle axisymétrique 2D et défini entre le poinçon et le comprimé un élément de contact représentant la tête du poinçon glissant légèrement sur le comprimé pendant la phase de compression de la poudre. Dans ces simulations, les calculs ont été répétés jusqu’à ce que la contrainte à l’intérieur du comprimé atteigne la valeur admissible afin d’identifier la capacité de charge. Utilisation de la méthode RSM d’Optimus pour améliorer la forme du comprimé Les résultats de simulation de contraintes fournis par Ansys ont ensuite été analysés à l’aide de la méthode RSM d’Optimus. Les chercheurs ont défini comme critères de conception le diamètre (D) du comprimé, les rayons de courbure (R1 et R2) dans deux directions et le rapport des rayons (S = R1/R2). Ils ont spécifié que le résultat de conception visé était l’obtention de la charge admissible la plus élevée possible. La surface de réponse a été calculée par la méthode des moindres carrés en utilisant un polynôme du second degré. Cette méthode mathématique détermine la surface qui s’ajuste le mieux à un ensemble défini de points de données en minimisant la somme des carrés des résidus de points de la surface. Les surfaces de réponse Optimus ont montré que la charge admissible du comprimé à double rayon de courbure est inférieure à celle du comprimé présentant un seul rayon de courbure. En outre, la charge admissible du comprimé à double rayon de courbure augmente en même temps que les rayons de courbure R1 et R2. À partir de l’analyse du modèle de surface de réponse, les chercheurs ont constaté que la charge admissible augmentait en même temps que les différents critères de conception. Dans l’ordre décroissant des paramètres les plus influents, on trouve le diamètre (D), suivi par le rapport des rayons de courbure (S), puis les deux rayons individuels (R1 et R2) qui affichent une influence à peu près égale. Les surfaces de réponse ont indiqué qu’un comprimé doté d’un grand rayon de courbure R1 (pour garantir la dureté des comprimés) et un rayon de courbure R2 plus petit (pour faciliter la déglutition) représentait le compromis qui répondait le mieux aux objectifs d’ensemble. La modélisation par surfaces de réponse Optimus révélant des tendances inhérentes dans l’espace du modèle, lesquelles sont souvent non linéaires, cette technique est intéressante pour aider les ingénieurs à prendre plus rapidement des décisions mieux étayées et ainsi concevoir des produits plus durables et répondant mieux aux souhaits des consommateurs ● Cette surface de réponse Optimus montre que le diamètre (D) d’un comprimé a plus d’influence que le rapport (S) de ses rayons de courbure. Une autre surface de réponse Optimus illustre une influence à peu près égale des deux rayons de courbure individuels (R1 et R2) sur la charge admissible. M. Hideaki Sato Research Laboratories for Fundamental Technology of Food, Asahi Group Holdings Ltd. E S S A I S & S I M U L AT I O N S ● AVR I L , M A I , J U I N 2 0 1 2 ● PAG E 3 7