Modélisation du compactage à rouleaux par la méthode des éléments finis

In the pharmaceutical industry, dry granulation by roll compaction is a process of size enlargement of powder into granules with good flowability for subsequent die compaction process. Understanding the roll compaction process and optimizing manufacturing efficiency is limited using the experimental approach due to the high cost of powder, time-consuming and the complexity of the process. In this work, a 3D Finite Element Method (FEM) model was developed to identify the critical material properties, roll press designs and process parameters controlling the quality of the product. The Drucker-Prager Cap (DPC) model was used to describe the powder compaction behavior and was determined based on standard calibration method. To overcome the complexity involving two different mechanisms of powder feeding by the screw and powder compaction between rolls, a novel combined approach of Discrete Element Method (DEM), used to predict the granular material flow in the feed zone and the Finite Elements Method (FEM) employed for roll compaction, was developed. Lastly, for a more realistic roll compaction modelling, allowing the fluctuation of the gap between rolls, a Coupled-Eulerian Lagrangian (CEL) approach was developed. FEM simulation results clearly show the effect of different process parameters on roll pressure and density distribution in the compaction zone of powder between the rolls. Moreover, results show that using a cheek-plates sealing system causes a nonuniform roll pressure and density distribution with the highest values in the middle and the lowest at the edges. On the other hand, the resultant pressure and density distributions with the rimmed-roll obtained higher values in the edges than in the middle and overall a more uniform distribution. The combined DEM-FEM methodology clearly shows a direct correlation between the particle velocity driven by the screw conveyor to the feed zone and the roll pressure, both oscillating in the same period. This translates into an anisotropic ribbon with a density profile varying sinusoidally along its length. To validate the results, the simulations are compared with literature and experimentally measured values in order to assess the ability of the model to predict the properties of the produced ribbons.Dans l’industrie pharmaceutique, la granulation sèche par compactage à rouleaux est un procédé d’agglomération de poudres en granulés pour améliorer les propriétés d’écoulement nécessaire pour le procédé de compression en matrice. Comprendre le procédé de compactage à rouleaux et optimiser l’efficacité de production est limitée par l’utilisation de l’approche expérimentale à cause du coût élevé des poudres, le temps des essais et la complexité du procédé. Dans ce travail, une méthode d’éléments finis en 3D, est développée dans le but d’identifier les paramètres critiques du matériau et du procédé pour le contrôle de la qualité de la production. Le modèle de comportement de Drucker-Prager Cap est utilisé pour décrire le comportement en compression de poudres et sa calibration est déterminée à partir des essais standard. Pour surmonter la complexité liée à l’existence de deux mécanismes différents, l’alimentation en poudre par une vis sans fin et le compactage entre les rouleaux, une nouvelle méthode d’interfaçage entre la méthode des éléments discrets (DEM) employée pour décrire l’écoulement dans l’alimentation et la méthode des éléments finis (FEM) utilisée pour le compactage entre les rouleaux est développée. Enfin, pour une modélisation de compactage de rouleaux plus réaliste, prenant en compte la variation de l’entrefer entre les rouleaux, une nouvelle approche de couplage Euler-Lagrange est proposée. Les résultats de simulations par éléments finis montrent clairement l’effet des différents paramètres du procédé sur les distributions de pression et de densité dans la zone de compactage. En outre, les résultats montrent que l'utilisation de plaques de confinement de la poudre entre les rouleaux, développe une distribution de pression et de densité non homogène dans le compact, avec une densité plus élevée au centre et plus faible aux bords. D'autre part, l’utilisation de rouleaux dont l’un est surmonté d’une jante de confinement, a montré une distribution de propriétés globalement plus uniforme sur la largeur du compact avec des valeurs légèrement plus élevées aux bords qu’au centre. La méthodologie combinant les méthodes DEM & FEM montre clairement une corrélation directe entre la vitesse des particules entraînées par la vis dans la zone d’alimentation et la pression du rouleau. Tous les deux oscillent avec la même période. Cela se traduit par un compact anisotrope avec un profile de densité variant de manière sinusoïdale le long de sa largeur. Afin d'étudier la capacité du modèle à prédire les propriétés des compacts produits par compactage à rouleaux, les prédictions par simulations numériques sont comparées aux données de la littérature et validées par des mesures spécifiques