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Explorer les particules et les procédés de fabrication pour améliorer l'accès aux produits à forte valeur ajoutée.

Pour trouver le processus de fabrication optimal pour les produits à forte valeur ajoutée, le projet IPROCOM, financé par l'UE, a réussi à combiner l'étude expérimentale avec la modélisation numérique et prédictive à base de données.
Explorer les particules et les procédés de fabrication pour améliorer l'accès aux produits à forte valeur ajoutée.
Un grand nombre de secteurs industriels utilisent des matériaux particulaires dans leurs processus de fabrication: métaux précieux, pharmacie, chimie fine et poudres de céramiques. Cependant, au cours des premières étapes du développement de produits à forte valeur ajoutée (comme les produits pharmaceutiques et les catalyseurs), les approches expérimentales conventionnelles ne permettent pas de déterminer les performances optimales pour les systèmes de production à grande échelle. Ceci est dû à la quantité requise de poudres (>100kg), ainsi qu'à leur prix élevé (> 10 000 euros le kg). En l'absence d'outils de modélisation informatique, les chercheurs ont dû apporter des réponses en laboratoire ou avec des systèmes à l'échelle pilote, le passage en production constituant un défi.

Pour développer des modèles in silico du compactage par rouleau, IPROCOM a combiné les disciplines du génie chimique, du génie des procédés, du génie pharmaceutique et de l'informatique. Ces modèles prédisent les performances de procédés de fabrication utilisant diverses formulations, grâce à une compréhension en profondeur du processus complet et des produits qu'il utilise.

Une approche systématique pour une fabrication optimisée

La nature complexe du processus de fabrication a considérablement compliqué le défi posé à IPROCOM, comme l'explique le professeur Chan-Yu Wu, coordinateur du projet. «Les poudres subissent différents états de stress et leur réponse mécanique varie donc d'une étape à l'autre du processus. L'équipe a donc dû adopter une approche systématique, en commençant par l'étude des propriétés des produits intermédiaires (rubans/granulés) et des produits finaux (comprimés/pastilles/composants), en fonction des propriétés des particules individuelles, pour des conditions de traitement et des formulations optimales et bien identifiées.»

L'équipe a étudié les caractéristiques des particules et des poudres. Elle a identifié les attributs essentiels du matériau (c'est-à-dire les propriétés des particules) qui dominent les propriétés de la poudre en vrac, parallèlement à l'étude et la quantification de la dynamique et des microstructures des mélanges. Elle a également analysé comment les propriétés de la poudre, le type de rouleau compacteur et les paramètres de traitement impactent sur le procédé de fabrication. D'autre part, elle a étudié l'effet des propriétés du ruban et des mécanismes de broyage sur les propriétés des granules, en utilisant une approche multi-échelles.

Les chercheurs ont appliqué des techniques de modélisation et de calcul, en utilisant la méthode des éléments discrets (DEM) pour étudier les processus de remplissage, de mélange et d'alimentation de la poudre, ainsi que les phénomènes de ségrégation, l'uniformité et le débit. IPROCOM a également étudié comment les propriétés des particules et les conditions de traitement affectaient les performances de la poudre dans le cadre du compactage par rouleau. La méthode des éléments finis (FEM) a permis d'identifier les propriétés critiques du matériau et les paramètres de traitement contrôlant la qualité des granulés et des comprimés. Des modélisations ont ensuite été réalisées pour prévoir comment les propriétés des granules et les paramètres de traitement affectaient le remplissage des moules, le compactage de la poudre et l'éjection.

IPROCOM a également développé un modèle d'intelligence artificielle qui a amélioré nos connaissances sur le mélange de poudres, afin d'identifier les propriétés essentielles des particules et les variables critiques du processus; les procédés de compactage par rouleau et les propriétés critiques des poudres; le processus de broyage du ruban; et le compactage en matrice pour identifier les propriétés du matériau et les conditions de traitement critiques.

Exploiter les formules gagnantes

Comme l'explique le professeur Wu, «IPROCOM a permis d'évaluer plusieurs techniques de traitement et d'identifier les mieux adaptées aux principales réponses mécaniques des poudres pendant le processus de fabrication.» Le projet, qui a souligné l'importance de la conception du contrôle de processus pour le compactage par rouleau, a déjà permis à LB Bohle (un partenaire associé) d'améliorer considérablement les performances de ses produits. En combinant la méthode des éléments discrets et la méthode des éléments finis, cette approche de la modélisation a pour la première fois révélé les mécanismes sous-jacents à la variation de la densité des rubans, ce qui peut être utilisé pour prévoir de façon précise le procédé de compactage par rouleau. D'autre part, les modèles d'intelligence artificielle ont été développés pour être génériques par nature, et ils présentent donc un fort potentiel pour une utilisation plus large (comme la diffusion de médicaments et la fabrication en continu).

En réduisant les coûts de développement des produits à forte valeur ajoutée, et au final leur prix de vente, IPROCOM contribue à rendre ces produits plus accessibles aux citoyens de l'UE. Comme le dit le professeur Wu, «Lorsqu'elle sera utilisée pour les produits pharmaceutiques, cette technique devrait apporter d'importants avantages en termes de santé et de bien-être, car les entreprises pourront fournir des médicaments plus rapidement et à moindre coût.»

Thèmes

Life Sciences

Mots-clés

IPROCOM, fabrication, génie chimique, modélisation informatique, compactage, particules, génie des procédés, génie pharmaceutique, procédé in silico, produits à forte valeur ajoutée