朝日集團控股株式會社使用Optimus開發最合適的片狀食品補充劑外形
模擬片劑沖壓動態
片狀劑沖壓機會整天運作, 並且在極短瞬間壓縮粉末會造成非常高的機械應力負荷。沖壓機之沖頭在製程中承受高度應力時,會導致機械故障。當減少片狀劑曲率,沖頭外形將變得更加銳利, 而沖頭的負荷能力將下降到一個較低的程度。為了克服沖頭遭受破壞,便應用Optimus的反應曲面模型(RSM)功能來評估沖頭/片狀劑的形狀和容許的機械載荷之間的關係。
將Ansys的模擬輸出結果提供給Optimus作為輸入數據來建立反應曲面模型(RSM)。在一般情況下,Optimus以實驗設計法(DOE)替後續反應曲面模型(RSM)階段提供最有價值的輸入。實驗設計法(DOE)乃透過設計一個虛擬的實驗計劃,能夠以最少量的模擬次數去取得大量有價值的資訊。Optimus基於此虛擬實驗的結果,利用插值方法便可創建一個反應曲面。
以有限元素法模擬片狀劑應力本身是非常具有挑戰性的,因為片狀劑是由粉狀物質壓縮組成。這與機械結構不同,壓力負荷會造成外形和楊氏係數完全不同。佐藤英明先生與 Cybernet Systems(Ansys和Optimus的日本經銷商)合作建立一項革命性的方法來預測片狀劑應力。片狀劑材料的楊氏係數顯然不能為常數, 因此他們藉由沖頭對片劑的反作用力, 推導出一個實際的楊氏係數變量,作為一種替代的方法來定義片劑的楊氏係數。這種方法經過與實驗驗證, 與實驗結果一致,並造就合適的模擬結果與實際精度。片狀劑內的楊氏係數由中心逐漸往片狀劑邊緣減少,而密度與破裂的風險則由中心逐漸向邊緣增加。
研究人員也使用 Ansys模擬並預測沖頭的負載能力。在2D軸對稱模型中,沖頭與片狀劑的接觸定義為:在粉劑壓縮階段, 沖頭在片狀劑上會略為滑動。在模擬中反覆計算直到片狀劑內應力值達到容許應力值,依此來定義的沖頭的負載能力。
使用Optimus RSM改良片狀劑設計
利用Ansys提供的應力模擬結果, 再進一步使用Optimus的反應曲面模型(RSM)分析。研究人員定義的設計因子有: 片狀劑直徑(D),兩方向的曲率半徑(R1,R2)及兩者半徑之比(S = R1 / R2),並以容許負載的最大值為設計目標。反應曲面以二階多項式最小平方法計算,這個數學式主要以最小的平方和差值找出最佳擬合平面。
Optimus的反應曲面顯示,雙半徑片狀劑形狀相較於單半徑片狀劑形狀有較低的容許負載。此外,當雙半徑片劑形狀的容許負載增加,曲率半徑R1 、R2也隨之增加。研究人員從反應曲面分析中發現,容許負載因任何一個設計因子的增加而提高。其中,直徑(D)影響最大,其次為半徑比(S),而R1和R2的影響幾乎一樣。由反應曲面指出,較大的曲率半徑R1(確保片狀劑硬度)和較小的曲率半徑R2(改善易於吞嚥),代表一個最能滿足全域設計目標的權衡,隨著 Optimus的反應曲面在設計空間(往往是非線性)顯示的趨勢, 這項技術非常適合協助工程師做出更快且更明智的決策,使他們設計更耐用且產品可更貼近消費者。
最佳化程序
用最少的模擬次數來驅動 Ansys提供設計訊息
Optimus可擷取模擬過程所有資訊,並且定義一個智能虛擬實驗計劃和編排 Ansys的模擬,提供大量有價值的資訊以達到最少的模擬次數。
以少量步驟傳遞Ansys訊息
Optimus可直接解析Ansys的設計參數和設計目標而不需任何使用者介入。
最佳化設計
使用Ansys模擬數據的Optimus RSM探索設計空間
Optimus直接由Ansys模擬結果來建立反應曲面,並使用二階多項式最小平方法讓工程師看出整個設計空間。
使用RSM貢獻圖評估各個設計因子的影響
Optimus的RSM貢獻圖顯示,對於容許沖壓負載,片劑的直徑擁有最大的影響,其次為片狀劑的半徑比。這對工程師們是非常重要的訊息,能更快地做出更明智的決策。
使用RSM解析並發展最合適的片狀劑外形
由RSM的引導,工程師發現較大的曲率半徑R1(確保片狀劑硬度)和較小的曲率半徑R2(改善易於吞嚥),Optimus 指出一個最能滿足設計目標的解答。