Hochenergie-Kugelmühlen sind Zerkleinerungsmaschinen, welche bereits pulverförmig
vorliegendes Ausgangsmaterial in einem Trockenprozess auf eine Partikelgröße unterhalb von
1 µm zermahlen. Da diese Maschinen erst seit ca. 10 Jahren existieren, sind die Mechanismen
im Innern der Mühle bisher nicht verstanden. Die Betriebsparameter, wie Rotordrehzahl oder
Kugelfüllung werden empirisch, wie in der mechanischen Verfahrenstechnik üblich, durch
Erfahrung und Prozessbeobachtung bestimmt. Computersimulationen sollen helfen, die
Vorgänge innerhalb der Maschine zu verstehen, um etwa Materialwissenschaftlern
Informationen über die Geschwindigkeitsverteilung der kollidierenden Mahlkugeln zu liefern.
Als Simulationsmethode wurde ein ereignisdiskretes Verfahren gewählt, welches erstmals auf
diese Problemstellung angewendet wurde und unter realen Prozessbedingungen anwendbar
ist. Die Schwachstellen der bisher veröffentlichten ereignisdiskreten Algorithmen wurden
erkannt, dokumentiert, und durch neue Verfahren behoben. Ferner wurden bisher eingesetzte
Verfahren zeiteffizient und numerisch korrekt optimiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden eigens Versuchsaufbauten konstruiert, um das
Kollisionsmodell mit experimentell gewonnenen Daten zu parametrisieren. Da keine
experimentellen Daten über das Kollisionsverhalten der Mahlkugeln während des Prozesses
vorliegen, wurde zur Überprüfung der Realitätstreue des Simulators ein Modell aus der
statistischen Physik entwickelt. Hiermit konnte der Simulator anhand der errechneten
Geschwindigkeitsverteilungen verifiziert werden.
Mit dem entwickelten Simulator wurden diverse Parameterstudien durchgeführt, die, obwohl
zeitoptimiert, auf einem durchschnittlichen Computer mehrere Jahre dauernd, mit Hilfe des
universitätseigenen Rechenclusters in einigen Tagen durchgeführt werden konnten. Basierend
auf den Simulationsergebnissen konnten die für den Mahlprozess wichtigen
Geschwindigkeitsverteilungen in Abhängigkeit von den Betriebsparametern gewonnen
werden. Diese Daten wurden sowohl mit statistischen Methoden und Computeranimationen
analysiert.
Kollisionen mit hoher Kollisionsenergie sind relativ selten – ganz im Gegensatz zu dem, was
der Name „Hochenergie“-Kugelmühle vermuten lässt und bisher der allgemeinen Auffassung
entsprach. Eine wichtige und neue Erkenntnis ist, dass der Mahleffekt in der Hochenergie-
Kugelmühle, da er auf Kollisionen mit hoher Relativgeschwindigkeit beruht, nur relativ selten
stattfindet. Aufgrund der neu vorliegenden Erkenntnisse, wurden grundlegende
Konstruktionsänderungen der drei zentralen Baugruppen vorgeschlagen.