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.