Modeling of realistic microstructures on the basis of quantitative mineralogical analyses

Technische Universität Bergakademie Freiberg

Sprache:

Michael Klichowicz

Dr. Michael Klichowicz studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, wo er sich auf Aufbereitungs-, Spezialtiefbau- und Bergbaumaschinen spezialisierte. Seine Masterarbeit erhielt den Klaus Schönert-Preis des VDMA und wurde von der Stiftung Lausitzer Braunkohle für ihre herausragende Qualität ausgezeichnet. Außerdem wurde Michael Klichowicz vom VDMA als Ingenieur für Aufbereitungsmaschinen für Mineralien und Anlagenbau zertifiziert. Anschließend arbeitete Michael Klichowicz als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Aufbereitungsmaschinen in Freiberg und veröffentlichte seine Dissertation im Jahr 2020. Derzeit ist er Postdoc-Forscher am Institut.

Auf einen?

Expertise

  • Aufbereitung mineralischer Rohstoffe
  • Diskrete-Elemente-Simulation
  • Modellierung von Mikrostrukturen

Interessant für

  • Ingenieur*innen der Aufbereitungstechnik
  • Mineralog*innen
  • Geolog*innen
Unsplash/Omar Flores
Michael Klichowicz

Dr. Michael Klichowicz studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, wo er sich auf Aufbereitungs-, Spezialtiefbau- und Bergbaumaschinen spezialisierte. Seine Masterarbeit erhielt den Klaus Schönert-Preis des VDMA und wurde von der Stiftung Lausitzer Braunkohle für ihre herausragende Qualität ausgezeichnet. Außerdem wurde Michael Klichowicz vom VDMA als Ingenieur für Aufbereitungsmaschinen für Mineralien und Anlagenbau zertifiziert. Anschließend arbeitete Michael Klichowicz als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Aufbereitungsmaschinen in Freiberg und veröffentlichte seine Dissertation im Jahr 2020. Derzeit ist er Postdoc-Forscher am Institut.

Auf einen?

Expertise

  • Aufbereitung mineralischer Rohstoffe
  • Diskrete-Elemente-Simulation
  • Modellierung von Mikrostrukturen

Interessant für

  • Ingenieur*innen der Aufbereitungstechnik
  • Mineralog*innen
  • Geolog*innen

Interview

Russell Alt-Haaker
Redakteur

In Ihrer Dissertation befassen Sie sich mit der Frage, wie man die Zerkleinerungstechnik effizienter machen kann. Was genau ist unter Zerkleinerung zu verstehen und wofür wird diese eingesetzt?

Michael Klichowicz
schreibt…
Russell Alt-Haaker
Redakteur

In Ihrer Dissertation befassen Sie sich mit der Frage, wie man die Zerkleinerungstechnik effizienter machen kann. Was genau ist unter Zerkleinerung zu verstehen und wofür wird diese eingesetzt?

Michael Klichowicz
Doktorand

Zerkleinerung ist der allgemeine Fachbegriff, der verwendet wird, wenn Materialien in einem technischen Prozess absichtlich gebrochen oder gemahlen werden. In meiner Dissertation verwende ich den Begriff im Zusammenhang mit der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe. Vereinfacht ausgedrückt geht es um die Zerkleinerung eines Erzklumpens. Der Begriff wird aber auch verwendet, wenn eine alte Batterie für das Recycling geschreddert wird, oder für das Mahlen von pharmazeutischen Wirkstoffen zur Herstellung einer Salbe. Da der Prozess für so viele Produktions- und Recyclingprozesse unerlässlich ist, werden fast alle von Menschenhand geschaffenen Dinge irgendwie zerkleinert, bevor wir sie als Endverbraucher*innen kaufen können.

Russell Alt-Haaker
Redakteur

Ziel Ihrer Forschung ist die Verbesserung der Computersimulationen von Zerkleinerungssystemen, die auf der Methode der diskreten Elemente basieren. Könnten Sie uns diese Methode und ihre Funktionsweise erklären?

Michael Klichowicz
Doktorand

Es ist ein Ansatz, bei dem die Bewegung verschiedener Objekte mechanistisch simuliert werden kann. Er basiert auf der Auswertung der Newtonschen Bewegungsgesetze. Das Grundprinzip besteht darin, den aktuellen Zustand jedes Objekts (z. B. Position und Geschwindigkeit) als Grundlage für die Berechnung zu nehmen, wohin sich dieses Objekt nach einem bestimmten Zeitschritt bewegt hat. Interaktionen zwischen den Objekten, wie z. B. Kollisionen, können als zusätzliche Modelle implementiert werden, so dass sie die Zustände der miteinander interagierenden Objekte beeinflussen. Mit diesem Ansatz können wir zum Beispiel simulieren, wie sich Billardkugeln bewegen und kollidieren. Mit komplexeren Wechselwirkungsmodellen ist es aber auch möglich, die Wechselwirkungen zwischen fast allen möglichen Objekten – von Molekülen bis hin zu Galaxien – zu simulieren. Darüber hinaus können diese diskreten Elemente auch miteinander verbunden werden, wodurch beliebige feste Strukturen entstehen. Indem man solche Verbindungen brüchig macht, ist es möglich, zerbrechliche Materialien wie Gestein zu modellieren.

Russell Alt-Haaker
Redakteur

Sie haben ein Verfahren entwickelt, mit dem man synthetische Mikrostrukturen erzeugt, die in Simulationen von Aufbereitungsprozessen eingesetzt werden können. Dabei ist es notwendig, reale mineralische Mikrostrukturen zu charakterisieren. Würden Sie dieses Verfahren – die sogenannte quantitative Mikrostrukturanalyse – etwas näher beleuchten?

Michael Klichowicz
Doktorand

Um das Brechen von mineralischen Materialien explizit zu simulieren, z. B. durch Anwendung der Methode der diskreten Elemente mit brüchigen Bindungen, ist es notwendig, die richtigen Informationen über die Mikrostruktur der mineralischen Materialien in solche Simulationen einzuspeisen. Dazu werden Dünn- oder Anschliffe des realen mineralischen Materials mit der Polarisationsmikroskopie analysiert, die es ermöglicht, zwischen den verschiedenen Mineralien und Körnern zu unterscheiden.
Darauf aufbauend kann die wirkliche Mikrostruktur mit stereologischen Methoden charakterisiert werden. Im Einzelnen werden die Schliffe durch Zählen der Schnittpunkte zwischen den verschiedenen Körnern oder durch Planimetrie vermessen. Auf diese Weise kann man Parameter berechnen, die die gesamte Mikrostruktur beschreiben. Im Gegensatz zur typischen qualitativ verbalen Beschreibung von Mikrostrukturen, die in der Mineralogie historisch häufig verwendet wurde, wird dieses Verfahren als quantitative Mikrostrukturanalyse bezeichnet.

Russell Alt-Haaker
Redakteur

Was sind Ihrer Meinung nach einige der relevantesten Auswirkungen oder Anwendungen Ihrer Forschung in der realen Welt?

Michael Klichowicz
Doktorand

Das Erstellen realistischer Mikrostrukturen am Computer, die dann für weitere Simulationen verwendet werden, ist weit entfernt von unserem Alltag. Es handelt sich um Grundlagenforschung. Jedoch ist es ein Forschungsgebiet mit großen Auswirkungen auf unser Leben, da fast alle von Menschenhand geschaffenen Dinge bei der Produktion oder beim Recycling in irgendeiner Form zerkleinert werden. Man schätzt zum Beispiel, dass etwa 3% des gesamten Energieverbrauchs in der Welt allein auf das Mahlen und Zerkleinern von mineralischen Stoffen zurückzuführen sind. Wenn diese Prozesse effizienter gestaltet werden, kann dieser energetische Fußabdruck erheblich reduziert werden. Darüber hinaus gibt es einige Anwendungen, bei denen das richtige Verständnis des Einflusses der Mikrostruktur für uns von Bedeutung ist. Dazu gehört der Beton in den Pylonen der Brücken, die wir täglich überqueren müssen, um zur Arbeit zu gelangen, oder die Freisetzung von Seltenerdelementen, die für unzählige Technologien unerlässlich sind, von Leuchtdioden bis hin zu Permanentmagneten in den Motoren von Elektroautos. 

Schlagworte

Mineralischer Rohstoff, Aufbereitung, Zerkleinerung, Bruchverhalten, Erzaufbereitung, Diskrete-Elemente-Methode, Mikrostruktur, Bruchausbreitung, mineralisches Gefüge, Computersimulation, quantitative Mikrostrukturanalyse, Nachhaltigkeit

Zusammenfassung

Diese Forschung zielt darauf ab, den Einsatz realistischer Mineralmikrostrukturen in Simulationen von Aufbereitungsprozessen zu ermöglichen. Insbesondere Zerkleinerungsprozesse, wie z.B. das Brechen und Mahlen von mineralischen Rohmaterialien, werden stark von der mineralischen Mikrostruktur beeinflusst, da die Textur und die Struktur der vielen Körner und ihre mikromechanischen Eigenschaften das makroskopische Bruchverhalten bestimmen.

Ein Beispiel: Stellen wir uns vor, wir haben ein mineralisches Material, das im Wesentlichen aus Körnern zweier verschiedener Mineralphasen, wie Quarz und Feldspat, besteht. Wenn die mikromechanischen Eigenschaften dieser beiden Phasen unterschiedlich sind, wird sich dies wahrscheinlich auf das makroskopische Bruchverhalten auswirken. Unter der Annahme, dass die Körner eines der Minerale bei geringeren Belastungen brechen, ist es wahrscheinlich, dass sich ein Riss durch einen Stein dieses Materials durch die schwächeren Körner ausbreitet. Tatsächlich ist dies eine wichtige Eigenschaft für die Erzaufbereitung. Um wertvolle Mineralien aus einem Erz zu gewinnen, ist es wichtig, sie aus dem kommerziell wertlosen Material, in dem sie vorkommen, zu befreien. Dazu ist es wichtig zu wissen und zu verstehen, wie das Material auf Korngrößenebene bricht.

Um diesen Bruch simulieren zu können, ist es wichtig, realistische Modelle der mineralischen Mikrostrukturen zu verwenden. Diese Studie zeigt, wie solche realistischen zweidimensionalen Mikrostrukturen auf der Grundlage der quantitativen Mikrostrukturanalyse am Computer erzeugt werden können. Darüber hinaus zeigt die Studie, wie diese synthetischen Mikrostrukturen dann in die gut etablierte Diskrete-Elemente-Methode integriert werden können, bei der der Bruch von mineralischem Material auf Korngrößenebene simuliert werden kann.

Zitiervorschlag

Klichowicz, Michael. Modeling of realistic microstructures on the basis of quantitative mineralogical analyses. Berlin: DUZ Verlags- und Medienhaus, 2020.

Repository

tubaf.qucosa.de

Identifikatoren

978-3-96037-342-1

Veröffentliche

deine Dissertation

auf OpenD und steigere

deine Online-Sichtbarkeit

Jetzt registrieren