Porous aerostatic bearing manufacturing and static performance
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-12-12
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
79 + app. 49
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 236/2025
Abstract
Aerostatic bearings are machine elements that enable frictionless motion by maintaining a thin layer of pressurized gas between the bearing and the opposing surface. Multiple types of aerostatic bearings have been developed over time. Orifice-based aerostatic bearings are commonly applied in industrial solutions. A compelling alternative to conventional orifice-based designs are the porous aerostatic bearings, which are used in high-precision applications where frictionless, contamination-free operation, and robustness are required. However, their industrial adoption has been limited by challenges related to manufacturing consistency, performance repeatability, and insufficient system-level validation. This dissertation addresses these problems through comprehensive studies over three research publications. A complete manufacturing process for graphite-based porous aerostatic bearings was developed and experimentally validated. Various grades of graphite and surface finishing methods were evaluated to determine their influence on bearing performance. An automated adhesive dispensing system was developed to improve the reproducibility of the sample bearings. Additionally, a fully automated planar bearing test rig was designed and implemented, which allowed for a reliable characterization of the static load capacity, air gap height, flow rate, and air gap pressure distribution. The Repeatability Performance Parameter (Rpp) was introduced as a novel statistical metric to quantify the variation in bearing performance across samples. A sample set of 66 bearings was analyzed, which revealed key factors affecting reproducibility, and provided insights into the influence of material properties and process parameters. The sample set included 12 porous graphite bearings manufactured in-house, 36 commercially available porous bearings from two manufacturers, and 18 commercially available orifice–groove aerostatic bearings. The research also included the development of performance evaluation methods and measurement infrastructure for a novel conical thrust aerostatic turning pulley designed for fiber-optic production. The turning pulley integrated porous radial and axial bearings and was tested to assess stiffness, frictional torque, and dynamic response under load. While dynamic instabilities were observed at high speeds, the prototype demonstrated functional performance and laid the groundwork for future development. The results show that in porous aerostatic bearings, surface planarity has a more significant effect on bearing performance than surface roughness. Porous aerostatic bearings exhibited a greater performance variation within a manufacturing batch, whereas orifice–groove bearings had a smaller variation. The results also indicated that applying aerostatic bearings to the optical fiber turning pulley is a feasible solution. During the research, fully functional aerostatic bearing performance testing methods were created for planar bearings and aerostatic turning pulleys, and were verified in operation.Aerostaattiset laakerit ovat koneenosia, jotka mahdollistavat kitkattoman liikkeen ylläpitämällä ohutta paineistetun kaasun kerrosta laakerin ja vastinpinnan välillä. Erilaisia aerostaattisia laakereita on kehitetty vuosien varrella. Teollisissa sovelluksissa yleisimmin käytettyjä ovat suutintyyppiset aerostaattiset laakerit. Huokoiset aerostaattiset laakerit tarjoavat houkuttelevan vaihtoehdon perinteisille suuttimeen perustuville ratkaisuille erityisesti sovelluksissa, joissa tarvitaan kitkatonta, kontaminaatiovapaata toimintaa ja hyvää viansietokykyä. Niiden teollista käyttöönottoa on kuitenkin rajoittanut haasteet valmistuksen toistettavuudessa, suorituskyvyn vaihtelu sekä puutteellinen järjestelmätason validointi. Tämä väitöskirja käsittelee näitä haasteita kolmen vertaisarvioidun tieteellisen julkaisun muodostaman tutkimuksen kautta. Grafiittipohjaisille huokoisille aerostaattisille laakereille kehitettiin ja kokeellisesti validoitiin kokonainen valmistusprosessi. Eri grafiittilaatuja ja pinnan viimeistelymenetelmiä tutkittiin niiden vaikutusten selvittämiseksi laakerin suorituskykyyn. Toistettavuuden parantamiseksi kehitettiin automatisoitu liiman annostelujärjestelmä. Lisäksi suunniteltiin ja toteutettiin täysin automatisoitu tasolaakerien suorituskykymittalaitteisto, jonka avulla voitiin luotettavasti karakterisoida laakerin staattinen kuormankantokyky, ilmarako, ilmavirtaus sekä painejakauma ilmaraossa. Tutkimuksessa esiteltiin myös uusi tilastollinen parametri, Repeatability Performance Parameter (Rpp), jolla voidaan kvantitatiivisesti arvioida suorituskyvyn vaihtelua laakerinäytteiden välillä. Analyysin kohteena oli 66 laakerin näytejoukko, jonka avulla tunnistettiin keskeiset tekijät toistettavuuden kannalta ja saatiin syvempää ymmärrystä materiaalien ja valmistusprosessien vaikutuksesta. Näytejoukko sisälsi 12 itse valmistettua huokoisen materiaalin laakeria, yhteensä 36 kaupallista huokoisen materiaalin laakeria kahdelta valmistajalta sekä 18 kaupallista ura-suutinyhdistelmälaakeria. Tutkimuksessa kehitettiin myös suorituskyvyn arviointimenetelmät ja mittausinfrastruktuuri uudelle kartiopintaiselle aerostaattiselle valokuidun ohjainrullalle. Rullaan on integroitu huokoiset radiaali- ja aksiaalilaakerit, ja sitä testattiin jäykkyyden, kitkan ja dynaamisen vasteen arvioimiseksi. Vaikka suurilla pyörintänopeuksilla havaittiin dynaamista epävakautta, prototyyppi osoitti periaatteellisesti toimivan ja loi pohjan jatkokehitykselle. Tulokset osoittavat, että huokoisissa aerostaattisissa laakereissa pinnan tasomaisuudella on merkittävämpi vaikutus laakerin suorituskykyyn kuin pinnan karheudella. Huokoiset aerostaattiset laakerit osoittavat suurempaa suorituskyvyn vaihtelua yksittäisen valmistuserän sisällä, kun taas suutin–ura-laakereiden vaihtelu on vähäisempää. Tulokset viittaavat myös siihen, että aerostaattisen laakerin soveltaminen optisen kuidun ohjainrullaan on toteuttamiskelpoinen ratkaisu. Tutkimuksen aikana kehitettiin ja otettiin käyttöön täysin toimiva aerostaattisten laakereiden mittausinfrastruktuuri tasolaakereille ja optisen kuidun aerostaattisille ohjainrullille, ja niiden toiminta todettiin käytännön mittauksissa.Description
Supervising professor
Viitala, Raine, Assist. Prof., Aalto University, Department of Energy and Mechanical Engineering, FinlandOther note
Parts
-
[Publication 1]: Vainio V., Miettinen M., Majuri J., Theska R., Viitala R.. Manufacturing and static performance of porous aerostatic bearings. Precision Engineering, 84, 177-190, August 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202309135810DOI: 10.1016/j.precisioneng.2023.06.014 View at publisher
-
[Publication 2]: Vainio V., Miettinen M., Leutonen O., Majuri J., Theska R., Viitala R.. Statistical variation of porous aerostatic bearings. Precision Engineering, VOL 96, PAGES 840-850, August 2025.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508276822DOI: 10.1016/j.precisioneng.2025.07.013 View at publisher
- [Publication 3]: Vainio V., Harding L., Miettinen M., Viitala R.. Porous Conical-Thrust Aerostatic Turning Pulley Spindle For Optical Fiber Production. Submitted to Advances in Mechanical Engineering, 2025.