Gyroid lattice for 3D printed pad of tilting pad journal bearings : modeling and experiments

Hydrodynamic journal bearings are essential power transmission elements for industrial rotating machineries. Continuously growing of specific power allows more compact and efficient machines reducing the environmental footprint of production plants. Radial load is sustained by the pressure field generated in the oil film wedge between relative moving surfaces, due to hydrodynamic lubrication phenomenon, but shear stress heats up the lubricant, limiting the maximum allowable load. The aim of the thesis is to design an innovative pad with an embedded cooling circuit to limit oil film temperature. Heat exchange can be relevantly increased using bioinspired gyroid lattice. A comparative analysis is performed changing relevant parameters for lattice geometry; numerical and experimental tests are performed for a proper thermo-mechanical design of the component. Metal 3D printing is able to produce such a complicated shape; Bound Metal Deposition technology is chosen for pad production and a manufacturability study is performed. Printability limits, local defects and macro geometrical errors are investigated and quantified. Finally, this research activity opens new opportunities: gyroid lattice can be used for light weighting of structural components and the use of copper could increase significantly heat exchange efficiency.

I cuscinetti fluidodinamici sono componenti di fondamentale importanza per le macchine rotanti in campo industriale. La continua crescita di potenza specifica permette la costruzione di macchine sempre più compatte ed efficienti, che riducono l’impatto ambientale delle linee di produzione. Nei cuscinetti radiali, il carico è sostenuto dal campo di pressione generato nel meato d’olio tra due superfici in movimento relativo, quella dell’albero e quella delle pastiglie. Questa tecnica è detta lubrificazione idrodinamica e permette di ridurre considerabilmente le dissipazioni di energia; tuttavia, gli forzi di taglio che si generano nel sottile strato d’olio producono calore, che scalda l’olio stesso e riduce il carico massimo ammissibile. Scopo di questo progetto di tesi è la progettazione di una innovativa pastiglia per cuscinetti, con circuito di raffreddamento integrato, per ridurre la temperatura del film d’olio. L’asportazione di calore può essere aumentata notevolmente attraverso l’utilizzo di lattici di ispirazione naturale come le giroidi. Un’attenta analisi comparativa è condotta variando i parametri significativi per la geometria del reticolo. Prove numeriche e sperimentali sono condotte per ottenere un’adeguata caratterizzazione termo-meccanica del componente. Per la realizzazione di una geometria così complessa, la stampa 3D in metallo, e in particolare l’innovativa tecnologia di “Bound Metal Deposition”, è scelta per la realizzazione della pastiglia. La manufatturabilità è indagata attraverso il controllo e la quantificazione dei limiti di stampa, dei difetti locali e degli errori macro e micro geometrici. Infine, questa attività di ricerca apre nuove opportunità interessanti: il reticolo a giroide può essere utilizzato per l’alleggerimento topologico dei componenti strutturali e l’utilizzo del rame può aumentare considerevolmente l’efficienza di scambio termico.