3D printing for astronomical mirrors

par Mélanie Roulet

Thèse de doctorat en Physique et sciences de la matière. Instrumentation

Sous la direction de Emmanuel Hugot et de Carolyn Atkins.

Soutenue le 23-10-2020

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) , en partenariat avec Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM) (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Amram.

Le jury était composé de Gabby Aiting-Kroes.

Les rapporteurs étaient Hermine Schnetler, Denis Mourard.

mots clés

• Impression 3D
• Polissage sous contrainte
• Parabole hors axe
• Miroir deformable
• Fabrication de miroir
• Simulation par éléments finis
• Télescopes spatiaux
• Télescopes
• Antennes paraboliques
• Impression 3D
• Simulation quantique
• Modélisation CFD

Titre traduit

Impression 3D pour les miroirs spatiaux

Résumé

Deux nouvelles méthodes de fabrication utilisant l'impression 3D sont présentés dans cette thèse, la fabrication d'un miroir déformable (DM) et la fabrication de paraboles hors axe (OAP). Dans le cas du DM, le miroir et la structure d'actionnement sont imprimés en une seule pièce, ce qui simplifie les étapes d'assemblage, dépourvues d’interfaces. Deux designs incorporant des structures d'allègement sont créés pour réduire les erreurs de surface lors du polissage, les géométries ainsi créées ne peuvent pas être fabriquées de manière traditionnelle. Deux matériaux, Al2O3 imprimés par stéréolithographie et Ti64 imprimés par fusion par faisceau d’électrons sont testés et comparés. L'étude démontre l'importance des paramètres d'impression pour obtenir une pièce réussie, ainsi que la faisabilité d'un DM imprimé en 3D en une seule pièce avec une structure d'actionnement intégrée. Dans le cas de l'OAP, un nouveau procédé de fabrication est présenté, qui élargit la gamme de surface optiques réalisables via la technique des miroirs polis sous contraintes (SMP). Une distribution d'épaisseur innovante composée de trèfle, capable de produire la géométrie OAP tout en maintenant un système de harnais de déformation simple est créée. Trois prototypes ont été produits avec différentes techniques de fabrication. La première déformation de front d’onde devant l’interféromètre démontre la capacité du design crée à générer une surface d’OAP. Les résultats expérimentaux sur le prototype en Zerodur confirment que la technique du SMP convient parfaitement pour l'imagerie à haut contraste : la qualité optique du prototype est conforme aux spécifications du coronagraphe du Roman Space Telescope

mots clés

• 3D printing
• Stressed mirror polishing
• Off-Axis parabola
• Deformable mirror
• Polishing technique
• Material
• Mirror fabrication
• Finite element analysis

Résumé

The development of two new mirror manufacturing processes using 3D printing is presented in this thesis: the fabrication of a deformable mirror (DM), and the fabrication of off-axis parabolas (OAP).In the case of DM, the mirror and the discrete parallel actuation structure are printed as a single part, which simplifies the assembly steps by reducing the interfaces. Two innovative designs are created, which reduce the quilting effect during polishing, and demonstrate a complex geometry that would be impractical for traditional fabrication. Two materials, Al2O3 printed via stereolithography and Ti64 printed via electron beam melting, were tested and compared. The study demonstrates the importance of the print parameters to obtain a successful build, and the feasibility of a 3D printed DM with an embedded actuation structure. In the case of OAP, a new manufacturing process for OAP mirror fabrication is presented that broadens the range of optical geometries manufacturable via the Stressed Mirror Polishing (SMP) technique. An innovative thickness distribution composed of trefoil, capable of producing the OAP geometry while maintaining a simple warping harness system is created. Three prototypes variants have been produced using different fabrication approaches. The first deformation in front of the interferometer demonstrate the capability of the design to generate the OAP surface figure. The experimental results on the Zerodur prototype confirm the suitability of SMP for high contrast imaging: the optical quality of the prototype is within the Nancy Grace Roman Space Telescope coronagraphic instrument specifications