Soutenance de thèse de Mélanie ROULET

Cette thèse propose de nouvelles applications d'impression 3D pour la fabrication de miroirs en astronomie. L'utilisation de l'impression 3D est relativement nouvelle dans la réalisation d’instrument pour l’astronomie, mais se développe de plus en plus en raison de ses nombreux avantages par rapport à la fabrication traditionnelle. L'impression 3D est une technique de fabrication additive, donc les règles de conception et les contraintes changent par rapport aux techniques soustractives habituelles. L'impression 3D peut produire des géométries et des structures complexes répondant à des problèmes inhérents à la fabrication des miroirs, par exemple, son application est largement répandue dans l’allègement de miroir. 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). Les deux études mettent l'accent sur la création de designs innovants. 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 innovants 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 (SLA) et Ti64 imprimés par fusion par faisceau d’électrons (EBM) 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, celui-ci élargit la gamme de géométries optiques fabricables par 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 créé. Trois prototypes ont été produits avec différentes techniques de fabrication, un miroir conventionnel fraisé dans un bloc de Zerodur, deux miroirs imprimés en 3D en alumine et cordiérite par SLA, et un assemblage en deux parties (TPA) avec un substrat de miroir en Zerodur collé sur une distribution d'épaisseur en cordiérite imprimée en 3D. Le miroir TPA fourni la première déformation de front d’onde devant l’interféromètre, ce qui a démontré la capacité du design crée à générer une surface d’OAP. Les résultats expérimentaux sur le prototype 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 (CGI) du Roman Space Telescope (RST), avec une erreur de forme de surface s'écartant de la simulation de < 1 nm RMS et une rugosité de surface moyenne de 2,1  RMS. Par conséquent, le prototype Zerodur a été choisi pour être le modèle de vol de l’OAP7 du RST CGI, des OAP supplémentaires seront produites pour cette mission par le LAM via la technique du SMP.

This thesis provides new 3D printing applications for astronomical mirror fabrication. The use of 3D printing is relatively new in astronomy instrumentation, but increasingly expands due to its high number of advantages over traditional manufacturing. 3D printing is an additive manufacturing technique hence design rules and constraints change compared to usual substractive techniques. 3D printing can produce complex geometries and structures answering to inherent mirror fabrication issues, for example, its application is widespread in lightweighting mirrors. The development of new manufacturing processes using 3D printing is presented in this thesis by the fabrication of a deformable mirror (DM) and the fabrication of off-axis parabolas (OAP). Both studies emphasise the innovative designs created. In the case of DM, the mirror and the discrete parallel actuation structure are printed as a single part which simplify the assembly steps realised of interfaces. Two innovative designs are created to reduce the quilting effect during polishing, and the complex geometry do not allow a conventional fabrication. Two materials Al2O3 printed via stereolithography (SLA) and Ti64 printed via electron beam melting (EBM) were tested and compared. The study demonstrates the importance of the printing parameters to obtain a successful printing, and the feasibility of 3D printed DM with embedded actuation structure. In the case of OAP, a new manufacturing process for OAP mirror fabrication is presented, which broadens the range of optical geometries manufacturable via 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 have been produced with different fabrication techniques, a conventional mirror milled in a Zerodur blank, two 3D printed mirrors in alumina and cordierite, and a two-part assembly (TPA) with a Zerodur mirror substrate glued to a 3D printed cordierite thickness distribution. The TPA mirror provided the first deformation front of the interferometer, which demonstrated the capability of the design to generate 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 Roman Space Telescope (RST) coronagraphic instrument (CGI) specifications, with a surface form error deviating from the simulation by <1 nm RMS and an average surface roughness of 2.1 Å RMS. Therefore, the Zerodur prototype has been chosen to be the flight model of OAP7 for the RST CGI, additional OAPs will be produced for this mission by LAM via SMP process.