LB-PBF optomechanical mount for cryovacuum applications

This thesis aims to study the feasibility of an opto-mechanical mount for use in the cryovacuum environment, made by means of Additive Manufacturing techniques (AMTs). As an example, a lens made of N-BK7 — a common optical glass — having a diameter of 120mm, usually used for visible (VIS) and near-infrared (NIR) applications, was chosen. The frame, on the other hand, was made of AlSi10Mg by Laser Beam - Powder Bed Fusion (LB-PBF), a common AMT technique that uses the energy of a laser beam to selectively fuse certain regions of atomized metal. The use of flexural elements drives the functioning of the proposed model. Their operation, which exploits the material in the elastic field, has been evaluated, modeled, designed, fabricated, and experimentally validated. Using Finite Element Analysis (FEA), the integrity of the frame and optical element, as well as its behavior at ambient and cryogenic temperatures, were verified. A model of the product made of Polylactic Acid (PLA) by Fused Deposition Modeling (FDM) technique was used for the experimental part, aimed at verifying the performance of individual flexural elements and the overall frame + lens system. This work contributed to the development of opto-mechanical products using AMTs techniques, highlighting their strengths and critical issues. Some physical-mathematical models were developed and presented, providing a design method that can be used in similar applications.

Questa tesi si pone come obiettivo lo studio di fattibilità di una montatura opto-meccanica per utilizzo in ambiente cryovacuum, realizzata mediante tecniche di Additive Manufacturing (AMTs). A titolo esemplificativo, si è scelto di adottare una lente in N-BK7, un comune vetro ottico, avente diametro di 120mm, solitamente impiegata per applicazioni nel visible (VIS) e nel vicino infrarosso (NIR). La montatura, invece, è stata realizzata in AlSi10Mg mediante Laser Beam - Powder Bed Fusion (LB-PBF), una comune tecnica di AMT che sfrutta l’energia di un fascio laser per fondere selettivamente alcune regioni di metallo atomizzato. L’impiego di elementi flexurali è alla base del funzionamento del modello proposto. Il loro funzionamento, che sfrutta il materiale in campo elastico, è stato valutato, modellato, progettato, realizzato e validato sperimentalmente. Grazie all’analisi agli Elementi Finiti (FEA) sono state verificate l’integrità della montatura e dell’elemento ottico, nonché il suo comportamento a temperatura ambientale e criogenica. Un modello del prodotto realizzato in Acido Polilattico (PLA) mediante tecnica di Fused Deposition Modeling (FDM) è stato impiegato per la parte sperimentale, volte a verificare le prestazioni dei singoli elementi flexurali e del sistema complessivo montatura + lente. Questo lavoro ha contribuito allo sviluppo di prodotti opto-meccanici mediante tecniche AMTs, mettendone in luce i punti di forza e le criticità. Alcuni modelli fisico-matematici sono stati elaborati e presentati, fornendo un metodo progettuale impiegabile in applicazioni simili.