Dimensionnement verrou electromagnetique

[invited5e0be03]

Bonjour,


Dans le cadre d'un projet industriel que je met pour mon stage de fin d'étude, j'ai besoin de dimensionner un verrou électromagnétique (trouver une solution de verrouillage plus exactement sans parler de solution).

Ainsi, je suis confronté aux données suivantes:
-un portique est en mouvement vertical et horizontal. Suivant son axe vertical, la solution doit permettre un verrouillage (comme dit plus haut) lors du mauvais fonctionnement des motorisation entraînant ce portique.
L'ensemble mobile verticalement pèse 250kg et le frein moteur limite la vitesse verticale à 1m/s. Je souhaite connaitre l'effort que l'ensemble va exercer sur le verrou lorsqu'il y aura défaut (250kg à 1m/s).

Mes premiers calculs:
L'ensemble est déjà monter sur site et la pièce actuellement sur place a été cassée suite un test de mise en service (le dimensionnement n'a pas été fait par mes soins)...
Ainsi, empiriquement, on a : une déformation de 5mm à une vitesse test de 0,1m/s (toujours pour 250kg). J'ai ensuite modéliser la pièce et l'ait soumis à un effort Fi. Afin de connaitre l'effort théorique (via CATIA), j'ai effectué plusieurs test afin d'approché la déformation observée. J'arrive à une déformation de 4,64mm pour un effort vertical descendant de 25000N.

Ainsi, avec la formule approchée suivante:
d(m*v)=Fi*dt (différentielle de quantité de mouvement) j'obtiens donc : m*v(initiale) - m*v(final) = Fi*dt. En considérant la vitesse finale nulle (après absorption du choc), j'obtiens :
m*v(initiale)=Fi*dt. Dans les configuration données, j'ai donc dt=m*v(initiale)/Fi = 250*0.1/25000 = 0.001s.
J'en déduis donc que le choc dur 1ms (tenant compte de l'élasticité des matériaux... que je n'ai pas utilisé, d'ailleurs les deux pièces sont en acier pour qui serait intéressé).

Maintenant, je souhaite redimensionner l'ensemble dans le cas où la vitesse de déplacement est de 1m/s (cas du défaut), je retrouve la même formule, et cette fois:
Fi*dt=m*v(initiale) donne Fi=m*v(initiale)/dt = 250*1/0.001=250000N (je considère que le temps de déformation est le même car les matériaux ne changent pas).

Ces calculs sont fait avec des hypothèses que je n'ai encore jamais formulées et je désire savoir si tout ce que je viens de décrire est convenable dans le cadre d'un développement correcte.

Je tiens également à préciser que l'ensemble de mes résultats ont été proposés avec une marge de 30% (coefficient de sécurité et approximation) amenant ainsi l'effort max Fi à 325000N.


Je vous demande donc si d'un oeil extérieur tout ceci semble viable...


A la suite j'ai déjà repris la documentation constructeur du verrou électromagnétique posé sur place et celui-ci se limite à un effort de cisaillement de 1000daN soit 10000N <<< 325000N ... j'ai donc quelques larmes qui coulent quant à la possibilité de tout ceci :/

Quelqu'un pour me sauver la vie rapidement?
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[cardan]

Bonjour,

Je me dis parfois qu'un bon schéma vaut mieux qu'une quinzaine de lignes car l'outil de communication privilégié des mécanos c'est un peu le schéma. Après les calculs doivent être faits avant la maquette numérique car s'ils invalident vos choix c'est un peu tard quand la maquette numérique est réalisée de devoir se retourner vers une autre solution si celle qui a été choisie ne convient pas ou ne tient pas. Pour les chocs c'est toujours un peu compliqué je me posais la question suivante:

Pourquoi ne faites vous pas un calcul énergétique en écrivant que l'énergie cinétique du mobile en mouvement se transformera en énergie de déformation du loquet verrou ?

Si on se place dans le domaine élastique (très discutable mais bon comme on aimerait bien que le loquet ne casse pas on peut imaginer alors que bien construit on soit resté dans le domaine élastique et qu'il puisse être réutilisé) on doit avoir:

0.5 M . V ^2 = 0.5 . k . x ^2, le terme de gauche en Joule étant connu et k étant la raideur élastique à la flexion du doigt de verrouillage.....Je n'ai pas de schéma mais je pense que le doigt est encastré ? Donc x représente la fléche du doigt au moment du choc à partir d'une formule de flexion simple:

x = F. L ^ 3 / ( 3 E Igz ) on peut grossièrement donner la raideur en flexion du doigt k = 3 E . Igz / L ^ 3

Vous pouvez en déduire x la flèche au moment du choc.

Après si vous avez Catia je pense que vous pouvez imposer cette flèche à votre doigt de verrou....le logiciel vous donnera la distribution des déplacements et donc des contraintes, le coeff de sécurité etc.

Sinon petit calcul à la main, pour connaître l'effort d'accostage F, la raideur k à la flexion du doigt étant connue, x l'étant aussi vous pouvez déterminer F en écrivant que F = k.x

Puis après c'est une étude toute simple de RDM, moment de flexion, coeff de sécurité etc

Cordialement

[cardan]

Re,

J'ai oublié de le mettre à la fin de mon premier message mais bon si le doigt est calculé au cisaillement (en fait je n'ai pas de schéma....donc difficile de voir) vous utilisez à ce moment bien évidemment une loi de cisaillement en écrivant que F / S = G. gamma, gamma angle de déversement au cisaillement, cet angle étant faible (domaine élastique) il est égal à sa tangente donc gamma = tan(gamma) avec tan(gamma) = x / L longueur libre qui n'est pas encastrée donc on peut de la même façon retrouver une raideur au cisaiellement

k = G. S / L avec G module de coulomb du doigt pour 1 acier 8. 10 ^4 MPa etc

On peut bien évidemment trouver des efforts énormes....Car il s'agit d'une percussion et donc moins il y aura de déformation plus l'effort sera important.

Cordialement

[invited5e0be03]

Rebonjour,


Je suis désolé, je n'ai pas eu le temps de mettre un schéma, je vais essayer de le faire demain mais je crois que vous avez bien compris l'ensemble de mon problème.

Je reprend cette idée dès demain, mes premiers calculs me mène à une raideur de 1.25*E12N/m (un peu plus costo que l'acier traditionnelle ... bizarre non?)


Cordialement,

[A voir en vidéo sur Futura]

[cardan]

Bonjour,

Je pense que si on veut avoir moins d'effort il faut que la variation d'énergie cinétique se fasse sur une course plus grande c'est un peu le principe d'une butée fin de course sur laquelle on place généralement un amortisseur fin de course qui fait déjà chuter une partie de l'énergie cinétique avant le choc brutal avec la butée, le rôle de la butée étant plutôt de définir une position angulaire ou autre. Dans votre problème de verrou n'existe t-il pas des principes avec un amortisseur hydraulique qui dissipe une partie de l'énergie cinétique puis après la butée qui maintient la position.

Par rapport aux calculs se sont des calculs simplifiés bien évidemment je me posais néanmoins une question si vous avez déjà la maquette numérique du verrou sous Catia, ne pouvez vous pas définir une sollicitation en énergie en disant sur cette arête je balance 125 Joules et puis après le logiciel vous donne la déformée en déplacement, les contraintes etc De plus la valeur de la raideur que vous trouvez en cisaillement ou en flexion ne doit bien entendu pas être comparée au module d' Young " E " de l'acier qui est une constante du matériau et qui vaut 2.1. 10^5 M. Pa quelque soit l'acier utilisé (modulo les Inox où on est un peu plus faible)

Cette raideur du loquet du verrou dépend surtout de sa forme (diamètre, longueur mais aussi matériau) dans tous les cas elle n'est pas à comparer avec le module d' Young de l'acier E. Pour simplifier c'est comme si vous pensiez que tous les ressorts ont la même raideur k parce qu'ils sont en acier....alors que le nombre de spires, le diamètre moyen , le diamètre de fil etc interviennent aussi !

Après trouver une raideur de 1.25 E12 N / m peut ne pas surprendre cela sous entend que si vous allonger un tel ressort (c'est un modèle) sur 1 m il vous faudrait une force de 1.25 E12 N pas gênant car personne n'a dit non plus qu'un verrou de blocage était aussi souple qu'un ressort.....J' utilise simplement le fait que je suis dans le domaine élastique pour profiter des lois de déformation des ressorts !

Cordialement

[invited5e0be03]

Bonjour,


Il est vrai que ma remarque de hier n'était pas très brillante après reflection.
Je n'ai pas la définition CAO du verrou ce qui m'empêche de faire un test d'effort dessus, j'ai cependant sa documentation constructeur qui limite le cisaillement maxi à 1000daN. J'ai également la définition du support pourtant ce verrou.

Je vais essayer de terminer le travail de hier et voir sur catia comment le tout devrait se passer. (tout en allant le plus vite possible car les résultats sont encore à donner pour hier ...).



Cordialement,

[invited5e0be03]

A oui petite précision pour le module de Coulomb de l'acier (si quelqu'un se sert du poste pour la suite, ce n'est pas 8*10E4 MPa mais 8*10E4 GPa).

Cela entraîne une raideur de 1.1*10E9 N/m (1000 fois moins que pour le calcul précédent ... mais je préfère ce résultat car les valeurs géométrique me semble plus adaptée).
Ce qui entraîne une flèche de 0.48mm et donc un effort de 525000N. (deux fois plus que ce que j'avais prévu ...) Je ne sais donc plus par quelle coté je dois prendre le problème.


Voici le schéma tant attendu pour être plus clair.

Pour ce qui est de la documentation technique du verrou la voici: http://www.mecalectro.com/produit.php?ref=870
On y trouve un plan indiquant précisément la charge maxi sur le pêne de 11000N (je suppose le tout en acier classique).

Dans les configurations décrites, je suis très inquiet ...

[cardan]

Bonjour,

Pour les caractéristiques des matériaux notamment de l'acier il n'y a aucun doute là dessus je vous les redonne:

E = 2.1.10 ^5 M.Pa et G = 8.10^4 M.Pa ces valeurs sont usuelles en RDM elles peuvent différées légèrement d'un acier à l'autre (quelques pourcents) dans tous les cas on a pas G = 8.10^4 G.Pa mais...... G = 80 G.Pa ce qui correspond aux valeurs que je vous ai données en M.Pa. Le M.Pa étant une unité couramment admises en RDM au niveau de l'ordre de grandeur.

Bien évidemment l'effort calculé suite à la percussion va être énorme, il s'agit d'une percussion (d'un choc) un peu comme quand vous tapez (même simplement en le laissant tomber) un marteau sur un clou, l'effort instantané est énorme, peut on utiliser cette force instantanée pour un calcul au cisaillement je n'en sais rien. A mon avis on doit simplement pouvoir le dimensionner en disant par exemple le fait qu'il y ait 125 J à passer.....

Pour ce type de verrou je pense que le constructeur calcule les choses autrement: il vérifie l'axe du verrou au cisaillement statique juste à partir de la masse du coulisseau: 250 kg quand celui ci est en appui sans choc sur l'axe du verrou donc il fait un banal calcul au cisaillement.

Une partie de l'énergie cinétique du coulisseau est reprise par le freinage du frein à manque de courant, peut être que ce frein devrait exercer plus de couple donc soit en le durcissant un peu (voir réglage de l'entrefer du frein si ce couple est prévu réglable par le constructeur) soit en choisissant une gamme de frein ayant un couple de freinage plus important pour que la vitesse d'accostage soit plus faible. Ceci étant dit après il faudrait voir si on ne peut pas concevoir une butée hydraulique escamotable (piston avec joint torique plus huile, un gicleur de laminage etc) Quand le coulisseau chute la butée sort, le coulisseau tape sur le piston qui pousse l'huile à travers un orifice calibré réglable, le laminage de l'huile dissipe l'énergie cinétique et le coulisseau se met après à vitesse nulle en appui sur la butée franche.

En fait dès qu'il y a choc il y a des efforts énormes car l'énergie cinétique est dissipée sur une course très faible s'il n'y a pas de déformation, le rôle d'une butée c'est justement de prévoir un ralentissement sur 20 ou 30mm de façon à ce que l'effort fin de course soit acceptable.

Cordialement

[invited5e0be03]

Rebonjour,


Tout d'abord je tiens à m'excuser de la boulette (pour le module de cisaillement, je viens de reregarder et oui c'est bien ça!).
En ce qui concerne la solution de butée hydraulique, elle impose un circuit hydraulique externe, donc de l'entretient et surtout une butée unique! Or le portique est utilisé sur plusieurs poste et s'arrête a des hauteurs différents ... donc difficile de ne pas travailler en cisaillement avec un système embarqué...

Concernant l'ordre de grandeur des efforts, je suis tout à fait d'accord, une alternative serait de mettre en place un matériaux élastomère sur les parois en collision afin d'augmenter de 1 ou 2 mm l'écrasement et donc le dispersion d'énergie ... mais cela n'est pas très efficace sur 1 ou 2 mm...


Je viens d'avoir quelques informations quant à l'utilisation de ce verrou, celui ci vient en fait soutenir le portique lorsque celui-ci est arrêter! Donc .. problème de statique lorsque le verrou est directement en face du trou oblong dans lequel il vient se logé (embarqué sur le portique en mouvement). Mais lorsque la règle (pièce avec les trou oblong actuellement tout les 120mm voir schéma): n'est pas en position : trou oblong face au pêne du verrou, le portique est en chute libre durant la période t=d/v(finale) (v(initiale) étant nulle de part l'arrêt préalable du portique).
Donc ... on part bien du fait que le portique est arrêter et que ce verrou n'est qu'une seconde sécurité utile en cas de mauvais fonctionnement mécanique (frein moteur).

Ainsi, on a a=g, d'où v(finale)=sqrt(a*d)
avec l'effort maxi de 11000N donné par les constructeur, cela impose une distance de chute libre d:
avec k = 1.08*10E9 N/m on a x=1.02*10E-5m et v(finale)=0.02m/s d'où d=4.01*10E-5m...cela revient à utilisé pas mal de verrou surtout avec un diamètre de 16mm...
la solution avec ce verrou me semble très difficilement faisable .. d'autant plus qu'il est déjà acheter et sur site! (sans ma consultation préalable...mais faut réparer mtn )

Je regarde maintenant les verrou de ce même constructeur je tombe sur : http://www.mecalectro.com/produit.ph...&id_rubrique=3
L=42mm
Ø=32mm (présence d'un méplat non pris en compte pour le calcul ... est-ce réellement important?)
Fmax = 40000N
Soit avec le même raisonnement que tout à l'heure pour trouver d:
avec k = 1.55*E9 N/m on a x=2.58*E-5m et v(finale)=0.064m/s d'où d=4.17*E-4m soit un nombre monstrueux de verrou monter en parallèle et des pistes en parallèle sur la règle...je n'ai pas encore calculer le nombre mini de verrou à utiliser mais il faudrait également faire un calcul de résistance sur la règle ... assez monstrueux comme solution ...

Je suis donc dans la panade!!

[cardan]

Rebonjour,

Ne pouvez vous pas fixer deux butées en élastomères (type GUR pour les grues ou autres) sous la traverse qui peut se retrouver en chute libre, donc une de chaque coté. Sur chacun des rails qui guide cette traverse vous mettez deux verrous escamotables un de chaque coté (en dessous de la position la plus basse que peut atteindre la traverse) Quand il y a chute, les deux verrou sortent en même temps et la traverse les heurte modulo les deux butées en élastomères qui s'écrasent environ sur 20 mm....Du coup l'effort est plus faible puisqu'il est amorti sur une course de 20 mm (à voir avec le cahier des charges de la butée en élastomère, ici un modèle GUR pour les grues pris au hasard mais il doit bien y avoir d'autres choses qui existent en fouillant un peu)

Cordialement

[cardan]

Rebonjour,

Solution symétrique (si au niveau sécurité la traverse ne doit pas tomber jusqu'à la dernière butée) vous placez les butées en élastomère sous la traverse qui coulisse comme défini dans le message précédent mais cette fois chacun des verrou est placé sur sa butée en élastomère donc sous la traverse par une fixation (qui reste à définir) mais qui lui laisse uniquement une mobilité verticale. Au moment du choc le verrou peut remonter modulo l'écrasement de la butée de 20 mm ce qui atténue le choc sur le pêne du dit "verrou". En effet le verrou écrasera la butée qui est placée entre lui et la traverse coulissante.

Cordialement

[invited5e0be03]

Rebonjour,


Ces solutions sont envisageables dans le cas ou je n'ai qu'un seul point d'arret du portique (coulissant), or ce n'est pas le cas ici, j'ai plusieurs arrêt possible et ce à des hauteurs différentes dans la plupart des cas, ceci nécessite de consulter le chef de projet.


Cordialement,

[cardan]

Re,

D'où l'intérêt de la deuxième solution où les deux verrous sont montés "flottants" en dessous de la la traverse, un de chaque coté sauf qu'entre le verrou et la traverse on insère un élément en élastomère type GUR ou autres. Quand le verrou est commandé, le pêne sort s'enclavant dans un trou oblong prévu dans le rail fixe (prévu de chaque coté pour le guidage traverse), le choc remonte le verrou qui écrase l'élastomère atténuant ainsi le choc. Chaque butée en élastomère peut au moins s'écraser sur 20 mm donc l'énergie cinétique est absorbée sur 20 mm diminuant d'autant le choc.

Cordialement

[nornand]

sur les portiques elevateurs automobile , il y a une crémallière tout au long , un cliquet est relier par unjeu de cables et de poulies ,si un element descent plus vite que les autre ca tire sur le cable et sa verouille l'ensemble en position, il faut faire un mouvement de monté pour débloquer l'ensemble .

[Jaunin]

Bonjour, Eracne,
Si vous avez fait des simulations sous Catia, de résistace au choc de votre verrou, je serais intéressé de les voirs, si vous pouvez les joindre.
Par la suite, si c'est possible d'avoir votre fichier Catia pour essayer de mon coté.
Cordialement.
Jaunin__

[cardan]

Bonjour,

En fait ce qui est gênant c'est de s'apercevoir en fin de projet qu'il y a un pb avec le dimensionnement du verrou car le reste étant conçu si on veut pouvoir faire des modifs sans tout changer il faut un petit peu bricoler au niveau du verrou ce qui est dommage car c'est un élément de sécurité. Pour la simulation numérique il faudra voir s'il y a une maquette numérique du verrou de dispo sans compter que l'encastrement de ce verrou sur la traverse sera prépondérant. Par rapport à ce que je disais dans la réponse précédente on peut imaginer placer deux verrous (un de chaque coté) chacun étant monté en liaison glissière avec la traverse, course à prévoir environ 15 à 20 mm repris par l'écrasement de la rondelle d'élastomère type GUR mis sous chaque verrou.
L'intérêt de cette butée par rapport à un ressort c'est qu'elle va dissiper l'énergie cinétique....pas le ressort..... (même si j'ai mis un ressort sur le schéma cinématique pour expliquer qu'on avait besoin d'une fonction élasto dissipative...ouf j'y suis arrivé !)

En annexe un mini schéma cinématique à main levée, évidemment on ne va pas chipoter sur le guidage hyperstatique de la traverse etc ...Le but étant surtout de voir que le verrou possède une mobilité verticale de 15 à 20 mm reprise par la butée fin de course GUR. Bon week end à tous et à toutes

[invited5e0be03]

Bonjour,


Je vois que vous avez été nombreux à prendre mon soucis en considération et je vous en remercie, je vais donc tenter de répondre dans l'ordre:
l'idée d'utiliser l’élastomère de la façon en vigueur est une bonne idée en effet, il faut que je reconsidère l'ensemble et que je calcul l'énergie cinétique absorbée par l'ensemble et ainsi reprendre les calculs. Je dois également voir avec les responsables du projet.

Pour ce qui est de la modélisation Catia v5, je ne suis pas en mesure de la divulguer sur internet, j'en suis désolé :/...


Je vous tiens au courant des informations dès que possible!


Encore merci à tous!

[cardan]

Bonjour,

Tant mieux que les infos vous aient été utile, en fait à mon avis pour hiérarchiser les solutions proposées:

1 ) Le frein à manque de courant (voir réponses précédentes) doit être plus efficace car c'est un frein de sécurité, il n'est pas normal qu'après freinage la charge possède encore une vitesse de 1 m/S quand on sait que ce frein placé sur le moteur voit son couple amplifié par le réducteur du levage traverse. L'arrêt ne sera pas net mais sur quelques mm ce qui devrait convenir. Donc n'oubliez pas de regarder ce frein à manque de courant, ses caractéristiques mécaniques notamment le couple de freinage, s'il a été démonté pensez à vérifier le réglage de l'entrefer avec la doc constructeur.

2 )Les verrous peuvent être utiles lorsqu'en cas de panne on a besoin de débloquer manuellement le frein (présence d'une fourchette de commande dans le capot du frein) A ce moment la traverse doit être tenue pour que le service maintenance puisse intervenir en toute sécurité. Le fait de guider le verrou par une glissière (faible course 15 mm) permet de reprendre l'effort de contact au niveau du pêne (cet effort est excentré par rapport à la fixation du verrou) mais surtout de le diminuer pour éviter cet effort de percussion. Le constructeur de verrou se protège du reste en disant que son verrou doit travailler statiquement...Pour bloquer une porte d'ascenseur ou autre pas pour servir de guillotine.

Pour résumer je pense qu'il faut mettre du temps sur le frein à manque de courant, voir déjà pourquoi avec un réducteur derrière on arrive pas à diminuer notablement cette vitesse de descente traverse, pourquoi pas: changer le moteur pour en prévoir un avec un frEin beaucoup plus efficace. Les verrous seront là à ce moment pour le travail de l'équipe maintenance si elle débloque le frein pour faire son intervention.

Bon courage

[invited5e0be03]

Bonjour,


En ce qui concerne la solution 1, elle est déjà sur place, le verrou sert en effet de "frein de parking" en cas de maintenance. Il existe déjà sur le moteur un frein à manque de courant mais mes calculs sont issus de l'observation suivante:
Lorsque le portique est arrêter (via le frein moteur et la rampe de décélération du variateur (partie automatisme)), le pêne du verrou n'est pas tout le temps en face du trou oblong présent sur la règle. Le portique est donc en chute libre et à ce moment là...l'effort sera trop important, et le déplacement du portique sera de 1m/s au maximum mais soumis à l'accélération de la pesanteur avant d'arriver à cette vitesse...
Avant de changer la solution existante, je vais voir si nous pouvons imposer des positions de maintenance assurer par la partie automatisme et en proposant un verrouillage en face des trous oblong.


Je vous tiens informer de la poursuite et prend note des dernières remarques que vous m'avez apportées.

[cardan]

Bon courage alors, après je pense que nous parlons bien du même frein ? Pas forcement celui qui déplace toute le portique....... mais celui qui bloque la traverse du portique en position haute quand le moteur de commande traverse n'est pas alimenté. Les freins à manque de courant ont une logique TOR c'est à dire que soit ils freinent, soit ils sont débloqués donc au niveau asservissement on ne peut pas réguler l'action du frein en pilotant l'électroaimant.....puisque justement ils sont là pour bloquer quand il n'y a pas de tension électrique.

Si maintenant la traverse est commandée par une courroie évidemment si elle casse..........le frein peut être bloqué la traverse descendra en chute libre pendant le temps de commutation des relais verrous.

Si maintenant ce n'est pas le cas alors globalement le temps de bascule du frein est de un ou deux dixième de seconde donc en effet durant ce laps de temps la traverse est en chute libre mais ce n'est pas ça qui lui donnera cette vitesse de 1m/s.....Si vous arrivez à diminuer cette vitesse résiduelle de 1m/s et la passer à une vitesse de 0.1 m/s par un blocage efficace du frein alors pour les verrous se sera mieux. On pense parfois qu'on a perdu du temps en discutant de tout ceci mais pour des pbs de sécurité il vaut mieux que toutes les questions soient posées avant car quand il y a des ennuis....on regrette ce temps qu'on a pas passé car le concepteur de la machine est à ce moment là responsable pénalement.

Le fait qu'il y ait des points de vue différents dérange toujours aussi mais ça veut simplement dire que la solution ne fait pas l’unanimité et que donc elle peut présenter des défauts. Concernant des problèmes de sécurité les solutions devraient faire l’unanimité.

Bon courage dans tous les cas

[cardan]

Bonjour,

Finalement par curiosité intellectuelle qu'est devenu ce problème de verrou magnétique ? Avez vous réussi à le solutionner ? Si oui de quelle façon ? (à moins que ce ne soit un secret industriel !) A bientôt

[invited5e0be03]

Bonjour,


En fait, le problème a été esquiver, nous avons repris les conditions données par l'automatisme, aucune butée ne sera nécessaire sauf pour supporter le poids propres du portique, du coup un simple calcul de dimensionnement a été fait dans les conditions nécessaires.

Encore merci pour tout

Slts,