FR3103017A1 - Bielle pour moteur a combustion interne, et procede de fabrication d’une partie de cette bielle. - Google Patents
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Abstract
Titre. L’invention concerne une bielle pour moteur à combustion interne, et procédé de fabrication d’une partie de cette bielle. La bielle (1) pour moteur à combustion interne, comporte une tête de bielle ou une demi-tête de bielle (2), un pied de bielle (3) et un bras de liaison (4) reliant la tête de bielle ou demi-tête de bielle (2) au pied de bielle (3). Le bras de liaison (4) est réalisé en un matériau composite comprenant des fibres noyées dans une matrice et se présente sous la forme d’au moins un tube, dont chacune des deux extrémités (40, 41) est conformée pour pouvoir être solidarisée fixement, pour l’une à la tête de bielle ou demi-tête de bielle (2) et pour l’autre au pied de bielle (3). Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention a pour objet, dans le domaine des moteurs à combustion interne, une bielle pour un tel moteur, ainsi qu’un procédé de fabrication d’une partie de ladite bielle.
Dans un moteur à combustion interne une bielle transmet le mouvement alternatif d’un piston au vilebrequin. Pour cela, une bielle comporte une tête de bielle qui est en liaison pivot avec le vilebrequin, un pied de bielle en liaison pivot ou pivot glissant avec le piston, et un bras de liaison qui relie la tête et le pied de bielle.
La tête de bielle est plus précisément en liaison pivot, au travers de coussinets, avec une surface excentrée du vilebrequin, le centre de la tête de bielle décrivant donc une trajectoire circulaire. De manière générale, la tête de bielle comporte une demi-tête de bielle à laquelle est solidarisée de manière démontable une partie dite chapeau de bielle, pour permettre l’association au vilebrequin.
La pied de bielle se présente sous la forme d’un œilleton dans l’alésage duquel passe l’axe traversant du piston.
Le bras de liaison quant à lui assure, lors du fonctionnement du moteur, la résistance à la traction et surtout à la compression générée par l’explosion.
Le bras de liaison a un mouvement combiné de translation et d’oscillation, par combinaison des mouvements de pied et de tête de bielle. Ce mouvement d’oscillation provoque des déplacements inertiels car le centre de gravité de la bielle décrit une trajectoire telle qu’il est impossible de prévoir un équilibrage dynamique. Ce phénomène induit deux problématiques:
- le mouvement de la bielle est générateur de vibrations
- les accélérations latérales de la bielle induisent une sollicitation de flexion du bras de liaison, ce qui amène à renforcer ce bras en lui donnant une forme résistante à cette flexion, d’autant plus fondamentale que le bras de liaison est susceptible de flamber sous la poussée des gaz lors de la combustion.
On notera que tout renforcement du bras de liaison, augmentant sa masse augmente, par ses effets dynamiques, d’autant le niveau de la flexion potentielle et qu’il est facteur d’augmentation du niveau vibratoire. Inversement tout allégement de ce bras optimise sa résistance et le niveau de vibrations induites.
Dans un objectif d’allègement des moteurs, il a été proposé de réaliser des bielles en matériaux composites, notamment comprenant des fibres noyées dans une matrice.
On connaît déjà de telles bielles pour moteur à combustion interne ou autres utilisations, qui pour la plupart comprennent deux œilletons entre lesquels est intercalée une âme constituant le bras de liaison, l’ensemble étant entouré d’une sangle venant d’un enroulement filamentaire. L’âme assure la résistance la compression, tandis que la sangle assure la résistance à la traction. Une telle bielle est par exemple décrite dans le document DE 32 07 573.
Dans le cas particulier d’une bielle de moteur à explosion, une telle architecture présente un inconvénient majeur, celui de l’encombrement. En effet, du fait du mouvement d’oscillation de la bielle, dans un espace réduit, le bras de liaison doit présenter des dimensions réduites. Or, le bras d’une telle bielle présente une forme de V, du fait que la sangle est obtenue par enroulement autour de deux œilletons, dont l’un, la tête de bielle, est de plus grand diamètre.
On connaît encore des bielles constituées de l’assemblage de plusieurs éléments en matériaux composites, solidarisés entre eux par des sanglages, tel que cela est proposé dans le document EP 0 435 706, mais qui est d’un encombrement trop important.
On notera que dans le document DE 30 04 575, l’encombrement est moindre, mais la conception d’une grande complexité.
D’autres procédés de fabrication ont été proposés, notamment la superposition de nappes de fils de ramage rectilignes croisés, pour former une bielle d’une seule pièce, tel que cela est décrit par exemple dans le document EP 0 678 681, avec pour inconvénient d’une conception peu efficace, notamment en matière de résistance à la compression.
Toutes les bielles précitées présentent des inconvénients, de résistance, de complexité ou d’encombrement, en sorte qu’elles ne sont pas optimales.
La présente invention a pour but de proposer une bielle pour moteur à combustion interne permettant de remédier à tous ces inconvénients.
La bielle pour moteur à combustion interne selon l’invention, comporte une tête de bielle ou une demi-tête de bielle, un pied de bielle et un bras de liaison reliant ladite tête de bielle ou demi-tête de bielle audit pied de bielle, et il se caractérise en ce que ledit bras de liaison est réalisé en un matériau composite comprenant des fibres noyées dans une matrice et se présente sous la forme d’au moins un tube, dont chacune des deux extrémités est conformée pour pouvoir être solidarisée fixement, pour l’une à ladite tête de bielle ou demi-tête de bielle et pour l’autre audit pied de bielle.
La légèreté du bras de liaison permet de minimiser les effets dynamiques indésirables.
La solidarisation du bras de liaison au pied de bielle et la tête ou demi-tête de bielle peut être réalisée par tous moyens connus tel que le frettage, le collage, le vissage, la mise en précontrainte par un tirant coaxial au bras de liaison.
On notera que, en utilisation dans un moteur à explosion, l’effort exercé sur le bras de liaison est essentiellement en compression axiale, il est de l’ordre de dix fois supérieur à l’effort subi en traction axiale.
Le pied de bielle et la tête ou demi-tête de bielle sont réalisés dans des matériaux qui peuvent être différents, notamment plus adaptés à leur utilisation, ce peut être du métal par exemple.
Selon une caractéristique additionnelle de la bielle selon l’invention, le au moins un tube constituant le bras de liaison présente une section droite de forme oblongue ou elliptique. De manière avantageuse la plus grande dimension est disposée dans le plan d’oscillation de manière à augmenter l’inertie de flexion dans la direction la plus sollicitée.
Par ailleurs, la section non ronde du bras de liaison permet d’indexer les deux éléments qui lui sont solidarisés à savoir le pied de bielle et la tête ou demi-tête de bielle.
Selon une autre caractéristique additionnelle de la bielle selon l’invention, le bras de liaison est composé de plusieurs tubes.
Dans ce cas, les tubes sont disposés en sorte d’être alignés ou proches d’un alignement majoritairement dans le plan d’oscillation ou parallèlement à celui-ci, en sorte d’augmenter l’inertie de flexion dans la direction la plus sollicitée. La multiplication des tubes permet également d’indexer le pied de bielle et la tête ou demi-tête de bielle.
Selon une autre caractéristique additionnelle de la bielle selon l’invention chacune des extrémités du bras de liaison présente périphériquement une augmentation des dimensions extérieures pour constituer un élément d’accrochage, tandis que le pied de bielle et la tête ou demi-tête de bielle, comprennent chacun une zone d’implantation comprenant une lèvre périphérique saillante destinée à recevoir intérieurement et étroitement une extrémité dudit bras de liaison.
Selon une autre caractéristique additionnelle de la bielle selon l’invention la zone d’implantation comprend en outre, intérieurement et coaxialement à la lèvre périphérique, un noyau de compression, aux dimensions extérieures correspondant aux dimensions intérieures de l’extrémité du bras de liaison, en sorte de délimiter une gorge dans laquelle est engagée ladite extrémité avant sertissage.
Selon une autre caractéristique additionnelle de la bielle selon l’invention, elle comporte un cordon de résine déposé intérieurement à la lèvre périphérique.
Selon une autre caractéristique additionnelle de la bielle selon l’invention, la solidarisation des extrémités du bras de liaison au pied de bielle et la tête ou demi-tête de bielle, est réalisée par sertissage, par le repliement de la lèvre périphérique sur l’augmentation des dimensions extérieures.
Selon un mode de réalisation particulier de la bielle selon l’invention, chacune des extrémités du bras de liaison présente périphériquement une augmentation des dimensions extérieures pour constituer un élément d’accrochage, tandis que le pied de bielle et la tête ou demi-tête de bielle, comprennent chacun une zone d’implantation comprenant notamment une lèvre périphérique saillante destinée à recevoir intérieurement et étroitement une extrémité dudit bras de liaison, et destinée encore à être repliée sur ladite augmentation des dimensions extérieures.
L’augmentation des dimensions extérieures peut se présenter sous différentes formes, il peut s’agir, non limitativement, d’un cordon, d’un renflement ou d’un bossage.
Selon une autre caractéristique additionnelle de la bielle selon l’invention, la zone d’implantation comprend en outre, intérieurement et coaxialement à la lèvre périphérique, un noyau de compression, aux dimensions extérieures correspondant aux dimensions intérieures de l’extrémité du bras de liaison, en sorte de délimiter une gorge dans laquelle est engagée ladite extrémité.
Le noyau de compression a pour but, lors du sertissage, de consolider la liaison et d’éviter une déformation excessive de l’extrémité du bras de liaison.
Selon une caractéristique additionnelle de la bielle selon l’invention, elle comporte un cordon de résine déposé intérieurement à la lèvre périphérique.
Selon une autre caractéristique additionnelle de la bielle selon l’invention, le bord libre de la lèvre périphérique du côté interne, est conformée pour être rétentrice d’un cordon de résine déposé par-dessus l’augmentation des dimensions extérieures de l’extrémité du bras de liaison.
Selon une autre caractéristique additionnelle de la bielle selon l’invention, le bord libre de la lèvre périphérique comporte du côté interne un redan.
Selon une autre caractéristique additionnelle de la bielle selon l’invention, la paroi interne de la lèvre périphérique comporte une gorge périphérique dans laquelle est engagé un anneau élastique dont une partie déborde ladite paroi pour former un surplomb.
Selon une autre caractéristique additionnelle de la bielle selon l’invention, la lèvre périphérique comporte au moins un perçage destiné à l’injection de résine intérieurement à ladite lèvre.
La présente a également pour objet un procédé de fabrication du bras de liaison, lequel est issu de l’enroulement filamentaire sur un mandrin de fibres continues pré-imprégnées ou non.
Selon une caractéristique additionnelle du procédé selon l’invention, il comporte plusieurs étapes successives, à savoir :
– réaliser sur le mandrin au moins deux enroulements circonférentiels pour former au moins deux bagues distantes d’une longueur significative telle que la longueur du bras de liaison à fabriquer,
– réaliser un enroulement filamentaire sur le mandrin en passant sur les bagues,
– polymériser le matériau composite,
– enlever le mandrin,
– couper transversalement le tube obtenu au droit des bossages créés par les bagues, et laisser subsister à chaque extrémité du tronçon obtenu, un renflement saillant vers l’extérieur.
– réaliser un enroulement filamentaire sur le mandrin en passant sur les bagues,
– polymériser le matériau composite,
– enlever le mandrin,
– couper transversalement le tube obtenu au droit des bossages créés par les bagues, et laisser subsister à chaque extrémité du tronçon obtenu, un renflement saillant vers l’extérieur.
Les avantages et les caractéristiques de la bielle selon l’invention, ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente un mode de réalisation non limitatif.
Dans le dessin annexé:
En référence à la figure 1, on peut voir une bielle 1 selon l’invention, comprenant une tête de bielle 2, un pied de bielle 3 et un bras de liaison 4 qui relie la tête de bielle 2 et le pied de bielle 3.
Le pied de bielle 3 consiste en un œilleton, avantageusement garni d’un coussinet, non représenté, et destiné à être traversé par l’axe d’un piston.
La tête de bielle 2 consiste également en un œilleton, également garni d’un coussinet, non représenté, et destiné à être monté sur un vilebrequin.
En l’occurrence, dans ce mode de réalisation, la tête de bielle 2 consiste en une demi-tête de bielle, à laquelle doit être associé un chapeau de bielle non représenté.
La demi-tête de bielle 2, le pied de bielle 3 et le bras de liaison 4 consistent et trois éléments distincts, qui peuvent être réalisés dans des matériaux différents, sachant que le bras de liaison 4 est réalisé en un matériau composite comprenant des fibres noyées dans une matrice. Le bras de liaison 4 est de forme cylindrique, et est solidarisé fixement à la demi-tête de bielle 2 et au pied de bielle 3, par l’une de ses deux extrémités, respectivement 40 et 41.
La solidarisation des éléments entre eux peut être réalisée de différentes manières, liées essentiellement à la nature des produits qui composent ces éléments.
En référence aux figures 2 et 3, on peut voir, surtout sur la figure 3, que la demi-tête de bielle 2 comporte un puits cylindrique 20 dans lequel est introduite étroitement l’extrémité 40 du bras de liaison 4 qui est tubulaire, tandis que le pied de bielle 3 comporte également un puits cylindrique 30 dans lequel est introduite étroitement l’extrémité 41 du bras de liaison 4. Dans le cas présent, la solidarisation est obtenue par frettage, collage et/ou vissage.
En référence aux figures 4 et 5, on peut voir un bras de liaison 4, destiné à être solidarisé au pied de bielle et à tête ou demi-tête de bielle non représentés, par une opération de sertissage. A cet effet chacune des extrémités 40 et 41 du bras de liaison 4 est munie extérieurement et périphériquement d’une augmentation des dimensions extérieures, respectivement 42 et 43, destinée à constituer un élément d’accrochage. Cette augmentation des dimensions extérieures peut se présenter sous la forme d’un cordon, d’un bourrelet, d’un bossage etc.
On notera en outre que le bras de liaison 4 représenté est de section droite elliptique, ce qui permet d’accroître la résistance à la flexion selon l’invention la direction de la plus grande dimension de cette section, ainsi que faciliter l’indexage des deux éléments qui lui sont solidarisés.
En référence maintenant aux figures 6 et 7, on peut voir en coupe une partie d’une bielle 1, et plus particulièrement la région de solidarisation par sertissage d’une tête ou demi-tête de bielle 2 ou d’un pied de bielle 3 à une extrémité, 40 ou 41, d’un bras de liaison 4. En l’occurrence la figure 6 représente l’assemblage tandis que la figure 7 représente le sertissage.
Ainsi, la tête ou demi-tête de bielle 2, respectivement le pied de bielle 3, comporte, du côté opposé à son œilleton, une zone d’implantation 21, respectivement 31, à laquelle est assemblée l’extrémité 40 respectivement 41, du bras de liaison 4, munie de son augmentation des dimensions extérieures 42, respectivement 43.
La zone d’implantation 21, respectivement 31, comporte une lèvre périphérique 22, respectivement 32, à l’intérieur de laquelle, sur la figure 6, est engagée l’extrémité 40 respectivement 41, du bras de liaison 4, munie de son augmentation des dimensions extérieures 42, respectivement 43.
La zone d’implantation 21, respectivement 31, comporte également, intérieurement à la lèvre périphérique 22, respectivement 32, un noyau de compression 23, respectivement 33, de dimensions extérieures et de forme correspondant aux dimensions intérieures de l’extrémité 40, respectivement 41, du bras de liaison 4, en sorte de ménager avec la lèvre périphérique 22, respectivement 32, une gorge 24, respectivement 34, destinée à loger étroitement l’extrémité 40, respectivement 41, du bras de liaison 4.
Sur la figure 7, on peut voir que la lèvre périphérique 22, respectivement 32, est repliée sur l’extrémité 40, respectivement 41, du bras de liaison 4, et plus particulièrement sur l’augmentation des dimensions extérieures 42, respectivement 43, en sorte de réaliser le sertissage.
Le noyau de compression 23, respectivement 33, a pour but de permettre de consolider la liaison, et d’éviter une déformation excessive de l’extrémité 40, respectivement 41, du bras de liaison 4. Il peut être rapporté ou faire partie de la tête ou demi-tête de bielle 2 ou du pied de bielle 3.
Les figures 8a, 8b et 8c, représentent des étapes d’un procédé de fabrication du bras de liaison 4, lorsque ses extrémités 40 et 41 sont munies d’augmentation des dimensions extérieures 42, respectivement 43.
Sur la figure 8a est représenté un mandrin 5, de section elliptique, et sur lequel doit être effectué un enroulement filamentaire. Sur la figure 8b on peut voir que des enroulements circonférentiels 50 ont été réalisés sur le mandrin 5, en sorte de constituer des olives. Après cela, figure 8c, on réalise l’enroulement filamentaire 51 en passant sur les enroulements circonférentiels 50, ce qui crée au niveau de chacun de ceux-ci un bossage 52.
Il suffit ensuite, après enlèvement du mandrin 5, de couper le tube obtenu, transversalement au niveau d’un enroulements circonférentiels 50, pour obtenir de part et d’autre de cette coupe, des extrémités de tube munies chacune d’une augmentation des dimensions extérieures.
On notera que les portions d’enroulement circonférentiels 50 sont également représentées sur les figures 4, 5, 6 et 7.
En référence maintenant aux figures 9, 10 et 11, on peut voir une bielle 1, et plus particulièrement la région de solidarisation d’une tête ou demi-tête de bielle 2 ou d’un pied de bielle 3 à une extrémité, 40 ou 41, d’un bras de liaison 4, où les différents modes de solidarisation proposés sont des alternatives au sertissage.
En effet, lors de la solidarisation par sertissage, c’est-à-dire lors du repliement de la lèvre 22-32, il est possible que les extrémités, 40-41 du bras de liaison 4 soient fragilisées.
Dans ces variantes, l’extrémité 40-41 du bras de liaison 4 est munie de son augmentation des dimensions extérieures 42, respectivement 43, et la zone d’implantation 21, respectivement 31, comporte une lèvre périphérique 22, respectivement 32, ainsi qu’un noyau de compression 23, respectivement 33, en sorte de ménager avec la lèvre périphérique 22, respectivement 32, une gorge 24, respectivement 34, dans laquelle est logée étroitement l’extrémité 40, respectivement 41.
Sur la figure 9, la solidarisation est réalisée par le dépôt de résine 6 dans la gorge 24, respectivement 34, entre la lèvre périphérique 22, respectivement 32, et l’augmentation des dimensions extérieures 42, respectivement 43, en sorte d’assurer un collage des deux parties à assembler
On notera que ce mode de réalisation peut être utilisé en association avec une opération de sertissage, par repliement total ou partiel de la lèvre périphérique 22, respectivement 32. Cette association du sertissage et de la résine peut permettre de réduire les phénomènes de matage car le sertissage peut alors se faire sans agression du bras de liaison.
Sur la figure 10, la paroi interne de la lèvre périphérique 22, respectivement 32, présente supérieurement un redan 25, respectivement 35, obtenu par usinage par exemple, tandis que de la résine 6 est déposée dans la gorge 24, respectivement 34, ou injectée dans cette dernière au travers d’un perçage 26, respectivement 36 préalablement réalisé dans la lèvre périphérique 22, respectivement 32.
Cela permet de créer un cordon de résine de dimensions supérieures à l’espace délimité par le redan 25, respectivement 35, et le bras de liaison 4, en sorte que le redan 25, respectivement 35, devient rétenteur.
En référence maintenant à la figure 11, on peut voir que dans ce mode de réalisation la paroi interne de la lèvre périphérique 22, respectivement 32, présente supérieurement une gorge périphérique 27, respectivement 37, obtenue par usinage par exemple, dans laquelle est engagé un anneau élastique 28, respectivement 38, de type circlips.
L’anneau élastique 28, respectivement 38, est mis en place après introduction dans la gorge 24, respectivement 34, de l’extrémité 40, respectivement 41, et son débordement dans la gorge 24, respectivement 34, crée un surplomb sous lequel peut être injecté, au travers d’un perçage 26, respectivement 36, de la résine 6.
Après injection de la résine formant joint de colle et de sa polymérisation, le redan 25, respectivement 35, ou l’anneau élastique 28, respectivement 38, créent un obstacle favorisant la mise en compression de ce joint de colle.
Claims (13)
- Bielle (1) pour moteur à combustion interne, comportant une tête de bielle ou une demi-tête de bielle (2), un pied de bielle (3) et un bras de liaison (4) reliant ladite tête de bielle ou demi-tête de bielle (2) audit pied de bielle (3), caractérisée en ce que ledit bras de liaison (4) est réalisé en un matériau composite comprenant des fibres noyées dans une matrice et se présente sous la forme d’au moins un tube, dont chacune des deux extrémités (40, 41) est conformée pour pouvoir être solidarisée fixement, pour l’une à ladite tête de bielle ou demi-tête de bielle (2) et pour l’autre audit pied de bielle (3).
- Bielle (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le au moins un tube constituant bras de liaison (4) présente une section droite de forme oblongue ou elliptique.
- Bielle (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le bras de liaison (4) est composé de plusieurs tubes.
- Bielle (1) selon l’une quelconque de revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chacune des extrémités (40, 41) du bras de liaison (4) présente périphériquement une augmentation des dimensions extérieures (42, 43) pour constituer un élément d’accrochage, tandis que la tête ou demi-tête de bielle (2) et le pied de bielle (3), comprennent chacun une zone d’implantation (21, 31) comprenant une lèvre périphérique saillante (22, 32) destinée à recevoir intérieurement et étroitement une extrémité (40, 41) dudit bras de liaison (4).
- Bielle (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que la zone d’implantation (21, 31) comprend en outre, intérieurement et coaxialement à la lèvre périphérique (22, 32), un noyau de compression (23, 33), aux dimensions extérieures correspondant aux dimensions intérieures de l’extrémité (40, 41) du bras de liaison (4), en sorte de délimiter une gorge (34, 34) dans laquelle est engagée ladite extrémité (40, 41).
- Bielle (1) selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisée en ce qu’elle comporte un cordon de résine déposé (6) intérieurement à la lèvre périphérique (22, 32).
- Bielle (1) selon l’une quelconque de revendications 4 à 6, caractérisée en ce que la solidarisation des extrémités (40, 41) du bras de liaison (4) la tête ou demi-tête de bielle (2) et au pied de bielle (3), est réalisée par sertissage, par le repliement de la lèvre périphérique (22, 32) sur l’augmentation des dimensions extérieures (42, 43).
- Bielle (1) selon l’une quelconque de revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le bord libre de la lèvre périphérique (22, 32) du côté interne, est conformé pour qu’elle soit rétentrice d’un cordon de résine (6) déposé par-dessus l’augmentation des dimensions extérieures (42, 43) de l’extrémité (40, 41) du bras de liaison (4).
- Bielle (1) selon la revendication 8, caractérisée en ce que le bord libre de la lèvre périphérique (22, 32) comporte du côté interne un redan (25, 35).
- Bielle (1) selon la revendication 9, caractérisée en ce que la paroi interne de la lèvre périphérique (22, 32) comporte une gorge périphérique (27, 37) dans laquelle est engagé un anneau élastique (28, 38) dont une partie déborde ladite paroi pour former un surplomb.
- Bielle (1) selon l’une quelconque de revendications 6 à 10, caractérisée en ce que la lèvre périphérique (22, 32) comporte au moins un perçage (26, 36) destiné à l’injection de résine intérieurement à ladite lèvre (22, 32).
- Procédé de fabrication du bras de liaison d’une bielle (1) selon l’une quelconque des revendication 1 à 11, caractérisé en ce qu’il consiste à réaliser sur un mandrin (5) un enroulement filamentaire (51) de fibres continues pré-imprégnées ou non.
- Procédé de fabrication selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’il comporte plusieurs étapes successives, à savoir :
– réaliser sur le mandrin (5) au moins deux enroulements circonférentiels pour former au moins deux bagues (50) distantes d’une longueur significative telle que la longueur du bras de liaison (4) à fabriquer,
– réaliser un enroulement filamentaire (51) sur le mandrin (5) en passant sur les bagues (50),
– polymériser le matériau composite,
– enlever le mandrin (5),
– couper transversalement le tube obtenu au droit des bossages (52) créés par les bagues (50) et laisser subsister à chaque extrémité du tronçon obtenu, un renflement saillant vers l’extérieur.
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-
2019
- 2019-11-08 FR FR1912548A patent/FR3103017B1/fr active Active
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| Publication number | Publication date |
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