FR3117533A1 - Procédé de fabrication mixte d'un composant de turbomachine comprenant un circuit interne de refroidissement - Google Patents

Procédé de fabrication mixte d'un composant de turbomachine comprenant un circuit interne de refroidissement Download PDF

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Abstract

Procédé de fabrication d’un composant de turbomachine (100) comprenant un circuit interne de refroidissement (60), dans lequel on fournit une pièce intermédiaire (10) issue de fonderie, et on forme, à partir de la pièce intermédiaire (10), tout ou partie du reste (50) du composant (100) par dépôt métallique par laser tout en formant tout ou partie du circuit interne de refroidissement (60). Figure pour l’abrégé : Fig. 2.

Description

Procédé de fabrication mixte d’un composant de turbomachine comprenant un circuit interne de refroidissement
Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’un composant de turbomachine comprenant un circuit interne de refroidissement, et plus particulièrement un procédé de fabrication combinant de la fabrication par fonderie et de la fabrication additive.
Certains composants de turbomachine, comme par exemple les plateformes d’aube de turbomachine, peuvent être soumis à d’importantes contraintes thermiques. Aussi, de tels composants peuvent être équipés d’un ou plusieurs circuits internes de refroidissement au sein desquels un fluide de refroidissement, par exemple de l’air, peut circuler pour diminuer ces contraintes thermiques subies par ledit composant.
Toutefois, prévoir un circuit interne de refroidissement est particulièrement complexe et les possibilités limités si ce composant est fabriqué par fonderie. Alternativement, on peut fabriquer un tel composant par fabrication additive, qui permet notamment d’obtenir des structures beaucoup plus complexes et efficaces en terme de refroidissement pour le circuit interne de refroidissement. Cependant, un tel procédé est particulièrement long et couteux. Il existe donc un besoin en ce sens.
Un mode de réalisation concerne un procédé de fabrication d’un composant de turbomachine, comprenant un circuit interne de refroidissement, dans lequel on fournit une pièce intermédiaire issue de fonderie, et on forme, à partir de la pièce intermédiaire, tout ou partie du reste du composant par dépôt métallique par laser tout en formant tout ou partie du circuit interne de refroidissement
Par la suite et sauf indication contraire, par « circuit de refroidissement » on entend « circuit interne de refroidissement ». Par la suite, et sauf indication contraire, par « composant » on entend « composant de turbomachine » et par « reste » on entend « reste du composant de turbomachine ».
Au sens du présent exposé, le reste correspond à toute la partie du composant qui n’est pas présente dans la pièce intermédiaire. Le reste peut être fabriqué uniquement par dépôt métallique par laser, ou bien par dépôt métallique par laser (en une ou plusieurs étapes) et au moins une autre étape de fabrication/usinage différente du dépôt métallique par laser, cette au moins une autre étape pouvant intervenir avant, après ou être intercalée par rapport à la ou les étapes de dépôt métallique par laser.
La pièce intermédiaire peut comprendre un circuit interne de refroidissement, mais pas nécessairement. Ce circuit de refroidissement peut être distinct du, ou bien être connecté au, circuit de refroidissement du reste. En d’autres termes, la pièce intermédiaire peut comprendre aucun, un unique, ou plusieurs circuits internes de refroidissement tandis que le reste comprend au moins un circuit interne de refroidissement. Autrement dit, la pièce intermédiaire peut comprendre au moins un circuit interne de refroidissement configuré pour refroidir la partie du composant correspondant à la pièce intermédiaire, mais pas nécessairement, tandis que le reste comprend au moins un circuit interne de refroidissement configuré pour refroidir la partir du composant correspondant au reste. Par la suite et sauf indication contraire, par « circuit de refroidissement » on entend le circuit de refroidissement du reste.
Le procédé de fabrication objet du présent expose combine, via la fourniture de la pièce intermédiaire, de la fabrication par fonderie et de la fabrication par fabrication additive, par exemple par dépôt métallique par laser. Le dépôt métallique par laser, ouLaser Metal Depositionen anglais (également connu sous l’acronyme « LMD ») est un procédé de fabrication additive bien connu en tant que tel par l’homme du métier. Dans certains modes de réalisation, le procédé peut comprendre une étape initiale de fabrication de la pièce intermédiaire par fonderie, mais pas nécessairement. Autrement dit, le procédé selon le présent exposé peut être limité à la simple fourniture de la pièce intermédiaire issue de fonderie, cette pièce intermédiaire étant fabriquée par ailleurs (i.e. fabriquée par fonderie par un procédé distinct du présent procédé), et à la fabrication de tout ou partie du reste du composant par dépôt métallique laser.
Un tel procédé de fabrication combinant deux étapes de deux procédés distincts, permet de réduire les coûts et les délais de fabrication (grâce à l’étape de fourniture de la pièce intermédiaire issue de fonderie), tout en permettant d’obtenir une structure complexe et améliorée en terme de refroidissement pour le circuit de refroidissement (grâce à l’étape de fabrication par dépôt métallique par laser).
Dans certains modes de réalisation, on forme tout le reste du composant, y compris le circuit interne de refroidissement, par dépôt métallique par laser.
Ceci permet une grande souplesse de fabrication et une grande complexité de structure pour fabriquer le reste, notamment le circuit de refroidissement. Par exemple, la pièce intermédiaire peut être une aube (fixe ou mobile) ou un pied de plateforme inter-aubes, et le reste pouvant être l’intégralité de la plateforme inter-aubes.
Dans certains modes de réalisation, au moins une portion d’une paroi de la pièce intermédiaire forme au moins un fond d’au moins un passage du circuit interne de refroidissement, et on forme le reste du composant, y compris la ou les autres parois du au moins un passage du circuit interne de refroidissement, par dépôt métallique par laser.
Par la suite, et sauf indication contraire, par « passage » on entend « au moins un passage ».
En d’autres termes, on vient s’appuyer sur la paroi de la pièce intermédiaire pour fabriquer le reste, et une paroi du passage est formée par une portion de la paroi de la pièce intermédiaire. Par exemple, dans le cas où le passage présenterait une section carrée, une face du carrée de la section est formée par une portion de la paroi de la pièce intermédiaire sur laquelle on forme le reste. Selon un autre exemple, dans le cas où le passage présenterait une section carrée, la paroi peut présenter une rainure issue de fonderie, lors de la fabrication de la pièce intermédiaire, et la rainure peut former une première face du carrée de la section et tout ou partie des deux faces contiguës à la première face. La dernière face (en vis-à-vis de la première face) de la section carrée et les éventuelles portions restantes des deux faces contiguës sont formées lorsqu’on fabrique le reste par dépôt métallique par laser. Par exemple, la pièce intermédiaire peut comprendre une paroi interne ou externe d’une plateforme inter-aubes (i.e. paroi radialement interne ou externe par rapport à une direction radiale d’un rotor ou d’un stator au sein duquel le composant est configuré pour être monté, également connu par l’homme du métier sous le nom de fond interne ou externe de plateforme), ladite paroi étant configurée pour s’étendre entre deux aubes adjacentes, tandis que le reste comprend tout le reste de la plateforme (i.e. l’intégralité de la plateforme à l’exception de ladite paroi interne ou externe).
Ceci permet de faciliter la fabrication de la portion du composant fabriqué par fonderie, et limiter le temps de fabrication de la portion de la pièce fabriquée par dépôt métallique par laser.
Dans certains modes de réalisation, on forme au moins une rainure définissant une partie d’au moins un passage du circuit interne de refroidissement par retrait de matière dans une paroi de la pièce intermédiaire avant de fabriquer la partie restante du reste du composant, y compris la partie restante du circuit interne de refroidissement, par dépôt métallique par laser.
Dans cet exemple, on comprend que le reste comprend la rainure formée par retrait de matière (i.e. une partie du reste) et toute la portion fabriquée par dépôt métallique par laser (i.e. la partie restante du reste)
En d’autres termes, on vient d’abord usiner la paroi de la pièce intermédiaire sur laquelle on s’appuie pour fabriquer le reste, pour former une rainure. Par exemple, l’usinage peut être un fraisage, de l’électroérosion, ou tout autre procédé adapté connu. Par exemple, dans le cas où le passage présenterait une section carrée, la rainure peut former une première face du carrée de la section et tout ou partie des deux faces contiguës à la première face. La dernière face (en vis-à-vis de la première face) de la section carrée et les éventuelles portions restantes des deux faces contiguës sont formée lorsqu’on fabrique le reste par dépôt métallique par laser. Par exemple, la pièce intermédiaire peut comprendre une paroi interne ou externe d’une plateforme inter-aubes (i.e. paroi radialement interne ou externe par rapport à une direction radiale d’un rotor ou d’un stator au sein duquel le composant est configuré pour être monté, également connu par l’homme du métier sous le nom de fond interne ou externe de plateforme), ladite paroi étant configurée pour s’étendre entre deux aubes adjacentes, cette face étant préalablement usinée par retrait de matière pour ensuite former le reste, ce dernier comprenant tout le reste de la plateforme (i.e. l’intégralité de la plateforme à l’exception de ladite paroi interne ou externe usinée).
Ceci permet de limiter la portion du composant fabriquée par dépôt métallique par laser.
Dans certains modes de réalisation, on forme des perturbateurs configurés pour perturber un écoulement de flux de refroidissement au sein du circuit interne de refroidissement, par dépôt métallique par laser.
Grâce au procédé selon le présent exposé, il devient possible de former de tels perturbateurs pour déstabiliser la couche limite, intensifier le mélange convectif dans l’écoulement de refroidissement et, en conséquence, augmenter les échanges thermiques pariétaux.
Dans certains modes de réalisation, le circuit interne de refroidissement comprend plusieurs passages formant ensemble au moins un canal sinueux.
Grâce au procédé selon le présent exposé, il devient possible de former des canaux sinueux (ou en serpentin) pour améliorer les échanges thermiques pariétaux. En d’autres termes, le procédé selon le présent exposé permet de fabriquer des circuits internes de refroidissement complexes permettant d’optimiser les échanges thermiques pariétaux.
Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend un traitement de surface de tout ou partie d’une portion fabriquée par dépôt métallique par laser.
Le traitement de surface peut être par exemple un usinage (par ex. ébarbage, ponçage, etc.), un traitement pas électroérosion, un traitement chimique, etc.
Dans certains modes de réalisation, la pièce intermédiaire comprend une aube (fixe ou mobile) de turbomachine ou un pied de plateforme inter-aubes de turbomachine, et le reste du composant comprend tout ou partie d’une plateforme inter-aubes de turbomachine comprenant un circuit interne de refroidissement.
Le reste peut comprendre tout ou partie de la plateforme, y compris tout ou partie du circuit interne de refroidissement.
Dans certains modes de réalisation, le composant est un aubage de turbine haute pression.
Un aubage est un ensemble comprenant une ou plusieurs aubes fixes ou mobiles en rotation autour de l’axe de la turbomachine.
Un mode de réalisation concerne une turbine haute pression comprenant un composant de turbomachine fabriqué selon procédé selon l’un quelconque des modes de réalisation selon le présent exposé.
L’objet du présent exposé et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles :
La représente une étape de fourniture de pièce intermédiaire pour un procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon un premier mode de réalisation,
La représente une étape de dépôt métallique par laser pour le procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon le premier mode de réalisation,
La représente un composant de turbomachine,
La représente une étape de fourniture de pièce intermédiaire pour un procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon un deuxième mode de réalisation,
La représente une étape de dépôt métallique par laser pour le procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon le deuxième mode de réalisation,
La représente une étape de fourniture de pièce intermédiaire pour un procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon une première variante du deuxième mode de réalisation,
La représente une étape de dépôt métallique par laser pour le procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon la première variante du deuxième mode de réalisation,
La représente une étape de fourniture de pièce intermédiaire pour un procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon une deuxième variante du deuxième mode de réalisation,
La représente une étape de dépôt métallique par laser pour le procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon la deuxième variante du deuxième mode de réalisation,
La représente une étape de fourniture de pièce intermédiaire pour un procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon un troisième mode de réalisation,
La représente une étape de formation de rainure par retrait de matière pour le procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon le troisième mode de réalisation, et
La représente une étape de dépôt métallique par laser pour le procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon le troisième mode de réalisation.
Dans tous les exemples suivants, le composant de turbomachine 100 est un aubage de turbine haute pression comprenant une unique aube, par exemple une aube mobile, équipée d’une plateforme inter-aubes 50, la plateforme comprenant un circuit interne de refroidissement 60. Selon une variante, le composant peut être une plateforme équipée d’un pied de plateforme, ou tout autre composant de turbomachine comprenant un circuit interne de refroidissement.
Un premier mode de réalisation du procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon le présent exposé est décrit en référence aux figures 1 à 3.
La représente une étape de fourniture d’une pièce intermédiaire 10 issue de fonderie, dans cet exemple une aube de turbomachine (ou une aube sans plateforme, i.e. une aube comprenant un pied et un profil aérodynamique). La pièce intermédiaire 10 est ensuite fixée sur un outil de préhension (non-représenté) pour assurer son maintien en position et pouvoir procéder aux étapes suivantes.
La représente la fabrication de tout le reste du composant 100, dans cet exemple l’intégralité de la plateforme 50, y compris le circuit interne de refroidissement 60, par dépôt métallique par laser. Pour ce faire, on approche un outillage 200 de la pièce intermédiaire 10 pour réaliser le dépôt métallique par laser. Dans cet exemple l’outillage 200 comprend une tête munie d’un émetteur de faisceau laser et de buse(s) d’émission de poudre métallique. On note qu’un tel outillage est bien connu par l’homme du métier et qu’il est représenté schématiquement sur la . On dépose des couches successives de poudre métallique fondue grâce au flux de chaleur généré par le faisceau laser. La mobilité de l’outillage 200 permet d’avoir un balayage adaptatif et ainsi de fabriquer la plateforme 50, y compris le circuit de refroidissement 60. La représente la plateforme 50 en cours de fabrication, la portion représentée en traits continus représentant la portion déjà fabriquée par dépôt métallique par laser (ainsi que la pièce intermédiaire 10), tandis que la portion représentée en traits discontinus représente la portion de la plateforme 50 qui n’est pas encore fabriquée. La est une représentation schématique et de principe de fabrication par dépôt métallique par laser, qui n’est pas forcément représentative de la configuration réelle d’une telle fabrication par dépôt métallique par laser, qui est en soit bien connu par l’homme du métier.
On note que dans cet exemple, le circuit interne de refroidissement 60 comprend plusieurs passages 60A formant ensemble un canal sinueux 60B. Par ailleurs, comme cela est visible sur la loupe de la , le circuit interne de refroidissement 60 comprend des perturbateurs 62 configurés pour intensifier les échanges thermiques pariétaux menés par l’écoulement de refroidissement.
La représente le composant de turbomachine 100 fini. Le circuit interne de refroidissement 60 est représenté par transparence en traits discontinus. Dans cet exemple, le reste (dans cet exemple la plateforme 50) a reçu un traitement de surface, par exemple un ébarbage.
Un deuxième mode de réalisation du procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon le présent exposé est décrit en référence aux figures 4 et 5. Les éléments communs entre le premier et le deuxième mode de réalisation présentent les mêmes signes de référence. Sauf indication contraire, les étapes décrites en référence au premier mode de réalisation sont également effectuées dans le deuxième mode de réalisation et ne sont pas décrites de nouveau.
La représente une étape de fourniture d’une pièce intermédiaire 12 issue de fonderie, dans cet exemple une aube de turbomachine comprenant une paroi interne 13 de plateforme inter-aubes. Dans cet exemple, une portion 61 de la paroi interne 13 forme un fond 61 des passages 60A du circuit interne de refroidissement 60 (dans cet exemple un fond de tout le circuit 60).
La représente la fabrication du reste 52 du composant 100, y compris les autres parois du au moins un passage du circuit interne de refroidissement 60, par dépôt métallique par laser. Dans cet exemple, le reste 52 comprend une partie seulement de la plateforme 50, y compris une partie seulement du circuit de refroidissement 60. La représente la plateforme 50 en cours de fabrication, la portion représentée en traits continus représentant la portion déjà fabriquée par dépôt métallique par laser (ainsi que la pièce intermédiaire 12) tandis que la portion représentée en traits discontinus représente la portion qui n’est pas encore fabriquée. Le composant 100 obtenu à l’issu du procédé est identique à celui obtenu par le procédé selon le premier mode de réalisation, et est représenté sur la .
Les figures 6 et 7 représentent une première variante du procédé selon le deuxième mode de réalisation où la pièce intermédiaire 12’ présente une paroi externe 14 de plateforme inter-aubes au lieu d’une paroi interne 13 de plateforme inter-aubes. Une portion 61’ de la paroi externe 14 de plateforme inter-aubes de la pièce intermédiaire 12’ forme un fond 61’des passages 60A du circuit interne de refroidissement 60 (dans cet exemple un fond de tout le circuit 60). Aussi, la principale différence avec l’exemple des figures 4 et 5 est qu’on fabrique par dépôt métallique par laser le dessous de la plateforme 50 (partie radialement interne) plutôt au lieu du dessus de la plateforme 50 (partie radialement externe). Le composant 100 obtenu à l’issu de cette variante est identique à celui obtenu par le procédé selon le premier mode de réalisation, et est représenté sur la .
Les figures 8 et 9 représentent une deuxième variante du procédé selon le deuxième mode de réalisation où la pièce intermédiaire 12’’ présente une paroi interne 13’ de plateforme inter-aubes comprenant une rainure 16 issue de fonderie, cette rainure 16 formant une partie des parois du circuit interne de refroidissement 60, et notamment un fond 61’’. Dans cet exemple, lors de la fabrication du reste 52’’ du composant 100, on vient fermer la rainure 16 (bien entendu tout en conservant la cavité interne de la rainure 16) de manière à former un canal interne à la plateforme 50 formant tout ou partie du circuit interne 60. Selon une troisième variante non représenté, et de manière similaire à la première variante, la pièce intermédiaire peut comprendre une paroi externe de plateforme inter-aubes comprenant une rainure issue de fonderie au lieu d’une paroi interne de plateforme inter-aubes. Le composant 100 obtenu à l’issu de ces variantes est identique à celui obtenu par le procédé selon le premier mode de réalisation, et est représenté sur la .
Un troisième mode de réalisation du procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon le présent exposé est décrit en référence aux figures 10, 11 et 12. Les éléments communs entre le premier, le deuxième et le troisième mode de réalisation présentent les mêmes signes de référence. Sauf indication contraire, les étapes décrites en référence au premier mode de réalisation sont également effectuées dans le deuxième mode de réalisation et ne sont pas décrites de nouveau.
La représente une étape de fourniture d’une pièce intermédiaire 18 issue de fonderie, dans cet exemple une aube de turbomachine comprenant une paroi interne 20 de plateforme inter-aubes. La représente une étape de formation d’au moins une rainure 22 définissant une partie d’au moins un passage du circuit interne de refroidissement 60 par retrait de matière dans une paroi de la pièce intermédiaire. Dans cet exemple, le retrait de matière est effectué par fraisage, à l’aide d’une fraise 210. La rainure 22 forme dans cet exemple une partie du reste 54 du composant 100, à savoir un partie du circuit 60. La représente une étape de fabrication de la partie restante du reste 54 du composant 100, y compris la partie restante du circuit interne de refroidissement 60, par dépôt métallique par laser. La représente la plateforme 50 en cours de fabrication, la portion représentée en traits continus représentant la portion déjà fabriquée par dépôt métallique par laser (ainsi que la pièce intermédiaire 18 ayant subi le retrait de matière) tandis que la portion représentée en traits discontinus représente la portion qui n’est pas encore fabriquée. Le composant 100 obtenu à l’issu du procédé est identique à celui obtenu par le procédé selon le premier mode de réalisation, et est représenté sur la .
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des modes de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
Notamment, les figures représentent un circuit présentant une sortie sur un bord latéral d’une plateforme (i.e. un bord qui s’étend selon une direction radiale). Bien entendu, il peut y avoir une ou plusieurs sorties, chaque sortie pouvant être disposée à n’importe quelle position, sur un bord latéral et/ou sur une face radialement interne ou externe de la plateforme, du côté amont ou du côté aval par rapport au sens d’écoulement du fluide au sein de l’aubage.
Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication d’un composant de turbomachine (100) comprenant un circuit interne de refroidissement (60), dans lequel on fournit une pièce intermédiaire (10, 12, 12’, 12’’, 18) issue de fonderie, et on forme, à partir de la pièce intermédiaire (10, 12, 12’, 12’’, 18), tout ou partie du reste (50, 52, 52’’, 54) du composant (100) par dépôt métallique par laser tout en formant tout ou partie du circuit interne de refroidissement (60).
  2. Procédé de fabrication d’un composant de turbomachine (100) selon la revendication 1, dans lequel on forme tout le reste (50) du composant, y compris le circuit interne de refroidissement (60), par dépôt métallique par laser.
  3. Procédé de fabrication d’un composant de turbomachine (100) selon la revendication 1, dans lequel au moins une portion d’une paroi (13, 14, 13’) de la pièce intermédiaire (12, 12’, 12’’) forme au moins un fond (61, 61’, 61’’) d’au moins un passage (60A) du circuit interne de refroidissement (60), et dans lequel on forme le reste (52, 52’’) du composant (100), y compris la ou les autres parois du au moins un passage du circuit interne de refroidissement (60), par dépôt métallique par laser.
  4. Procédé de fabrication d’un composant de turbomachine (100) selon la revendication 1, dans lequel on forme au moins une rainure (22) définissant une partie d’au moins un passage (60A) du circuit interne de refroidissement (60) par retrait de matière dans une paroi (20) de la pièce intermédiaire (18) avant de fabriquer la partie restante du reste (54) du composant (100), y compris la partie restante du circuit interne de refroidissement (60), par dépôt métallique par laser.
  5. Procédé de fabrication d’un composant de turbomachine (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel on forme des perturbateurs (62) configurés pour perturber un écoulement de flux de refroidissement au sein du circuit interne de refroidissement (60), par dépôt métallique par laser.
  6. Procédé de fabrication d’un composant de turbomachine (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le circuit interne de refroidissement (60) comprend plusieurs passages (60A) formant ensemble au moins un canal sinueux (60B).
  7. Procédé de fabrication d’un composant de turbomachine (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant un traitement de surface de tout ou partie d’une portion fabriquée par dépôt métallique par laser.
  8. Procédé de fabrication d’un composant de turbomachine (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la pièce intermédiaire comprend une aube de turbomachine (10, 12, 12’, 12’’, 18) ou un pied de plateforme inter-aubes de turbomachine, et le reste du composant comprend tout ou partie d’une plateforme inter-aubes (50) de turbomachine comprenant un circuit interne de refroidissement (60).
  9. Procédé de fabrication d’un composant de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le composant est un aubage (100) de turbine haute pression.
  10. Turbine haute pression comprenant un composant de turbomachine (100) fabriqué selon un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
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