L’analyse fonctionnelle technique, une solution pour la ...cfc-technic.eu/iDisk/Acte_primeca.pdf · La cotation fonctionnelle des produits devient une préoccupation grandissante

Frédéric CHARPENTIER – Luc MATHIEU Journée thématique AIP-PRIMECA sur le Tolérancement du 23 septembre à l'ENS de Cachan.

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L’analyse fonctionnelle technique, une solution pour la recherche des conditions fonctionnelles géométriques

Frédéric Charpentier*, Luc Mathieu**, * Professeur Agrégé de Génie Mécanique

Formateur Vacataire à l’ESCPI/CNAM dans la formation ingénieurs 2000. E-mail : [email protected]

**MDC CNAM PARIS, chercheur LURPA ENS Cachan 61 Avenue du Président Wilson - 94235 Cachan Cedex - France

E-mail: [email protected]

Résumé Cet article propose une démarche basée sur l’analyse fonctionnelle technique du produit pour aider à la

recherche des Conditions Fonctionnelles Géométriques. Cette démarche met en œuvre deux outils, le schéma de flux ou bloc diagramme et le Tableau d’Analyse Fonctionnelle Technique (TAFT).

Le premier permet de recenser les fonctions techniques élémentaires (FTE) de contact et de flux par l’analyse du mécanisme étudié et le second de capitaliser les résultats de l’analyse technique du fonctionnement d’un composant dans son environnement fonctionnel. La démarche conduit tout naturellement à définir les caractéristiques que doivent vérifier les composants pour que chaque FTE soit satisfaite. Parmi ces caractéristiques, celles de nature géométrique représentent les spécifications à appliquer au composant ou à transférer, appelées conditions fonctionnelles géométriques.

Abstract This paper presents a process, based on a technical product analysis method to help the designer to search

the geometrical functional requirements for tolerancing. This process use two tools, the flux schema or bloc diagram and the functional analysis table.

The first tool allows the designer to make an inventory of all basic technical functions that the component studied have to satisfy. We distinguish basic function of contact and basic function of flux. The second tool allows the designer to capitalize all the informations usefull for the functional specification of a component. The process leads naturally the designer to express the charactéristics that the component have to carry out. Among all the characteristics, those that the nature is geometric represent the geometric specification applied directly to the component or a condition to be tranfered. These geometric functional conditions are the inputs of a 3D tolerance chain.

1 Introduction. La cotation fonctionnelle des produits devient une préoccupation grandissante dans les démarches de

conception intégrée. Pour pouvoir prendre en compte au plus tôt les contraintes de fabrication dans la définition des produits, les spécifications fonctionnelles sur les pièces ont besoin d’être déterminées. Seulement pour la plupart, celles-ci dépendent d’exigences fonctionnelles à satisfaire sur le produit.

Cet article propose une démarche basée sur l’analyse fonctionnelle technique du produit à partir des premières solutions technologiques de conception. La première étape consiste à étudier les contacts souhaités et les non


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Palier d’excentrique.

Corps

Joint

Vis

Arbre

contacts recherchés entre les composants du mécanisme. Pour chacun d’eux, les fonctions techniques élémentaires supportées par chacune des liaisons sont caractérisées par des CFG (Condition Fonctionnelle Géométrique) applicables soit directement sur les surfaces ou entre des surfaces de plusieurs composants. La deuxième étape porte plus particulièrement sur l’analyse des flux traversant les liaisons et les composants. La encore, le bon respect des exigences sur les flux se traduit par des CAE (Condition d’Aptitude à l’Emploi) qui se caractérisent par des CFG sur les composants ou entre les composants [1].

Pour aider à la recherche des CFG et des CAE, une typologie de fonctions techniques élémentaires est proposée. L’ensemble de cette analyse fine du fonctionnement du mécanisme est capitalisé pas à pas dans un outil appelé TAFT (Tableau d’Analyse Fonctionnelle Technique) [4]. Les CFG sont alors traduites directement en spécifications sur les composants et entre eux, disponibles pour être traitées par des outils de chaînes de cote 3D.

La démarche proposée a fait l’object d’une forte expérimentation industrielle dans le domaine de l’automobile et tend à pénétrer d’autres secteurs industriels.

Pour expliciter cette démarche, nous vous proposons de l’appliquer à un système : le simulateur de rameur.

2 Présentation du système.

La maquette numérique du simulateur de rameur permet d’analyser le système, Fig.1. Nous proposons d’étudier le composant : palier d’excentrique afin d’illustrer la démarche proposée, Fig.2.

Le périmètre de notre étude inclus les composants suivants : les vis entre le corps et le palier d’excentrique, le joint torique et le palier d’excentrique. Les autres composants sont hors de notre périmètre de l’étude. Ces derniers composants ne sont pas de la responsabilité du concepteur. Nous allons identifier toutes les conditions fonctionnelles géométriques sur le composant : palier d’excentrique.

Composant : Nous définissons par le terme composant, un ensemble de

pièces dont l’organisation interne n’est pas de la responsabilité du concepteur produit. Un composant peut être une pièce (palier d’excentrique, Fig. 2. ), ou un ensemble de pièces (roulement, Fig. 3.).

3 Tableau Analyse Fonctionnelle Technique (TAFT).

3.1 Objectif du TAFT.

L’objectif du tableau d’analyse fonctionnelle technique est de capitaliser la démarche de l’analyse fonctionnelle technique.

L’outil TAFT établi pour chaque composant s’appuie sur la base d’un tableau constituée d’un ensemble de colonnes :

• des fonctions techniques élémentaires FTE.

• des sollicitations du composant en interaction avec le

composant étudié.

Le composant étudié Liaisons - Surfaces

Agit sur quoi Complément Remarques complémentaires

Sollicitations Critères d'acceptations

Quoi Combien

Figure 4 : Axes potentiels du TAFT.

AMDEC produit

Spécifications macro et micro

géométriques du composant.

TAFT

Hiérarchisation des caractéristiques

produit / process. (HCPP)[5].

Figure 2 : Palier d’excentrique.

Figure 1 : Simulateur de rameur. Maquette numérique de Lilian CARILLET

LEP - E. Branly - CRETEIL

Figure 3 : Composant « roulement »


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• des critères d’acceptation des fonctions techniques

élémentaires. En fonction des axes de développement, comme l'Analyse des Modes de Défaillance, de leurs Effets et de

leurs Criticités (AMDEC) , ou l’analyse de la Hiérarchisation des Caractéristiques Produit / Process (HCPP), ou l’analyse des spécifications micro-géométriques ou macro-géométriques du composant (spécifications GPS), le tableau de base est étendu par l’ajonction de colonnes compléméntaires permettant de capitaliser les différentes analyses, Fig 4.

Dans la suite de notre développement, nous présentons l’axe : spécifications macro et micro-géométriques du composant. La configuration du TAFT peut s’exprimer sous cette forme, Fig 5.

En conclusion, ce tableau a pour objectif.

• de traduire les FTE en données pour la cotation fonctionnelle. • de regrouper les fonctions assurées pour chaque composant pour l’ensemble des phases du profil de vie.

Nous allons recenser dans ce tableau l’ensemble des fonctions techniques élémentaires de contact souhaité ou

non souhaité et les fonctions techniques élémentaires de flux appartenant aux différentes phases du profil de vie du composant.

3.2 Principe de fonctionnement du TAFT. La mise en œuvre du tableau d’analyse fonctionnelle technique s’effectue durant la réalisation de la démarche

d’analyse fonctionnelle technique. Les colonnes valident chaque étape de la démarche. Il est nécessaire d’associer des outils et des méthodes complémentaires afin d’aider le concepteur produit Fig.

6.

Schéma de flux Ou

Bloc diagramme

Graphe des contacts élémentaires.

HCP de la démarche HCPP

Méthode associée aux

chaînes de cotes.

Outils associés à la mécanique.

Outils associés à la physique.

Outils associés aux langages normalisés de codification des spécifications (normes

GPS).

Figure 6 : Outils et méthodes complémentaires.

Critères d'acceptation RisqueCaractéristiques

des surfaces

CAE - CFG Combien CommentMode de

défaillanceClasse de gravité Quoi Combien HCP

Liaisons - Surfaces Sollicitations Critères d'acceptation

N° Agit Sur quoi ComplémentRemarques

complémentairesSurf. 1 Surf. 2 Surf. 3 GF Quoi Combien

Composant étudié

Figure 5 : TAFT type.

Description des fonctions techniques élémentaires.

Éléments géométriques concernés.

Ce qui permet de valider chaque FTE.

Ce à quoi est soumis le composant.

Spécifier les caractéristiques des

surfaces (GPS).

Classe de gravité de la CFG.


4

Figure 8 : FTE de contact.

FTE Complément de la FTE

Condition d’existence d’une FTE.

4 Analyse fonctionnelle technique.

Pour illustrer la démarche associée à l’utilisation du tableau d’analyse fonctionnelle technique, nous allons développer l’étude du composant : palier d’excentrique. L’ensemble de la démarche d’analyse fonctionnelle technique n‘est pas détaillé, mais permet de situer les différentes étapes d’utilisation du TAFT. Toutes les phases du profil de vie ne sont pas développées ; nous détaillerons la phase correspondant au système monté, dans la sous – phase, en fonctionnement.

Le cahier des charges de l’analyse fonctionnelle du besoin est défini. Une proposition de solution du choix des composants est retenue pour le départ de cette analyse.

Dans le périmètre de l’étude attribué au concepteur produit, les composants retenus sont les suivants : • les N x vis, • le palier d’excentrique • et le joint torique,

4.1 Le schéma de flux.

Le schéma de flux permet d’identifier toutes les relations des composants entre eux et avec les éléments du milieu d’utilisation dans la phase considérée du profil de vie, Fig. 7.

Ces relations sont représentées graphiquement par des ensembles de traits rectilignes ou courbes.

4.2 Les fonctions techniques élémentaires.

Une fonction technique élémentaire est une action d'un composant qui participe à la mise en oeuvre d'un principe de solution constructive du système.

• Les traits rectilignes permettent de caractériser les fonctions techniques élémentaires de contact

souhaité ou non souhaité. Nous dirons qu'un composant assure une fonction technique élémentaire de contact lorsqu'il est en relation géométrique avec un composant ou un Elément du Milieu d'Utilisation, Fig. 8. Nous allons tout d’abord définir le vocabulaire à utiliser. Pour chaque fonction technique élémentaire de contact (souhaité ou non souhaité), nous utiliserons le vocabulaire du schéma synoptique proposé ci-dessous.

• Les traits courbes permettent de caractériser les fonctions techniques élémentaires de flux. Nous dirons qu'un composant assure une fonction technique élémentaire de flux lorsqu'il permet ou s'interpose au parcours d'un flux, Fig. 9. Pour chaque flux (ou FTE de flux), nous utiliserons le vocabulaire du schéma synoptique proposé ci dessous.

Environnement

Corps C3

C4

C6 N x VIS

Palier d’excentrique

Figure 7 : Schéma de flux- Système monté

Joint torique

Arbre excentrique F1

F2 C5

Milieu ambiant


5

Figure 9 : FTE de flux.

FTE Complément de la FTE

Condition d’existence d’une FTE.

4.3 Condition d’aptitude à l’emploi (CAE), condition fonctionnelle géométrique (CFG). La demande du client exprime une exigence fonctionnelle, la FTE, qui se traduit sur le composant par une

Condition d’Aptitude à l’Emploi. Dans le cas où la CAE serait une condition géométrique, nous parlerons directement de CFG, Fig. 10.

La CFG s’exprime par une spécification sur une ou entre plusieurs surfaces. Nous adopterons pour le terme spécification géométrique, la définition retenue par l’ISO [3] Une spécification est une condition sur une caractéristique définie sur un élément ou entre plusieurs éléments

géométriques obtenus par des opérations à partir de la peau de la pièce (skin model). La caractéristique est une grandeur de type longueur ou angle.

Dans le cas d’une FTE de flux : « empêche le passage » d’un fluide entre le composant étudié et le composant

au regard, la Condition d’Aptitude à l’Empoi est une fuite. Le combien est une valeur maximale (Q ≤ 5 litres / heure, par exemple). La CFG est une condition géométrique portée sur la surface (spécification intrinsèque).

Dans le cas d’une FTE de contact : « laisse passer » le composant étudié par rapport au composant au regard, la condition est un jeu mini entre les deux surfaces. La CAE est directement une CFG.

Prenons par exemple le palier d’excentrique.

Pour garantir le serrage du palier d’excentrique sur le corps, les FTE suivantes doivent êtres satisfaites :

Dans le cas de l’interface : palier d’excentrique / vis.

Laisse passer radialement, un non contact radial est souhaité entre la tête de la vis et le palier d’excentrique. Laisse passer radialement, un non contact radial est souhaité entre le corps de la vis et le trou de passage de vis. Positionne axialement, un contact axial est souhaité entre la tête de la vis et le palier d’excentrique.

Figure 10 : De la FTE à la spécification.

Spécification Spécification

CAE CFG CFG

FTE de flux de contact


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Ces trois fonctions techniques élémentaires sont représentées par un seul trait rectiligne sur le bloc diagramme, Fig. 11.

Pour garantir le maintien du palier d’excentrique sur le corps, nous devons nous assurer des

conditions fonctionnelles permettant la circulation d’un flux d’effort entre les différents composants Fig. 13.

Avec l’esquisse, dessin d’ensemble de préconception et la gamme d’assemblage prévisionnelle, nous

cherchons les fonctions techniques élémentaires (FTE) de contact et de non contact souhaité. La gamme prévisionnelle d’assemblage permet de définir

l’ordre du montage. Notre système se positionne sur le corps et non l’inverse. Cette dernière remarque permet de faire le choix entre « se positionne » ou « positionne » car les traits courbes ou rectilignes ne sont pas orientés dans la représentation des différentes FTE dans le schéma de flux.

Les traits pointillés caractérisent les FTE de contacts

physico-chimiques. Lorsque l’ensemble des fonctions techniques élémentaires

est identifié entre les composants du système et avec les différents éléments du milieu d’utilisation (c’est-à-dire, les composants extérieurs au système), nous traitons les flux

Les fonctions techniques élémentaires de flux sont

caractérisées par les traits courbes. Par définition, un flux correspond à une quantité d’une grandeur (mécanique,

Figure 11: Schéma de flux – fonction technique élémentaire.

Interface - vis / palier d’excentrique

Environnement

Environnement

Corps C3

C4

C6 N x VIS


Figure 15 : Schéma de flux- Système monté.

Joint torique


F2 C5

Milieu ambiant

Corps

N x Vis


Joint torique

Arbre excentrique

Milieu ambiant

Corps


Fonction technique élémentaire de contact souhaité. Fonction technique élémentaire de contact non-souhaité.

Vis

Figure 12 : Interface - vis / palier d’excentrique Contacts souhaités ou non – souhaités.

Figure 14 : Maintien du palier d’excentrique

Corps

N x Vis


Joint torique

Arbre excentrique

Environnement

Milieu ambiant

Nous avons un flux d’effort entre les

différents composants et

l’élément du milieu d’utilisation.

Figure 13 : Un trait courbe – flux d’effort issu de la contrainte C 3.

C3


7

électrique, …) parcourant pendant une unité de temps une aire donnée.

Les flux de service sont issus de l’analyse fonctionnelle du besoin dans la phase considérée.

Les flux de conception caractérisent l’organisation des composants à l’intérieur du système.

Comment faire pour étudier un composant du système ? Nous allons donc isoler chaque composant afin d’analyser

les fonctions techniques élémentaires de contact et les flux en relation avec ce composant.

Exemple :

Pour le composant du système : palier d’excentrique, nous obtenons le schéma de flux suivant (Fig.16).

4.4 Liens entre le schéma de flux et le TAFT.

Comment exprimer les FTE de flux et de contact dans le TAFT, Fig. 16 ?.

Nous allons tout d’abord reprendre le vocabulaire défini pour

les FTE (cf 4.2 FTE). Nous allons recenser les fonctions techniques

élémentaires de contact et de flux dans les premières colonnes du TAFT.

Les premières colonnes du tableau sont remplies en

prenant en compte les interfaces, puis chaque surface du composant étudié.

Corps C3

C4

C6 N x VIS


Figure 16 : Schéma de flux - palier d’excentrique.

Joint torique


Environnement

Milieu ambiant

Corps


Figure 17 : Liens entre le schéma de flux et les premières colonnes du TAFT – FTE de contact

souhaité ou non souhaité.

N x Vis


FTE Complément

de la FTE


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Pour chaque flux (ou fonction élémentaire de flux), nous

reprenons le vocabulaire défini (cf 4.2 FTE) En reprenant une partie du schéma de flux, le trait

courbe reliant l’EMU : corps au composant : N x vis se scinde en trois parties.

• entre le corps et le palier d’excentrique, • entre les N x vis et le palier d’excentrique et • dans le composant : palier d’excentrique.

Chaque partie fait l’objet d’au moins une FTE de flux.

4.5 Tableau d’analyse fonctionnelle technique. Nous allons recenser l’ensemble des fonctions

élémentaires de contact et de flux dans les premières colonnes du TAFT.

4.5.1 Éléments géométriques concernés. Comment définir les types de surfaces ?. À partir de notre esquisse graphique du couvercle, nous identifions les différents types de surfaces avec la

terminologie suivante : cylindre, plan, surface de forme quelconque, surface hélicoïdale ou cône. • Liaison. Parmi les surfaces, certaines permettent de " positionner " ou de "guider" le composant. Ces surfaces

particulières, ensembles, jouent le même rôle fonctionnel celui de créer la liaison. Elles définissent ensemble un groupe fonctionnel. Comment déterminer ces surfaces particulières qui permettent de mettre en position le composant ?.

Nous devons rechercher les surfaces qui correspondent aux fonctions techniques élémentaires "se positionne sur" ou "se guide sur". Ces surfaces définiront le groupe fonctionnel de mise en position de ce composant sur son support, dans une phase donnée.

• Surface. Pour les fonctions techniques élémentaires, autres que "se positionne" et "se guide" , les surfaces se trouvent

dans la première colonne : surface 1 de la colonne : liaisons / surfaces.

Corps C3

N x VIS


Figure 18 : Liens entre le schéma de flux et les premières colonnes du TAFT – FTE de flux

FTE Complément

de la FTE

Figure 19 : Colonne - Liaisons -surfaces


9

4.5.2 Ce à quoi est soumis le composant. Les colonnes «sollicitations» du T.A.F.T. permettent de définir les actions physiques auxquelles est soumis le

composant. Les lignes correspondent généralement à des fonctions techniques élémentaires de flux. Ce bloc comporte deux colonnes : • la colonne quoi contient la ou les grandeurs physiques qui définissent les contraintes imposées à chaque

fonction élémentaire. Pour les décrire, nous pouvons faire appel à un document de référence (ex.: note de calcul, note d'essai).

• la colonne combien fixe la valeur ou le domaine, limite de ces grandeurs.

4.5.3 Ce qui permet de valider chaque fonction. Les colonnes «critères d’acceptation» permettent d’indiquer face à ces sollicitations une grandeur physique à

ne pas dépasser pour pouvoir valider la fonction technique élémentaire (valeur limite de contrainte, de fréquence propre, de déformation, de dépassement, etc...) qui pourra être évaluée par un calcul de simulation en l’absence de prototype physique.

Ce bloc comporte trois colonnes • la colonne CAE - CFG contient la ou les grandeurs physiques qui définissent les critères de validation

de chaque condition. Pour les décrire, nous pouvons utiliser un document existant (ex.: norme, cahier des charges, modèle de chaîne de cotes, procédure de calcul ou d'essai)[2].

• la colonne combien fixe la valeur ou le domaine, limite de ces grandeurs. • la colonne comment précise les moyens ou la procédure de validation de la fonction.

Figure 20 : Colonne - Sollicitations

Figure 21 : Colonne - Critères d’acceptation.


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4.5.4 Classe de gravité de la CAE.

Cette démarche a pour but d’évaluer le risque de non conformité des conditions d’aptitude à l’emploi (CAE) associées aux conditions fonctionnelles géométriques à partir des dispersions de production simulées ou constatées, sur les maillons des chaînes de cotes et d’assurer le rebouclage avec l’analyse fonctionnelle.[5]

Ce bloc comporte deux colonnes • la colonne mode de défaillance contient le résultat vue par le client lorsque la condition fonctionnelle

géométrique n’est pas respectée. • la colonne classe de gravité fixe la valeur de la gravité identifiée.

4.5.5 Spécifier les caractéristiques des surfaces (GPS) Nous devons exprimer les caractéristiques géométriques et physiques imposées aux surfaces du composant

étudié pour répondre aux sollicitations considérées dans chaque fonction élémentaire Ce bloc comporte trois colonnes : • la colonne quoi contient les caractéristiques limites spécifiées. • la colonne combien fixe la valeur ou le domaine limite de ces caractéristiques. • la colonne HCP contient la gravité de la condition fonctionnelle géométrique.

Nous allons retrouver les spécifications géométriques du produit (GPS) qui s’expriment sur le dessin de

définition du composant par l’emploi des normes ISO de tolèrancement.

Figure 22 : Colonne - Risques

Figure 23 : Colonne - Caractéristiques des surfaces.


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4.5.6 Synthèse du tableau d’analyse fonctionnelle technique du palier d’excentrique. Le tableau d’analyse fonctionnelle technique du palier d’excentrique doit recenser l’ensemble des phases du

profil de vie du composant. La phase traitée, voir Fig. 7, est celle du système monté (phase en utilisation).

5 Conclusion.

La démarche basée sur l’analyse fonctionnelle technique du produit à partir des premières solutions techniques de conception s’appuie sur deux outils, le schéma de flux et le tableau d’analyse fonctionnelle technique.

Le premier outil permet d’étudier l’organisation interne des composants et d’identifier les fonctions techniques élémentaires de flux et de contacts. Ce schéma de flux relie chaque composant entre eux ou avec un des éléments du milieu d’utilisation. Cette remarque appelle l’observation suivante. À un trait rectiligne correspond au moins une FTE de contact. Pour observer des conditions locales des surfaces d’un même composant en relations avec la FTE, le schéma de flux reste trop grossier. L’utilisation d’un modèle comme le graphe des contacts élémentaires permet de répondre à cette question. Par ailleurs, nous constatons que le schéma de flux ne considère pas l’ordre de montage des composants ; les traits rectilignes ne sont pas orientés, ils ne permettent pas de faire le choix entre « se guide » ou « guide » et « se positionne » ou « positionne ». Le deuxième outil, le tableau d’analyse fonctionnelle technique est la conclusion logique de l’ensemble de la démarche d’analyse fonctionnelle. C’est dans la colonne « CAE-CFG » que le concepteur fait apparaître les spécifications que devra satisfaire le composant pour que chaque FTE soit correctement assurée. C’est ici que naissent les entrées des chaînes de cotes. Ce tableau se construit étape par étape durant l’étude et fait appel à des outils complémentaires comme les chaînes de cotes, par exemple.

La dernière colonne, qui porte sur les caractéristiques des surfaces du composant étudié, fait apparaître l’utilité d’un langage normalisé (ISO GPS) ou de nom pour exprimer de manière univoque les spécifications [3]. Les lignes de ce tableau témoignent du rôle fonctionnel du composant au sein du système tout au long du profil de vie.

6 Bibliographie. [1] CHARPENTIER F. - Analyse fonctionnelle, quels outils ?, Technologie et formation N°117 pp 10-15 et

N°118, pp 24-35 janvier 05 / mars 05. [2] DANTAN J. Y. - Synthèse des spécifications géométriques : modélisation par Calibre à Mobilités Internes,

thèse doctorale de l’université de Bordeaux 1, juillet 2000. [3] ISO 17450-1, 05 - Spécification géométrique des produits – Concepts généraux- Partie 1 : Modèle pour la

spécification et la vérification géométriques , AFNOR – 2005. [4] RENAULT SAS - cours de formation -PROCAR : Processus de caractérisation de la géométrie d’une pièce,

version 3. 0 – 1999. [5] XP E 04-009 - Norme expérimentale - Spécification géométrique des produits (GPS) – Hiérarchisation des

caractéristiques produit processus », AFNOR – 2003.

De la fonction élémentaire identifiée dans l’analyse fonctionnelle technique

À la spécification macro géométrique et micro géométrique associée à la surface fonctionnelle du composant

Figure 24 : Synthèse du TAFT

Documents

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