Étude expérimentale et modélisation du procédé d'impression en 3D de pièces en thermoplastiques chargés de fibres PDF Download
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Author: Dihya Mezi Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
Book Description
Les polymères chargés de fibres sont utilisés dans l'impression 3D pour améliorer les propriétés mécaniques des pièces finales. Le filament chargé de fibres est extrudé et ensuite déposé. La distribution d'orientation des fibres a un effet direct sur les propriétés mécaniques du produit. Le projet de cette thèse vise à comprendre le comportement et déterminer l'état d'orientation de fibres dans le procédé d'impression 3D. Le matériau choisi est un PA12 chargé de fibres de carbone. Des travaux expérimentaux ont été réalisés afin de comprendre le comportement du composite imprimé et l'influence des paramètres de mise en forme. Les résultats des propriétés mécaniques sont comparés aux résultats des pièces injectées et ont montré des valeurs comparables entre les deux procédés. Cela revient à dire que le comportement des composites dépend à la fois du procédé de mise en forme et aussi de l'état d'orientation des fibres. Afin de comprendre cet état d'orientation des fibres dans la pièce imprimée, il est important de comprendre l'interaction entre l'écoulement et la dynamique des fibres. Cette thèse offre des modèles numériques qui permettent de prédire ces états d'orientation en utilisant des modèles qui décrivent le mouvement des fibres dans un écoulement fluide. Ce travail s'intéresse à la distribution d'orientation des fibres à la sortie d'une buse d'imprimante 3D et à son effet sur la forme de la surface libre. Une première simulation sert à valider l'implémentation numérique du modèle du gonflement avec un écoulement d'un fluide newtonien et par la suite l'ajout de la dynamique d'orientation des fibres est considéré. Ce travail présente des modèles de prédiction d'orientation des fibres avec des approximations de fermeture et en utilisant la fonction de distribution. Les résultats du calcul permettent d'étudier l'orientation des fibres à la sortie de la buse de l'imprimante et l'effet du modèle couplé sur la forme finale de la surface libre.
Author: Dihya Mezi Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les polymères chargés de fibres sont utilisés dans l'impression 3D pour améliorer les propriétés mécaniques des pièces finales. Le filament chargé de fibres est extrudé et ensuite déposé. La distribution d'orientation des fibres a un effet direct sur les propriétés mécaniques du produit. Le projet de cette thèse vise à comprendre le comportement et déterminer l'état d'orientation de fibres dans le procédé d'impression 3D. Le matériau choisi est un PA12 chargé de fibres de carbone. Des travaux expérimentaux ont été réalisés afin de comprendre le comportement du composite imprimé et l'influence des paramètres de mise en forme. Les résultats des propriétés mécaniques sont comparés aux résultats des pièces injectées et ont montré des valeurs comparables entre les deux procédés. Cela revient à dire que le comportement des composites dépend à la fois du procédé de mise en forme et aussi de l'état d'orientation des fibres. Afin de comprendre cet état d'orientation des fibres dans la pièce imprimée, il est important de comprendre l'interaction entre l'écoulement et la dynamique des fibres. Cette thèse offre des modèles numériques qui permettent de prédire ces états d'orientation en utilisant des modèles qui décrivent le mouvement des fibres dans un écoulement fluide. Ce travail s'intéresse à la distribution d'orientation des fibres à la sortie d'une buse d'imprimante 3D et à son effet sur la forme de la surface libre. Une première simulation sert à valider l'implémentation numérique du modèle du gonflement avec un écoulement d'un fluide newtonien et par la suite l'ajout de la dynamique d'orientation des fibres est considéré. Ce travail présente des modèles de prédiction d'orientation des fibres avec des approximations de fermeture et en utilisant la fonction de distribution. Les résultats du calcul permettent d'étudier l'orientation des fibres à la sortie de la buse de l'imprimante et l'effet du modèle couplé sur la forme finale de la surface libre.
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Le but de ce travail de thèse est la prédiction des retraits et déformations de pièces injectées en thermoplastique chargé fibres de verre courtes. Le matériau utilisé a été premièrement caractérisé sous des conditions proches de celles appliquées en injection, les résultats étant ensuite intégrés au calcul. Deuxièmement, la simulation 3D du cycle d’injection a permis de définir l’orientation des fibres au sein des pièces injectées. Les retraits et déformations après éjection ont ensuite été calculés avec deux types de loi de comportement, élastique orthotrope et viscoélastique isotrope transverse. Les propriétés d’orientation dues à l’injection ont été transférées grâce à une interface vers un logiciel de calcul de structure. Enfin, les résultats ont été comparés avec des mesures expérimentales des déformations. À terme, on souhaite ainsi remplacer la phase expérimentale et itérative de détermination des paramètres optimaux du procédé par les prédictions de la simulation.
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CETTE THESE A POUR OBJECTIFS, PREMIEREMENT LA DESCRIPTION DES PROPRIETES RHEOLOGIQUES DES THERMOPLASTIQUES CHARGES DE FIBRES COURTES PENDANT LEUR MISE EN FORME, PUIS LA MODELISATION DE CES PROPRIETES PAR DES LOIS DE COMPORTEMENT, ENFIN, LA SIMULATION NUMERIQUE DE L'ECOULEMENT DE CE TYPE DE MATERIAU AU COURS DES PROCEDES D'EXTRUSION ET D'INJECTION AVEC PREDICTION DE L'ORIENTATION DES FIBRES. L'ETUDE RHEOLOGIQUE UTILISE DES METHODES CLASSIQUES: RHEOMETRIE CONE-PLAN, PLAN-PLAN ET CAPILLAIRE, SUR DIFFERENTS PRODUITS CHARGES (POLYETHYLENE HAUTE DENSITE, POLYAMIDE, HUILE SILICONE) ET A DIFFERENTS TAUX DE FIBRES. DE PLUS, UNE TECHNIQUE EXPLOITANT LES COUPLES DE DEMARRAGE EN RHEOMETRIE PLAN-PLAN, AVEC PREORIENTATION DES FIBRES, AINSI QU'UNE METHODE UTILISANT LES PERTES DE CHARGE DANS UN ECOULEMENT CONVERGENT ONT ETE DEVELOPPEES POUR MIEUX METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES FIBRES ET DE LEUR ORIENTATION SUR LES CARACTERISTIQUES RHEOLOGIQUES. LA MODELISATION EST COMPOSEE DE DEUX PARTIES. PREMIEREMENT UNE DESCRIPTION DE L'EVOLUTION DE L'ORIENTATION DES FIBRES QUI UTILISE LES TRAVAUX DE JEFFERY, PASSE PAR LE CALCUL DU TENSEUR DE ROTATION DES ELLIPSOIDES ET MET EN UVRE UNE METHODE DE DECOMPOSITION DE LA FONCTION DE DISTRIBUTION D'ORIENTATION EN SERIE DE DIRACS. DEUXIEMEMENT UNE EXPRESSION DU CHAMP DE CONTRAINTE A ETE CONSTRUITE EN TENANT COMPTE DE L'ANISOTROPIE ET DU COMPORTEMENT PSEUDO-PLAST QUE DE CES MATERIAUX. CE MODELE EST MIS EN UVRE EN PARTIE ANALYTIQUEMENT, POUR CALCULER LES COUPLES DE DEMARRAGE EN RHEOMETRIE PLAN-PLAN ET LES PERTES DE CHARGE DANS UN ECOULEMENT CONVERGENT. LES CONFRONTATIONS AUX EXPERIENCES SONT SATISFAISANTES POUR DES TAUX DE FIBRES ELEVES TELS QUE CEUX DES THERMOPLASTIQUES CHARGES, INDUSTRIELS. LE MODELE EST ENSUITE INTEGRE A DEUX CODES DE CALCUL PAR ELEMENTS FINIS 2D. DANS LE CAS D'ECOULEMENTS STATIONNAIRES ISOTHERMES (EXTRUSION), L'EQUATION DE TRANSPORT SUR LE TENSEUR DE ROTATION DES ELLIPSOIDES EST RESOLUE PAR UNE METHODE DE GALERKIN DISCONTINUE. POUR LES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES (INJECTION), C'EST LA METHODE DES CARACTERISTIQUES QUI EST UTILISEE. DANS LES DEUX CAS LA RESOLUTION EN VITESSE INTEGRE LA NOUVELLE EXPRESSION DU CHAMP DE CONTRAINTE. LE CALCUL D'ORIENTATION ET LA RESOLUTION EN VITESSE SONT FAIBLEMENT COUPLES EN INJECTION, ET SONT COUPLES PAR UN ALGORITHME DE POINT FIXE EN EXTRUSION. EN EXTRUSION COMME EN INJECTION, UN ACCORD CORRECT EST OBTENU ENTRE PREDICTIONS ET MESURES D'ORIENTATION
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Dans l’optique de la recherche de la performance des matériaux et de la maitrise des processus industriels de transformation, ce travail a pour objet l’étude expérimentale et la modélisation de l’écoulement des composites thermoplastiques dans les conditions industrielles de mise en forme par injection.La première partie traite de l'étude expérimentale dans les conditions industrielles de mise en forme par injection, du comportement rhéologique et de l’étude de l’écoulement, dans des géométries simples, des composites en polypropylène renforcé de fibres de verre courtes. Dans un premier temps nous avons mis en évidence l'influence des paramètres thermomécaniques de transformation par injection sur la viscosité et l’élasticité des différents matériaux à l’aide d’un rhéomètre en ligne. Ces essais ont montré que la viscosité des composites à l’état fondu évoluait, d’une manière non linéaire, en fonction de la température, le taux de cisaillement et le taux de fibres. Cette partie est complétée par une analyse des pertes de charges dans des conditions non isothermes. Par ailleurs, les résultats des mesures rhéologique, nous ont permis de déterminer une loi de comportement rhéologique thermodépendante du composite à différents taux de fibres. Cette loi nous a servi à la simulation de la phase de remplissage de l’empreinte du moule au cours du cycle de moulage par injection. Dans la seconde partie, nous présentons une étude expérimentale à la fois qualitative et quantitative de la distribution et de l’orientation des fibres au cours des différentes phases du moulage par injection. Nous avons mené une étude expérimentale de la distribution des longueurs des fibres au cours de la phase de plastification. Ces travaux nous ont permis de mettre en évidence l’incidence de certains paramètres de réglage de la presse sur la casse des fibres et situer les endroits critiques de la dégradation des fibres. Ensuite, nous avons réalisé une étude expérimentale approfondie de la distribution et de l'orientation des fibres dans des plaques injectées, en fonction des conditions d'injection, de la composition du matériau composite et de la géométrie de la pièce.Nous avons mis en évidence, la formation dans l’épaisseur de la plaque, d’une structure “coeur-peau” à cinq couches avec une couche centrale orientée transversalement à la direction d’écoulement, de deux couches intermédiaires orientées principalement dans la direction d’écoulement et enfin de deux couches de peau légèrement moins orientées que les couches intermédiaires. Les épaisseurs des ces couches varient en fonction des conditions d’injection (températures, vitesses).La dernière partie traite la simulation numérique de la phase de remplissage du processus de moulage par injection des composites en PP/FV, basé sur une loi de comportement rhéologique déduite de l’expérimentation. Nous nous sommes intéressés particulièrement à la prédiction de l’orientation des fibres de verre courtes dans une plaque rectangulaire injectée, en fonction des conditions d'injection (températures, pressions, et vitesses), de la composition du polymère et de la géométrie de la pièce. D’autre part, Nous avons mis en évidence d’influence des paramètres d’injection sur l’évolution de la pression, la température et la vitesse moyenne d’écoulement dans l’empreinte du moule. Les résultats de la simulation sont comparés aux mesures expérimentales.
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Cette thèse est relative la simulation numérique de l’orientation de fibres en injection de thermoplastiques chargés. Deux points majeurs ont été abordés dans ces travaux :la mise en place, à l’aide du logiciel Rem3D, d’un module indépendant permettant un calcul 3D de l’orientation des fibres,la prise en compte d’un couplage rhéologie-orientation des fibres.L’étude bibliographique sur les modèles d’orientations de fibres nous a conduit à implémenter le modèle phénoménologique de Folgar et Tucker. Cette équation d’évolution a été résolue via une méthode de « Taylor Galerkin discontinu espace-temps utilisant des éléments P0 en espace et une méthode espace temps discontinue de haut degré en temps. Cette méthode inconditionnellement stable permet une réduction significative des temps de calcul.Le modèle de Folgar et Tucker est couplé à la cinématique par le biais d’une loi de comportement intégrant une contribution des fibres au tenseur des contraintes macroscopiques. Cette équation constitutive pour le champ des contraintes a été résolue de manière implicite par l’entremise d’une méthode éléments finis mixte P1+/P1 où le tenseur d’orientation n’est plus une inconnue du problème. Nous avons procédé à une résolution successive du problème mécanique et du problème d’orientation de fibres. Finalement le module d’orientation couplé a été intégré dans un code d’injection.La dernière partie de ce travail, basée sur une corrélation entre observations expérimentales et calculs numériques, est consacrée à la compréhension des phénomènes d’orientation en injection et à l’influence du couplage rhéologie-orientation sur l’orientation finale des fibres.
Author: Alexandra Megally Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 207
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Cette thèse porte sur l'étude et la modélisation de l'orientation de fibres de verre dans des thermoplastiques renforcés. Dans une optique de maîtrise et de compréhension du comportement des composites renforcés de fibres longues, nous proposons dans ce travail d'étudier les phénomènes d'orientation et la rhéologie de ces suspensions. Une approche expérimentale a permis de caractériser l'orientation et la structure des fibres dans des pièces injectées. L'analyse de la distribution de longueur des fibres dans une pièce a mis en évidence que la casse des fibres se faisait préférentiellement durant la phase de la plastification de la matière. Les mesures d'orientation, réalisées avec des techniques de mesure 2D et 3D montrent que la concentration en fibres est un paramètre déterminant sur la formation et les caractéristiques de la structure coeur-peau. Une approche numérique de modélisation de l'orientation des fibres dans des pièces injectées, basée sur le calcul direct du mouvement d'orientation d'une population de fibres en écoulement, a permis d'accéder à la physique intrinsèque de la suspension. Ce modèle repose sur une formulation éléments finis multi- domaine développée dans le cadre du logiciel Rem3D. La principale originalité du modèle est qu'il n'est pas nécessaire d'exprimer de manière explicite l'ensemble des forces et interactions hydrodynamiques régissant le système. Lorsqu'on applique un cisaillement simple à un volume élémentaire représentatif, le calcul de simulation directe nous permet d'étudier les phénomènes d'interaction entre particules en fonction de la concentration et du rapport de forme des fibres. Ainsi, nous proposons une méthode d'identification du coefficient d'interaction Ci , paramètre déterminant du modèle statistique de Folgar & Tucker. Les valeurs de Ci sont fonction du rapport de forme et de la concentration des particules. On s'intéresse d'autre part à la validité des approximations de fermeture. On montre que l'approximation hybride est satisfaisante dans le cas d'un écoulement de cisaillement simple. Enfin, ce modèle est appliqué à l'étude rhéologique d'une suspension de fibres.
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Le procédé de placement de fibres thermoplastiques permet de fabriquer des pièces composites de grandes dimensions ayant toutes sortes de géométries (double courbure par exemple). Ce procédé est basé sur le soudage continu par fusion d’un pli composite à matrice thermoplastique sur un substrat. Il reçoit un intérêt croissant au cours des dernières années en raison de sa capacité à réaliser des pièces hors autoclave. Cette étude s’inscrit dans le cadre d’un projet aéronautique qui vise à comprendre et développer ce procédé de dépose automatisé en étudiant l’histoire thermo-mécanique de la matière au cours de la dépose, le champ de contraintes résiduelles dans la pièce après fabrication et la capabilité du procédé pour un soudage in-situ. Cette étude permet d’autre part de contribuer au développement de la tête de dépose. Afin de contrôler et d'optimiser la qualité de la pièce fabriquée, la prédiction de l’histoire thermo-mécanique appliquée durant la fabrication du stratifié est nécessaire. Dans ce travail, une modélisation thermique originale de ce procédé est proposée. L’adhésion interplis évoluant au cours de la mise en forme et ayant une influence significative sur les transferts thermiques, ce paramètre est intégré dans le modèle au moyen de résistances thermiques de contact évolutives. Les résultats numériques sont validés par des mesures expérimentales. En raison de la géométrie particulière du problème (fines bandes de pré-imprégnés de grande longueur), une méthode de résolution numérique PGD ou (Proper Generalized Decomposition) est utilisée. Cette méthode permet de contourner les problèmes liés au grand ratio existant entre la longueur de matière et son épaisseur. Elle permet par ailleurs de prendre en compte de nombreux paramètres (matériaux, ou procédés) comme extra coordonnées du modèle. Finalement, différentes fenêtres procédé, adaptées au niveau de spécifications requis sur la pièce, sont définies. Les questions de maximisation de la cristallinité et minimisation des contraintes résiduelles sont abordées afin de pouvoir s’approcher du procédé in-situ recherché
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Les matériaux composites constituent de nos jours, de par leurs propriétés très prisées, des matériaux incontournables dans plusieurs secteurs industriels telles les industries aéronautique, automobile et navale. Bien que les applications industrielles aient été axées durant des décennies sur les matériaux composites à matrices thermodurcissables, les composites thermoplastiques à renforts continus connaissent actuellement un grand essor. Dans ce sens, des recherches considérables ont été menées sur la modélisation du comportement des matériaux thermoplastiques chargés de fibres continues à température ambiante. Cependant, la modélisation du comportement de ces matériaux à hautes températures et dans les conditions de mise en forme demeure une problématique d'actualité et relativement peu étudiée. Ce travail de thèse se veut une contribution à la modélisation du comportement des composites thermoplastiques à renforts continus dans les procédés de mise en forme. Deux directions de recherches ont été explorées. La première direction consiste à développer une loi constitutive viscoélastique orthotrope pour les milieux incompressibles, et sous l'hypothèse d'un processus isotherme. Dans cette optique, on se propose d'exploiter la théorie du modèle K-BKZ, destiné à la rhéologie des fluides viscoélastiques isotropes, pour une extension aux cas orthotrope et transversalement isotrope. Les tenseurs d'orientation des fibres sont introduits comme arguments de la fonctionnelle densité d'énergie libre pour tenir compte de la symétrie matérielle. La réponse du milieu est formulée en considérant les apports des constituants du milieu, pris séparément, augmentés de la réponse due aux interactions entre la résine et les fibres. Ce faisant, la densité d'énergie libre sera décomposée en un produit d'une fonction mémoire, responsable de la relaxation, et d'une fonction des déformations, laquelle a été scindée en la somme de quatre composantes : i) une fonction rendant compte du comportement de la matrice, ii) une composante responsable de la réponse de la première famille de fibres, iii) une composante responsable de la seconde famille de fibres et iv) une fonction rendant compte des interactions matrice-fibres. La seconde direction vise l'étude du phénomène de l'endommagement susceptible de toucher les composites thermoplastiques à renforts continus dans des conditions proches de celles de la mise en forme. Dans cette perspective, une loi constitutive hyperélastique orthotrope avec endommagement sera proposée. On fait appel à une approche thermodynamique classique, basée sur l'existence d'un potentiel d'énergie libre duquel découle le tenseur de contraintes, et au principe de la contrainte effective, bien connu de la théorie de l'endommagement. À l'instar du modèle viscoélastique orthotrope, la fonctionnelle densité d'énergie libre sera décomposée en la somme de quatre composantes responsables des réponses de la résine, des deux familles de fibres et des interactions matrice-fibres. Pour introduire le phénomène de l'endommagement, on associe à chaque constituant du milieu (i.e. les fibres et la résine) une variable d'endommagement isotrope. Chacune de ces variables est associée à la composante de l'énergie libre rendant compte du comportement du constituant qu'elle caractérise. Une loi d'évolution de l'endommagement isotrope est également associée à la composante de l'énergie libre responsable des interactions matrice-fibres. Les hypothèses d'un milieu incompressible et d'un processus isotherme ont été notamment retenues. Une campagne d'essais expérimentaux, axée sur des essais de traction dans les directions 0°/90° et ±45°, a été réalisée pour caractériser l'endommagement d'une classe de composite thermoplastique à renforts continus. Les résultats de ces essais ainsi que ceux rencontrés dans la littérature ont été exploités afin de réaliser une procédure d'identification inverse visant à tester l'aptitude des modèles de comportement proposés à reproduire des résultats expérimentaux. Des simulations par éléments finis de la mise en forme d'un composite thermoplastique à renforts continus ont été réalisées. Les résultats obtenus montrent que les modèles utilisés reproduisent des résultats physiquement admissibles et en concordance avec des observations expérimentales.
Author: Thomas Poumadère Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 240
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Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'aéronautique où leurs hautes performances mécaniques combinées à leur légèreté leur permettent de concurrencer les matériaux métalliques. Cependant il est aujourd'hui difficile de fabriquer en série des pièces structurales ayant des formes tridimensionnelles complexes,Si les procédés d'injection de thermoplastiques chargés de fibres courtes (100 à 1 mm) sont bien connus, les études sur l'injection des thermodurcissables à fibres longues sont rares en raison de la difficulté à les faire s'écouler sur plusieurs dizaines de millimètres pour remplir complètement les moules.La société Equip'Aéro Technique a initié des travaux portant sur le développement d'un nouveau procédé de fabrication par injection-transfert (PIMOC) de composites thermodurcissables à fibres longues (> 1 mm) discontinues. Il permet de réaliser en une seule étape des pièces aux formes tridimensionnelles sans usinage.Dans ce travail de thèse le procédé d'injection-transfert a été mis au point et fiabilisé. Ses paramètres principaux ont été identifiés. L'influence des paramètres de fabrication sur les propriétés du matériau a été établie. Les propriétés mécaniques ont ainsi pu être optimisées. Enfin, un modèle de comportement élastique endommageable avec rupture et basé sur une approche multi-critères a été développé dans le but d'initier une méthodologie de dimensionnement de pièces composites à fibres discontinues. Ces critères d'endommagement et de rupture ont été développés en accord avec les observations du comportement mécanique du matériau. L'ensemble des résultats expérimentaux et numériques a été appliqué à la fabrication et au dimensionnement d'un démonstrateur technologique.
Author: Ronan Le Goff Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 352
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Un des enjeux majeurs de la simulation du procédé d’injection est la prédiction des retraits et des déformations dans la phase de maintien et dans la phase de refroidissement des pièces. Ce travail de thèse s’est inscrit dans ce contexte avec pour objectif de mieux comprendre les phénomènes thermiques régissant la solidification de pièces injectées en polymère semi-cristallin chargé de fibres de verre .En effet, la cristallisation de ce type de matériaux est une réaction exothermique et ce changement d’état influence fortement les propriétés thermiques des matériaux ainsi que les conditions aux parois. Dans cette optique, la caractérisation et la modélisation des propriétés thermiques des matériaux étudiés ont été effectuées. La conductivité thermique a fait l’objet d’une analyse approfondie à travers la validation d’un modèle de prédiction prenant en compte l’anisotropie induite par l’orientation des fibres. Une étude expérimentale a également permis de valider les modèles thermiques de cristallisation et de transfert. Enfin, l’effet de la cristallisation sur les transferts de chaleur a été mis en évidence, d’une part dans des conditions de refroidissement rapide sans cisaillement et, d’autre part dans des conditions industrielles. Les conditions d’interface ont été analysées notamment grâce notamment à l’évaluation d’une résistance thermique de contact.
Author: Dihya Mezi
Author: Dihya Mezi
Author: Valérie Hosdez
Author: BRUNO.. SOULOUMIAC
Author: Mariam Benhadou
Author: Abla Redjeb
Author: Alexandra Megally
Author: Anaïs Barasinski
Author: Hicham Chaouki
Author: Thomas Poumadère
Author: Ronan Le Goff