Cette partie est entièrement réalisée en composite carbone/epoxy. J'ai trouvé intéressant d'expérimenter la mise en oeuvre de ce matériau qui au final, offre des caractéristiques remarquables en termes de poids et de rigidité.
Le principe
Pour tirer une forme en matériau composite, il existe deux possibilités : soit une stratification directement dans un moule en creux (négatif), lui-même obtenu par un tirage d’un modèle (positif), soit une stratification directement sur une forme qui est conservée.
Pour des raisons de facilité de mise en œuvre, je vais utiliser la deuxième méthode.
La stratification consiste à faire épouser une forme avec un matériau plus ou moins souple – ici un tissu en fibre de carbone - puis de l’imprégner avec une colle – ici de la résine Epoxy – afin de fabriquer une coque rigide. Par ce procédé, nous obtenons une forme en matériau composite – ici carbone/Epoxy.
La mise en œuvre
Pour plus de détails, je vous invite à visiter des sites spécialisés comme
navimodélime, site très complet sur la mise en oeuvre des matériaux composites.
La forme de base est obtenue par un travail de menuiserie mettant en œuvre des tasseaux, des planches, des massifs de balsa. Ce matériau est choisi pour sa grande légèreté, sa facilité d’usinage et sa porosité naturelle, ce qui permet un bon accrochage de la résine.
Cette forme est habillée avec le tissu de carbone préalablement découpé.
Il suffit d’imprégner la fibre de carbone avec juste ce qu’il faut de résine Epoxy en tappotant avec le bout d'un pinceau. La règle veut qu’on ai le même poids de chacun des 2 composants. Avec ces données de bases, il est facile de déterminer la quantité des produits à mettre en œuvre.
Pour accélérer le processus de solidification et améliorer les caractéristiques mécaniques finales, il est judicieux d’étuver la pièce à 120°C.
Les matériaux
- J’ai acheté 1 kg de résine Epoxy dans la grande surface de bricolage la plus près de chez moi. Elle se dose à 45% de volume de durcisseur pour 100% de résine. L’usage de seringues graduées est une aide précieuse. Le solvant de l’Epoxy est l’alcool à brûler.
- 2 m² de toile de fibre de carbone ont été achetés à bon prix sur Ebay. C’est un tissage de 200 g/m², relativement « raide ». Les plis sont difficiles à marquer et maintenir.
- J’ai pris 3 m de ruban carbone de 50 mm de largeur unidirectionnel. Toutes les fibres sont dans la longueur, ce qui permet une reprise optimale des efforts de traction/compression.
- Enfin, je me suis procuré de la cire liquide de démoulage. Elle est appliquée copieusement au chiffon, séchée rapidement à chaud et lustrée au chiffon doux pour permettre un démoulage facile.
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Il est important de bien préparer le chantier car le travail de la résine peut vite devenir un cauchemar. C’est sale, ça poisse, on en met partout. Mais tout rentre dans l'ordre avec un peu de méthode. Sur une feuille de papier, on voit les 2 composants de la résine, le pot pour faire le mélange, un autre avec de l’alcool à brûler pour le nettoyage, 2 seringues (repérées) pour faire un dosage précis, un bâton pour touiller, le pinceau pour l’imprégnation. Plus loin, les lés pré-découpés de tissu de carbone. Enfin, sur une vitre parfaitement propre, la forme en balsa prête à être stratifiée. On aura soin d’utiliser des gants en latex, des chiffons et un filtre respiratoire pour se protéger de ces méchantes poussières.
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La découpe du tissu se fait sur un plan de travail bien dégagé et propre. Il faut bien définir l’agencement des divers éléments à assembler entre eux. Les formes sont tracées sur le tissu puis découpées soigneusement aux ciseaux en laissant une marge de sécurité. Elles sont stockées à plat dans l’attente de leurs mise en œuvre.
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Réalisation de la forme en balsa
Après découpe et ajustage précis des différents éléments, ceux-ci sont assemblés à la colle blanche directement sur le plan. La section des tasseau est 10 x 20 mm. Il est important d’assurer un bon serrage des pièces entre elles et une bonne planéité de l’ensemble pendant le séchage de la colle. Une fois sec, les faces sont soigneusement poncées. L’ensemble est étonnamment léger et rigide pour une manipulation aisée. Mais pas suffisament pour l'usage déstiné. C'est pourquoi il va falloir stratifier cette forme.
Mise en place des champs
Sur cette image, le champ intérieur a été collé et arasé. Pour les travaux de stratification, je travaille sur une vitre préalablement cirée pour éviter un collage inopiné de la structure sur le plan de travail.
Une bande de tissu de fibre de carbone est découpée puis déposée avec soin sur la forme en balsa préalablement encollée de résine. Le tissu est ensuite imprégné en tapotant avec le pinceau. Les angles intérieurs sont bien marqués. Après séchage complet, l’excèdent de fibre est découpé à la tronçonneuse puis la coupe est parfaitement arasée à la lime et à la cale à poncer bien à plat. On procède de même pour le champ extérieur.
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Stratification des faces
Les faces supérieures et inférieures reçoivent chacune 2 couches de tissu. La première est constituée de 6 rubans unidirectionnels, visibles sur la première image du chantier. Une fois la face sèche et bien poncée, elle est recouverte d’une pièce de tissu préalablement découpée à la forme hexagonale. Celle-ci assure une parfaite liaison des divers éléments entre eux et présente une belle finition. Pour cette étape, je n'ai pas osé mouler ces 2 faces sur une vitre pour avoir un état de surface bien lisse, craignant - à tort - des problèmes de démoulage.
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L’étuvage
Pour accélérer le séchage, éviter le toucher poisseux de la résine Epoxy et surtout, augmenter les caractéristiques mécaniques du composite, la pièce est mise à étuver pendant 3 heures. L’étuve est constituée d’une boite en carton au fond de laquelle est installé un petit radiateur électrique. La pièce est suspendue par un crochet et l’étuve est fermée. La température atteint 90°C dans la partie supérieure. Le local doit être bien ventilé pour évacuer les vapeurs des solvants.
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L’arasage
Une fois la résine sèche, la fibre de carbone devient très dure et rigide. Il faut découper l’excédent avec un petit disque à tronçonner monté sur une micro-perceuse. Cette phase est désagréable car très sale. Il est impératif de bien se protéger avec des lunettes et un filtre respiratoire. Pour éviter les grattouillis sur les mains et les avant-bras, il est judicieux de bien se talquer et de porter des gants en latex.
La coupe est parfaitement arasée à la lime puis les arrêtes vives sont chanfreinées. Enfin, un ponçage soigné à l’eau permet d’obtenir une belle finition et un touché lisse exempt de bavures et d’échardes.
Voila, cette première pièce est terminée. Elle est superbe et ne pèse que 140 g.
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Le support du porte oculaire
Le coin de la cage hexagonale sur lequel vient se plaquer le PO est tronqué. 2 montants réalisés en sandwich carbone/balsa/carbone ép 8 mm sont ajustés et collés précisément sur cage (image ci-contre).
En vis-à-vis des trous de fixation du PO, 4 manchons filetés sont insérés et collés dans l’épaisseur des montants. Le perçage des 4 trous correspondants demande du soin pour ne pas sortir de l’épaisseur des montants.
Le callage du support est vérifié avec un chesire inséré dans le PO et une mire (équerre).
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Quincaillerie
Pour assembler les divers éléments entre eux, je réalise au tour et à la fraiseuse divers types d’inserts filetés et des chapes. Ceux-ci sont réalisés en, aluminium.
Les chapes sont alésées pour un gain de poids significatif. Deux gorges sont pratiquées afin d'améliorer le collage dans les tubes carbone.
Toutes ces pièces sont ensuite anodisées pour éviter les phénomènes de corrosion dus au couple carbone/alu, pour une meilleure accroche de la colle et pour obtenir une surface plus dure. Une tentative de coloration en rouge a hélas, échouée. La nuance du métal n’a pas permis cette fantaisie... Imaginons un télescope tout en carbone et pièces en alu anodisées en rouge...huuuum ! Dommage.
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La fixation de la structure triangulée
Je me suis procuré les tubes en carbone pultrudé chez la société STRUCTIL. Ils sont réunis deux à deux sur une petite cornière par l’intérimaire de chapes en alu. Pour le montage du télescope, ces cornières sont fixées sur la cage du secondaire grâce à 3 vis à tête de serrage manœuvrables à la main.
Les 3 cornières sont réalisées en carbone/Epoxy par stratification de 14 plis de tissu pour une épaisseur finale de 3 mm. Un montage a été réalisé pour obtenir les angles idoines dictés par la structure triangulée à 6 tubes, ici 85,5° et 90°.
Des inserts filetés sont collés dans des perçages effectués sur ces cornières et en vis-à-vis sur la cage du secondaire. Après avoir fait sauter quelques filets sur la vis et un insert, les vis de serrage deviennent « imperdables » : elles peuvent tourner librement mais restent solidaires de la cage du secondaire.
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Le cadre
Il est réalisé en tube carré d'aluminium de 20 x 20 x 1,5 mm, assemblé par des goussets en tôle d'alu ep 1, rivetés et collés à l’Araldite. La qualité de la géométrie finale dépend de la précision des coupes et du respect des angles d’assemblage. Il est utile de se faire des petits montages d’usinage à cet effet. L'emploi de rivets "pop" à tête large donne, outre une meilleure qualité à l’assemblage, un aspect qui me plait bien. Le résultat est d’une robustesse remarquable.
C’est un principe de construction très simple à mettre en œuvre pour un rendu de qualité.
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Les 2 leviers de collimation
Les 2 leviers peuvent se mouvoir indépendamment l'un de l'autre pour permettre la collimation. Ils sont articulés sur la traverse basse du cadre, forment un triangle équilatéral. Réalisés en tube carré de 20 x 20, leurs extrémités sont usinées pour remplir une fonction particulière. D’un coté, nous avons l’articulation proprement dite, avec l’axe parallèle à la traverse basse. De l’autre coté, un profilé en T est encastré/collé pour permettre d’une part, le réglage en collimation et d’autre part, le guidage latéral des leviers pour assurer un parfait maintien.
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Le support à 18 points du miroir
3 leviers sont articulés en leur milieu par un axe en acier dia 2 mm. Ils sont réalisés à partir d’un U en alu de 25 x 25 x 2 mm.
Les triangles de flottaison sont un sandwich carbone 600 gr/balsa 2 mm/carbone 600 gr. La liaison entre ces triangles et les leviers se fait par des chapes à rotule dia 3 mm inter, utilisées en modélisme. Après en avoir conservé que la partie centrale, ells sont directement collées dans l’épaisseur des triangles. Ce système est peu onéreux, très compact en hauteur, joue librement sans effort et sans jeu et de plus, est très léger. Les points de contact sont tirés à partir de plaques auto-adhésives de glissement.
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Réalisation de la forme en balsa
Les tourillons sont réalisés dans un sandwich balsa/carbone. Leur épaisseur finale est de 20 mm. Pour avoir une bonne tenue de l’âme en balsa, 2 plis de carbone sont insérés entre les planches.
La composition du sandwich est ainsi : 2 plis de 200 gr carbone, 6 mm balsa, 200 gr carbone, 6 mm balsa, 200 gr carbone, 6 mm balsa, 2 plis de 200 gr carbone.
La première étape consiste à débiter et coller les divers éléments de balsa dans des planches ép 6 mm. La forme finale ne pouvant être obtenue à partir d’une planche unique, il convient de faire un assemblage en plusieurs morceaux par collage. Il faut prendre soin de faire alterner les coupes entre chaque épaisseur de bois. Ici, les 6 éléments en balsa en cours de séchage.
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Préparation des divers éléments
Je vais stratifier les 2 tourillons ensembles, en une seule étape. Pour ce faire, chaque pli de carbone est préalablement découpé à l’aide d’un gabarit. Ils sont stockés bien à plat sur le plan de travail, dans l’ordre d’utilisation. Au total, il y a 6 plis de tissu de carbone par tourillon.
Les éléments de balsa sont finement poncés sur leurs faces.
Je vais tester un film de démoulage. Il est découpé aux dimensions idoines.
Enfin, comme toujours, j’utilise une vitre comme plan de travail.
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La stratification
Sur la vitre, j’applique le film de démoulage et le tend avec quelques bouts de ruban adhésif à la périphérie.
Pour une meilleure qualité d’imprégnation (nous sommes fin décembre…), je tiédis la résine Epoxy à 35 °C environ. Elle est ainsi plus fluide mais sa prise s'en trouve un peu accélérée. Il faut travailler vite et bien. J'en prépare de petites quantités à chaque fois (30 cm3) ce qui me permet de traiter environ 2 imprégnations.
Chaque pli est imprégné directement en place. Chaque face des planches en balsa est pré imprégnée juste avant d’être posée ou de recevoir son pli de tissu. Pour assurer une bonne cohésion entre le bois et le tissu, je maroufle en frappant avec un maillet.
Enfin, le dernier pli est recouvert d’un film de démoulage puis une vitre est déposée sur le tout et pressée par des poids.
Je place l’ensemble dans l’étuve pour quelques heures de durcissage. C’est avec un grand plaisir que je démoule sans difficulté ces 2 blocs. Seul petit bémol, j’ai mal utilisé le film et de petits plis apparaissent. Je les ferais disparaître au ponçage.
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La découpe
Les tourillons étant constitués d’un empilage de 10 éléments distincts, ceux-ci sont découpés plus largement que prévu. Après la stratification, j'obtiens donc 2 ébauches de tourillons. Pour obtenir la forme finale, j’utilise un gabarit en CTP découpé très précisément aux bonnes dimensions. 3 trous parfaitement repérés permettent un positionnement parfait du gabarit sur les ébauches en carbone/balsa. Ces trous seront utilisés ultérieurement pour la fixation des tourillons sur le barillet et de l’entretoise en partie haute.
Les formes sont obtenues à la scie électrique, puis à la lime et enfin au ponçage.
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La dressage de la face de frottement
Pour avoir de bons mouvements avec le télescope, il est indispensable que les faces de frottement des tourillons soient bien circulaires, bien planes et d’équerres, que leur centre, correspondant à la position du centre de gravité du télescope, soit parfaitement positionné.
Pour ce faire, j’ai réalisé un montage en CTP de 10 mm. Une planche est directement visée sur le plateau fixe d’un établi réglable. Un axe en acier y est solidement implanté. Une deuxième planche et posée dessus et peut pivoter librement autour de cet axe. 3 inserts filetés sont précisément positionnés sur cette planche par rapport à l’axe de rotation. Ils correspondent aux 3 trous de référence des tourillons. Ceux-ci peuvent être installés et fixés solidement sur ce montage.
Une ponceuse à bande est fermement bridée sur le plateau mobile de l’établi. L’équerrage de la semelle est finement ajusté par rapport au montage.
Il suffit maintenant de régler la profondeur d’usinage en agissant sur le plateau mobile de l’établi, puis, une fois la ponceuse mise ne marche, de faire tourner doucement le tourillon sur son montage.
ATTENTION : le travail doit toujours se faire « en opposition », sous peine de dégats. C'est à dire que les forces d'usinage doivent s'opposer aux forces d'avance.
Au final, j’obtiens 2 magnifiques tourillons, avec une géométrie parfaitement respectée. La rigidité est absolument incroyable et le poids de ces 2 éléments réunis n’est que de 510 gr !!!
On voit ici la composition du sandwich.
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Stratification des champs
Cette étape a été plus ardue à réaliser que ce que j’imaginai. En effet, les formes concaves sont délicates à bien stratifier, à bien faire adhérer sur les flancs. L’arrondi en bout des tourillons avait tendance à faire décoller les plis. Enfin, la découpe, la manipulation et la mise en œuvre des bandes étroites de tissu de carbone est assez problématique, les bords aillant la fâcheuse tendance à s’effilocher. Moralité, j’aurais dû tailler ces bandes bien plus larges et, comme je l'ai fait par la suite, traiter les bords avec un filet de colle cyanoacrylate.
Les champs sont constitués de 1 pli 200 gr tissé, 1 pli 450 gr unidirectionnel et 1 pli 200 gr tissé.
Les divers champs (face concave, extrémité et face convexe) sont stratifiés les uns après les autres, après avoir arasé et poncé de surplus de tissu à chaque fois.
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La bande de frottement
Suite aux difficultés rencontrées lors de la précédente étape, j’ai découvert et utilisé ici les propriétés étonnantes du tissu de carbone « poudré ». Celui-ci est faiblement pré-imprégné de résine thermodurcissable. Il est alors possible de le travailler à chaud pour le mettre en forme et/ou le faire adhérer sur une surface.
Pour garantir une bonne géométrie de ces surfaces, je n’ai utilisé qu’un seul pli de tissu unidirectionnel de 450 gr poudré. Il est mis en oeuvre à l’aide d’un fer à repasser sous lequel est interposé un film de démoulage. Il est ensuite imprégné de résine. Pour une meilleure qualité d’imprégnation, l’Epoxy est utilisée chaude. Le résultat est parfait.
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Les finitions
Une fois les champs arasés, l’ensemble est soigneusement poncé à l’eau pour obtenir une coquette finition. Les inserts filetés seront collés ultérieurement.
J’obtiens en final 2 belles pièces de 530 gr au total.
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Fabrication
Cet élément est réalisé selon le même procédé que celui utilisé pour les tourillons (cf ci-dessus). Pour obtenir l’épaisseur finale de 25 mm, le sandwich est composé de 2 plis carbone tissé 200 gr, 1 planche balsa 8 mm, 1 pli carbone 200 gr, 1 planche balsa 8 mm, 1 pli carbone 200 gr, 1 planche balsa 8 mm, 2 plis carbone 200 gr.
Pour avoir un meilleur état de surface, je tends le film de démoulage avec du ruban adhésif.
Sur la partie gauche de la photo, la base brute de démoulage après étuvage, sur la partie droite, la base après arasage au disque à tronçonner monté sur micro-perceuse.
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Le dressage de la face externe
C’est sur cette partie que se fera le guidage en rotation du flex-rocker. Par conséquent, la géométrie cylindrique doit être respectée. La réalisation d’un montage s’impose.
L’anneau est bridé sur un plateau circulaire. Un axe central permet à l'ensemble de tourner face à une ponceuse à bande solidement fixée sur le plateau mobile de l'établi (partie droite de l'image).
Au préalable, l'équerrage de la ponceuse est soigneusement contrôlée (partie gauche de l'image).
Remarquez la structure du sandwich carbone/balsa, visible sur la face externe en cours d'usinage.
ATTENTION : comme déjà dit, le travail doit se faire «en opposition», sous peine de dégâts…
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Le dressage de la face interne
Pour cette opération, l’anneau est fixé sur l’établi. Une perceuse est fixée sur un montage de type « défonceuse ». Elle est équipée d’une fraise cylindrique. Le guide latéral est utilisé comme une verge est permet à l’ensemble de pivoter autour de l’axe central.
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Fabrication
Cet élément est particulièrement fin et léger. Il est constitué d’un sandwich minimaliste de 1 pli carbone 200 g, 1 planche balsa 2 mm, 1 pli carbone 200 g. Dans un premier temps, les planchettes de balsa sont assemblées sur champ par collage.
La forme est ensuite découpée au cutter puis stratifiée selon les étapes illustrées sur l’image ci-dessous à gauche. Partie gauche, le pli de tissu est déposé sur le film de démoulage puis enduit de résine. Le sandwich est ensuite monté puis mis sous presse avec une vitre et des poids. Partie du milieu, le sandwich est démoulé, l’excédent de tissu arasé à la tronçonneuse. Partie droite, la forme définitive est obtenue à la lime comme le montre la photo suivante.
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Les cales
Les 4 cales qui supportent les patins de téflon en contact avec les tourillons sont réalisés en sandwich de même composition que ces derniers, pour une épaisseur identique. Sur la partie gauche, les 4 cales découpées aux dimensions exactes. A droite, la stratification des champs en cours de séchage, sur une vitre posée sur un radiateur.
Elles sont collées à l’Araldite sur le flex-rocker. Leur positionnement doit être soigné car il détermine un fonctionnement correct du mouvement d’altitude.
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Les patins de frottement
Les patins sont en Téflon et frottent directement sur les surfaces en carbone soigneusement poncées. Ils sont débités à partir une barre de 22x25mm, les faces sont dressées et poncées au 600.
Pour les tourillons d’altitude, ils sont en deux parties assemblées par vis pour réaliser le frottement lui-même et le guidage latéral.
Pour le frottement sur la base annulaire, 4 patins reprennent les dimensions des embases des calles et sont placés sous celles-ci pour en assurer une parfaite stabilité.
Enfin, le guidage en rotation est assuré par 4 pions vissés dans les angles du flex-rocker venant frotter sur la face externe de la base annulaire.
Tous ces éléments sont vissés dans le flex-rocker par l’intermédiaire d’inserts filetés en laiton collés à l’Araldite.
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La quincaillerie
Comme pour la partie haute, des pièces en alu, chapes, inserts et embous filetés, sont réalisées au tour puis sont anodisées.
La visserie est modifiée pour la rendre "impérdable". Elles seront équipées d'une tête en plastique pour les rendre manoeuvrable à la main. En tout, 10 vis suffisent pour l'assemblage final du télescope : 6 pour la structure triangulée en partie haute et basse, 4 pour les tourillons.
Enfin, des équerres en carbone ep 3 mm sont stratifiées, découpées et poncées. Elles servent pour la fixation de la structure triangluée sur la partie basse du télescope.
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La partie basse
Les divers inserts filetés sont collés en place sur le barillet et les tourillons.
L'entretoise recoit ses embouts filetés.
Ce n’est pas sans une certaine émotion que pour la première fois, j’assemble la partie basse du télescope.
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1er assemblage
Puis, ayant refait 2 équerres d’assemblage légèrement défectueuses et taillé les tubes avec une longueur un peu plus généreuse que nécessaire, je procède au premier assemblage à blanc du télescope.
Je peux enfin voir et apprécier à loisir l’aspect global de l’instrument. Je suis comblé !
J’apprécie son élégance mais aussi certains détails pratiques. Je remarque particulièrement la parfaite hauteur du porte-oculaire, sa position ainsi que l’absence de porte-à-faux. La triangulation basse bien évasée permet outre un renforcement de la structure, une installation aisée du miroir sur le barillet.
En l’état, l’ensemble de la structure pèse 3kg760.
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