EcoSwissMade PRO GR A M M E DE R EC H E R C H E T H É M ATIQU E H E S -S O SUR LE MANUFACTURING ET L A PERFORMANCE INDUSTRIELLE
INGÉNIERIE ET ARCHITECTURE
HE-Arc Ingénierie - Groupe Conception des moyens de production Claude Jeannerat claude.jeannerat@hes-so.ch +41 32 930 22 26
HEI-VS - Institut Systèmes Industriels Jacques-Eric Bidaux jeric.bidaux@hevs.ch
HEIA-FR - Institut iRAP
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Comité de pilotage du programme EcoSwissMade
Jean-Marc Boéchat jean-marc.boechat@hefr.ch
hepia - Institut inSTI Jacques Richard jacques.richard@hesge.ch
HEIG-VD – Institut COMATEC Alain Schorderet alain.schorderet@heig-vd.ch
Edito
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La recherche appliquée et développement est au cœur des missions de la HES-SO. Dirigée par des professeurs de l’institution, elle permet à tous les collaborateurs d’acquérir des compétences pratiques, pour répondre aux besoins de la société, mais aussi de l’industrie, et de garantir un enseignement de pointe à nos étudiants. Depuis quatre ans, le Domaine Ingénierie et Architecture a structuré ses projets de recherche appliquée en six programmes thématiques qui, ensemble, couvrent tous les champs d’étude de la faculté. De l’énergie à l’optimisation de la chaîne agroalimentaire, en passant par l’étude de la densification urbaine ou des objets connectés, ces programmes thématiques ont pour objectif de trouver des solutions concrètes aux problèmes de notre temps et sur une durée relativement courte.
Nous avons souhaité expliquer au grand public et aux entreprises la nature de ces programmes, au travers d’une série de brochures présentant leurs points forts et les compétences clés qu’ils mobilisent. Les publications servent aussi à mettre en avant les réalisations concrètes auxquelles les programmes ont permis d’aboutir, grâce à une collaboration forte avec des partenaires du secteur concerné.
dans l’atelier pour créer ma propre vis. L’odeur de l’huile, le bruit et la taille des machines me transportaient alors dans un autre monde. C’est la même fascination qui me saisit aujourd’hui quand je regarde les développements d’une micromachine capable de créer une pièce jusqu’à une demi-fois sa taille à partir d’un simple schéma conçu sur ordinateur. L’arrivée de l’industrie 4.0 ouvre une nouvelle ère pour notre production.
La brochure que vous tenez entre vos mains présente le programme thématique EcoSwissMade, dédié au manufacturing et à la performance industrielle. Son nom comprend ainsi les concepts de l’écoconception et de l’efficience énergétique, qui ont aujourd’hui un impact fort sur le maintien et le développement d’une industrie manufacturière suisse. Enfant, je suivais mon papa avec fascination
Apprenons à maîtriser les technologies qui équiperont et amélioreront la machine de demain, tout en étant conscients de l’ampleur de notre responsabilité en matière de développement durable.
Olivier Naef Responsable du Domaine Ingénierie et Architecture de la HES-SO
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LE PROgRAMME
EcoSwissMade
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IngénIERIE Et ARCHItECtURE - ECOSWISSMADE
En plus des risques de délocalisation, le secteur industriel suisse doit faire face aux défis environnementaux. Le programme EcoSwissMade apporte des solutions concrètes pour améliorer l’efficience et réduire la consommation énergétique.
La Suisse romande est l’une des régions les plus innovantes et densément industrialisées d’Europe. C’est une grande force. En revanche, avec l’évolution des conditions-cadres, ces avantages pourraient se transformer en faiblesses. Le programme EcoSwissMade se projette dans l’avenir: la question qui sous-tend ses projets est de savoir si la région pourra maintenir sa situation particulière à l’horizon 2030. Trois éléments centraux se détachent. Le premier concerne la situation économique et le niveau élevé des salaires en Suisse. Pour éviter des délocalisations, il faudra impérativement produire moins cher, d’autant plus qu’en 2017, l’entrée en vigueur du label Swiss made imposera de nouvelles contraintes en termes de production en Suisse. Le deuxième point touche à la législation, notamment en matière de protection de l’environnement. Dans les années à venir, nous devrons produire autant, voire davantage, en consommant moins. Enfin, divers grands changements nous attendent, notamment la croissance de la population mondiale, qui impliquera une hausse de la consommation des ressources naturelles et des ressources en énergie. Les surfaces industrielles seront de plus en plus chères et difficiles à trouver. L’idée du programme EcoSwissMade consiste à innover sur le long terme pour obtenir des avantages économiques, mais aussi écologiques. Ces deux éléments ne doivent pas être opposés, mais vus comme complémentaires. En d’autres termes, l’industrie de
demain devra être tout aussi performante en consommant moins d’énergie, moins de matière et de surface disponibles. Ce sont là les principes de l’écologie industrielle. Aujourd’hui, les industriels pressentent ces évolutions. Malheureusement, comme il s’agit de considérations à long terme, ils ne se donnent souvent ni le temps ni les moyens de modifier les choses. Notre rôle est de réfléchir à des solutions potentiellement plus intéressantes permettant de continuer à produire autant avec une empreinte nettement diminuée. Voilà l’objectif des différents projets du programme EcoSwissMade, démarré en 2013. Dans les prochains mois, nous travaillerons à leurs développements futurs en collaboration avec les industriels. Les compétences en recherche appliquée des HES-SO doivent constamment rester ancrées dans la réalité du monde de la production. Les projets du programme EcoSwissMade sont orientés sur les procédés (production additive et soustractive), les machines (miniaturisation) et les processus de fabrication (C-lean). Ils couvrent ainsi un grand nombre des besoins industriels. Claude Jeannerat Coordinateur du programme HES-SO EcoSwissMade Professeur HE-Arc Ingénierie
Trois questions à Jacques Richard Chercheur en éco-ingénierie à l’Institut inSTI de la Haute école du paysage, d’ingénierie et d’architecture de Genève - hepia, Jacques Richard est responsable de LEMM, un projet de micro-fraisage par électro-érosion (micro-EDM-milling) épuré, réalisé en collaboration avec le Prof. Maurizio Tognolini de la HEIG-VD.
1–
En quoi le procédé que vous développez peut-il être qualifié de light? L’objectif est de rendre le micro-EDM-milling modulaire. Actuellement, cette nouvelle technologie n’est pas encore utilisée en raison de ses problèmes de lourdeur: elle demande des machines et logiciels complexes. C’est très cher. Notre objectif est d’en faire un système plug and play, de façon à pouvoir l’installer sur une fraiseuse classique et de rendre ce procédé abordable.
2–
Comment votre module se positionne-t-il en regard des procédés d’usinage plus classiques comme le fraisage? Il serait complémentaire. Le micro-EDM-milling permet de fabriquer des pièces qu’aucune autre technique ne parvient à produire. Des pièces avec des détails à haut facteur de forme, en particulier pour la réalisation de petites cavités profondes. Ainsi, on peut très bien imaginer l’implanter dans une machine standard pour s’occuper de la finition des pièces. Tout pourrait être fabriqué sur la même machine.
3 – Qu’est-ce qui a permis d’alléger cette technique? Le défi du projet réside surtout dans la miniaturisation du générateur, de lui donner une intelligence propre lui permettant une certaine indépendance vis-à-vis de la commande numérique. Le générateur est responsable de gérer seul les processus d’étincelage de façon à permettre un usinage à vitesse constante. La subtilité est qu’aujourd’hui nous avons besoin de commandes numériques dédiées à l’électro-érosion qui régulent en permanence cette vitesse selon les conditions d’étincelage. Avec LEMM, en misant sur un petit générateur intelligent, il sera possible de se passer d’une commande numérique spécifique. Le micro-EDMmiling pourra ainsi communiquer avec une machine standard.
27%
La part du PIB national qui se trouve dans le secteur secondaire. Ceci place la Suisse en tête des pays les plus industrialisés... osons la défendre! (Source: OFS, 2012)
Hautes écoles impliquées:
HE-Arc Ingénierie HEIG-VD
hepia
HEIA-FR
HEI-VS
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P R O J E T S ecoswissmade
AZAT
BioMIM
BMF4.3
Mars 2014
Janvier 2016
Mai 2015
But: Améliorer la zone thermiquement affectée.
But: Développer un nouveau procédé pour produire des pièces métalliques par moulage par injection de poudres (PIM), à l’aide de liants polymères biosourcés.
But: Développer une petite broche 400 ktpm/250 W pour le microfraisage
Date de lancement:
Date de lancement:
Hautes écoles HES-SO: HE-Arc Ingénierie, HEI-VS, HEIA-FR et hepia
Descriptif: La surface des pièces usinées par des usinages classiques (fraisage, EDM, rectification) est souvent thermiquement affectée (microfissures, phases métallurgiques désordonnées). La technologie développée dans le cadre du projet AZAT permet d’éviter ce problème grâce à un usinage laser pico- et femtoseconde.
Hautes écoles HES-SO: HEI-VS, HEIA-FR et hepia
Descriptif: Le projet BioMIM vise à produire des pièces par moulage par injection de poudres métalliques (technologie MIM) à l’aide de liants naturels, dont des polymères synthétisés par fermentation bactérienne. Les pièces produites sont en métal biocompatible tel que le titane ou l’acier inoxydable sans nickel. Des solutions pour la récupération des liants et solvants utilisés sont aussi développées.
Date de lancement:
Hautes écoles HES-SO: HEIG-VD et HE-Arc Ingénierie
Descriptif: Ce projet a pour objectif de concevoir une solution de rotor sur paliers à gaz hybrides (aérostatique et aérodynamique), de comparer des solutions de moteurs synchrones et de trouver une solution adaptée au développement d’un revêtement pour les surfaces de paliers.
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Cleama
EcoCarac
EcOptSurf
Décembre 2015
Novembre 2015
Janvier 2015
But: Expérimenter et étendre l’utilisation des outils du Lean à l’analyse énergétique et environnementale pour mieux maîtriser ces aspects en production.
But: Evaluer les performances énergétiques et fonctionnelles des machines-outils.
But: Rechercher un bon compromis entre productivité, bilan énergétique et état de surface d’une pièce à usiner.
Haute école HES-SO:
hepia, HEIG-VD et HE-Arc Ingénierie
Date de lancement:
Date de lancement:
Hautes écoles HES-SO:
HEIA-FR
Descriptif: Le projet EcoCarac
Descriptif: Le projet Cleama vise à
s’inscrit dans l’axe Microfactory du programme EcoSwissMade de la HES-SO. Il consiste à évaluer les performances fonctionnelles et énergétiques réelles de machines standards et orientées Eco (micro-machines). Basé sur la réalisation d’une pièce test et des mesures dédiées, ce projet permettra d’évaluer les gains énergétiques et d’encombrement offerts par l’utilisation d’une micro-machine.
analyser une zone de production selon les outils standards du Lean (VSM, SADT) – un système d’organisation pour optimiser la gestion de production. L’idée consiste à réaliser un inventaire des utilisateurs, évaluer les consommations et procéder à une analyse de la consommation globale de la zone. Une campagne de mesure et une évaluation des outils sont aussi prévues, de même qu’un examen de la pertinence des méthodes et des outils mis en œuvre.
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Date de lancement:
Hautes écoles HES-SO: HEIG-VD, HE-Arc Ingénierie et hepia
Descriptif: Ce projet développe des algorithmes d’optimisation de trajectoire minimisant le temps de parcours et l’énergie consommée, en respectant la contrainte de la précision de trajectoire. Les algorithmes ainsi créés permettront d’extraire les motifs spatiaux de surface liés au comportement vibratoire de la machine.
P R O J E T S ecoswissmade
FUNCUT
Icomposite
LEMM
Novembre 2015
Octobre 2015
Avril 2015
But: Améliorer les performances des micro-outils de coupe.
But: Tester une méthode de fabrication de composites par injection plastique ou extrusion pour favoriser leur utilisation dans des domaines industriels.
But: Rendre le procédé de micro-fraisage par électroérosion modulaire et facile d’utilisation.
Date de lancement:
Hautes écoles HES-SO: hepia et HE-Arc Ingénierie
Descriptif: Le projet FUNCUT explore une voie innovante permettant d’augmenter la durée de vie des outils de coupe et de diminuer le coût d’opérations d’usinage par des dépôts ultra-durs (méthode HiPIMS) sur des substrats carbure usinés et microstructurés par laser pico-seconde.
Date de lancement:
Hautes écoles HES-SO: HEIA-FR, HEIG-VD et hepia
Descriptif: Le projet Icomposite vise à injecter des composites par des méthodes dérivées des matériaux à fibres longues pour les adapter aux fibres continues ou extruder des composites. Cela permet de fabriquer des produits à bas coût. Ces techniques doivent être adaptées pour obtenir des propriétés utiles à base de thermoplastes et de fibres carbone.
Date de lancement:
Hautes écoles HES-SO: hepia, HEIG-VD et HE-Arc Ingénierie
Descriptif: Il s’agit de rendre modulaire et accessible le procédé du micro-EDM-milling, qui permettra de réaliser des cavités profondes alliant précision et rapport d’aspect élevé, ce qu’aucun autre procédé de fabrication ne permet. Par la gestion d’intelligence locale au niveau du générateur d’étincelles, LEMM doit en démontrer une utilisation aisée et facilement intégrable sur une petite machine.
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MAISO50001
MicroCnc
Micromac_Dev
Janvier 2014
Janvier 2014
But: Développer un système de management de l’énergie pour l’appliquer au projet Micromac, dans le cadre de la norme ISO 50001.
But: Développer un framework de calcul de trajectoires CNC modulaire, orienté objet, et le démontrer en pilotant une machine à l’aide d’une carte embarquée.
Décembre 2014 But: Développer, réaliser et pré-caractériser la micromachine.
Date de lancement:
Hautes écoles HES-SO:
Date de lancement:
HEI-VS et HE-Arc Ingénierie
Hautes écoles HES-SO:
Descriptif: Le projet MAISO50001
HEIG-VD, HE-Arc Ingénierie et HEIA-FR
souhaite créer une base de données relationnelle permettant d’intégrer l’ensemble des données énergétiques d’un système mécanique. Il est possible de faire varier un paramètre énergétique et d’en prévoir les répercussions. L’approche permet d’éviter, dès la phase de conception, des choix techniques entraînant des conséquences énergétiques pénalisantes et difficiles à corriger par la suite.
Descriptif: Le projet MicroCnc vise à réaliser une brique logicielle CNC permettant de développer rapidement des applications dans le domaine des machines d’usinage et de robotique. Le framework développé permettra également de répondre aux besoins de fabricants de machines ayant des applications spéciales ou recherchant à diminuer leurs coûts en simplifiant l’architecture logicielle.
Date de lancement:
Hautes écoles HES-SO: HE-Arc Ingénierie, HEIG-VD et hepia
Descriptif: Le projet Micromac_Dev représente une mini-révolution dans le monde de la machine-outil. L’utilisation de technologies microtechniques de très haute performance (démonstrateur en cinq axes, un développement de la taille d’une machine à café) permet une efficacité remarquable sans perte de qualité d’usage. Cette technique a été conçue pour une pièce de 50 mm de diamètre.
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P R O J E T S ecoswissmade
Micromac_Study
MiniMaComp2
Mini-Z-Phi
Mars 2014
Mai 2015
Avril 2016
But: Définir un cadre optimal pour réaliser une machine d’usinage intrinsèquement efficiente quant à ses performances fonctionnelles, énergétiques et spécifiques.
But: Evaluer et caractériser l’utilisation industrielle de solutions non métalliques pour les composants de mini-machines-outils de haute précision.
But: Développer un petit actionneur à deux degrés de liberté capable de produire à la fois un mouvement de translation et un mouvement de rotation.
Hautes écoles HES-SO:
Hautes écoles HES-SO:
Hautes écoles HES-SO:
HE-Arc Ingénierie, HEIG-VD et hepia
HEIG-VD, hepia, HEIA-FR et HE-Arc Ingénierie
HEIG-VD et HE-Arc Ingénierie
Descriptif: Le nouveau paradigme lié
de développer et tester un miniactionneur à deux degrés de liberté. Le dispositif comporte des codeurs optiques spéciaux pour la mesure précise de position. Ce type d’actionneur très compact, et inexistant sur le marché, permet de déplacer très rapidement et de positionner précisément des petites pièces.
Date de lancement:
Descriptif: Le projet Micromac_Study explore une voie porteuse sur le plan des gains énergétiques réalisables: la miniaturisation. Le besoin réel du procédé représente 15% de l’énergie consommée. Il s’agit d’un concept technologique «small footprint» innovant et efficient de par l’adéquation de la taille machine/objet qu’elle fabrique (ratio 5/1).
Date de lancement:
aux mini-machines d’usinage ouvre de nouvelles voies pour les matériaux intervenant dans leur construction. Les propriétés mécaniques requises sont différentes de celles d’une machine conventionnelle. Le projet va comparer différentes solutions non métalliques et réaliser un prototype de composant pour la micro-machine Micro5.
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SG-3DP
TrajOpt
Avril 2016
Janvier 2014
But: Développer et réaliser une machine «table-top» pour l’impression 3D de pièces métalliques et céramiques.
But: Développer une génération de profils de mouvement pour des micro-machines.
Hautes écoles HES-SO:
HEIG-VD et HE-Arc Ingénierie
Date de lancement:
Date de lancement:
HEI-VS, HEIA-FR, hepia, HEIG-VD, HE-Arc Ingénierie
Hautes écoles HES-SO: Descriptif: TrajOpt vise à effectuer
Descriptif: Le projet SG-3DP porte sur une nouvelle méthode d’impression 3D du type jet d’encre. Il s’agit de déposer du solvant sur des couches de granulés poudre-liant (SG-3DP: Solvent on Granule 3D Printing). Le solvant ramollit le polymère présent dans les granulés, permettant de les lier couche par couche. Les pièces ainsi générées sont ensuite soumises à des traitements de déliantage et de frittage. Le procédé s’applique à la fabrication de pièces métalliques aussi bien que céramiques.
des analyses de compliance permettant de choisir une architecture de machine appropriée pour le développement d’algorithmes d’optimisation robustes et rapides et la réalisation de tests sur un démonstrateur.
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Date de lancement:
Descriptif: Le projet a pour objectif
u n proje t phare
MicroMac
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Sous ses airs de machine à café, Micro5 est capable de produire tous les composants d’une montre. Miniaturiser un moyen de production sans perte de qualité ni de rendement en consommant un minimum d’énergie, c’est l’objectif de ce projet débuté en 2014. Une micromachine dans la cour des grandes.
«Quand nous parlons d’horlogerie, de biomédical, la plupart des pièces produites n’excèdent pas 50 mm d’arête. Pourquoi ne pas développer une machine adaptée à la taille de l’objet qu’elle fabrique?» Aux yeux de Claude Jeannerat, l’innovation se dessine en miniature. Un défi né d’un constat: les moyens de production actuels sont certes très performants mais aussi très gourmands en énergie électrique. Au cœur de la problématique: le souci écologique.
Face aux mastodontes énergivores, le projet de Claude Jeannerat, développé en collaboration avec la HE-Arc Ingénierie, la HEIG-VD et l'hepia, propose une machine d’usinage cinq axes, de haute complexité, au maximum cinq fois plus grande que la pièce qu’elle produit. «Actuellement, seuls 15% de l’énergie d’une machine standard servent au procédé d’usinage réel alors qu’un pourcentage important alimente les systèmes de refroidissement de ces mastodontes de plusieurs
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tonnes», souligne le coordinateur du programme EcoSwissMade. Une débauche d’énergie pour des climatiseurs qui rejettent à leur tour de la chaleur dans l’atmosphère. Du haut de sa trentaine de kilos, Micro5 consomme dix fois moins d’énergie. L’air ambiant suffit à maintenir la micromachine à sa température optimale de fonctionnement. «Son empreinte carbone est intéressante et répond aux objectifs environnementaux fixés par la Confédération. Notre vision est de se dire que d’ici à 2030, on continuera à produire localement.» La Suisse pourrait ainsi se démarquer en ajoutant la composante écologique à son savoir-faire ancestral de précision et de grande qualité. Une empreinte verte visible également sur le paysage.
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C’est mathématique: avec le micromanufacturing, les usines aussi mincissent. «Micro5 peut tenir sur la table de votre salon, plaisante Claude Jeannerat. Elle peut se localiser n’importe où.» Cette logique colle à celle de l’industrie 4.0: la personnalisation de la production. Fabrication décentralisée rime avec diminution de la mobilité forcée des personnes et revitalisation de certains villages. «Ces petites machines ne nécessiteront plus obligatoirement d'usines telles que nous les connaissons.» En d’autres termes, elles permettent d’économiser sur l’investissement dans de grandes surfaces industrielles. Une industrie à taille humaine devient aussi plus accessible: une technologie haut de gamme abordable pour d’autres acteurs que les géants du high-tech. «Par exemple, lorsqu’un médecin dentiste effectue une reconstruction dentaire, il doit déléguer l’usinage de la dent à une entreprise extérieure. Cette petite machine pourrait très bien réaliser cette tâche au sein du cabinet.» Pour l’ingénieur de la HE-Arc, le champ d’action de Micro5 est vaste. L’horlogerie, le monde médical, la connectique pourraient être les futurs clients de la micromachine suisse. «Pourquoi ne pas
l’imaginer sur notre bureau, à côté de l’imprimante 3D?» Démocratiser son utilisation, voilà l’envie. Sur ce point, la micromachine développée dans le cadre du programme EcoSwissMade prend le contre-pied de sa cousine nippone. Au Japon, les micromachines sont miniaturisées à l’extrême et assignées à une tâche bien particulière. Micro5, à l’inverse, mise sur la flexibilité. L’objectif est de réaliser toutes les pièces d’une panoplie de production. Imaginée pour être un objet multifonctionnel, elle s’apparente au couteau suisse. «C’est une machine qui peut très bien accueillir de l’usinage par enlèvement de copeaux, laser ou encore EDM. Ce que nous voulons, c’est qu’elle soit capable de porter pratiquement tous les moyens de production modernes», explique Claude Jeannerat. Reste un défi de taille, la barrière culturelle. «L’image qu’une machine se doit d’être lourde est gravée dans les mentalités. Psychologiquement, il faut réussir à dépasser le préjugé selon lequel une machine légère est moins performante. Micro5 n’est pas un jouet! L’industrie doit peu à peu changer de paradigme.» Claude Jeannerat croit en une production industrielle d’avenir en Suisse. Les exigences liées au nouveau label «Swiss Made» en 2017 inciteront les industriels à rapatrier une partie de leur production. Un obstacle qui pourrait se révéler une aubaine pour les projets EcoSwissMade et particulièrement pour le micro-manufacturing. En collaborant avec le tissu industriel, les hautes écoles d’ingénierie et d’architecture de la HES-SO pourront apporter l’innovation nécessaire qui permettra aux entreprises suisses de rester concurrentielles.
Hautes écoles impliquées:
HE-Arc Ingénierie HEIG-VD
hepia
« Pourquoi ne pas développer une machine adaptée à la taille de l'objet qu'elle fabrique? »
35 kilos
Le poids de la machine développée par le projet MicroMac.
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EcoSwissMade Programme de recherche thématique HES-SO sur le manufacturing et la performance industrielle Une publication de la HES-SO Haute école spécialisée de Suisse occidentale
Impressum
Edition Rectorat HES-SO Route de Moutier 14 2800 Delémont Suisse
Conception et graphisme LargeNetwork, Genève
Photographies Couverture – Guillaume Perret / Lundi13 P. 3 – Bertrand Rey P. 4 – Thierry Parel P. 9 – Guillaume Perret / Lundi13
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EcoSwissMade