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Standardisation de la viscosité en impression flexographique

Une nouvelle approche pour contrôler la plus grande variable en impression flexo et héliogravure

Introduction

Dans l'histoire de notre entreprise, nous avons utilisé tous les types de capteurs de viscosité : rotationnel, à bille tombante, à piston tombant et à ondes acoustiques. La similitude entre ces capteurs est qu'ils sont tous calibrés avec une coupelle, dans notre cas la coupelle DIN avec une sortie de 4 mm. En soi, cela a bien fonctionné et, en raison de l'absence d'une meilleure alternative, le gobelet DIN 4 est devenu la mesure standard dans l'industrie de la flexographie et de l'héliogravure. En décembre 2017, alors que je cherchais une meilleure solution, je suis entré en contact avec le Rheonics SRV comme alternative aux capteurs que nous utilisions, qui étaient trop imprécis et insuffisamment reproductibles. En janvier 2018, nous avons commencé à tester deux de ces capteurs et en juin 2018, nous avons équipé les 8 stations d'impression de la presse CI de Rheonics SRV. L’année dernière, nous avons effectué de nombreux tests, rassemblant de l’expérience et de nouvelles connaissances. Nous avons développé une formule pour convertir l'unité centipoise, ou mPaS, qui est l'unité fournie par le SRV, en DIN Cup 4 secondes car nous étions habitués à travailler avec ces unités. Après quelques mois, nous avons décidé d'arrêter complètement d'utiliser les unités DIN Cup, pour les raisons qui apparaîtront clairement dans cet article.

La génération actuelle de machines d’impression est extrêmement précise en termes de réglage (dans la plage du µm) et possède un degré d’automatisation très élevé, comme un système de contrôle 100%, un réglage entièrement automatique de l’impression des cylindres anilox et des cylindres mesure de couleur spectrale en ligne. Cependant, la plus grande variable dans le processus d'impression, la viscosité de l'encre, est toujours mesurée avec une unité déterminée manuellement! Dans de nombreux cas, même les contrôles de viscosité automatiques sont calibrés avec une tasse car les opérateurs sont habitués à penser en secondes de tasse. En pratique, l'étalonnage de la viscosité n'est souvent pas effectué car il prend du temps, ou parce que les coupelles sont sales ou indisponibles.

La viscosité est un paramètre très important dans la qualité finale de l’imprimé. Si la viscosité n'est pas correcte, le comportement du flux et l'épaisseur de la couche d'encre varieront, ce qui entraînera des problèmes de qualité d'impression. De plus, une viscosité d'encre mal ajustée peut entraîner une consommation excessive d'encre.

Précision

Chaque opérateur a l'habitude de travailler avec une sorte de tasse à mesurer la viscosité. Ces mesures n'ont jamais été totalement standardisées et ne sont «fiables» que sur une plage de mesure relativement étroite avec une grande marge d'erreur (5-10%). Certaines de ces erreurs sont causées par la tasse elle-même, d'autres sont fonction des compétences de l'opérateur. Les mesures ne sont pas répétables. La température, qui a une forte influence sur la viscosité, est difficile à contrôler. La contamination de la coupelle et les différentes densités d'encres influencent la vitesse de défilement. Tous ces facteurs contribuent à une mauvaise répétabilité et à une précision médiocre des mesures de coupelle DIN.

En pratique, les marges d'erreur peuvent atteindre 5 à 10%, ce qui représente une large bande passante de viscosité. Par exemple, pour une encre ayant une viscosité de 20 s, une marge d'erreur entre 5 et 10% signifie une bande passante comprise entre 1 s et 2 s!

Comment la précision et la répétabilité du Rheonics Comparer le SRV aux mesures des coupelles DIN ?

Voici un extrait du Rheonics Fiche technique SRV :

Mesures de fluides
Gamme de viscosité0.4 à 250,000 + cP
Précision de la viscosité5% de lecture (standard)
1% et plus de précision disponible
ReproductibilitéMieux que 1% de lecture
TempératurePt1000 (DIN EN 60751)
Conditions Opérationnelles
Température du fluide de traitement-40 jusqu'à 300 ° C (575 ° F)
Température ambiante-40 jusqu'à 150 ° C
Plage de pressionjusqu'à 7,500 psi (barre 500)

Le fonctionnement du capteur repose sur un élément vibrant immergé dans le fluide et dont la résonance est amortie par la viscosité du fluide. Le Rheonics Le SRV se distingue des autres capteurs vibrants par le fait que son résonateur est complètement équilibré, ce qui rend sa précision insensible à son environnement mécanique. Il est également extrêmement robuste, ce qui signifie qu'il peut être nettoyé, si nécessaire, en l'essuyant avec un chiffon imbibé de solvant.

Les spécifications du fabricant montrent qu'il a une large plage de mesure et une très grande précision, mais qu'est-ce que cela signifie en pratique? Nous avons testé sa précision en ajoutant 20 g de solvant à 25 kg d'encre. Le capteur a enregistré un changement de viscosité de 0.1 mPaS, ce qui équivaut à une différence de mesure de tasse de 02 seconde! Il s'agit d'une précision jusqu'alors inconnue de la mesure de la viscosité dans cette industrie. Et comme le SRV incorpore une mesure précise de la température dans l'élément de détection, il est possible de compenser avec précision les effets de la température, comme nous le décrirons dans la section suivante.

Nous avons constaté que travailler avec la tasse était non seulement dépassé, mais en réalité contre-productif. Après quelques mois, nous avons complètement arrêté la conversion en secondes de coupe et avons finalement relevé la mesure de la viscosité, dernière variable cruciale de l’impression, au même niveau technologique que le reste du processus. Nous sommes finalement arrivés au 21e siècle.

Remplacement des coupelles d'efflux par des viscosimètres en ligne | Standardisation de la viscosité dans l'impression | Rheonics

Comportement non newtonien, thixotropie et viscosité compensée en température

En raison de la précision et de la répétabilité du Rheonics Grâce au capteur SRV, nous avons acquis de nombreuses connaissances sur le comportement des encres, parfois plus que ce à quoi nous nous attendions. L'encre est un support rhéologiquement complexe, et le SRV nous donne un aperçu de cette complexité qui n'est pas observable avec la coupelle DIN.

Les encres à base de solvant présentent un comportement non newtonien. Sous l'influence de la force de cisaillement, leur viscosité change. L'encre est également thixotrope, une encre stationnaire ayant une viscosité sensiblement différente de celle d'une encre en mouvement. La viscosité d’une encre stationnaire peut différer jusqu’à 20 % de celle d’une encre en mouvement ! De plus, la viscosité de l’encre dépend fortement de la température. Sur les presses à imprimer sur lesquelles la température des encres n'est pas conditionnée, la température de l'encre – et donc la viscosité – peut varier considérablement en raison des changements de température ambiante, mais aussi en raison de la génération de chaleur dans la presse elle-même. L'une des premières choses que nous avons explorées avec le Rheonics SRV est la dépendance à la température de la viscosité de l'encre.

Nous avons construit un montage de test consistant en une boucle d'écoulement fermée dans laquelle l'encre est pompée en continu dans un circuit, à une vitesse comparable à celle du circuit d'encre de notre presse, et chauffée lentement. Chaque seconde, la température et la viscosité sont mesurées, ce qui donne plus d'un millier de points de mesure dans un essai typique.

Le graphique de la figure 1 montre la dépendance en fonction de la température de la viscosité de plusieurs encres différentes (encre de nitrocellulose modifiée, jaune, magenta, argent et blanc polyuréthane) sur une plage de températures allant de 20 ° C. Dans cette plage, la viscosité peut varier jusqu'à 60%.

Fig-1. Dépendance à la température de la viscosité de l'encre

Figure 1. Dépendance à la température de la viscosité de l'encre

Une des utilisations les plus importantes de la mesure de la viscosité est de déterminer quand et par combien d’encre doit être diluée afin de compenser la perte de solvant au cours du processus d’impression. L'évaporation du solvant augmente la charge de pigment dans l'encre, ce qui entraîne une qualité d'impression médiocre et une consommation excessive d'encre. Cette perte de solvant augmente également la viscosité de l'encre. Cependant, étant donné que la viscosité dépend aussi fortement de la température, il est nécessaire de distinguer les effets de la température et de l’évaporation afin de déterminer la quantité et le moment de l’ajout du solvant.

Sans compensation de température, une encre à basse température donnerait une lecture de viscosité élevée, suggérant qu'une dilution est nécessaire. Cependant, la dilution de l'encre donnerait une densité de couleur plus faible, car la viscosité plus élevée était due à une température plus basse et non à une charge de pigment plus élevée.

En utilisant des graphiques tels que ceux de la figure 1, nous avons développé un algorithme qui nous permet de compenser l’effet de la température sur la viscosité, ce qui donne une «viscosité compensée en température» qui constitue une mesure exacte de la charge de pigment. Par conséquent, il peut être utilisé directement pour contrôler l'addition de solvant afin de compenser l'évaporation, car il supprime la température en tant que variable affectant la mesure.

En utilisant notre algorithme de compensation, nous réduisons l'écart d'erreur à 1% sur toute la plage de température. Dans le contrôle automatique de la viscosité, la compensation de température peut être sélectionnée pour chaque type d'encre. Nous avons déterminé cette courbe pour presque toutes les encres que nous utilisons et avons déterminé les paramètres de compensation de température à l'aide de notre algorithme spécial, ce qui nous permet enfin d'obtenir un contrôle plus strict de la charge de pigment et de son effet sur la qualité d'impression.

Figure 3: Le capteur après mesure dans l'encre cyan

Figure 2. Le capteur SRV après mesure à l'encre cyan

Figure 2: Capteur installé dans la ligne d'encre

Figure 3. SRV installé dans la conduite d'encre, montrant Rheonics adaptateur d'impression

Aperçu 4 capteurs (2)

Figure 4. Quatre SRV installées sur une presse, utilisant de simples raccords en T comme adaptateurs

Installation

Le capteur est monté dans un connecteur avec une ouverture d'entrée et de sortie et installé dans la ligne d'alimentation entre la pompe à encre et la chambre de lecture. Les influences telles que les vibrations de la machine ou les pulsations de pression de la pompe à membrane n'influencent pas le fonctionnement du capteur ni la précision des mesures.

Le capteur ne nécessite aucun entretien - chaque cycle de nettoyage des conduites et de la chambre de médecin garantit le nettoyage du capteur car il est automatiquement lavé au solvant. Comme le montre la figure 2, seul un très léger voile de couleur peut rester sur le capteur, ce qui n’a aucune influence sur sa précision ou sa répétabilité. Et grâce à la construction robuste du capteur, tout nettoyage nécessaire peut être effectué avec un chiffon imbibé de solvant, sans risque d'endommager le capteur ou de modifier son étalonnage.

Tous les capteurs sont connectés séparément via des câbles de qualité industrielle à leurs unités électroniques, et celles-ci communiquent avec un ordinateur de qualité industrielle. L'ordinateur contrôle un îlot de vannes, qui à son tour contrôle les vannes à commande pneumatique pour le dosage du solvant. Le système comprend un écran tactile, à côté du panneau de commande de l'opérateur, qui gère l'interface utilisateur intuitive du Rheonics logiciel de contrôle de viscosité, Inksight. Lors de la création de l’interface utilisateur, il était évident qu’elle devait être claire, intuitive, efficace et rapide à utiliser. L'interface affiche un tableau de bord, sur lequel l'opérateur peut surveiller la viscosité de toutes les stations. Les commandes tactiles permettent à l'opérateur d'allumer ou d'éteindre des stations individuelles, d'activer le contrôle automatique et de définir les limites de viscosité. Un hub de station séparé passe à un affichage qui surveille la viscosité au fil du temps et permet le réglage de capteurs et de vannes spécifiques.

De plus, le logiciel avertit l'opérateur lorsque les changements de viscosité sont trop importants et aide en apportant la correction appropriée pour résoudre le problème.

Contrôle automatique, CS-Control

Pendant l'impression, il y a une évaporation continue des solvants; l'évaporation augmente avec l'augmentation de la vitesse d'impression et l'augmentation de la température de l'encre. Les capteurs SRV mesurent la valeur réelle de la viscosité et de la température de l'encre une fois par seconde, ce qui permet au logiciel de calculer la viscosité compensée en température. Ceci, à son tour, permet au contrôleur de déterminer si la viscosité compensée en température se situe dans la tolérance souhaitée. Le contrôleur ajoutera une quantité de solvant qui dépend de la taille de l'écart par rapport au point de consigne. Pendant l'impression, il est possible de maintenir un écart de seulement 0.5% par rapport au point de consigne. Des vannes de dosage spéciales sont utilisées pour ajouter les très petites quantités de solvant nécessaires pour obtenir un contrôle aussi précis. Les graphiques ci-dessous sont de la même couleur avec des échelles différentes, avec des lignes verticales magenta indiquant le dosage automatique du solvant.

Figure 5a: Viscosité compensée en température (noir, 25cP) et température (vert, ~ 18 degrés Celsius) en fonction du temps, échelle verticale grossière

Figure 5a. Viscosité et température en fonction du temps compensées par la température, échelle verticale grossière

Figure 5b: Même tracé que 5a, avec une échelle verticale agrandie. La variation de viscosité compensée en température est inférieure à 0.2 mPa.s.

Figure 6b. Même parcelle que ci-dessus, avec échelle verticale étendue. La variation de viscosité compensée en température est inférieure à 0.2 mPaS

Le système de contrôle à base de VRS est extrêmement précis car il peut compenser rapidement et souvent l'évaporation qui se produit constamment pendant le processus d'impression. Pour obtenir des écarts aussi minimes que le point de consigne, le système dosera parfois aussi peu que 10 g de solvant toutes les trente secondes.

Si une encre de viscosité trop élevée est ajoutée dans le bac à encre, le contrôle réagit immédiatement en mesurant la réponse à chaque dose de solvant, le dosage ultérieur de solvant étant ajusté en conséquence. Au final, le point de consigne est atteint très progressivement avec très peu de dépassement. Outre le contrôle extrêmement précis, il est possible de maintenir la viscosité stable lorsque le niveau dans le bac à encre est très bas, juste assez pour pomper l'encre dans le système.

Figure 6: Réponse du système à l'ajout d'un grand volume d'encre froide à un système fonctionnant à 21 degrés Celsius. Notez le temps de récupération rapide de la viscosité compensée en température.

Figure 6. Réponse du système à l'ajout d'un grand volume d'encre fraîche à un système fonctionnant à 21. C. Notez le temps de récupération rapide de la viscosité compensée en température.

Assurance qualité, amélioration et normalisation

Un opérateur expérimenté sait quelle viscosité doit être maintenue pour quels types d’encre dans le processus utilisé. Cela dépend du type d’encre - la couleur Pantone ainsi que des défis particuliers, tels que ceux présentés par les encres métalliques et blanches, qui ont un comportement quelque peu différent de la température avec les encres «normales». Et la viscosité souhaitée dépend également du type de substrat sur lequel l'impression est effectuée.

Pour mieux comprendre le problème et sa solution, nous avons effectué une série d'expériences sur les effets de la dilution de l'encre sur la qualité d'impression et la viscosité de l'encre mesurée. Avec ces résultats, nous devons maintenant déterminer quelles viscosités doivent être maintenues pour le type de substrat (papier, polyester, polyéthylène, polypropylène).

Dans une première expérience, 10 kg d'encre était dilué 10%, la presse fonctionnant à 200 mètres / minute, le film de polyester était marqué et la presse arrêtée. L'encre a été diluée avec un pourcentage supplémentaire de 3 de solvant, l'encre a été distribuée jusqu'à stabilisation de la viscosité et le processus a été répété un total de fois 15. Le film a été retiré et tous les segments 15 ont été mesurés avec un spectrophotomètre et des photographies des segments du film ont été prises pour une évaluation visuelle subjective.

La figure composite suivante montre l'aspect visuel de la qualité d'impression pour une série de dilutions.

Figure 7: Variation de la densité de couleur avec la dilution de l'encre et la viscosité

Figure 7. Variation de la densité de couleur avec la dilution et la viscosité de l'encre

À la dilution la plus faible (viscosité la plus élevée), trop d’encre se dépose et ne s’écoule pas correctement. Des trous d'épingle se développent et la qualité globale est médiocre. Bien que la couleur entre les pinoles soit assez dense, la densité mesurée est faible, en raison de la haute réflectivité des trous d’épingle. À mesure que la dilution augmente, la viscosité diminue et l'écoulement s'améliore, mais la charge pigmentaire diminue et la couleur devient plus claire. Chaque échantillon a été mesuré avec le spectrophotomètre et comparé à la référence numérique PMS. Le c suivanthart et le tableau montre le dE2000 et la densité de couleur en fonction de la dilution et de la viscosité. Les valeurs de différence de viscosité se réfèrent à l'échantillon 6, qui est la densité cible.

Fig-8. Densité de couleur en fonction de la dilution et de la densité de l'encre. Les valeurs dE2000 sont référées à l'exemple 6

Figure 8. Densité de couleur en fonction de la dilution et de la densité de l'encre. Les valeurs dE2000 sont référées à l'exemple 6

Tableau 1. Valeurs numériques de dE2000 et force de la couleur par rapport à la dilution.

Table-1. Valeurs numériques de dE2000 et force de la couleur par rapport à la dilution. La différence de viscosité est relative à l'échantillon 6

Cette expérience montre qu'avec le Rheonics système, un contrôle de viscosité très précis peut être obtenu, avec une bande passante de viscosité de 0.5 %. En dosant de très petites quantités de solvant toutes les 30 secondes environ, le système permet d'obtenir de très faibles variations des valeurs dE.

Au moment où ces expériences ont été effectuées, la largeur de bande de viscosité habituelle était de ± 0.5 seconde tasse (environ ± 2.2 mPaS), la viscosité étant vérifiée toutes les 5 à 10 minutes. La quantité de solvant qui a ensuite été dosée était comprise entre 0.2 et 0.5 kg (en fonction de la couverture d'encre, du type de solvant, du volume d'anilox, de la vitesse de la machine et de la température.

Nous avons désormais modifié le processus d'impression d'une couleur Pantone, car non seulement nous savons quelles viscosités doivent être maintenues pour le type de substrat, mais nous pouvons également maintenir des tolérances strictes sur cette viscosité. Certains substrats nécessitent une viscosité plus élevée car l'encre « coule » trop loin et la structure devient visible, ce qui entraîne une diminution de la force de la couleur, tandis que d'autres substrats nécessitent une viscosité plus faible en raison de leur surface lisse et de leur bonne acceptation de l'encre. Fort de l'expérience acquise avec le Rheonics capteur, nous savons exactement quelle viscosité doit être maintenue pour le type de substrat (polyéthylène, polypropylène, polyamide, polyester, papier et biodégradable) et avons en fait déterminé nous-mêmes une standardisation.

Dès la première impression, la densité de couleur de la couleur pantone est mesurée, puis l'opérateur vérifie si l'encre présente la viscosité appropriée pour le substrat concerné. (L'encre n'est généralement pas corrigée à l'avance car le support peut varier légèrement en termes de qualité de surface, nous avons donc un peu de marge pour jouer avec la viscosité afin d'obtenir des résultats optimaux).

Dans l'ancienne méthode, si une couleur avait une densité de couleur trop élevée, nous la réduisions avec du vernis et / ou avec un rouleau d'anilox différent. En cas de doute, la viscosité a été vérifiée avec un gobelet, ce qui a généralement nécessité un réétalonnage du capteur concerné.

Étant donné que nous disposons maintenant d'une mesure plus fiable de la viscosité initiale de l'encre compensée en fonction de la température, sa viscosité peut immédiatement être ajustée automatiquement en diluant une encre à la valeur correcte. Les valeurs de viscosité correctes étant maintenues, cela permet un meilleur transfert d'encre du rouleau anilox vers la plaque d'impression et finalement vers le substrat. La contamination du rouleau en anilox peut également être remarquée plus tôt car nous savons quelle force de couleur devrait être atteinte avec une certaine viscosité.

Une viscosité trop élevée entraîne un transfert médiocre, ce qui entraîne des caractéristiques visuelles telles que l'opacité et les «images fantômes». En raison d'une viscosité plus précise, la cellule du rouleau d'anilox est mieux vidée et l'encre coule généralement mieux, donnant une couche d'encre plus lisse et une résistance de la couleur accrue. À mesure que la vitesse augmente, le transfert d'encre diminue, mais comme l'encre a la viscosité correcte et fonctionne de manière optimale, ces variations sont plus petites que celles de notre méthode précédente utilisant des capteurs calibrés.

Au cours des six derniers mois, nous avons amélioré couleur qualité et sont capables de maintenir des écarts beaucoup plus faibles des valeurs dE2000, en particulier. Le résultat d'un contrôle de viscosité plus strict est que le système d'inspection d'impression voit beaucoup moins d'erreurs dans les écarts d'intensité de couleur. Nos opérateurs ont une confiance totale dans les valeurs précises et reproductibles des capteurs et du système de contrôle. Cette confiance a permis à notre presse d'obtenir une excellente qualité d'impression pour les petits et grands travaux. De plus, nous n'avons effectué ni maintenance ni étalonnage des capteurs et au-delà de nos mesures initiales de paramètres de viscosité compensée en température pour chaque encre, aucune normalisation supplémentaire des valeurs de viscosité n'est nécessaire. Nous savons maintenant quelles viscosités doivent être maintenues pour des substrats spécifiques. Après l'impression de chaque nouvelle commande, nous stockons les valeurs de viscosité définies et les utilisons pour les commandes répétées du même travail.

Un écart de 5% s’applique à une couleur et non à une autre; je pense qu’il est préférable de dire que nous pouvons mieux conserver les valeurs dE lors de l’impression d’une commande et de les conserver dans une bande passante beaucoup plus petite de la couleur. valeur initiale.

Alors, pourquoi ne pas convertir en secondes de tasse?

Bien qu'il existe des formules pour convertir les valeurs de viscosité de mPaS en secondes de tasse DIN, nous avons constaté que l'abandon de secondes de tasse présente plusieurs avantages.

Surtout, cela a changé notre façon de voir la viscosité. Tant que nous pensions en termes de secondes de coupe, contrôler étroitement la viscosité semblait une tâche impossible. Nos attentes étant limitées par nos expériences précédentes, nous avons donc placé la barre plus basse qu'il n'était nécessaire pour obtenir le type de qualité d'impression que nous savions atteignable.

De plus, penser en termes de secondes de tasse nous a donné envie de saisir une tasse et de vérifier la précision de ces nouveaux capteurs, avec lesquels nous n'étions pas familiers à l'époque. Mais vérifier la précision des capteurs avec une méthode beaucoup moins reproductible peut donner la fausse impression que les capteurs eux-mêmes ne sont pas répétables! Ce n'est que lorsque nous avons comparé les résultats d'impression réels obtenus avec le nouveau système de capteurs à ce à quoi nous étions habitués que nous avons constaté l'intérêt réel de penser dans les nouvelles unités inconnues. Cela nous a permis de «penser petit», de pouvoir voir de petites variations de viscosité qui étaient autrement invisibles. De plus, cela nous a permis de contrôler plus étroitement notre viscosité, ce qui a eu un impact positif direct sur la qualité de notre produit final, qui est, après tout, notre objectif principal.

À mesure que les vitesses d’impression augmentent et que les marges bénéficiaires se resserrent, il devient de plus en plus important de « réussir du premier coup ». Une erreur de réglage initial de la viscosité peut entraîner la production de plusieurs milliers de mètres de déchets en un rien de temps. Avec le Rheonics SRV, nous avons pu rationaliser notre processus d'impression tout en améliorant la qualité des couleurs et en réduisant les déchets.

Dans le prochain article de cette série

Dans cet article, nous nous sommes concentrés sur le défi fondamental du contrôle de la viscosité.oring et le contrôle, démontrant l'avantage d'un contrôle strict de la qualité d'impression et de l'économie d'encre. Dans le prochain article, nous examinerons de plus près le système de contrôle qui permet à l'opérateur de presse d'atteindre et de maintenir cette qualité avec un minimum d'intervention. Le système, Rheonics La solution d'impression (RPS) se compose d'un boîtier de commande contenant un ordinateur de processus et une commande de vanne qui contrôle directement la dilution du solvant en fonction de la viscosité mesurée. Le RPS peut accueillir jusqu'à 10 stations d'impression, avec des capteurs SRV effectuant le contrôleoring. Le matériel RPS est pris en charge par un système logiciel sophistiqué qui estime la dilution requise en fonction de la viscosité mesurée et est contrôlé par une interface utilisateur simple et intuitive pour définir et ajuster la viscosité souhaitée.

Nous examinerons également le défi du contrôle de la viscosité des encres spéciales, telles que les encres UV dont la viscosité est très sensible à la température et dont la viscosité est mieux contrôlée par des contrôles thermiques.

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