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CAPET sciences industrielles de l'ingénieur externe 2026, épreuve 2, option ingénierie mécaniqueSujet

Capet externe bac + 3 section sciences industrielles de l'ingénieur option ingénierie mécanique - Sujet de la seconde épreuve écrite de la session 2026

Pas encore noté
  • Hyperstatisme et schémas cinématiques
  • Guidage en translation par rails profilés
  • Statique des mécanismes et torseurs d'actions mécaniques
  • Dimensionnement de clavettes au matage
  • Choix de matériaux et de procédés (cartes de sélection)
  • Cotation fonctionnelle et tolérancement géométrique (ISO 2768)
  • Adhérence et lois de Coulomb
  • Actionneurs pneumatiques et loi de Mariotte

Téléchargements

  • Corrigé : pas encore disponible
  • Rapport du jury : pas encore publié

Présentation du sujet

Conception préliminaire du module de traction d'une ligne de production de profilés composites par pultrusion
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Le sujet, une résolution de problème technique, porte sur le module de traction d'une ligne de production de profilés composites par pultrusion. Il comprend quatre études indépendantes : le guidage en translation des chariots sur rails profilés (étude A), le choix du motoréducteur et le dimensionnement d'une clavette pour la force de traction (étude B), le choix des matériaux et la cotation fonctionnelle du coulisseau de la tête de compression (étude C), et la détermination de la pression des vérins souples et du temps de cycle du système de pincement (étude D).

  1. 1Étude A : guidage en translation rigide des chariotsDétermination du degré d'hyperstatisme d'un guidage sur rails profilés, choix d'un type de précharge, sélection d'un patin à recirculation de billes à partir des charges et moments statiques, puis protocole de montage et de contrôle des rails.
  2. 2Étude B : choix du réducteur et dimensionnement d'une clavetteDétermination de la puissance et du couple nécessaires à la traction du profilé, choix d'un motoréducteur Orthobloc, puis dimensionnement au matage d'une clavette de liaison entre le réducteur et la vis d'entraînement.
  3. 3Étude C : choix des matériaux et spécification du coulisseauExploitation d'une simulation par éléments finis pour choisir une famille de matériaux et un procédé d'usinage du coulisseau de la tête de compression, puis vérification du rapport de guidage et cotation fonctionnelle limitant la déviation angulaire.
  4. 4Étude D : pression utile et temps de cycle des têtes de compressionDétermination de la pression minimale des vérins souples pour assurer le pincement du profilé par adhérence, puis étude du temps de retour en position haute des sabots (ressorts de rappel, purge pneumatique, loi de Mariotte).

Description

Sujet officiel CAPET externe en sciences industrielles de l'ingénieur, session 2026.

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SESSION 2026
CAPET

CONCOURS EXTERNE ET CAFEP CORRESPONDANT (BAC + 3)

Section : SCIENCES INDUSTRIELLES DE L'INGÉNIEUR Option : : INGÉNIERIE MÉCANIQUE

ÉPREUVE D'ADMISSIBILITÉ 2

L'épreuve consiste en une résolution de problème.
L'épreuve vise à apprécier la capacité du candidat, à partir de l'exploitation de ressources et documents techniques, à résoudre un problème technique posé et à établir des éléments de conception préliminaire.
Durée : 4 heures
Calculatrice autorisée selon les modalités de la circulaire du 17 juin 2021 publiée au BOEN du 29 juillet 2021.
L 'usage de tout ouvrage de référence, de tout dictionnaire et de tout autre matériel électronique est rigoureusement interdit.
Il appartient au candidat de vérifier qu'il a reçu un sujet complet et correspondant à l'épreuve à laquelle il se présente.
Si vous repérez ce qui vous semble être une erreur d'énoncé, vous devez le signaler très lisiblement sur votre copie, en proposer la correction et poursuivre l'épreuve en conséquence. De même, si cela vous conduit à formuler une ou plusieurs hypothèses, vous devez la (ou les) mentionner explicitement.
NB : Conformément au principe d'anonymat, votre copie ne doit comporter aucun signe distinctif, tel que nom, signature, origine, etc. Si le travail qui vous est demandé consiste notamment en la rédaction d'un projet ou d'une note, vous devrez impérativement vous abstenir de la signer ou de l'identifier.
Le fait de rendre une copie blanche est éliminatoire.

INFORMATION AUX CANDIDATS

Vous trouverez ci-après les codes nécessaires vous permettant de compléter les rubriques figurant en en-tête de votre copie.
Ces codes doivent être reportés sur chacune des copies que vous remettrez.
  • -Concours externe du CAPET de l'enseignement public :
  • -Concours externe du CAFEP/CAPET de l'enseignement privé :

Présentation du support d'étude

OBTENTION DE PROFILES COMPOSITES PAR PULTRUSION

1.1. Mise en situation

La technique par pultrusion ou « extrusion par tirage » est un procédé de mise en œuvre en continu de tubes et profilés en matériaux composites. Ce procédé permet la production de profilés (figure 1) de section constante en grande série.
Figure 1 : Principe de fonctionnement général d'une ligne de production par pultrusion
Le fonctionnement général (figure 1) peut se résumer ainsi : le renfort (tissu, mat, fibres) conditionné en bobine et imprégné de résine thermodurcissable ou de polymère thermoplastique est tiré à travers une filière chauffée qui contrôle la teneur en résine ou polymère et détermine la forme de la section. Le passage dans ce four va ainsi provoquer la polymérisation de la résine ou la fusion du polymère et donner la forme finale. Le produit est ensuite coupé à la longueur souhaitée.
Une société française, spécialiste dans l'obtention de profilés à base de fibre de carbone ou fibre de verre par pultrusion, conçoit et exploite ses propres lignes de production. La croissance et l'évolution du marché imposent le développement d'une nouvelle série de machine de production (figure 2).
Figure 2 : Nouvelle ligne de production
La nouvelle ligne de production se décompose en 2 sous-ensembles distincts (figure 2) :
  • -un module de traction constitué de 2 chariots identiques équipés chacun de 2 pinces identiques permettant l'avance par traction continue de la matière formée en profilé ;
  • -un module de coupe (non étudié dans ce sujet) permettant le débit des profilés aux dimensions souhaitées « à la volée ».
Le module de traction fera l'objet des différentes études menées dans ce sujet.

1.2. Descriptions fonctionnelle et structurelle du module de traction

L'annexe A présente un extrait du cahier des charges sous la forme d'un diagramme partiel des exigences.
Les annexes B et C présentent le modèle 3D d'une proposition de conception préliminaire du module de traction mettant en évidence les éléments structurels principaux ainsi que les différentes classes d'équivalence cinématiques.
L'annexe D présente le diagramme partiel de définition de blocs détaillant les éléments structurels du module de traction implantés dans la nouvelle ligne de production.
Les chariots du module de traction ont un mouvement linéaire de va-et-vient, chacun est équipé de 2 pinces identiques (réglables manuellement en hauteur et largeur indépendamment) assurant le pincement du profilé lors de sa traction. Au cours de la production, le profilé est tiré en permanence par au moins un chariot du module de traction.
Un schéma cinématique minimal du chariot est représenté sur l'annexe E.

1.3. Études de conception préliminaire

Les différentes études abordées dans ce sujet visent à résoudre des problèmes techniques en vue de proposer des solutions de conception préliminaire :
  • -étude A : garantir un guidage en translation rigide des chariots et capable de supporter la force de traction ;
  • -étude B : fournir la puissance nécessaire au chariot pour garantir la force de traction sur le profilé ;
  • -étude C : assurer la transmission de la force de pincement par le guidage en translation de la tête de compression ;
  • -étude D : garantir un pincement efficace du profilé.

Les études sont toutes indépendantes et peuvent être traitées dans n'importe quel ordre.

Étude A : Garantir un guidage en translation rigide des chariots et capable de supporter la force de traction.

L'étude porte sur un des deux chariots du module de traction dont la construction est identique. Un schéma cinématique minimal et simplifié (une seule pince représentée par chariot) est donné sur la figure 3.
Figure 3 : Schéma cinématique minimal et simplifié du module de traction
Premier problème à résoudre : Déterminer les contraintes géométriques associées au guidage du chariot.
Les charges mises en jeu (poids du chariot et force de traction appliquée sur le profilé) imposent, pour chaque chariot du module de traction, un guidage par liaison glissière de direction x⃗ hyperstatique.
Une proposition de schéma cinématique du guidage en translation d'un chariot est représentée sur la figure 4.
Figure 4 : Schéma cinématique détaillé du guidage en translation d'un chariot
Question A. 1 : Donner les avantages et les inconvénients d'un guidage hyperstatique.
Question A. 2 : Déterminer le degré d'hyperstatisme, noté h, du guidage modélisé sur la figure 4. À l'aide de l'annexe F, détailler votre réponse en précisant pour la méthode retenue : le nombre d'équations (cinématiques ou statiques), le nombre d'inconnues (cinématiques ou statiques) et le nombre de mobilités (utiles et internes).
Question A. 3 : Donner rapidement la (ou les) contrainte(s) géométrique(s) de fabrication et de montage à imposer au guidage en translation modélisé sur la figure 4.
Afin d'assurer une rigidité suffisante au guidage, il est nécessaire de prévoir une précharge au montage supprimant ainsi les petits déplacements liés aux jeux entre le patin et le rail.
L'annexe G1 fournit les recommandations du fabricant.
Question A. 4 : Compte-tenu du fonctionnement du module de traction, proposer et argumenter rapidement sur un type de pré charge souhaitée (légère, moyenne ou élevée).
Question A. 5 : Considérant une pré charge sur chaque patin, établir le schéma cinématique (2D ou 3D) modélisant un guidage en translation de direction x⃗ du chariot. Donner rapidement la conséquence sur les contraintes géométriques d'un guidage sous pré charge.
Deuxième problème à résoudre : Choisir le composant assurant la fonction de guidage en translation du chariot.
Le choix du composant de guidage se porte sur une gamme de 4 patins à recirculation de billes montés sur rails profilés série HG, présentée sur les annexes G2 et G3.
Hypothèses d'étude :
  • -le fonctionnement du chariot de traction est en régime permanent ;
  • -le poids du chariot se répartit uniformément sur chaque patin ;
  • -la force motrice générée par le motoréducteur au niveau du système vis-écrou se situe dans le plan médian du chariot du module de traction et se répartit uniformément sur chaque patin ;
  • -la force de traction sur le profilé est égale à la force motrice ;
  • -les forces de résistance au déplacement sont négligées ;
  • -les frottements et jeux dans les liaisons sont négligés.
Le fabricant des patins à billes préconise :
  • -pour les systèmes de rails profilés à l'arrêt ou en mouvement lent sans à-coups, de respecter un coefficient de sécurité f_s ≥ 1, 25 applicable sur les charges et les couples subis ;
  • -pour le montage du guidage, d'appliquer une précharge.
Il convient de déterminer dans un premier temps la charge équivalente subie par chaque patin. L'annexe G2 présente une méthodologie de détermination de la charge appliquée à un chariot.
Le schéma de principe des charges appliquées au chariot du module de traction est représenté sur l'annexe H1.
Question A. 6 : En vous appuyant sur la méthodologie de l'annexe G2, déterminer la charge maximale subie par les patins. Comparer la valeur trouvée à la capacité de charge statique C_0 du produit série HG indiquée sur l'annexe G3.
Les couples subis par les patins seront déterminés pour la configuration de chargement la plus défavorable où une seule pince est active et excentrée par rapport à l'axe longitudinal de la nouvelle ligne de production.
Cette configuration est celle représentée sur l'annexe H2.
Un logiciel de simulation de calcul de statique est utilisé, le paramétrage et les résultats sont fournis sur l'annexe H3.
Question A. 7 : Justifier rapidement que la composante Y_B est nulle.
Question A. 8 : Associer les résultats obtenus de simulation (annexe H3) aux caractéristiques Mox, Moy et Moz indiquées sur l'annexe G3. Donner la référence d'un produit série HG qui répond aux préconisations du fabricant de patins à billes.
Question A. 9 : Dans le cas d'un dépassement d'une ou plusieurs valeurs limites, donner rapidement les risques encourus.
Troisième problème à résoudre : Assurer un montage satisfaisant du guidage sur rail profilé.
Le fabricant des patins à recirculation de billes donne des indications de montage sur l'annexe G4.
Question A. 10 : À partir de l'observation de la représentation figurant sur les annexes B et G5, et considérant une tolérance maximale de parallélisme entre les 2 rails (référence et suiveur) de 80μ m, proposer un protocole de montage et de contrôle d'orientation des rails (référence et suiveur) sur un chariot du module de traction.
Les annexes G6 et G7 donnent les recommandations du fabricant pour les tolérances sur les écarts entre les surfaces d'appui des patins.
Données à prendre en compte pour la question suivante :
  • -référence guidage sur rail profilé : série HG, taille 65 H , classe de précharge Z0 ;
  • -dimensions : b = 810 mm; c = 633 mm.
Question A. 11 : Considérant le montage de 4 patins sur la plaque du support de guidage et en vous appuyant sur les informations données sur l'annexe I, compléter le tableau de la gamme de mesure de la plaque sur le document réponse DR1.

Étude B : choisir un réducteur de vitesse et dimensionner une clavette pour fournir la puissance nécessaire au chariot et garantir la force de traction sur le profilé.

L'étude porte sur la détermination du motoréducteur assurant la force de traction sur le profilé par un chariot ainsi que la liaison réducteur-vis d'entrainement.
La chaine de puissance partielle du module de traction est donnée sur la figure 5.
Figure 5 : Schéma-bloc de la chaine de puissance partielle du module de traction
La relation entrée-sortie cinématique d'un système vis-écrou est donné par :
x = p/(2π) ⋅ θ; x : déplacement linéaire de l'écrou (m); p : pas de la vis (m); θ : déplacement angulaire de la vis (rad)
Premier problème à résoudre : Choisir un réducteur de vitesse adapté.
Les données sont :
  • -force de traction : F_T = 78480 N;
  • -vitesse de déplacement maximale : V_x = 1, 3 m ⋅ min^(− 1).
Question B. 1 : Considérant une force de traction F_T constante, justifier en quoi la valeur de la vitesse de traction maximale est prépondérante pour la détermination de l'actionneur.
Question B. 2 : Pour le critère de vitesse de traction maximale, déterminer la puissance moteur utile Pum. À partir de l'annexe J, proposer une valeur de puissance nominale standard du moteur.
Question B. 3 : Déterminer la fréquence de rotation maximale de la vis N_v en tr ⋅ min^(− 1).
Question B. 4 : Déterminer le couple résistant en sortie du motoréducteur C_r (appliquer un coefficient de sécurité f_s = 1, 25 pour tenir compte des effets dynamiques).
Question B. 5 : À partir de l'annexe J et de vos résultats précédents, donner la référence du modèle du réducteur Orthobloc Ot® qui convient au juste nécessaire. Détailler rapidement votre démarche de choix.
Second problème à résoudre : Choisir une clavette robuste.
La liaison entre la vis sans fin et le réducteur est réalisée par un assemblage direct avec clavetage.
Les données sont :
  • -couple en sortie de réducteur : C_r = 163 N ⋅ m;
  • -diamètre de l'arbre : D = 50 mm;
  • -pression admissible au matage pour des clavettes longitudinales : p_(adm) = 15MPa;
  • -longueur de clavette minimale : L (à déterminer).
Les caractéristiques dimensionnelles utiles sont fournies sur l'annexe K1.
La clavette se dimensionne au matage.
Question B. 6 : Donner l'expression de la surface matée sur la clavette.
Question B. 7 : Donner l'expression de la pression de matage en fonction de la longueur L.
Question B. 8 : Déterminer la longueur minimale de la clavette à partir de la pression admissible padm. Choisir, en argumentant, une longueur de clavette normalisée (ressource disponible sur l'annexe K2) cohérente avec les caractéristiques dimensionnelles du réducteur Orthobloc Ot® fournies sur l'annexe J.

Étude C : Choisir une famille de matériaux et définir la spécification fonctionnelle du coulisseau de la tête de compression.

L'étude porte sur le coulisseau de la tête de compression (figure 6) de la pince détaillée sur l'annexe C. La qualité du guidage doit être garantie ainsi que l'interchangeabilité des pièces afin de faciliter la maintenance.
Figure 6 : Représentation de la tête de compression (simplifiée) en position active
La combinaison du pincement du profilé, de l'action mécanique de traction sur le profilé par le chariot et des jeux dans le guidage, provoque une déviation angulaire φ autour de l'axe (O, y→) du coulisseau par rapport au guide. Une représentation simplifiée est donnée sur la figure 7.
Les dimensions sont exprimées en millimètres.
Figure 7 : Représentation simplifiée du coulisseau dans son guide (défaut amplifié)
Premier problème à résoudre : Choisir une famille de matériaux pour le coulisseau.
Dans un premier temps, il est nécessaire de choisir la famille de matériaux du coulisseau sous charge. Une simulation par éléments finis a été réalisée, les résultats sont donnés sur l'annexe L1.
Question C. 1 : En s'inspirant de l'exemple et des informations fournies sur le document réponse DR2, mettre en place les conditions limites (déplacements imposés et chargements externes) préalables à la simulation par éléments finis.
Question C. 2 : À partir des résultats de la simulation et présentés sur l'annexe L1, relever la valeur de la contrainte équivalente maximale.
Les données à prendre en compte pour la question suivante :
  • -coefficient de sécurité minimal : s_(min) = 2;
  • -rigidité souhaitée minimale : E_(min) = 210GPa;
  • -tolérance dimensionnelle minimale : t_(min) = 30μ m
Question C. 3 : En vous appuyant sur les cartes de choix de l'annexe L2, argumenter sur le choix d'une famille de matériaux et d'un procédé d'usinage répondant aux attentes.
Second problème à résoudre : Établir une spécification fonctionnelle du coulisseau.
Dans un second temps, il est nécessaire de spécifier la cotation fonctionnelle du coulisseau au juste nécessaire afin de minimiser le risque de déviation angulaire φ (figure 7).
Dans le cas de guidages linéaires réalisés par des surfaces glissantes, il est admis que le rapport de guidage doit être choisi selon le critère suivant :
1, 5 ≤ (L_1)/(L_2) ≤ 5 L_1 : longueur du guidage (direction longitudinale); L_2 : largeur du guidage (direction transversale)
Les dimensions nominales du coulisseau (4), l'ajustement du guidage coulisseau-guide et des extraits des écarts des tolérances sont donnés sur l'annexe M1.
Question C. 4 : Vérifier que le rapport de guidage respecte le critère énoncé et déterminer la déviation angulaire φ_(max) maximum du coulisseau par rapport au guide. Conclure quant à l'exigence ld 1.1.1.2.2 (annexe A).
Question C. 5 : Sur le document réponse DR3, identifier les surfaces fonctionnelles du coulisseau (4) assurant son guidage en translation par rapport au guide (5).
Question C. 6 : Sur le document réponse DR3, proposer une cotation dimensionnelle et géométrique pour spécifier la fonction de guidage en translation rectiligne du coulisseau (4) par rapport au guide (5) en appliquant les tolérances générales (des ressources sont proposées sur l'annexe M2).

Étude D : Déterminer la pression utile et le temps de cycle des têtes de compression qui permettront de garantir un pincement efficace du profilé.

L'étude porte sur une des deux pinces implantées sur chaque chariot du module traction.
On considère l'instant où un seul chariot du module de traction est actif et assure la pultrusion du profilé.
Chaque pince dispose de 2 têtes de compression indépendantes dont la construction est identique et représentée sur l'annexe C.
L'étude porte sur la pultrusion d'un profilé plat dont la largeur nécessite l'activation des 2 têtes de compression.
Premier problème à résoudre : Déterminer la pression utile.
Le pincement du profilé pultrudé est une opération automatisée en 2 temps : les motoréducteurs (3) assurent l'approche de la tête de compression vers la surface supérieure du profilé, puis les vérins souples appliquent la force de compression assurant un serrage du profilé par pincement.
Le contact surfacique sur le profilé est assuré par 2 sabots :
  • -sabot supérieur (6) : guidé en translation rectiligne vertical et mis en mouvement au moyen d'un vérin souple ;
  • -sabot inférieur (7) : fixe par rapport à la tête de compression, lié au chariot (1).
Les sabots peuvent être considérés comme des effecteurs dont la forme assure un contact sabot-profilé optimal.
La force de traction F_T produite par le chariot du module de traction lors de la pultrusion est égale à 78480 N. Cette force sera assurée et répartie de manière égale par les 2 têtes de compression possédant chacune 2 sabots.
Question D. 1 : Tracer sur le document réponse DR4, sans échelle, les forces appliquées aux sabots supérieur (6) et inférieur (7) liées au contact avec le profilé dans le plan ( x→, z→ ) pour une tête de compression.
Le contact sabots-profilé est, par hypothèse, à la limite de l'adhérence avec un coefficient d'adhérence établi à f = 0, 4.
Question D. 2 : Déterminer l'intensité de la force normale F_N nécessaire à assurer par un sabot supérieur sur le profilé pour une tête de compression.
Le vérin souple prévu d'être implanté dans la tête de compression est de forme rectangulaire : longueur L_v = 600 mm, largeur I_v = 250 mm, épaisseur e = 20 mm (hors pression).
L'annexe N1 présente schématiquement les deux états d'un vérin souple. La mise sous pression crée une déformation de l'enveloppe selon une forme simplifiée :
  • -les bords prennent une courbe demi-circulaire ;
  • -l'épaisseur du vérin souple sous pression est égale à la somme de l'épaisseur e hors pression et de la course c du sabot supérieur (6) ;
  • -la surface de contact du vérin souple avec le sabot est nommée surface active S_A et diminue au fur et à mesure que la course augmente.
Question D. 3 : En considérant une course c de 15 mm du sabot supérieur (6), déterminer la surface active S_A matérialisant le contact entre le vérin souple et le sabot supérieur.
Quels que soient les résultats précédents, les données à prendre en compte pour la question suivante sont :
  • -force normale nécessaire appliquée par un sabot supérieur : F_N = 49, 05 × 10^3 N;
  • -surface active du vérin souple : S_A ≈ 0, 7 × S.
Question D. 4 : Déterminer la pression minimale d'alimentation p_(min) des vérins souples pour garantir le pincement efficace d'un profilé plat lors de sa pultrusion. Considérant un taux de charge de 75 % (rapport entre l'effort théorique nécessaire au mouvement et l'effort réel développé par l'actionneur), vérifier si votre résultat est conforme au respect de l'exigence Id 1.3.2 (annexe A).
Second problème à résoudre : Estimer le temps de cycle.
Afin de minimiser les temps de cycle, le concepteur souhaite une durée de lâcher de l'emprise du sabot supérieur (6) sur le profilé en moins de 2 secondes (annexe A, exigence Id 1.1.1.2.3). Des essais sur un prototype ont révélé une durée supérieure à l'exigence attendue.
La première réflexion porte sur le dispositif de ressorts de rappel en position haute des sabots supérieurs (6) implantés sur chaque tête de compression (annexes C et N1). II comprend 4 ressorts de compression hélicoïdaux dont les caractéristiques sont fournies dans le tableau de l'annexe N2 et dont la fonction principale est de maintenir en position haute (pince ouverte) les sabots supérieurs (6).
Le concepteur souhaite vérifier l'aptitude des ressorts à assister au retour en position haute des sabots supérieurs.
Hypothèses :
  • -les frottements de glissement dans le guidage linéaire sont négligés ;
  • -les ressorts sont montés et tarés de manière identique ;
  • -la masse maximale du sabot supérieur : m_(sabot) = 110 kg.
La longueur Li_i des ressorts est fonction de la position verticale du sabot supérieur (6) :
  • -position haute (vérin souple hors pression) : L_1 = 41 mm;
  • -position basse (vérin souple sous pression, course 15 mm ) : L_2 = 26 mm.
On note F_R la force exercée par l'ensemble des 4 ressorts sur chaque tête de compression.
Question D. 5 : Vérifier, en détaillant votre démarche, le maintien en équilibre statique, par les 4 ressorts, du sabot supérieur (6) en position haute (hors pression dans le vérin souple). Expliquer rapidement pour quelle(s) condition(s) l'action des 4 ressorts pourrait assister le retour en position haute du sabot supérieur.
Le choix du concepteur se porte ensuite sur la mise en œuvre combinée de deux solutions constructives :
  • -implantation d'une purge rapide dans le circuit pneumatique pour évacuer l'air sous pression avec un trajet le plus court possible ;
  • -diminution de la course des vérins souples de 15 mm à 10 mm.
Les dimensions du vérin souple sont inchangées : longueur L_v = 600 mm, largeur l_v = 250 mm, épaisseur e = 20 mm (hors pression).
La détente d'un fluide sous pression dans un vérin souple suit, de manière simplifiée, la loi de Mariotte :
P_1 ⋅ V_1 = P_2 ⋅ V_2
P_1 : pression initiale (Pa), P_2 : pression finale (Pa); V_1 : volume initial (m^3), V_2 : volume final (m^3)
Question D. 6 : Déterminer le volume d'air détendu à la pression atmosphérique pour un vérin souple dont la course est fixée à 10 mm (annexe N1).
La durée de vidange d'un réservoir souple sous pression à l'air (gaz compressible) mobilise des outils de dimensionnement complexes. La relation donnée ci-dessous s'appuie sur une méthode de détermination simplifiée donnant une approximation suffisante :
Q_(moy) = C_d ⋅ S ⋅ √((2P_(moy))/(ρ_(moy))); Q_(moy) : débit moyen (m^3 ⋅ s^(− 1)); C_d : coefficient de perte singulière, ici C_d = 0, 5; S : surface orifice de passage du fluide, ici d = 6 × 10^(− 3) m; P_(moy) : pression relative moyenne du fluide, ici P_(max) = 5 × 10^5 Pa; ρ_(moy) : masse volumique moyenne du fluide, ici ρ_(moy) = 3, 61 kg ⋅ m^(− 3)
Question D. 7 : Déterminer la durée de vidange approximative et conclure quant à la pertinence des choix effectués par le concepteur pour répondre à l'exigence Id 1.1.1.2.3 (annexe A).

DOCUMENTS ANNEXES

Annexe A Diagramme partiel des exigences
Annexe B Module de traction : identification des classes d'équivalence cinématiques
Annexe C Module de traction : : détail d'une pince
Annexe D Diagramme de définition partiel de blocs
Annexe E Schéma cinématique minimal du chariot
Annexe F Formulaire
Annexe G1 Guidage sur rail profilé : pré charge
Annexe G2 Guidage sur rail profilé : charge appliquée à un chariot
Annexe G3 Guidage sur rail profilé : capacités de charges et de couples
Annexe G4 Guidage sur rail profilé : montage du rail profilé
Annexe G5 Guidage sur rail profilé : détail 3D du support de guidage
Annexe G6 Guidage sur rail profilé : tolérances de montage
Annexe G7 Guidage sur rail profilé : tolérances de montage
Annexe H1 Schéma de principe des charges appliquées sur le sous ensemble (S)
Annexe H2 Schéma de principe des charges appliquées sur le sous ensemble (S)
Annexe H3 Simulation du calcul statique sur le sous ensemble (S)
Annexe I Commandes du logiciel MMT et contraintes associées
Annexe J Caractéristiques des motoréducteurs
Annexe K1 Caractéristiques de la clavette implantée forme A
Annexe K2 Dimensions linéaires nominales
Annexe L1 Résultats de la simulation par éléments finis du coulisseau
Annexe L2 Cartes de choix produits - matériaux - procédés
Annexe M1 Spécifications fonctionnelles du coulisseau
Annexe M2 Tolérances géométriques et générales (Norme ISO 2768)
Annexe N1 Vérins souples implantés dans les têtes de compression
Annexe N2 Ressorts de compression

Annexe A - Diagramme partiel des exigences

Extrait du cahier des charges.

Annexe C - Module de traction : détail d'une pince

Pour une meilleure compréhension, certains composants n'apparaissent pas sur cette annexe.
Pince ouverte, tête de compression inactive

Annexe E - Schéma cinématique minimal du chariot

Configuration représentée avec pinces ouvertes.

Annexe F - Formulaire

Méthodes de détermination du degré d'hyperstatisme h d'un mécanisme (modèle 3D)
Formule du point de vue géométrique Formule du point de vue des efforts
h = E_c + m − Nc h = Ns + m − Es_s
Notations pour les grandeurs dans les formules
Nombre cyclomatique (boucles indépendantes) γ = N_L − (N_P − 1)
Mobilité d'un mécanisme :
  • - m_u : nombre de mobilités « utiles »
  • - m_i : nombre de mobilités « internes »
m = m_u + m_i
Nombre de classes d'équivalence du mécanisme (y compris le bâti) N_p
Nombre de liaisons du mécanisme NL
Nombre d'inconnues d'actions mécaniques transmissibles par les liaisons du mécanisme Ns
Nombre d'inconnues cinématiques des liaisons du mécanisme N_c
Nombre d'équations (selon point de vue) E_C = 6 ⋅ γ; E_S = 6(N_P − 1)

Annexe G1 - Guidage sur rail profilé : précharge

Chaque guidage sur rail profilé peut être préchargé par taille de bille. La courbe montre que la rigidité double en cas de précharge élevée.
Tableau 3.3 Identificateur de précharge
Identificateur Précharge Application Exemples d'application
Z0 Précharge légère 0 − 0, 02C_(dyn) Direction de charge constante, peu de vibrations, faible précision requise
  • ○Technique de transport
  • ○Machines d'emballage automatiques
  • ○Axe X-Y des machines industrielles
  • ○Machines à souder automatiques
ZA Précharge moyenne 0,05-0,07 C dyn Haute précision requise
  • -Centres d'usinage
  • ○Axes Z des machines industrielles
  • -Machines d'érosion
  • -Tours NC
  • ○Tables X-Y de précision
  • ○Technique de mesure
ZB Précharge élevée supérieure à 0, 1C_(dyn) Haute rigidité requise, vibrations et à-coups
  • ○Centres d'usinage
  • ○Machines de ponçage
  • ○Tours NC
  • ○Fraiseuses horizontales et verticales
  • ○Axe Z des machines-outils
  • ○Machines de découpe à haute performance
Source HIWIN®

Annexe G2 - Guidage sur rail profilé : charge appliquée à un chariot

Tableau 2.3 Exemples de calcul de la charge appliquée à un chariot
Exemples typiques Répartition de la charge Charge appliquée à un chariot
P_1 = W/4 + F/4 + (F × a)/(2c) + (F × b)/(2d); P_2 = W/4 + F/4 + (F × a)/(2c) − (F × b)/(2d); P_3 = W/4 + F/4 − (F × a)/(2c) + (F × b)/(2d); P_4 = W/4 + F/4 − (F × a)/(2c) − (F × b)/(2d)
P_1 = P_3 = (F × l)/(2d); P_2 = P_4 = W/4 + (F × l)/(2d)
P_1 = P_2 = P_3 = P_4 = − (W × h)/(2d) + (F × l)/(2d)
P_1 = P_2 = − (W × h)/(2c) − (F × l)/(2c); P_3 = P_4 = (W × h)/(2c) + (F × l)/(2c); P_(t1) = P_(t3) = W/4 + F/4 + (F × k)/(2d); P_(t2) = P_(t4) = W/4 + F/4 − (F × k)/(2d)
  • P_1…P_4 Charge appliquée aux différents chariots
  • WPoids de la charge
  • FForce motrice : force supplémentaire générée
  • lLevier F
  • CDistance des rails
  • d.Distance du chariot
  • a, b, k Distance du centre de gravité
  • hCentre de gravité du levier W
Source HIWIN®

Annexe G3 - Guidage sur rail profilé : capacités de charge et de couples

F_E = |Fy| + |Fz|
F_E : charge équivalente (N)
F_Y : charge latérale (N)
Fz : charge radiale (N)



Capacités de charge et couples de la série HG
Taille
Capacité de charge dynamique
C_(dyn)^(1)) (N)
Capacité de charge statique
C_0(N)
Moment statique ( N ⋅ m )
Mox Moy Moz
HG_20H 32700 47960 350 350 350
HG_25H 42200 69070 560 570 570
HG_30H 58600 93990 880 920 920
HG_35H 77900 122770 1540 1400 1400
HG_45H 125300 191850 2630 2680 2680
HG_55H 184900 276230 4880 4570 4570
HG_65H 277800 420170 9380 7380 7380

Annexe G4 - Guidage sur rail profilé : montage du rail profilé

Situation n°1 : montage du rail profilé sans butée
L'arête de référence doit s'étendre du début à la fin de l'ensemble du bâti, afin que le rail profilé puisse être aligné sur l'ensemble du bâti.
Situation n°2 : montage du rail profilé sur le côté suiveur
Un rail de référence doit être monté. Un patin est monté sur le rail de référence.
Situation n°3 : alignement du rail suiveur sur un rail de référence à l'aide d'une plaque
Source HIWIN®

Annexe G5 - Guidage sur rail profilé : détail 3D du support de guidage

4 surfaçages réalisés sur la face inférieure de la plaque du support de guidage du chariot pour recevoir l'assemblage avec les patins

Annexe G6 - Guidage sur rail profilé : tolérances de montage

Tolérance de la hauteur des surfaces de montage des patins (S_2/S_3)
  • -Tolérance maximale de la hauteur S_2

    Exigence de précision pour toutes les surfaces de référence pour la fixation du patin
  • -Tolérance maximale de la hauteur S_3

    Exigence de précision pour toutes les surfaces de référence pour la fixation du patin

    Source HIWIN®

Annexe G7 - Guidage sur rail profilé : tolérances de montage

Tolérance de la hauteur de la surface de référence en cas d'utilisation parallèle de deux patins ou plus (S_2/S_3)
S_2 = b × K
  • S_2 Tolérance de hauteur maximale [mm]
  • bDistance entre chariots [mm]
  • KCoefficient de la hauteur de tolérance
  • S_3 Tolérance de hauteur maximale [mm]
  • cDistance entre chariots [mm]
  • KCoefficient de la hauteur de tolérance
Tableau 12.3 : Coefficient de la tolérance de hauteur (K)
Série Taille Classe de précharge
Z0 ZA ZB
HG 55 6, 0 × 10^(− 4) 4, 2 × 10^(− 4) 3, 4 × 10^(− 4)
65 7, 0 × 10^(− 4) 5, 0 × 10^(− 4) 4, 0 × 10^(− 4)
HG/QH 15 2, 6 × 10^(− 4) 1, 7 × 10^(− 4) -
20 2, 6 × 10^(− 4) 1, 7 × 10^(− 4) 1, 0 × 10^(− 4)
25 2, 6 × 10^(− 4) 1, 7 × 10^(− 4) 1, 4 × 10^(− 4)
30 3, 4 × 10^(− 4) 2, 2 × 10^(− 4) 1, 8 × 10^(− 4)
35 4, 2 × 10^(− 4) 3, 0 × 10^(− 4) 2, 4 × 10^(− 4)
45 5, 0 × 10^(− 4) 3, 4 × 10^(− 4) 2, 8 × 10^(− 4)
Source HIWIN®

Annexe H1 - Schéma de principe des charges appliquées sur le sous-ensemble (S) = {chariot + pince}

Données exprimées la base b(x, y→, z→) :
EA^(→−) = EB^(→−) = EC^(→−) = ED^(→−) = ± L_1 ⋅ x→ ± L_2 ⋅ y→ + H_1 ⋅ z→, avec, L_1 = 316, 5 mm; EK^(→−) = H_2 ⋅ z→, L_2 = 64 mm; EG^(→−) = H_3 ⋅ z→, H_3 = 494 mm
{T_(pesanteur → S)} = _G{− P_S ⋅ z⃗; 0→}, avec P_S = 13160 N; {T_(profilé → S)} = ∫_K − F_T ⋅ x⃗; 0→}}}{{ et {T_(vis → S)} = ∫_E F_T ⋅ x⃗}}}{{ avec F_T = 78480 N

Annexe H2 - Schéma de principe des charges appliquées sur le sous-ensemble (S) = {chariot + pince}

Données exprimées la base b(x→, y→, z→) :
EB^(→−) = L_1 ⋅ x→ − L_2 ⋅ y→ + H_1 ⋅ z→; EK^(→−) = − L_3 ⋅ y→ + H_2 ⋅ z→; EG^(→−) = H_3 ⋅ z→
avec L_1 = 316, 5 mm, L_2 = 405 mm, L_3 = 125 mm; H_1 = 64 mm, H_2 = 234 mm, H_3 = 494 mm
{T_(pesanteur → S)} = _G{− P_(S/4) ⋅ z⃗; 0→}, avec, P_(S/4) = 3290 N; {T_(profilé → S)} = ∫_K − F_(T/4) ⋅ x⃗; 0→}}}{{ et {T_(vis → S)} = ∫_E F_(T/4) ⋅ x⃗→}}}{{ avec F_(T/4) = 19620 N

Annexe H3 - Simulation du calcul statique sur le sous-ensemble (S) = {chariot + pince}

Unités : N et mm.
Isolement de : S S ... 9 Problème :
  • ◯Plan...
Nombre d'actions mécaniques : 4 4 - Spatial
Action de bati
{0, LB; YB, MB; ZB, NB}}}{{R; en B 316, 5; − 405; R| 64
Glissière d'axe X
Action de vis
{19620, 0; 0, 0; 0, 0}}}{{_R; enE| 0; 0; 0
Action connue
Action de profilé
{− 19620, 0; 0, 0; 0, 0}}}{{_R; en K | 0; − 125; 234
Action connue
Action de poids
{0, 0; 0, 0; − 3290, 0}}}{{_R; en G 0; 0; R; 494
Action connue
Résoudre en appliquant le P.F.S.
Equations du PFS sur S isolé(e)
Théorème de la résultante :
/X: 0 = 0; /Y : YB = 0; /Z : ZB − 3290 = 0
Théorème du moment résultant en E :
IX: LB − 64.YB − 405.ZB = 0; IY: MB − 316, 5.ZB − 4591080 = 0; /Z : 316, 5.YB + NB − 2452500 = 0
Composantes inconnues des actions mécaniques:
LB = 1332450; YB = 0; MB = 5632365; ZB = 3290; NB = 2452500

Annexe I - Commandes du logiciel MMT et contraintes associées

Extrait de commandes.
Commandes du logiciel Contraintes associées
Palper surface réelle Mesure d'un plan
Mesure d'un point Définir une droite de projection
Mesure d'une droite Définir un plan de projection ⟂ au plan de la droite
Calcul des positions relatives COTE Entre deux plans
Entre droite et plan Droite limitée par 2 plans ou droite palpée ou plan palpé
ORIENTATION Perpendicularité droite / plan de référence Droite limitée par 2 plans
Perpendicularité surface / plan de référence
Parallélisme plan / plan de référence Plan de référence doit être obligatoirement un plan palpé
Parallélisme droite / plan de référence Droite limitée par 2 plans

Annexe J - Caractéristiques des motoréducteurs

Moteur électrique asynchrone, 4 pôles, 400 V - 50 Hz
Type Puissance nominale Moment nominal Moment d'inertie Vitesse nominale
P_n(kW) M_n(N ⋅ m) J(kg ⋅ m^2) N_m(tr ⋅ min^(− 1))
LSES 100 L 1,8 11,8 0,00561 1456
LSES 100 LR 2,2 14,4 0,00676 1454
LSES 100 LG 3 19,6 0,01152 1464
Réducteur Orthobloc Ot associé à un moteur LSES
Vitesse de sortie
N_s(tr ⋅ min^(− 1))
Facteur de service
K_p
Référence Ot
Rapport de transmission
i
Couple de sortie
M_s(N ⋅ m)
LSES 100 / 2,2 kW - 50 Hz
148 1,10 3132 9,72 137
143 2,54 3232 10,1 142
147 5 3333 9,78 136
151 7 3433 9,51 133
LSES 100/3 kW − 50 Hz
148 0,81 3132 9,72 187
143 1,86 3232 10,1 194
147 3,36 3333 9,78 186
151 5 3433 9,51 181
Caractéristiques dimensionnelles du réducteur Orthobloc Ot

Source NIDEC LEROY-SOMER®

Annexe K1 - Caractéristique de la clavette implantée, forme A


Les dimensions indiquées sont en millimètres.
d_1 Clavette Arbre Moyeu
I_1 h_1 r_1 h_2 r_2 h_3
50 14 9 0,4 5,5 0,3 3,8
Source norme DIN 6885

Annexe K2 - Dimensions linéaires nominales

On choisit les dimensions linaires nominales des pièces parmi les valeurs de la série R (Renard ou nombres normaux) dans l'ordre de préférence : R10, R20, R40 ou, en cas de besoin de valeurs plus arrondies, parmi celles des séries Ra, dans le même ordre de préférence.
de 1 à 10 mm de 10 à 100 mm de 100 à 500 mm
R Ra R Ra R Ra
R 10 R 20 Ra 10 Ra 20 R 10 R 20 R 40 Ra 10 Ra 20 Ra 40 R 10 R 20 R 40 Ra 10 Ra 20 Ra 40
1,00 1,00 1 1 10,0 10 10 10 10 100 100 100 106 100 100 100 105_–
1,12 1,1 11,2 11,2 11 112 110
1,25 1,25 1,2 1,2 12,5 12,5 12,5 12 12_– 12_–13_– 125 125 125 132 125 125 125 130
1,40 1,4 14,0 14,0 14 14 140 140 150 140
1,60 1,60 1,6 1,6 16,0 16,0 16,0 16 16 16 160 160 160 170 160 160 160
1,80 1,8 18,0 18,0 18 18 180 180 190 180
2,00 2,00 2 2 20,0 20,0 20,0 21,2 20 20 20 21 200 200 200 212 200 200 200 210
2,24 2.2_– 22,4 22,4 23,6 22 24 224 224 236 236 220 220 240 240
2,50 2,50 2,5 2,5 25,0 25,0 25,0 26,5 25 25 25 26 250 250 250 265 250 250 250 260
2,80 2,8 28,0 28,0 30,0 28 30 280 280 300 300 280 300
3,15 3,15 3 3_– 31,5 31,5 31,5 33,5 32 32_– 32 34 315 315 315 335 335 320 320 340 340
3,55 3, 5_– 35,5 37,5 36_–38_– 355 375 360 360 360 380 380
4,00 4,00 4 4 40,0 40,0 40,0 42,5 40 40 42 400 400 425 425 400 420
4,50 4,5 45,0 47,5 45 48 450 475 450 480
5,00 5,00 5 5 50,0 50,0 50,0 53,0 50 50 53 500 500 500 500 500 500
5,60 5,5 56,0 60,0 56 56 60
6,30 6,30 6 6_– 63,0 63,0 63,0 67,0 63 63 67
7,10 7 71,0 75,0 71 75
8,00 8,00 8 8 80,0 80,0 80,0 85,0 80 80 85
9,00 9 90,0 90,0 95,0 90 95
10,00 10,00 10 10 100,0 100,0 100 100 100
Les termes soulignés sont les termes Ra qui different, en raison de l'arrondissage, des termes R correspondarts.
Annexe L1 - Résultats de la simulation par éléments finis du coulisseau

Annexe L2 - Cartes de choix produit-procédés-matériaux


Procédés d'usinage
Usinage et découpe au jet abrasif
Cisaillage et guillotinage
Usinage par électro-érosion
Tournage/alésage/séparation
Forage
Aplanissage/façonnage/fabrication de mortaises
Découpe au jet d'eau
Découpe au jet d'eau
Estampage de feuilles, étirage et fabrication de flans
Découpe au laser
Repoussage au tour
Meulage
Scie circulaire
Scie à ruban Oxycoupage à la flamme
0.01 0.1
Tolérance (mm)

Annexe M1 - Spécification fonctionnelle du coulisseau

Dimensions nominales du coulisseau et ajustement coulisseau-guide
Ajustements : écarts des tolérances normalisées en micromètres (extrait)
Arbre ≤ 3 3 à 6 inclus 6 à 10 10 à 18 18 à 30 30 à 50 50 à 80 80 à 120 120 à 180 180 à 250 250 à 315 315 à 400
f8 -6 -10 - 13 - 16 - 20 -25 - 30 - 36 - 43 -50 - 56 - 62
- 20 -28 -35 - 43 -53 -64 -76 -90 - 106 - 122 - 137 - 151
Alésage ≤ 3 3 à 6 inclus 6 à 10 10 à 18 18 à 30 30 à 50 50 à 80 80 à 120 120 à 180 180 à 250 250 à 315 315 à 400
H9 +25 + 30 + 36 + 43 + 52 + 62 + 74 + 87 + 100 + 115 + 130 + 140
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Annexe M2 - Tolérances géométriques et générales (norme ISO 2768)

Tolérances géométriques (extrait)
Forme Orientation Position
Éléments associés à une référence
____ □
____
//
____
⟂
____
⊕
____
-
Profil d'une surface Planéité Parallélisme Perpendicularité Localisation Symétrie
Écarts des tolérances générales en millimètres (extrait)
Classe de précision Dimensions linéaires
0,5 à 6 inclus 6 à 30 30 à 120 120 à 400
m (moyen) ± 0,1 ± 0,2 ± 0,3 ± 0,5
Classe de précision Tolérances géométriques
Planéité □ Perpendicularité ⟂ Symétrie -
≤ 10 10 à 30 inclus 30 à 100 100 à 300 300 à 1000 ≤ 100 100 à 300 inclus 300 à 1000 ≤ 300 300 à 1000 inclus
K (moyen) 0,05 0,1 0,2 0,4 0,6 0,4 0,6 0,8 0,6 0,8
Parallélisme : // même valeur que la tolérance dimensionnelle ou de rectitude ou de planéité si elles sont supérieures.
Annexe N1 - Vérins souples implantés dans les têtes de compression

Annexe N2 - Ressorts de compression

Caractéristiques Enroulement à droite
Matière EN 10270-1 Fil patenté
Diamètre de fil d 4, 5 mm
Diamètre externe D_e 42 mm
Nb. total de spires n_t 5,17
Raideur k 25 N ⋅ mm^(− 1)
Longueur libre L_0 60 mm
Longueur à bloc L_c 23,26 mm
Charge à bloc F_(cth) 918, 52 N
Point de fonctionnement
Longueur L_1 42 mm
Charge F_1 450 N
Source VIT-RESSORT®

DOCUMENTS RÉPONSES

Tous les documents réponses sont à rendre avec la ou les copies, mêmes non complétés
DR1 Document réponses DR1 question A. 11
DR2 Document réponses DR2 question C. 1
DR3 Document réponses DR3 questions C. 5 et C. 6
DR4 Document réponses DR4 question D. 1

NE RIEN ECRIRE DANS CE CADRE

Document réponses DR1 question A. 11


Gamme de mesure à compléter sur machine à mesurer tridimensionnelle (MMT)
Spécifications à mesurer Commandes du logiciel et contraintes associées Éléments géométriques à palper ou à construire
□ 0,010 Palper une surface réelle : mesure d'un plan.
Palper points sur PLA
Palper points sur PLB
Palper points sur PLC
Palper points sur PLD
S_2 = 0 ± 0, 567 Calcul de positions relatives : cote entre deux plans.
Palper points sur PLA
Palper points sur PLC
Palper points sur PLB
Palper points sur PLD
S_3 =
0,010
0,010 A A
Calcul de positions relatives.
Parallélisme plan / plan de référence.
Palper points sur PLA
Palper points sur PLC
□

Document réponses DR2 question C. 1

Déplacements imposés
Géométrie fixe (GF) Bloque tous les degrés de liberté des nœuds de la surface spécifiée.
Appui plan (AP) Indique qu'une face plane peut se déplacer librement dans son plan, mais ne peut pas se déplacer dans la direction normale à son plan.
Pivot fixe (PF) Indique qu'une face cylindrique peut uniquement pivoter autour de son propre axe. Le rayon et la longueur de la face cylindrique restent constants sous l'effet d'un chargement.
Chargements externes
Force ( ⟶ ) Les forces présentent une distribution uniforme sur les faces, arêtes ou sommets dans toute direction.
Couple ( ⟹ ) Les couples (moments) présentent une distribution uniforme sur les faces, arêtes ou sommets dans toute direction.
Exemple de cas de déplacement imposé : blocage de tous les degrés de liberté de la surface supérieure du coulisseau (4).


NE RIEN ECRIRE DANS CE CADRE

Document réponses DR3 question C.5 et C.6

Échelle 1 : 3



Document réponses DR4 question D. 1


    1. Capacité de charge dynamique pour un déplacement de 50000 m.

Questions fréquentes

3 questions
Sur quels chapitres porte l'épreuve 2 du CAPET ingénierie mécanique 2026 ?
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Sur quels chapitres porte l'épreuve 2 du CAPET ingénierie mécanique 2026 ?

Le sujet porte sur la conception mécanique : hyperstatisme et guidages, dimensionnement de composants de transmission (réducteur, clavette), choix de matériaux et tolérancement, ainsi que les actionneurs pneumatiques, à partir d'une ligne de production de profilés composites par pultrusion.

Les quatre études du sujet sont-elles indépendantes ?

Oui, l'énoncé précise explicitement que les études A, B, C et D sont toutes indépendantes et peuvent être traitées dans n'importe quel ordre.

Quel est le support technique de ce sujet ?

Le support est le module de traction d'une ligne de production de profilés composites par pultrusion, qui tire en continu le profilé formé grâce à des chariots équipés de pinces de serrage.

Pas de description pour le moment