Fabrication d’une CNC

Une CNC, c’est en anglais Computer Numerical Control, ou en français un centre d’usinage numérique, repris parfois dans l’ensemble CFAO pour Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur.

Le terme CNC très générique, et qui pourrait aussi couvrir les imprimantes en 3D ou les découpeuses à laser, couvre essentiellement aujourd’hui les fraiseuses numérique ou à plasma, à eau, …

Passionné d’informatique et de bois, d’électricité et d’interfaçage, c’est un cheminement assez naturel qui m’a amené sur ce projet, tant pour sa réalisation que pour son usage.

L’achat d’une machine toute faite présentait deux inconvénients majeurs. Le premier étant le prix clairement dissuasif à moins de descendre dans des modèles à très faibles capacités ou précision, le second étant que c’est quand même moins drôle.

Projet

Réalisation d’une fraiseuse numérique capable d’usiner des éléments d’approximativement 600 x 900 mm.
La machine doit donc permettre de fabriquer des pièces en bois, découpe ou usinage, mais aussi pouvoir graver le bois ou l’aluminium pour la fabrication de face avant.

Choix des composants

Une partie des composants est de gamme moyenne, ce qui correspond à l’ambition de très faible volume de fabrication. Ils ne sont pas comparables aux éléments plus robuste mais qui sont de 2 à 10 fois plus chers.

Concernant le choix de la fraiseuse, après avoir longtemps hésité avec l’adaptation d’une défonceuse, c’est une fraiseuse triphasée à refroidissement liquide qui a été choisi. Pour une puissance approximativement similaire (2,2 KW), la fraiseuse offre les avantages suivant :

  • silence de fonctionnement, à bien prendre en compte lorsqu’un usinage dure plus d’une heure,
  • un pilotage de la vitesse de rotation possible via l’onduleur et donc le logiciel.
    pas de ventilation donc moindre propagation des poussières
  • broche ER20 qui permet de couvrir toutes les plages d’outil que ce soit en dimension métrique ou impériales, de 3 à 13mm.

En revanche cela est un peu plus complexe à installer en raison de la mise en oeuvre d’un onduleur et le refroidissement liquide. Cela demande des compétences en électricité, domaine vite dangereux, il faut être prudent ou accompagné. Il faut aussi tenir compte des 6 kilos de la broche.

Liste des principaux composants :

  • Logiciel : Mach 3
  • Carte de commande : USB Motion Card STB4100
  • Pilote des moteurs pas à pas : ST-4045-A1
  • Moteurs pas à pas : NEMA 23 23HS8430
  • Fraise : RATTM 2,2KW 24000tr/min étanche à 4 roulements et refroidissement liquide
  • Vis à bille : SFU1605
  • Supports : BF12 et BK12
  • Onduleur : HuanYang 2.2KW VFD 220V/220V avec déport d’affichage
  • Accessoires : télécommande sans fil HB04
  • Matériaux : contreplaqué extérieur CTBX de 22mm
  • Traitement : Vernis marine (Seigneurie Gauthier Lustra Marine)
  • Câble blindé de puissance : cable souple blindé 4×1,5
  • Câble blindé de commande des moteurs pas à pas : cable souple blindé 4×0,75
  • Chemin de câble flexible : CloudRay 15×40
  • Coffrets électriques de récupération

Livres

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Livres CNC

  • Construisez votre machine CNC par Patrice Oguic aux éditions Dunod
  • Make: Gettin Started with CNC par Edward Ford aux éditions Make
  • Make: Design for CNC par Anne Filson, Gary Rohrbacher et Anna Kaziunas France aux éditions Make
  • CNC Milling in the Workshop par Marcue Bowman aux éditions Crowood

Holzfräse, constructeur qui a démarré à la maison et qui propose maintenant des solutions de CNC haut de gamme, mais toujours en bois. Il faut chercher «  »holzfraese v3 » pour trouver les images de son projet qui m’a beaucoup inspiré, en particulier la lecture du post de Simon Pirard sur usinage.com, merci à lui pour tout ces détails.

Armoire de commande

Cette première armoire comprend le module d’interface avec le PC et la commande des moteurs pas-à-pas. C’est un ancien coffret Télémécanique.

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Les boutons sont positionnés puis tous les perçages sont faits, y compris pour la ventilation du coffret qui sera fait par deux ventilateurs de PC asservi en température.

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Deux couches d’Hammerite, peinture résistante et à l’effet martelée, est appliquée. Sur les machines outils c’est un bon choix, malgré un prix assez élevé.

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Une installation provisoire est faite pour faire le câblage confortablement. Tous les boutons sont disposés.

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Le coffret est bien, voire trop rempli, il aurait mérité être plus grand pour réaliser un câblage plus dans l’état de l’art. Pas de quoi être fier dans ce cas.

Deux alimentations sont donc nécessaire, une pour le 24V des moteurs et bien dimensionnée, une autre en 12V pour la commande.

Un relai optocoupleur est mis en place pour avoir une prise pilotée par logiciel. Elle n’est pas utilisée pour le moment car l’onduleur possède une sortie qui permet de commander une prise pendant que la broche fonctionne, ce qui est nécessaire pour la pompe de liquide de refroidissement et l’aspiration.

Les commandes des moteurs pas-à-pas sont acheminées par un câble à 4 conducteurs blindé pour évidé la propagation d’interférences.

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Les entrées et sorties sont reprises sur des connecteurs type aviation. La platine a été refaite car celle d’origine du coffret n’allait pas.

Nous avons ici, les commandes X, Y et Z, les entrées pour les fins de courses et arrêt d’urgence complémentaire et la commande vers l’onduleur.

Armoire de puissance

Récupération là aussi, sauf que le coffret a vécu plusieurs années à l’extérieur. Toute la rouille a été enlevée et le coffret repeint aussi.

Un rapide aperçu avant remise en condition.

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Le coffret étant brossé, les éléments sont positionnés. L’option affichage déporté de l’onduleur permet une intégration propre.

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Et voilà le coffret prêt à piloter une fraise.

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A l’intérieur, le circuit de puissance est protégé par un magnéto-thermique et une commande par relai.

Les deux prises commandées, pour l’aspirateur et la pompe à liquide de refroidissement, sont pilotées par l’onduleur dès lors que le moteur est en fonctionnement.

Comme pour l’autre coffret, la ventilation est assurée par deux ventilateur de PC asservis en température.

Refroidissement liquide

La broche de 2,2 KW est refroidie par liquide. Il ne faut pas utiliser de l’eau dans ce cas car cela conduirait à une oxydation d’une partie du circuit interne à la broche.

IMG_20171101_160052 Un bac plastique alimentaire de 10 litres et une pompe d’aquarium permettent d’avoir un bon volume. Si à l’usage cela ne permet par le refroidissement attendu, un ventilateur et une grille pourront être ajoutés sur le circuit.

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En boucle fermé, tout fonctionne. Les raccords ont été fixés au bac avec de la colle epoxy.IMG_20180304_201445

Le liquide de refroidissement a été versé, 7,5 litres. La couleur est au choix entre vert, rose, ou jaune.

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Un capteur de température a été ajouté pour surveiller la chaleur du liquide.

Support

Un meuble support est fabriqué pour poser la machine et pouvoir la déplacer dans les 14m2 de l’atelier.

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Les deux coffrets sont installés à l’intérieur. Des grosses roulettes vont permettre un déplacement plus facile car l’ensemble représente une charge importante.

IMG_20180202_092442 Un sectionneur général est ajouté pour assurer une coupure totale et éventuellement condamnable avec un cadenas, si jamais les petits se sentent des envies d’usiner.

Axe Z

La stratégie choisie pour la fabrication est de commencer en partant de la broche, et donc de l’axe Z. Cela a permis de prendre en considération le composant terminé, pour ajuster l’axe Y, et ainsi de suite.

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Positionné sur deux rails de 300 mm, et un encombrement total des coulisses à billes de 140 mm, la course sera de 260 mm, ce qui est largement suffisant pour découper et faire un peu d’usinage en 2,5D ou 3D.

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Le support de la broche, étant donné le poids de cette dernière, sera en aluminium de 10mm. Le bois ne permet pas dans ce cas  précis de contenir le couple.

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Les trous sont percés suivant le positionnement issu de la modélisation. De la colle repositionnable permet de tenir le papier en place pendant l’usinage. Le même principe a été retenu pour le perçage des planches en bois par la suite. La précision est importante à toute les étapes, les erreurs ne se compensant que rarement.

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La platine est terminée, les lamages sont réalisés pour noyer les têtes des vis BTR et les emplacements pour le support sont taraudés.

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Premier montage à blanc, tout fonctionne. Il faut maintenant passer à la partie bois de l’axe.

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Les emplacements des perçages sont positionnés comme pour la plaque d’aluminium.

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Des inserts à griffes sont utilisés pour accueillir les vis qui tiennent les rails ou les supports de la vis sans fin.

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L’axe est assemblé et le moteur mis en service avec un essai du moteur pas-à-pas : ça marche. En avant pour l’axe Y.

Axe Y

Il existe dans les CNC plusieurs conceptions différentes. Deux sont courantes dans les CNC amateurs.

D’un côté la famille des tables qui coulissent, facile à réaliser mais qui demande de doubler l’espace pour assurer un usinage sur toute la surface. Cette façon de faire se retrouve essentiellement sur les petites machines.

L’autre famille est celle des systèmes à portique. Le portique se déplace sur l’axe X. Il peut être soit animé par deux moteurs, chacun d’un côté de la table. Cela limite la hauteur de la machine et permet même d’y usiner des pièces très hautes. Cependant il faut deux systèmes d’entraînement ce qui augmente le coût.

Ici c’est un portique simple qui est mis en oeuvre.

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Il coulisse sur deux axes positionnés sur le bord de la table, et l’entraînement se fait par une vis à bille située sous la machine.

L’axe Y est donc installé sur ce portique. L’ensemble doit être rigide pour éviter les effets de balançoire liés aux déplacement des différents composants. Il doit aussi emporter une charge importante avec l’axe Y, tout le portique et toute la quincaillerie.

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La poutre du portique est ici réalisée selon le principe de la boîte à torsion. Au lieu de remplir de matière, un système fermé mais structuré assure une forte résistance à la flexion et à la torsion sans induire un poids trop important.

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Tous les perçages sont réalisés avant l’assemblage. Les écrous à griffes sont mis en place dans un lamage qui ne gênera pas le collage.

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Les bords sont collés et vissés. Des Domino complètent l’assemblage.

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Les traverses sont installées selon le positionnement déjà tracé. Elles sont visées en bout et depuis la face avant ainsi que l’arrière.

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Le panneau arrière est préparé, tout est vérifié car une fois monté et collé, l’ensemble sera indémontable. La rigidité a été préféré à l’accessibilité.

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L’ensemble est monté pour identifier précisément le centre de gravité. La forme particulière du côté du portique est lié à ce point précis. Il faut un bon équilibre de la machine pour que les coulisses ne soient pas mise en contrainte.

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Les côtés ont été arrondis pour apporter des formes un peu plus organiques à la machine.

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Un gabarit a été fait en contreplaqué pour reproduire la forme à l’identique sur les deux côtés du portique. Cela permet aussi d’ajuster et d’affiner une seule fois la forme.

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Après un débit grossier, les deux panneaux de 22mm sont collés ensembles. Quelques serres-joint viennent assurer la bonne prise de l’ensemble, les deux côtés ont été mis en collage en même temps.

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Les deux côtés sont usiné par copiage à la défonceuse. Les mises à l’équerre ne sont pas encore faites en haut et en bas, cela sera fait à la scie radiale.

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Les insertions ont faites pour la tenue de la vis à bille, ainsi que de l’autre côté pour le moteur pas-à-pas.

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Les assemblages seront faits avec des Domino doublé. La rainure en bas de la photo a été prévue pour accueillir une rampe de LED qui éclairera la zone de travail.

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Le bas du portique est réalisé sur le même principe, deux épaisseurs collées ensembles.

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Le portique est ensuite mis en collage.

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Le voici terminé et en phase de finition.

L’axe Y fait 702 mm de long auxquels il faut soustraire les 161 mm du support de l’axe Z pour calculer une capacité de travail de 541 mm, un peu en deçà des 600 prévus, mais déjà confortables.

Axe X

L’axe X est le plus simple à réalisé, car déduit du reste, mais qui demande tout autant d’application sur une grande surface.

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C’est le principe de la boîte de torsion qui est ici appliqué. La porté entre les pieds est de 1124 mm, ce qui commence à être conséquent pour une table qui ne devrait pas fléchir d’un seul millimètre.

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Le montage ne présente ici pas de complexité, il faut cependant vérifier en permanence les alignements et équerrages. Au milieu, il y a le passage de la vis à bille de l’axe X, elle sera dessous, protégées des poussières mais difficile à huiler.

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Les interstices sont positionnés rangés par rangés, collés et vissés.

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Au final, cela fait une belle boîte de rangement pour les Lego mais ce n’est pas le but du projet. La structure est très rigide, et fait déjà sont poids.

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Malgré tous les soins pris, des désafleurs sont présents et quelques défauts apparaissent lors de l’examen avec la règle d’ajusteur. C’est ici au rabot à main que les défauts sont corrigés, car il n’y a pas d’autre solution, à moins d’aller trouver une très grosse raboteuse.

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Un fois les rails installés, le portique vient se mettre en place et l’ensemble peut entrer en mouvement.

Les rails sont de 1100 millimètres. Si l’on soustrait l’encombrement de 200 mm du portique, la longueur d’usinage possible est donc de 910 mm. La machine atteint 1238 mm de long. Le rapport dimension hors tout et utile est à prendre en compte dans ce type de machine, tout comme pour les imprimantes 3D par exemple.

Plateau

Le plateau est un élément un peu à part. Il faut le considérer comme une pièce jetable car des erreurs d’usinage ou les coupes au fil du temps, finiront par l’endommager.

Celui-ci est rainuré pour servir de support aux différents types de presseurs.

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Des rainures sont faites avec une fraise en T dans le panneau de 1200 par 682 mm. La fraise étant trop petite pour les supports, plusieurs passages sont faits. Un guide pour l’usage à la bague à copier a été fait, permettant l’ajustement en largeur de la rainure.

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Et voilà la rainure usinée.

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Les presseurs sont installés pour test, cela fonctionne bien même si il ne faudra pas y aller trop fort. La pièce est cependant très bien immobilisée.

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Des petites sauterelles peuvent aussi être installées.

Finitions

L’ensemble des éléments en bois, sauf le plateau, sont traités au vernis marin en trois couches. L’objectif est d’éviter le transfert d’humidité et assurer une bonne tenue dans le temps de la machine.

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De gauche à droite, l’axe Z, l’avant de l’axe X et l’arrière de l’axe X.

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Le dessous du plateau.

Montage

Il ne reste plus qu’à monter, toujours avec précision, la machine.

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Les éléments sont en places, le portique sera monté en premier.

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Ici l’entrainement du portique est mis en évidence avec la grande vis sans fin.

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L’axe Z est ensuite installé.

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Les câbles et tuyaux (pour le refroidissement liquide) sont passés et mis à longueur.

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Le bon passage des câbles malgré la cinématique de l’ensemble est contrôlé.

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La respect de l’écartement entre la broche et la table est contrôlé.

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Un écran est ajouté pour le pilotage de la machine. Un simple PC de bureautique est placé dans le support.

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Et voilà la machine fonctionnelle. Le câblage a été depuis terminé et les fins de courses installés.

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Un des premiers tests.

Après presque un an de travail à temps perdu (pas tant que ça), il reste maintenant à prendre en main toute la suite applicative Fusion 360 et Mach 3 ainsi que les concepts de l’usinage assisté par ordinateur.


Quelques albums extraits de la BO de ce projet :

  • Ride – Weather Diaries
  • Kevin Morby – Still Life
  • Woods – Love Is Love
  • Slowdive – Slowdive
  • Kraftwerk – 3-D The Catalogue
  • Kevin Morby – City Music
  • Chromatics – Shadow
  • Ty Segall – Fried Shallots
  • David Gilmour – Live At Pompeii
  • Temples – Volcano
  • Beach House – Depression Cherry
  • King Gizzard And The Lizard Wizard – Gumboot Soup
  • Shame – Songs Of Praise
  • Courtney Barnett & Kurt Vile – Lotta Sea Lice
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Boîtier en noyer pour synthétiseur

J’ai reçu en cadeau d’anniversaire, il y a quelques années, un kit électronique pour réaliser un générateur de son dans la tradition des synthétiseurs analogiques des années 70.

Ce kit produit par Ray Wilson, depuis malheureusement décédé, est vendu en ligne. C’est un beau projet électronique avec pas mal de composants et de câble à relier.

Une première maquette a été faite pour tester la disposition et le bon fonctionnement de l’électronique.

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Occasion de faire tester le synthétiseur par mon fils qui s’est bien amusé.

Avec une belle planche de noyer, la réalisation a été entamée, avec queues d’arondes pour ne pas manquer une occasion d’en faire.

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Après le traçage et l’évidement, elles sont découpées au fur et à mesure. Rien de très nouveau, cependant c’était la première fois que je travaillais du noyer et quel plaisir. Le grain est très régulier et le bois se travail très bien.

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Cela permet des découpes très propres et l’utilisation du ciseau est plus prévisible que dans le chêne par exemple.

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Les assemblages se font progressivement en ajustant les queues d’arondes.

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Un finition à l’huile dure en trois couches a été appliquée. On peut apprécier le fil du bois sur cette vue.

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Le panneau aluminium a pu être installé, celui-ci est recouvert d’un imprimé plastifié avec les indications. C’était une première et il y a quelques défauts.

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Toute l’électronique est installée et les câbles bien attachés entre eux. C’est l’électronique qui m’a demandé le plus de temps dans ce projet.

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Et voilà, tout fonctionne très bien. Le boîtier en bois apporte une très belle finition à cette réalisation.

Range couverts

Pour les vacances il nous fallait des petites boîtes pour ranger les couverts. Il faillait des éléments séparés pour les ranger avec le moins de contrainte possible.

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Quatre petites boîtes identiques ont été réalisées. Ce n’est pas plus facile quand c’est petit, bien au contraire. La moindre petite erreur est vite visible car grossière.

Il fallu que je m’équipe de ciseaux à bois de 3 et 4 mm.

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C’est un peu le principe du plumier qui a été employé pour faire la conception des boîtes.

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Le bois est du hêtre et la finition a été réalisée avec de l’huile dure, uniquement à l’extérieur.

 

Support et rangement pour réchaud

Le sujet des vacances est une bonne source de projets, simples mais avec quelques opportunités liées à la mobilité, en particulier l’encombrement, le poids, la solidité et la capacité à répondre à plusieurs usages.

Ici, en plus du rangement, la caisse doit permettre d’utiliser le réchaud en toute sécurité. L’idée de départ a été basée sur les camping box (a chercher sur Pinterest, il y a de beaux projets), et… une petite touche de design scandinave ? Je n’ai pas été jusqu’à faire des pieds galbés.

IMG_20170522_214911La caisse est très simple, en contreplaqué de 12 mm, avec un capot coulissant dans une rainure. Ce principe est vraiment intéressant, il ne nécessite pas de quincaillerie et reste facile à mettre en oeuvre – une fraise droite suffit – avec un peu de soin. Les planches sont collées et clouées (clous gauge 18)

Des pieds inclinés en hêtre ont été usiné. Avec des boulons à tête en étoile, il est facile d’installer le support en quelques minutes.

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Un finition, comme souvent, à l’huile dure a été appliquée.

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Le réchaud se range avec juste ce qu’il faut de jeu. Quelques carrés de moquettes collés au double face permettent d’assurer un calage tout en douceur.

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Et voilà, il n’y a plus qu’à faire la cuisine !

Console Arcade rétro

J’avais posté il y a quelques temps une photo d’un space invader, une icône du jeu vidéo, percé dans une planche. Il s’agit d’un élément de ce joli petit projet mêlant menuiserie et intégration de composants.

Elevé à l’Atari 520 STF et au jeu 8 bits, il ne m’avait pas fallu plus que quelques images trouvées ici où là pour que me prenne l’envie de fabriquer une petite console émulant les jeux des années 80 et début 90.

Avec l’aides des informations trouvées sur le précieux site RetroBuiltGames qui d’ailleurs vends des kits tout fait. Toute la documentation, de la construction à la mise en oeuvre, est sur ce site très bien fourni.

Un raspberry, un bel écran TFT, des beaux boutons, un joystick et puis du bois suffiront.

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Le plan a en 3D a été fait sous Sketchup. L’idée est de s’inspirer des consoles de jeux que l’on trouvait dans les cafés il y a quelques années. Le volume est tout de même réduit car il faut être très passionné pour faire le modèle taille réel qui prend la place d’un frigidaire.

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Du modèle, les découpes sont faites et cela va prendre un peu de temps car il y a beaucoup d’angles.

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La chose prend forme rapidement quand même après collage des différents éléments. La planche pour les boutons et le joystick a été préparée.

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Toute l’électronique a été installée, un rapsberry, un amplificateur audio, deux haut-parleurs, les gros boutons et l’écran.

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Une belle peinture à l’huile rouge recouvre le bois. Tout fonctionne, il faut par contre prévoir un peu de temps pour régler les jeux – cela reste de l’informatique.

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Les plus jeunes découvre Bubble-Bobble et cela les amuse autant que cela nous amusait il y a quelques décennies.

Projet en cours

En attendant un article plus complet, voici une photo pour patienter.

Modification étau mortaiseuse à bédane

Sur certaine mortaiseuse à bédane carré, l’étau (la pièce noire sur la photo ci-dessous) peut laisser des traces sur le bois qui est travaillé. La modification qui suit a été faite sur une mortaiseuse Kity MB 16, mais peut s’appliquer sur de nombreux modèles.

Etau d'origine sur la MB16

Etau d’origine sur la MB16

L’étau est donc percé de 4 trous à 3,2mm, ils seront ensuite taraudés pour accueillir des vis à tête fraisée M4. Le taraudage est fait à la perceuse à colonne, j’ai équipé la mienne d’une commande d’inversion de sens de rotation ce qui permet d’extraire le taraud après avoir fraisé le pas de vis. Bien entendu il est possible de le faire à la main avec le porte filière.

Trois tarauds successifs sont passés pour un usinage en douceur, accompagné d’huile de coupe.

Taraudage à la perceuse

Taraudage à la perceuse à colonne

La pièce étant maintenant prête, elle est nettoyé à l’essence C (pour dégraisser les métaux), ce qui n’altère pas la peinture.

Les patins ont été découpés dans du hêtre, mais il est possible d’utiliser une autre essence ou pourquoi pas du polyéthylène récupéré sur une planche à découper.

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Les vis sont installée sur l’étau et les patins en hêtre ont été découpés.

Les emplacements des vis sont reportés sur les patins en bois et percés avec un fraisage pour noyer la tête de la vis qui ne doit pas dépasser afin d’éviter de rayer le bois.

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Les patins sont installés sur l’étau.

Il n’y a plus qu’à faire un essai : c’est parfait. Cela fait perdre un peu de capacité en hauteur, mais il est aisé de déposer les patins si nécessaire.

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Etau modifié