DE3916407C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method according to the Preamble of claim 1. The invention further relates to a Device for performing the method.
Es ist bekannte, die Festigkeit eines Polymerextrudates z. B. in Form von Strängen oder Folien, durch Ausrichten der Makromoleküle des Polymers zu erhöhen. Dies erfolgt entweder durch Einstellen der Strömungsbedingungen beim Durchgang der Polymerschmelze durch die Spinndüse oder durch Recken bei einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt des Polymers.It is known the strength of a polymer extrudate e.g. B. in the form of strands or foils, by aligning to increase the macromolecules of the polymer. this happens either by adjusting the flow conditions at Passage of the polymer melt through the spinneret or by stretching at a temperature close to the melting point of the polymer.
Eine Übersicht über diese und andere Fertigungsverfahren findet sich in dem Aufsatz von Eric Baer "Hochentwickelte Polymere", Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1986, Seiten 150 bis 160, insbesondere Seite 152, rechte Spalte, Bild 6 auf Seite 155 und Seite 156, untere Hälfte der mittleren Spalte. Das Recken von Fasern oder Strängen ist z. B. aus der US-A-31 04 938 bekannt, mono- oder biaxiales Recken von Folien ist aus der US-A-36 08 042, der DE-A1-20 27 492 oder der DE-A2-15 04 503 bekannt.An overview of these and other manufacturing processes can be found in the essay by Eric Baer "Advanced Polymers ", Spectrum of Science, December 1986, pages 150 to 160, especially page 152, right column, Figure 6 on page 155 and page 156, lower half of the middle Column. The stretching of fibers or strands is e.g. B. from known from US-A-31 04 938, mono- or biaxial stretching of Foil is from US-A-36 08 042, DE-A1-20 27 492 or known from DE-A2-15 04 503.
Beim herkömmlichen Spritzgießen von Kunststoffteilen wird der Kunststoff, z. B. in Form von Granulat, eventuell noch mit Zusätzen wie Glas- oder Kohlenstoffasern in einer Länge bis etwa zwei Millimeter, auf Schmelztemperatur erwärmt und in ein Formwerkzeug eingespritzt. In conventional injection molding of plastic parts the plastic, e.g. B. in the form of granules, possibly still with additives such as glass or carbon fibers in one length up to about two millimeters, heated to melting temperature and injected into a mold.
Neben Kunststoffextrudaten aus einem Thermoplast-Ausgangs material werden auch sogenannte Verbundwerkstoffe hergestellt, in denen zumindest zwei Materialien z. B. bereits im Extruder miteinander kombiniert und gemischt werden, um bestimmte, durch ein Material allein nicht zu erreichende Eigenschaften zu erzielen. Verbundfolien aus zwei oder mehreren Polymer schichten, ummantelte Polymerfasern oder Matrixwerkstoffe mit in die Matrix eingebetteten Partikeln, Kurz- oder Lang fasern, sind Beispiele. Die Herstellung derartiger Werkstoffe ist zwar kompliziert, aber heute in vielen Fällen Routine. Auch derartige Verbundwerkstoffe können granuliert und nach Erwärmen bis nahe an den Schmelzpunkt des Polymers, zum Herstellen von Spritzgußteilen verwendet werden.In addition to plastic extrudates from a thermoplastic outlet so-called composite materials are also manufactured, in which at least two materials e.g. B. already in the extruder can be combined and mixed to create certain properties that cannot be achieved by a material alone to achieve. Composite films made of two or more polymers layers, coated polymer fibers or matrix materials with particles embedded in the matrix, short or long fibers are examples. The production of such materials is complicated, but routine in many cases today. Composites of this type can also be granulated and after heating close to the melting point of the polymer, be used to manufacture injection molded parts.
Es ist nun eine Tatsache, daß die durch eines der vorgenannten Verfahren ausgerichteten Makromoleküle ihre Ausrichtung verlieren, wenn das Polymer erneut erwärmt wird. Eine der artige Erwärmung ist jedoch bei der Herstellung von Spritz gußteilen notwendig. Die mit dem Ausrichten der Makromoleküle erzielbare höhere Festigkeit geht somit bei der Herstellung der Spritzgußteile wieder verloren.It is now a fact that one of the aforementioned Process-oriented macromolecules align their orientation lose when the polymer is reheated. One of the Like heating is in the manufacture of spray castings necessary. The one with the alignment of the macromolecules achievable higher strength is thus in the manufacture the injection molded parts are lost again.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen Spritzgußteile mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht hergestellt werden können.The invention has for its object a method and to provide a device with which injection molded parts with high strength and low weight can be produced.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 8 genannten Merkmale gelöst.This object is achieved by the in claims 1 and 8 mentioned features solved.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht somit darin, die gereckten Stränge weiterhin auf Extrusionstemperatur zu halten, bei dieser Temperatur zu zerkleinern und unter weiterer Aufrechterhaltung der Temperatur in die Spritzform einspritzen. Durch das Halten des Polymers nahe der Schmelz temperatur während des gesamten Herstellungsprozesses bleiben die Makromoleküle in dem ausgerichteten Zustand, den sie auch beim Abkühlen in der Spritzform beibehalten. Die Festig keit der derart hergestellten Kunststoffteile ist höher als bei einem herkömmlich hergestellten Spritzgußteil. Hierdurch kann eine erhebliche Materialeinsparung bis zu 30% verbunden sein.The essential idea of the invention is therefore the drawn strands continue to the extrusion temperature to keep crushing and taking at that temperature further maintaining the temperature in the injection mold inject. By keeping the polymer close to the enamel temperature throughout the manufacturing process the macromolecules in the aligned state they are even when cooling in the injection mold. The Festig speed of the plastic parts produced in this way is higher than with a conventionally manufactured injection molded part. This can save up to a considerable amount of material 30% connected.
Es ist ferner auch möglich, die gereckten Polymerstränge wiederum unter Aufrechterhalten der Extrusionstemperatur mit einem weiteren, vorzugsweise dem gleichen Kunststoff extrudat zu beschichten, wonach erneut ein Reckprozeß statt finden kann. Ferner können die extrudierten und gereckten Polymerstränge mit einem Verstärkungsmaterial, z. B. ge richteten Verstärkungsfasern aus Glas, Kohlenstoff oder Aramid belegt werden. Diese verstärkten Stränge können dann, wie oben erwähnt, zusätzlich mit einem mit Hilfe einer zweiten Spinndüse ausgetragenen Kunststoffextrudat, vorzugsweise einer Polymerschmelze aus dem gleichen Ausgangs material belegt und gegebenenfalls gereckt werden. Hierdurch ergeben sich Verbundstränge aus gerichteten Fasern mit hohen Festigkeiten.It is also possible to use the stretched polymer strands again while maintaining the extrusion temperature with another, preferably the same plastic to be coated extrudate, after which a stretching process takes place again Can be found. Furthermore, the extruded and stretched Polymer strands with a reinforcing material, e.g. B. ge reinforcing fibers made of glass, carbon or Aramid can be occupied. These reinforced strands can then, as mentioned above, additionally with one with help a second plastic extrudate, preferably a polymer melt from the same starting point material is occupied and if necessary stretched. Hereby composite strands result from oriented fibers with high strength.
Zum Spritzgießen von Kunststoffteilen werden die Stränge in Abschnitte von z. B. sechs bis sieben Millimeter geschnit ten und geordnet mit Hilfe z. B. einer Förderschnecke in die Spritzform eingebracht. Die Temperatur der Schmelze wird bis zum Spritzvorgang aufrechterhalten, so daß die Ausrichtung der Polymerketten innerhalb des Verbundwerk stoffs erhalten bleibt. The strands are used for the injection molding of plastic parts in sections of e.g. B. cut six to seven millimeters ten and ordered with the help of z. B. a screw conveyor in introduced the injection mold. The temperature of the melt is maintained until the spraying process, so that the Alignment of the polymer chains within the compound fabric is preserved.
In herkömmlichen Verfahren wurden z. B. Glas- oder Kunststoff fasern in kurze Abschnitte mit ein bis zwei Millimeter Länge geschnitten und der Polymerschmelze zugegeben. In conventional processes, e.g. B. glass or plastic fibers into short sections with one to two millimeters Cut length and added to the polymer melt.
Abgesehen davon, daß diese kurz geschnittenen Fasern die Teile der Schnecke und des Extrudergehäuses als auch der Schneid- und Fördereinrichtung durch Reibung und Kratzen erheblich angreifen, werden die der Verstärkung dienenden Fasern auch nur ungeordnet im Spritzgußteil angelegt.Aside from the fact that these short cut fibers are the Parts of the screw and the extruder housing as well Cutting and conveying device due to friction and scratching those who serve as reinforcements will attack significantly Fibers are only created in a disordered manner in the injection molding.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unter ansprüchen hervor.Further refinements of the invention can be found in the sub claims.
Nachstehend wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigenIn the following, the invention is described in exemplary embodiments with reference to the Drawing explained. Show it
Fig. 1 eine geschnittene Frontansicht einer Spinn-Streck- Spritzgießmaschine mit einem ersten Spinnbereich, einem ersten Streckbereich, einem ersten Formbereich, einem zweiten Spinnbe reich, einem zweiten Streckbereich, einem zweiten Formbereich, sowie der eigentlichen Spritzgießvor richtung; Figure 1 is a sectional front view of a spin-stretch injection molding machine with a first spinning area, a first stretching area, a first molding area, a second Spinnbe rich, a second stretching area, a second molding area, and the actual Spritzgießvor direction.
Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht der Spritzgießma schine in Fig. 1; Fig. 2 is a sectional side view of the injection molding machine in Fig. 1;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch den ersten Spinnbereich sowie den ersten Streck- und Formbereich der Spritzgießmaschine mit einer Zuführvorrichtung für Verstärkungsfasern; 3 shows a longitudinal section through the first spinning area and the first stretch and shape the area of the injection molding machine with a feed device for the reinforcing fibers.
Fig. 4 eine schematische Ansicht der für das Strecken und Formen von Strängen wichtigen Teile; Fig. 4 is a schematic view of the parts important for stretching and forming strands;
Fig. 5 einen Längsschnitt durch den zweiten Spinnbereich sowie den zweiten Streck- und zweiten Formbereich der Maschine gemäß Fig. 1; Fig. 5 shows a longitudinal section through the second spinning area and the second stretching and the second mold section of the machine of Fig. 1;
Fig. 6 eine schematische Ansicht der für die Funktion der in Fig. 5 dargestellten Maschinenbereiche wichtigen Elemente; FIG. 6 is a schematic view of the elements important for the function of the machine areas shown in FIG. 5;
Fig. 7 einen Querschnitt durch einen Teil einer Spritz gießmaschine in einer weiteren Ausführungsform zur Herstellung von mehreren Spritzgußteilen. Fig. 7 shows a cross section through part of an injection molding machine in a further embodiment for the production of several injection molded parts.
In den Fig. 1 bis 6 ist ein Teil einer Spinn-Streck-Spritz gießmaschine 20 gezeigt, die einen Extruder 21 sowie eine Doppelspinnpumpe 22 aufweist, an die sich ein Spinnbereich A, ein Streckbereich B, ein Formbereich C, ein zweiter Spinnbereich D, ein zweiter Streckbereich E, ein zweiter Formbereich F und ein Gieß- und Einspritzbereich G anschließen. Über ein erstes Abflußrohr 23 der Doppel spinnpumpe 22 wird die Kunststoffschmelze einer Verteilkam mer 24 einer Spinndüse 25 mit hohem Druck zugeführt, aus der dann, wie in den Fig. 3 und 4 schematisch angedeutet, eine Vielzahl von Fäden 26 als Kunststoffschmelze austre ten. Diese werden innerhalb eines Streckkanals 27 zwei Streckwalzen 28 zugeführt, deren Umfangsgeschwindigkeit mittels eines in Fig. 2 nur angedeuteten Antriebs 29 auf einen Wert eingestellt wird, der höher als die Spinnge schwindigkeit ist. Die Fäden, in denen die Makromoleküle des Polymers bereits durch das Spinnen ausgerichtet sind, werden in dem Streckwalzenpaar 28 gereckt, so daß eine annähernd vollständige Ausrichtung stattfindet. Das Recken der Fäden 26 erfolgt bei einer Temperatur, die der Extrusionstemperatur, d. h. etwa der Schmelztemperatur des verwendeten Polymers entspricht. Um die Temperatur während des gesamten Bearbeitungsvorganges aufrechtzuerhalten, sind in den Figuren nur angedeutete Heizvorrichtungen 30 vorgesehen. Außerdem können die Streckwalzen 28 beheizt sein. In Figs. 1 to 6 is a part of a spin-draw injection molding machine 20 is shown comprising an extruder 21 and a dual spin pump 22, followed by a spinning area A, a stretching region B, a forming area C, a second spinning area D, connect a second stretching area E, a second molding area F and a casting and injection area G. Spin pump 22, the plastic melt of a Verteilkam mer 24 of a spinneret 25 is fed at high pressure via a first discharge pipe 23 of the double, then as th from the, in FIGS. 3 and 4, indicated schematically, austre a plurality of filaments 26 as the plastic melt. This are fed within a stretching channel 27 two stretching rollers 28 , the peripheral speed is set by means of a drive 29 only indicated in Fig. 2 to a value which is higher than the spinning speed. The threads in which the macromolecules of the polymer are already aligned by spinning are stretched in the stretching roller pair 28 , so that an almost complete alignment takes place. The threads 26 are stretched at a temperature which corresponds to the extrusion temperature, ie approximately the melting temperature of the polymer used. In order to maintain the temperature during the entire machining process, only indicated heating devices 30 are provided in the figures. In addition, the stretching rollers 28 can be heated.
Die gereckten Spinnfäden werden einem Formwalzenpaar 32 zugeführt und dort zu vier Kunststoffsträngen 33 geformt. Für das Formwalzenpaar 32 ist ein in Fig. 2 schematisch angedeuteter Antrieb 34 vorgesehen. Der Streckkanal 27 wird über eine Entgasungsleitung 31 entgast, um Lufteinschlüsse in den geschmolzenen Fäden und in den Strängen zu verhindern.The stretched spun threads are fed to a pair of shaping rollers 32 and are formed there into four plastic strands 33 . A drive 34 schematically indicated in FIG. 2 is provided for the pair of forming rolls 32 . The stretching channel 27 is degassed via a degassing line 31 in order to prevent air inclusions in the melted threads and in the strands.
Über Zuführkanäle 35 werden von außen den Formwalzen 32 mit Matrix vorbereitete Verstärkungsfasern 36, z. B. Glasfa sern zugeführt, mit denen die Kunststoffstränge 33 ver stärkt werden. Diese Verstärkungsfasern werden hierbei durch die Formwalzen 32 in die Kunststoffstränge 33 eingedrückt, so daß sich längsverstärkte Kunststoffstränge 37 ergeben, wie dieses in Fig. 5 angedeutet ist. Diese verstärkten Stränge 37 werden dem zweiten Spinnbereich D zugeführt. In diesen Spinnbereich D führt ein zweites Abflußrohr 39 der Doppelspinnpumpe 22, durch das Kunst stoffschmelze in eine Verteilkammer 39 für eine zweite Spinndüse 40 geliefert wird, durch deren mittige Aussparung die verstärkten Stränge 37 geführt werden. Aus der Spinndüse 40 treten eine Vielzahl von Fäden aus, die die verstärkten Stränge 37 umgeben, wie dieses schematisch in Fig. 5 und 6 angedeutet ist. Diese Fäden werden in einem Streckkanal 42, der über eine Entgasungsleitung 43 zur Verhinderung von Gaseinschlüssen im Polymer entgast werden kann, mit Hilfe eines zweiten Formwalzenpaares 44 an die vier verstärkten Stränge 37 herangeführt, wie dieses schematisch in Fig. 6 dargestellt ist, so daß diese mit einem Kunststoffmantel 45 umwandelt werden. Es ergeben sich vier Verbundstränge 46 mit gerichteten Verstärkungsfasern, wie dies unten in Fig. 5 im Querschnitt dargestellt ist. Die Umfangsgeschwindigkeit der mit einem in Fig. 2 schematisch angedeuteten Antrieb 47 angetriebenen Formwal zen 44 kann größer sein als die Geschwindigkeit der Stränge 37, so daß die Verbundstränge in diesen Formwalzen zusätzlich, wenn auch gering gereckt werden. Der Reckungs grad ist selbstverständlich abhängig von der Elastizität der Verstärkungsfaser und liegt in der Regel im Bereich von wenigen Prozent. Die Ausrichtung der Makromoleküle in Längsrichtung der Fäden 41 erfolgt daher im wesentlichen durch den Spinnvorgang. Auch bei dem zweiten Spinnvorgang und dem zweiten Formvorgang wird die Temperatur der Fäden und Stränge konstant auf der Extrusionstemperatur wiederum mit Hilfe von Heizeinrichtungen 30 etc. gehalten, wobei wiederum das zweite Formwalzenpaar 44 bei Bedarf geheizt werden kann.About 35 feed channels 32 are prepared with the matrix of reinforcing fibers 36, for example from the outside the shaping rolls. B. Glasfa fibers supplied with which the plastic strands 33 are reinforced ver. These reinforcing fibers are pressed into the plastic strands 33 by the shaping rollers 32 , so that longitudinally reinforced plastic strands 37 result, as is indicated in FIG. 5. These reinforced strands 37 are fed to the second spinning area D. In this spinning area D leads a second drain pipe 39 of the double spinning pump 22 , through which plastic melt is supplied into a distribution chamber 39 for a second spinneret 40 , through the central recess of which the reinforced strands 37 are guided. A large number of threads emerge from the spinneret 40 and surround the reinforced strands 37 , as is indicated schematically in FIGS. 5 and 6. These threads are fed in a stretching channel 42 , which can be degassed via a degassing line 43 to prevent gas inclusions in the polymer, by means of a second pair of shaping rollers 44 to the four reinforced strands 37 , as is shown schematically in FIG. 6, so that these be converted with a plastic jacket 45 . There are four composite strands 46 with directional reinforcing fibers, as shown in cross-section below in FIG. 5. The peripheral speed of the driven with a schematically indicated in Fig. 2 drive 47 Formwal zen 44 can be greater than the speed of the strands 37 , so that the composite strands in these form rollers are additionally, if slightly stretched. The degree of stretching is of course dependent on the elasticity of the reinforcing fiber and is usually in the range of a few percent. The alignment of the macromolecules in the longitudinal direction of the threads 41 is therefore essentially carried out by the spinning process. In the second spinning process and the second molding process, too, the temperature of the threads and strands is kept constant at the extrusion temperature, again with the aid of heating devices 30, etc., the second pair of molding rolls 44 again being able to be heated if necessary.
Die Verbundstränge 46 werden im Gieß- und Einspritzbereich G einer Schneid- und Förderschnecke 50 zugeführt, mit der die Stränge unter Aufrechterhalten der im wesentlichen der Extrusionstemperatur entsprechenden Einspritztemperatur in kleine, in Fig. 6 schematisch angedeutete Strangabschnitte 51 in Schmelzeform geschnitten werden. Auch der Schneidvor gang erfolgt bei Einspritztemperatur, so daß die Strangab schnitte aus gereckten und verstärkten Polymersträngen mit geordneten Verstärkungsfasern bestehen. Diese Strangab schnitte 51 werden durch Drehen der Förderschnecke 50 mit Hilfe eines Antriebs 52 in eine Kammer 53 gefördert.The composite strands 46 are fed in the casting and injection region G to a cutting and conveying screw 50 , with which the strands are cut into small melt sections 51, schematically indicated in FIG. 6, while maintaining the injection temperature substantially corresponding to the extrusion temperature. The cutting process also takes place at injection temperature, so that the strangab sections consist of stretched and reinforced polymer strands with orderly reinforcing fibers. These Strangab sections 51 are conveyed into a chamber 53 by rotating the screw conveyor 50 with the aid of a drive 52 .
Die Schneid- und Förderschnecke 50 ist zudem mit einer Kolbenstange 54 sowie mit einem Kolben 55 eines Differentialzylinders 56 verbunden. Der Kolben kann z. B. pneumatisch verfahren werden, wobei dann die Förderschnecke 50 in Fig. 1 nach links verschoben wird und dadurch die in der Kammer 53 angesammelten schmelzflüssigen Strangab schnitte 51 in eine Spritzform 57 gedrückt werden. Hierdurch wird ein nur angedeutetes Kunststoffteil 58 hergestellt. The cutting and conveying screw 50 is also connected to a piston rod 54 and to a piston 55 of a differential cylinder 56 . The piston can e.g. B. be moved pneumatically, in which case the screw conveyor 50 in Fig. 1 is shifted to the left and thereby the accumulated in the chamber 53 molten Strangab sections 51 are pressed into an injection mold 57 . This produces a plastic part 58, which is only indicated.
Auch in dem Gießbereich G wird die Einspritztemperatur aufrechterhalten, so daß die Reckung der Polymerfasern in den Strangabschnitten nicht verloren geht. Durch die Schneid- und Förderschnecke 50 behalten die Strangabschnit te in plastischer Form zumindest eine gewisse Ausrichtung innerhalb des Gießbereiches, der zumindest teilweise auch in der Spritzform 57 aufrechterhalten wird. Das erkaltete Spritzgußteil ist somit aus gerecktem und verstärktem Verbund-Polymer zusammengesetzt und zeigt eine hohe Festig keit, die teilweise und je nach Thermoplast, wie Nylon 6, Polyamid, Polyester, Polypropylen usw. bis zu 30% höher als bei ungefülltem Polymer liegt.The injection temperature is also maintained in the casting area G, so that the stretching of the polymer fibers in the strand sections is not lost. The cutting and conveying screw 50 keep the strand sections in plastic form at least a certain orientation within the casting area, which is at least partially maintained in the injection mold 57 . The cooled injection molded part is thus composed of stretched and reinforced composite polymer and shows a high strength, which is partly and depending on the thermoplastic, such as nylon 6 , polyamide, polyester, polypropylene, etc. up to 30% higher than with unfilled polymer.
In Fig. 7 ist ein modifizierter Gießbereich G′ einer Spritzgießmaschine dargestellt. An die Kammer 53 schließt sich ein Verteilerblock 60 mit einem zentralen Ventil 61 an, durch das der Materialstrom aus der Kammer gesteuert nacheinander in drei verschiedene Spritzformen 57-1, 57-2 und 57-3 geleitet werden kann. Der Spritzvorgang kann auf diese Weise quasi kontinuierlich erfolgen, wobei auch Spritzgußformen unterschiedlicher Gestalt und mit unter schiedlichen Gewichten in den einzelnen Spritzformen hergestellt werden können. Das Ventil 61 kann hierbei automatisch z. B. mit Hilfe von nur angedeuteten Sensoren 62 gesteuert werden.In Fig. 7, a modified casting area G 'of an injection molding machine is shown. The chamber 53 is followed by a distributor block 60 with a central valve 61 , through which the material flow from the chamber can be guided in succession into three different injection molds 57-1, 57-2 and 57-3 . The injection molding process can be carried out quasi continuously in this way, and injection molds of different shapes and with different weights can be produced in the individual injection molds. The valve 61 can automatically z. B. can be controlled with the help of only indicated sensors 62 .
Es ist selbstverständlich möglich, die gereckten Polymerstränge bereits nach dem ersten Spinn- und Reckvorgang der Schneid- und Förderschnecke zuzuführen, d. h. die Schnecke 50 bei einer Spritzgießmaschine direkt nach dem Formwalzenpaar 32 anzuordnen. Bei einem derartigen einstufigen Verfahren erhält man Spritzgußteile aus gereckten und zerkleinerten Strängen, bei denen die Makromoleküle ebenfalls ausgerichtet sind.It is of course possible to feed the stretched polymer strands to the cutting and conveying screw after the first spinning and stretching process, ie to arrange the screw 50 directly after the pair of molding rolls 32 in an injection molding machine. With such a one-step process, injection molded parts are obtained from stretched and shredded strands in which the macromolecules are also aligned.
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