AT401751B - METHOD FOR PRODUCING ELongated PROFILED PARTS AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THE METHOD - Google Patents

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Description

ΑΤ 401 751 ΒΑΤ 401 751 Β

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von langgestreckten profilierten Teilen aus Thermoplasthalbzeugen, bei dem die Halbzeuge beim Durchlaufen eines einen Spalt enthaltenden Formwerkzeuges aufgeheizt, gepreßt und gekühlt werden und dabei ihr Profil von einem Ausgangsprofil bis zu einem gewünschten Profil geändert wird und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem einen Spalt enthaltenden Formwerkzeug mit einer Heizzone, einer Preßzone und einer Kühlzone, wobei sich die Form des Spalts vom Ausgangsprofil stetig zum gewünschten Profil ändert.The invention relates to a method for producing elongated profiled parts from thermoplastic semifinished products, in which the semifinished products are heated, pressed and cooled as they pass through a mold containing a gap, and their profile is changed from an initial profile to a desired profile and to one Apparatus for carrying out this method with a mold containing a gap with a heating zone, a pressing zone and a cooling zone, the shape of the gap constantly changing from the starting profile to the desired profile.

Solche Halbzeuge sind Vorprodukte für Faserverbundbauteile, wie z.B. Prepregs, Mischgewebe, im Filmstackingverfahren vorbereitete Bahnen, mit Harz getränkte oder beschichtete Gewebe oder Faserlagen oder deren Kombinationen.Such semi-finished products are intermediate products for fiber composite components, e.g. Prepregs, mixed fabrics, webs prepared in the film stacking process, fabrics impregnated or coated with resin or fiber layers or their combinations.

Stringer aus faserverstärkten Thermoplasten werden derzeit im Autoklaven z.B. durch Diaphragm Forming oder in der Preßtechnik hergestellt. Dabei ist die Länge der Teile durch das Formwerkzeug oder die Pressengröße begrenzt. Durch hohe Vorbereitungskosten des Autoklavlayups, lange Zykluszeiten und hohen Hilfsmaterialverbrauch (Dichtkitt, Folien, Sauggewebe) kann dieses Verfahren nur bedingt zur Serienfertigung von langen Stringern verwendet werden. Kompliziertere Formen wie z.B. U- oder Z-Profile sind mit diesen Verfahren nur relativ schwer zu realisieren.Stringers made of fiber-reinforced thermoplastics are currently used in autoclaves e.g. manufactured by diaphragm forming or in the pressing technique. The length of the parts is limited by the mold or the size of the press. Due to the high preparation costs of the autoclave lay-up, long cycle times and high auxiliary material consumption (sealing putty, foils, absorbent fabric), this process can only be used to a limited extent for the series production of long stringers. More complicated forms such as U or Z profiles are relatively difficult to achieve with this method.

Durch Extrusion können zwar komplizierte Profilformen hergestellt werden, diese sind jedoch nur kurzfaserverstärkt oder unidirektional-endlosfaserverstärkt zu fertigen.Complicated profile shapes can be produced by extrusion, but they can only be produced with short fibers or unidirectionally with continuous fibers.

Aus der EP 3 83 290 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Herstellen von langgestreckten profilierten Teilen aus Thermoplasthalbzeugen (Prepregs) bekannt, bei dem die Halbzeuge beim Durchlaufen eines einen Spalt enthaltenden Formwerkzeuges aufgeheizt, gepreßt und gekühlt werden und dabei ihr Profil stetig von einem Ausgangsprofil bis zu einem gewünschten Profil geändert wird. Das Verfahren ist ein Pultrusionsverfahren, ein kontinuierliches Durchziehen durch einen festen Formspalt, das nur dann anwendbar ist, wenn der zu verformende Gegenstand auch oberhalb der Erweichungstemperatur noch eine ausreichende Zugfestigkeit hat.EP 3 83 290 A1 discloses a generic method for producing elongated profiled parts from thermoplastic semifinished products (prepregs), in which the semifinished products are heated, pressed and cooled as they pass through a mold containing a gap, and their profile is continuously from an initial profile to is changed to a desired profile. The process is a pultrusion process, a continuous drawing through a solid mold gap, which can only be used if the object to be deformed still has sufficient tensile strength above the softening temperature.

Ein ähnliches, ebenfalls kontinuierliches Pultrusionsverfahren ist aus der EP 2 71 026 A2 bekannt. Auch hier muß der zu verformende Gegenstand eine relativ hohe Zugfestigkeit oberhalb seiner Erweichungstemperatur aufweisen.A similar, also continuous pultrusion process is known from EP 2 71 026 A2. Here too, the object to be deformed must have a relatively high tensile strength above its softening temperature.

Aus der US 43 75 350 ist ein Verfahren zum taktweisen Pressen von Platten aus Kunststoff bekannt. Die Platten werden dabei gepreßt, aber nicht verformt in dem Sinn, daß sie hinterher eine andere Form (nicht rechteckiger Querschnitt) haben als vorher (rechteckiger Querschnitt). Sie werden lediglich in einer Richtung gepreßt, wobei sich die Dicke verringert und die Breite durch das abfließende Material erhöht. Zum Erzeugen neuer Former (nicht rechteckiger Querschnitt) gibt diese Literaturstelle keine Hinweise.From US 43 75 350 a method for the intermittent pressing of plastic plates is known. The plates are pressed but not deformed in the sense that they have a different shape afterwards (non-rectangular cross-section) than before (rectangular cross-section). They are pressed only in one direction, the thickness decreasing and the width increased by the flowing material. This reference does not provide any information on creating new molders (non-rectangular cross-section).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von - insbesondere endlosfaserverstärkten - Profilen zu schaffen, das auch an Prepregs anwendbar ist, die nicht durch Pultrusion verformbar sind.The object of the invention is to provide a method for the cost-effective production of - in particular continuous fiber-reinforced - profiles, which can also be used on prepregs which cannot be deformed by pultrusion.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß die Formänderung der Halbzeuge vorgenommen wird, indem das Formwerkzeug um die feststehenden Halbzeuge geschlossen wird, daß anschließend die Halbzeuge bei geöffnetem Formwerkzeug weiter bewegt und der Vorgang wiederholt wird.According to the invention, this object is achieved by changing the shape of the semi-finished products by closing the mold around the stationary semi-finished products, then moving the semi-finished products further with the mold open, and repeating the process.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug zwei oder mehrteilig ausgebildet ist und sich im Spalt taktweise öffnen und schließen läßt und daß ein taktweiser, auf die Öffnungsbewegung des Formwerkzeuges abgestimmter Vorschub vorgesehen ist.The device for carrying out the method is characterized in that the molding tool is constructed in two or more parts and can be opened and closed intermittently in the gap, and that a cyclical feed adapted to the opening movement of the molding tool is provided.

Die Erfindung arbeitet mit einer (quasi-) kontinuierlichen Preßtechnik. Die im gewünschten Lagenaufbau vorgefertigten Prepregbänder werden - eventuell bereits durch Führungsrollen kalt vorgeformt - im Werkzeug in einer Heizzone auf Schmelztemperatur gebracht und weiter in Kontur geformt. Die Heizzone ist bevorzugt so ausgelegt, daß das vorgewärmte Material noch nicht verpreßt wird. Durch den Vorschub gelangt das Material in die Preßzone, in der der eigentliche Formgebungsprozeß stattfindet. Nach dem Preßzyklus wird das Material in die von der Preßzone thermisch isolierte - aber bevorzugt nicht mechanisch getrennte - Kühlzone befördert, in der es (z.B. auf Raumtemperatur) abgekühlt wird. Der Vorschub erfolgt z.B. über Pneumatikzylinder und Schlitten, die über eine Steuereinheit mit der Presse koordiniert sind.The invention works with a (quasi) continuous press technique. The prepreg tapes, which are prefabricated in the desired layer structure, are brought to the melting temperature in a heating zone in the mold and further shaped into contours - possibly already cold-formed by guide rollers. The heating zone is preferably designed so that the preheated material is not yet compressed. The feed moves the material into the press zone in which the actual shaping process takes place. After the pressing cycle, the material is transported to the cooling zone, which is thermally insulated - but preferably not mechanically separated - from the pressing zone, where it is cooled (e.g. to room temperature). The feed takes place e.g. via pneumatic cylinders and slides, which are coordinated with the press via a control unit.

Die erfindungsgemäße (quasi-) kontinuierliche Preßtechnik bietet folgende Vorteile: - Direkte Herstellung von Profilen aus einzelnen Prepregs - Volle Automatisierung des Verfahrens möglich - Bedienung des Werkzeugs auch von angelerntem Arbeiter möglich - Geringe Fertigungskosten - Verarbeitung von allen Thermoplastprepregs (endlosfaserverstärkt, gewebeverstärkt, kurzfaserverstärkt) möglich - Herstellung fast aller im Flugzeugbau üblichen Profile möglich - Beliebiger Lagenaufbau und beliebige Anzahl von Lagen möglich 2The (quasi) continuous press technology according to the invention offers the following advantages: - Direct production of profiles from individual prepregs - Full automation of the process possible - Tool operation also possible by trained workers - Low manufacturing costs - Processing of all thermoplastic prepregs (continuous fiber reinforced, fabric reinforced, short fiber reinforced) possible - production of almost all profiles common in aircraft construction possible - any layer structure and any number of layers possible 2

AT 401 751 B - Kurze Zykluszeiten (Vorschub z.B. über 60 mm/min, durch Verlängerung und Optimierung des Werkzeugs sind noch höhere Vorschübe möglich) - Durch relativ geringe Preßdrücke keine hohen Anforderungen an die Presse, das heißt niedrige Investitionskosten gegenüber der Autoklavtechnik - Relativ kleines und kompaktes Werkzeug - Bei Heizung und Kühlung im selben Werkzeug keine Abdrücke von Trennkanten im fertigen Bauteil.AT 401 751 B - Short cycle times (feed, for example, over 60 mm / min, even higher feeds are possible by lengthening and optimizing the tool) - Due to the relatively low pressing pressures, no high demands on the press, i.e. low investment costs compared to the autoclave technology - Relatively small and compact tool - With heating and cooling in the same tool, no marks from separating edges in the finished component.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Vorschub taktweise. Der Vorschub erfolgt z.B. mit Hydraulikzylindern, die das an einem Schlitten befestigte Halbzeug durch die Preßvorrichtung ziehen. Dabei öffnen sich die Teile der Formpresse im Takt, um den Vorschub zu ermöglichen.In a preferred embodiment, the feed takes place in cycles. The feed takes place e.g. with hydraulic cylinders that pull the semi-finished product fastened to a slide through the pressing device. The parts of the molding press open in time to allow the feed.

Die Aufheizung des Werkstückes erfolgt bevorzugt mit Heizpatronen, die in der Heizzone und/oder in der Preßzone des Formwerkzeugs angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung ist die Preßzone thermisch von der Kühlzone isoliert. Dies kann durch einen mehrteiligen Aufbau mit einer Trennfuge zwischen diesen Formteilen oder bevorzugt durch Bohrungen innerhalb eines durchgehenden Formteils erfolgen. Die Bohrungen verringern den Wärmetransport durch Wärmeleitung von der Preßzone in die Kühlzone. Die Kühlung erfolgt z.B. durch Wasser oder Pressluft.The workpiece is preferably heated using heating cartridges which are arranged in the heating zone and / or in the pressing zone of the molding tool. In a preferred embodiment of the device, the pressing zone is thermally insulated from the cooling zone. This can be done by a multi-part structure with a parting line between these molded parts or preferably by bores within a continuous molded part. The bores reduce the heat transfer by conduction from the press zone into the cooling zone. The cooling takes place e.g. by water or compressed air.

In einer weitere Ausführung können vor der Heizzone eine oder mehrere Führungsrollen vorgesehen sein, die durch ihre gegenseitige Stellung zueinander das kalte Halbzeug (Prepreg) bereits vorformen.In a further embodiment, one or more guide rollers can be provided in front of the heating zone, which already preform the cold semi-finished product (prepreg) due to their mutual position with respect to one another.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann wie folgt optimiert sein: - Durch Ultraschallscan während der Verarbeitung ist eine kontinuierliche Qualitätssicherung möglich. - Durch Computersteuerung kann über Dicken- und Winkelkontrolle direkt der Fertigungsprozeß überwacht und es können die Verfahrensparameter optimiert werden. - Durch ein Rollenmagazin und die Bereitstellung von Prepregs mit verschiedenen Winkeln ist ein Wechsel des Lagenaufbaus und der Lagenzahl während des Betriebs möglich. - Die Endbearbeitung (Rautern der Kanten, Bohren von Nietlöchern) kann in den Fertigungsprozeß einbezogen wergen.The device according to the invention can be optimized as follows: Continuous quality assurance is possible by means of ultrasound scanning during processing. - The computer control can directly control the manufacturing process via thickness and angle control and the process parameters can be optimized. - A roller magazine and the provision of prepregs with different angles make it possible to change the layer structure and the number of layers during operation. - The finishing (roughing the edges, drilling rivet holes) can be included in the manufacturing process.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind folgende Verfahrensparameter wesentlich und werden entsprechend den verwendeten Materialien eingestellt: - Temperatur der Heizzone - Temperatur der Preßzone - Preßdruck - Preßzeit - Vorschub.In the process according to the invention, the following process parameters are essential and are set according to the materials used: - temperature of the heating zone - temperature of the press zone - press pressure - press time - feed.

Die Erfindung wird anhand von vier Figuren näher erläutert.The invention is illustrated by four figures.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 das Arbeitsprinzip,1 shows the principle of operation,

Fig. 2 und 3 Ausführungen von erfindungsgemäßen Vorrichtungen,2 and 3 versions of devices according to the invention,

Fig. 4 eine Auswahl herstellbarer Profile.Fig. 4 shows a selection of producible profiles.

Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Arbeitsprinzip. Ein Prepregstreifen PP wird vom Vorschub V durch das Formwerkzeug befördert, dessen wesentlicher Teil aus der Heizzone HZ, der Preßzone PZ und der Kühlzone KZ besteht. Das Formwerkzeug besteht hier aus zwei Teilen, die durch den Preßdruck (durch Pfeile angedeutet) gegeneinander beweglich sind und die einen Spalt bilden, der am Anfang der Heizzone HZ in etwa dem Profil des Prepregstreifens PP entspricht und der am Anfang der Preßzone PZ und in der Kühlzone KZ dem gewünschten Profil PR des profilierten Teiles entspricht. In dieser Ausführung ist das Oberteil der Formpresse und das Unterteil aus je einem Stück gefertigt, die Stücke ziehen sich also über die Heizzone HZ und die Preßzone PZ bis zur Kühlzone KZ. Die thermische Isolierung zwischen Preßzone PZ und Kühlzone KZ ist hier durch die Isolationsbohrungen IB realisiert. Möglich, aber nicht gezeigt, ist auch der Aufbau jedes der Formwerkzeuge aus drei oder mehr Teilen, die für sich getrennt sind, so können z.B. nur die Teile, die die Preßzone PZ bilden, durch Preßdruck beweglich ausgebildet sein.Fig. 1 shows the working principle according to the invention. A prepreg strip PP is conveyed from the feed V through the molding tool, the essential part of which consists of the heating zone HZ, the pressing zone PZ and the cooling zone KZ. The mold here consists of two parts that are movable against each other by the pressing pressure (indicated by arrows) and that form a gap that corresponds approximately to the profile of the prepreg strip PP at the beginning of the heating zone HZ and that at the beginning of the pressing zone PZ and in Cooling zone KZ corresponds to the desired profile PR of the profiled part. In this version, the upper part of the molding press and the lower part are each made from one piece, so the pieces extend over the heating zone HZ and the pressing zone PZ to the cooling zone KZ. The thermal insulation between the press zone PZ and the cooling zone KZ is realized here by the insulation holes IB. Possible, but not shown, is the construction of each of the molds from three or more parts that are separate, for example, only the parts that form the pressing zone PZ can be designed to be movable by pressing pressure.

Fig. 2 zeigt ein vollautomatisches L-Profilwerkzeug, mit dem bei der Herstellung von Profilen aus APC-2 (Kohlenstoffaser/PEEK-Prepregs) und PA (Aramid/Polyamid-Mischgewebe) und PEI (Gasfa-ser/Polyetherimid-Mischgewebe) sehr gute Ergebnisse erzielt wurden. Mit dieser Vorrichtung werden z.B. L-Profile hergestellt.Fig. 2 shows a fully automatic L-profile tool, with which very good in the production of profiles from APC-2 (carbon fiber / PEEK prepregs) and PA (aramid / polyamide blend) and PEI (gas fiber / polyetherimide blend) Results were achieved. With this device e.g. L-profiles made.

Der zu verformende Prepregstreifen PP wird von einer Vorratsrolle VR abgezogen. In dieser Ausführung gelangt der Prepregstreifen zwischen Führungsrollen FR, die dem Streifen bereits eine Vorformung geben, der Prepregstreifen PP gelangt dann in das eigentliche Formwerkzeug mit den Bauteilen Heizzone HZ, Preßzone PZ und Kühlzone KZ. Der vom Preßwerkzeug gebildete Spalt ändert seine Form erfindungsgemäß stetig oder kontinuierlich vom Eintritt vor der Heizzone HZ bis zur Preßzone PZ, wo er dem gewünschten Profil PR (hier einer L-Form) entspricht. Der Vorschub V ist hier durch einen pneumatisch 3The prepreg strip PP to be deformed is drawn off from a supply roll VR. In this embodiment, the prepreg strip comes between guide rollers FR, which already give the strip a preform, the prepreg strip PP then enters the actual molding tool with the components heating zone HZ, pressing zone PZ and cooling zone KZ. The gap formed by the pressing tool changes its shape according to the invention continuously or continuously from the entry in front of the heating zone HZ to the pressing zone PZ, where it corresponds to the desired profile PR (here an L-shape). The feed V is here by a pneumatic 3

Claims (5)

AT 401 751 B bewegten Schlitten realisiert, dessen Bewegung mit dem Auf- und Zugehen der Formwerkzeuge koordiniert ist. Gearbeitet wurde bisher mit Vorschüben im Bereich von 5 bis 30 mm bei Preßzeiten von 10 bis 30 sec, Preßdrücken von 10 bis 20 bar und Laminattemperaturen von 200 bis 400* C. In einem Beispiel liegt der Vorschub für einen 1 mm-dicken L-Stringer aus APC-2 bei ca. 10 mm bei einer Preßzeit von 20 sec, einem Preßdruck von 11 bar und einer Laminattemperatur von ca. 355’ C. Fig. 3 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Herstellung von U-Profilen. Die Fig. 3 zeigt die Vorrichtung im Schnitt quer durch das zu verformende Werkstück. Zu erkennen ist die Grundplatte GP mit den Führungen, die Preßzylinder PN, die hier pneumatisch angesteuert sind, und die Heizpatronen HP in den beweglichen Teilen des Formwerkzeugs. Der Vorschub erfolgt hier wieder quasi-kontinuierlich, gesteuert zusammen mit den Pneumatikzylindern PN. Die Bewegungsrichtungen der Pneumatikzylinder sind durch die Doppelpfeile angedeutet. Fig. 4 zeigt beispielhaft einige Profile, die mit dem erfindungsgemäßen Preßverfahren herstellbar sind. Dies sind hier ein L-Profil, ein L-Profil mit Bördel, ein U-Profil, ein U-Profil mit Bördel, ein LZ-Profil, ein Z-Profil mit Bördel, ein Z-Profil mit rundem Bördel, ein A-Profil, ein halbrundes A-Profil oder verschiedene Wellholmprofile. Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von langgestreckten profilierten Teilen (Profile PR) aus Thermoplasthalbzeugen (Prepregs PP), bei dem die Halbzeuge (PP) beim Durchlaufen eines einen Spalt enthaltenden Formwerkzeuges aufgeheizt, gepreßt und gekühlt werden und dabei ihr Profil von einem Ausgangsprofil bis zu einem gewünschten Profil geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Formänderung der Halbzeuge (PP) vorgenommen wird, indem das Formwerkzeug um die feststehenden Halbzeuge (PP) geschlossen wird, daß anschließend die Halbzeuge (PP) bei geöffnetem Formwerkzeug weiter bewegt und der Vorgang wiederholt wird.AT 401 751 B realized moving carriage, the movement of which is coordinated with the opening and closing of the molds. So far, feeds in the range of 5 to 30 mm with pressing times of 10 to 30 seconds, pressing pressures of 10 to 20 bar and laminate temperatures of 200 to 400 * C have been used. In one example, the feed is for a 1 mm thick L-stringer from APC-2 at approx. 10 mm with a press time of 20 sec, a press pressure of 11 bar and a laminate temperature of approx. 355 'C. Fig. 3 shows a schematic diagram of a device for producing U-profiles. Fig. 3 shows the device in section across the workpiece to be deformed. You can see the base plate GP with the guides, the press cylinders PN, which are pneumatically controlled here, and the heating cartridges HP in the moving parts of the mold. The feed is again quasi-continuous, controlled together with the pneumatic cylinders PN. The directions of movement of the pneumatic cylinders are indicated by the double arrows. Fig. 4 shows an example of some profiles that can be produced with the pressing method according to the invention. These are an L-profile, an L-profile with a flange, a U-profile, a U-profile with a flange, an LZ-profile, a Z-profile with a flange, a Z-profile with a round flange, an A- Profile, a semicircular A-profile or various Wellholm profiles. 1. Process for the production of elongated profiled parts (Profil PR) from thermoplastic semifinished products (prepregs PP), in which the semifinished products (PP) are heated, pressed and cooled while passing through a mold containing a gap and thereby their profile from an initial profile up to a desired profile is changed, characterized in that the shape change of the semifinished products (PP) is carried out by closing the mold around the fixed semifinished products (PP), then moving the semifinished products (PP) further with the mold open and the process being repeated . 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem einen Spalt enthaltenden Formwerkzeug mit einer Heizzone (HZ), einer Preßzone (PZ) und einer Kühlzone (KZ), wobei sich die Form des Spalts vom Ausgangsprofil stetig zum gewünschten Profil ändert, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug zwei oder mehrteilig ausgebildet ist und sich im Spalt taktweise öffnen und schließen läßt und daß ein taktweiser, auf die Öffnungsbewegung des Formwerkzeuges abgestimmter Vorschub (V) vorgesehen ist.2. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, with a mold containing a gap with a heating zone (HZ), a pressing zone (PZ) and a cooling zone (KZ), the shape of the gap constantly changing from the initial profile to the desired profile, characterized in that the molding tool is formed in two or more parts and can be opened and closed intermittently in the gap and in that a cyclical feed (V) is provided which is matched to the opening movement of the molding tool. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Heizpatronen (HP) in der Heizzone (HP) und/oder in der Preßzone (PZ).3. Device according to claim 2, characterized by heating cartridges (HP) in the heating zone (HP) and / or in the press zone (PZ). 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Isolierung zwischen Preßzone (PZ) und Kühlzone (KZ), insbesondere in Form von Bohrungen.4. Device according to one of claims 2 or 3, characterized by insulation between the pressing zone (PZ) and cooling zone (KZ), in particular in the form of bores. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch Führungsrollen (FR) vor der Heizzone (HZ). Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 45. Device according to one of claims 2 to 4, characterized by guide rollers (FR) in front of the heating zone (HZ). Including 4 sheets of drawings 4
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