BR112016029373B1 - método e dispositivo para a troca de ferramenta no processo de soldagem por fricçâo - Google Patents

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Abstract

MÉTODO E DISPOSITIVO PARA A TROCA DE FERRAMENTA RÁPIDA E CONFIÁVEL NO PROCESSO DE SOLDAGEM POR FRICÇÃO. A presente invenção se refere a um método e dispositivo para a troca de ferramenta rápida e confiável no processo de soldagem por fricção com as seguintes características: a) um robô (1) com um cabeçote pivotante de robô (2) e um cabeçote de soldagem por fricção (3) com uma sapata de soldagem (13), sendo que o robô (1) pode selecionar de um magazine de ferramenta (4) um cabeçote de soldagem por fricção (2), b) um dispositivo para o registro das forças mecânicas na ponta do pino de soldagem (14) de cada sapata de soldagem (13) do cabeçote de soldagem por fricção (2), sendo que um sensor (16) está colocado na parte de tronco cônica da ferramenta (11), sendo que está previsto um sensor (21) e sendo que, além disso, no cone de recepção do pino (26) está previsto um sensor (25) e no eixo longitudinal da haste do pino (27) está previsto um sensor de medição de força piezelétrico (24) para a medição da força axial que atua sobre a ponta do pino de soldagem, c) um código de RFDI colocado na haste do pino (27) de cada sapata de soldagem (13) para a identificação, d) um patim de troca (28) previsto em (...).

Description

[001] A invenção se refere a um método e a um dispositivo para a troca de ferramenta rápida e confiável no processo de soldagem por fricção (friction stir welding).
[002] No início dos anos noventa do último século foi desenvolvida a soldagem por fricção, ou também designada soldagem de agitação por fricção. Nesse meio tempo, a soldagem por fricção é empregada com sucesso, entre outros, para a soldagem de ligas de alumínio em muitas áreas industriais relevantes. Neste caso, as aplicações se estendem de peças individuais e séries pequenas até séries maiores. Para o sucesso econômico, além da excelente qualidade do cordão de solda, também contribuem a alta capacidade de reprodução e os pequenos trabalhos de pré-preparação e dispêndios para o pós- processamento. Esse método pode ser muito bem automatizado e permite um monitoramento da qualidade com base em um monitoramento de máquinas.
[003] No caso da soldagem por fricção, na área da junta dos materiais a serem ligados, por meio da fricção entre uma ferramenta girando, ao mesmo tempo movida por translação e colocada com pressão é gerado calor de fricção. A ferramenta é movimentada ao longo da área da junta e agita o material plastificado no interior do cordão dos materiais a serem ligados colidindo um contra o outro. A pressão aplicada comprime o material plastificado. No final desse cordão a ferramenta é retirada da área de ligação e o cordão de solda pode ser imediatamente solicitado.
[004] Do estado da técnica são mencionadas as seguintes publicações:
[005] Do documento de patente alemão DE 20 2012 103 219 U1 é conhecido um dispositivo de soldagem por pressão, ao qual cabe a definição de meta básica de indicar uma tecnologia de soldagem de processo, em particular, tecnologia de soldagem por fricção mais aperfeiçoada do que do conhecido estado da técnica.
[006] Para isso, no preâmbulo da reivindicação 1 partiu-se de um dispositivo de soldagem de processo com um dispositivo de plastificação e um dispositivo de recalque para a fabricação de uma ligação por solda entre partes da peça a ser trabalhada, sendo que, o dispositivo de soldagem de processo apresenta um dispositivo de aperto com um acionamento rotativo que pode girar em torno de um eixo de rotação, para uma primeira parte de peça a ser trabalhada e um outro dispositivo de aperto para uma outra, em particular, segunda parte da peça a ser trabalhada, bem como um dispositivo de avanço para a aproximação recíproca dos dispositivos de aperto.
[007] Para alcançar a definição de meta mencionada, de acordo com as características na caracterização da reivindicação 1 deve ser colocado sob proteção o fato de que o o dispositivo de soldagem por pressão apresenta um meio de medição que mede sem contato para o registro da natureza da superfície e/ou do movimento circular e/ou do movimento plano em uma área de solda no lado frontal de uma parte de peça a ser trabalhada.
[008] Do documento de patente alemão DE 10 2012 010 836 B3, retrocedendo à requerente, são conhecidos um método e um dispositivo para o aperfeiçoamento da qualidade do cordão de solda na soldagem por fricção, os quais se baseiam na definição de meta de elevar o tempo de operação da ferramenta de fricção por agitação de cerca de 2 horas para 15 horas, e elevar a qualidade do cordão da junta, de tal modo que não seja necessário qualquer tipo de pós-processamento. Isto é obtido com um dispositivo com as seguintes características: a) uma placa de recepção 1 com um botão de acionamento 2 e um mancal de fuso 4 para a recepção de uma ponta de soldagem por fricção 9, sendo que, no mancal de fuso 4 desemboca um fuso de transporte 6 que serve para a tarefa de evacuação de material não necessário para aberturas 8 que guiam inclinadamente para fora, b) o eixo longitudinal do mancal de fuso 4 está inclinado em relação à vertical em um ângulo de 2,8 a 3,2 graus, c) a superfície de deslizamento do fuso de rotação é constituída de uma superfície de deslizamento 10 plana e especialmente para a soldagem de cordões em forma de curva de respectivamente uma superfície de deslizamento 11 em si arqueada, se conectando em dois lados situados opostos, inclinada em relação à superfície de deslizamento 11 em um ângulo agudo, d) a ponta de soldagem por fricção 9 apresenta a forma de um tronco de cone, na qual a superfície de cobertura está elevada no meio e, sendo que, a superfície de revestimento do tronco de cone é formada por seis peças de superfície em forma de trapézio, das quais três peças de superfície ficam respectivamente opostas em um ângulo de 120 graus estão distribuídas de maneira uniforme na circunferência, e solicitam uma parte maior que 1/6 na circunferência.
[009] Para o controle exato da compressão axial e do surgimento do momento de torção na soldagem por fricção é importante conhecer os parâmetros do processo mencionados no ponto do processo de soldagem. Sobretudo, então, isto é difícil se nos componentes a serem unidos tiver que ocorrer a medição de força, momento de torção ou similar próximo ao evento de soldagem como, por exemplo, em aplicações de 3D, nos quais, de outro modo, precisa ocorrer uma compensação dispendiosa das forças de gravidade do fuso e da ferramenta.
[0010] Se em um processo de produção forem necessárias diferentes ferramentas para a soldagem por fricção, então em cada troca de ferramenta devem ser considerados os diferentes parâmetros do processo. Por esse motivo, em uma troca da ferramenta precisam ser determinados rapidamente os parâmetros do processo respectivamente necessários e a produção precisa ser ajustada imediatamente aos parâmetros de processo alterados.
[0011] Por isso à presente invenção cabe a tarefa de otimizar o processo de soldagem na soldagem por fricção, de tal modo que os parâmetros de processo determinantes durante uma troca de ferramenta como, por exemplo, a força axial resultante da ferramenta, o momento de torção surgido e a temperatura da ponta do pino de soldagem possam ser ajustados rapidamente e precisamente também após uma troca da ferramenta.
[0012] Essa tarefa é solucionada através do dispositivo de acordo com a reivindicação 1.
[0013] Dispositivo para a troca de ferramenta rápida e segura durante o processo de soldagem por fricção, com as seguintes características: a) um robô 1 com um cabeçote pivotante de robô 2 e um cabeçote de soldagem por fricção 3 fixado no cabeçote pivotante de robô 2 com uma sapata de soldagem 13, sendo que, o robô 1 pode selecionar de um compartimento de ferramenta 4 respectivamente um determinado cabeçote de soldagem por fricção 2, b) um dispositivo para o registro das forças mecânicas na ponta do pino de soldagem 14 de cada sapata de soldagem 13 de um cabeçote de soldagem por fricção 2, sendo que, um sensor 16 no qual está colocado do lado do sino de ferramenta 11 situado oposto à direção de fluxo do processo de soldagem, sendo que, está previsto um sensor 21 para a medição do momento de torção que atua no cone de recepção do pino 26 e do momento de flexão que surge aqui e, sendo que, além disso, no cone de recepção do pino 26 está previsto um sensor 25 e no eixo longitudinal da haste do pino 27 está previsto um sensor de medição de força piezelétrico 24 para a medição da força axial que atua sobre a ponta do pino de soldagem, c) um código de RFDI colocado na haste do pino 27 de cada sapata de soldagem 13 para a identificação, d) um patim de troca 28 previsto em cada sapata de soldagem 13.
[0014] Além disso, é reivindicado o fato de que o sensor 16 apresenta um amplificador de medição 15 associado com uma antena que retransmite os sinais de medição e também é reivindicado que o sino de ferramenta 11 apresenta um amplificador de sinal do sensor com uma antena de rotor 22 para a recepção, amplificação e transmissão de todos os valores de medição registrados, sendo que esses valores de medição são transmitidos de uma antena estática 23 para um controle de máquina. Também é reivindicado que o sino de ferramenta 11 apresenta um sistema de alimentação de corrente indutivo para a alimentação de corrente do sistema de medição, que é constituído de um enrolamento secundário 20 que se movimenta e de um enrolamento primário 19 estacionário, e de uma alimentação de corrente correspondente a eles. Além disso, é reivindicado que um patim de troca da sapata de soldagem 28 está fixado na respectiva sapata de soldagem 13 em um dos lados com um degrau de encaixe em forma de saliência, e no outro lado está fixado por meio de uma ligação mecânica 31 removível.
[0015] ou através do método de acordo com a reivindicação 6:
[0016] Método para a troca de ferramenta rápida e confiável durante o processo de soldagem por fricção, com as seguintes características: a) um robô 1 seleciona de um compartimento de ferramenta 4 um determinado cabeçote de soldagem por fricção 3, apropriado para o processo de soldagem seguinte, para uma peça a ser trabalhada armada em um dispositivo de aperto universal 6, aproxima o compartimento de ferramenta 4 e se liga por meio de uma recepção da ferramenta 7 e de uma placa de encaixe 8 se liga com o respectivo cabeçote de soldagem por fricção 3, b) por meio do transdutor de deslocamento 17 o robô 1 determina o peso do cabeçote de soldagem por fricção 3 encaixado como parâmetro para o controle da máquina e se desloca com o cabeçote de soldagem por fricção 3 para as coordenadas, indicadas pelo controle da máquina, do início do processo de soldagem seguinte, c) durante a realização do processo de soldagem, por meio dos sensores 16, 21, 24, 25, são obtidos os valores de medição físicos relevantes ao processo de soldagem, e em tempo real são transmitidos ao controle da máquina do robô 1, d) após o término do processo de soldagem o robô (1) afasta o respectivo cabeçote de soldagem por fricção 3 da peça a ser trabalhada e repõe o cabeçote de soldagem por fricção 3 de volta no compartimento de ferramenta 4. Além disso é reivindicado que na haste do pino 27 de cada sapata de soldagem 13 está colocado um código de RFDI para identificação. Além disso é reivindicado que em cada sapata de soldagem 13 a troca da superfície de deslizamento e de alisamento pode ocorrer por meio de um patim de troca 28. E é reivindicado que a avaliação dos resultados de medição do sensor 24 também pode ser empregada para o controle da dimensão de comprimento de uma ponta do pino de soldagem e que, durante ou após o processo de soldagem, por meio de uma conexão especial, pode ser fornecido ar de alimentação e/ou líquido de limpeza. É reivindicado um programa de computador com um código de programa para a realização das etapas do método se o programa for executado em um computador, bem como um suporte legível por máquina para a realização do método se o programa for executado em um computador.
[0017] A seguir o dispositivo de acordo com a invenção será descrito em detalhes. Em detalhes são mostrados: Fig. 1: uma estação para uma troca de ferramenta rápida Fig. 2: o emprego de uma ferramenta especial Fig. 3: várias ferramentas diferentes para a soldagem por fricção Fig. 4: a seção transversal de um sino de ferramenta Fig. 5: uma execução especial de sapatas de soldagem 13 Fig. 6: uma medida de identificação na haste do pino 27
[0018] A fig.1 mostra uma estação para uma troca de ferramenta rápida.
[0019] Com 1 está designada a estrutura básica de um robô com um cabeçote pivotante de robô 2 e um cabeçote de soldagem por fricção 3 fixado nele.
[0020] Na proximidade de um dispositivo de aperto universal 6, para a recepção dos componentes de uma peça a ser trabalhada 5 a serem unidos, se encontra um compartimento de ferramenta 4 executado de acordo com o trabalho de soldagem intencionado.
[0021] A fig. 2 mostra o emprego de uma ferramenta especial.
[0022] Por sua vez, de cima, pode ser reconhecido o cabeçote pivotante de robô 2, o qual, nessa fig. 2, está ligado com uma recepção da ferramenta e dispositivo de encaixe 7 e com uma placa de encaixe 8 subsequente para o cabeçote de soldagem por fricção 3, sendo que, entre a placa de encaixe 8 e o cabeçote de soldagem por fricção 3, estão ligados transdutores de deslocamento 17. Os transdutores de deslocamento 17 servem para o registro do peso suspenso no dispositivo de encaixe 7, em essência, do cabeçote de soldagem por fricção 3. Uma placa de fixação 9 para um flange dos sinos de ferramenta 10 seguinte vem em seguida ao cabeçote de soldagem por fricção 3. O flange dos sinos de ferramenta 10 serve para a retenção de um sino de ferramenta 11, o qual, por meio de uma porca de união 12, segura uma sapata de soldagem 13. Na sapata de soldagem 13, é colocada então, uma ponta do pino de soldagem 14, a qual, no processo da soldagem por fricção propriamente dito, toma parte com os participantes da junta a ser unida de uma peça a ser trabalhada 5.
[0023] Como linha traçada grossa na borda esquerda do sino de ferramenta 11, pode ser reconhecido um sensor 16 de forma linear, o qual está colocado no lado do sino de ferramenta 11 oposto à direção de fluxo do processo de soldagem, e no qual, embaixo, está caracterizado um amplificador de medição 15 associado, com uma antena, que transmite os sinais de medição.
[0024] A fig. 3 mostra várias ferramentas diferentes para a soldagem por fricção. Neste caso, nas figuras de 3a até 3d estão ilustradas diversas sapatas de soldagem 13 diferentes para especiais processos de soldagem diferentes. Desse modo, por exemplo, a fig. 3c) mostra uma sapata de soldagem para o processamento de materiais de diferentes espessuras, e a fig. 3d) mostra uma sapata de soldagem para o processamento de cordões de solda de filete.
[0025] A fig. 4 mostra a seção transversal de um sino de ferramenta.
[0026] Neste caso, está representado estilizado um sino de ferramenta 11 em corte com um cone de recepção do pino 26. Nessa metade inferior aqui mostrada do sino de ferramenta 11 podem ser vistos aqui de novo o sensor 16 já descrito anteriormente e o amplificador 15 associado com sua antena.
[0027] Neste caso, o cone de recepção do pino 26 mostrado com sua haste do pino 27 deixa reconhecer em sua área mais larga uma medida regular de cone 18 para a recepção de um sensor 21. O estreitamento mecânico da seção transversal através da medida regular de cone 18 e a colocação do sensor 21 ocorrida neste local tornam possível a medição do momento de torção que atua sobre o cone de recepção do pino 26 e a medição de um momento de flexão que surge neste caso.
[0028] A transmissão de sinais dos valores de medição determinados pelo sensor 21 ocorre através de um amplificador de sinal 22 rotativo, ligado com o cone de recepção do pino 26 e de uma antena do rotor. A recepção e a transmissão dos valores de medição determinados pelo sensor 21 ocorre através de uma antena 23 estaticamente fixa.
[0029] Na área dianteira do cone de recepção do pino 26 se encontra uma outra medida regular, não indicada em detalhes, que dá espaço a um sensor 25 e que torna possível a medição da força axial que atua diretamente sobre a haste do pino 27 e, com isso sobre a ponta do pino de soldagem 14.
[0030] De modo opcional, no eixo longitudinal da haste do pino 27 se encontra um sensor de medição de força piezelétrico 24 que serve do mesmo modo para a medição da força axial e por meio do qual também é possível a medição do comprimento de uma ponta do pino de soldagem.
[0031] Para a alimentação de corrente dos sistemas de medição descritos é usada uma alimentação de corrente indutiva, cujo enrolamento primário estático é designado com 19, e cujo enrolamento secundário móvel é designado com 20. Além disso, pode estar previsto que durante ou após o processo de soldagem possa ser conduzido ar de alimentação e/ou líquido de limpeza por meio de uma conexão especial.
[0032] A fig. 5 mostra uma execução especial das sapatas de soldagem 13.
[0033] Na fig. 5a está representada uma vista lateral de uma sapata de soldagem 13, a qual apresenta um patim de troca da sapata de soldagem 28 substituível, sendo que, também podem ocorrer empregos com simetria de rotação e em forma de plaquetas. Uma vez que, a parte inferior em forma de patim de uma sapata de soldagem está sujeita a um desgaste, está previsto executar essa parte inferior em forma de patim substituível. Um patim de troca da sapata de soldagem 28 desse tipo está provido, no lado mostrado aqui à esquerda, de um degrau de encaixe em forma de saliência, e é fixado no lado situado oposto por meio de uma ligação 31 mecânica removível, por exemplo, na forma de um parafuso de fixação. Além disso, aqui podem ser reconhecidas a garganta do pino 30 e a ponta do pino 29.
[0034] Na vista da fig. 5b está representada a mesma sapata de soldagem girada em ângulo reto. Além disso, nas duas representações está desenhada a haste do pino 27.
[0035] Na fig. 5c pode ser vista a sapata de soldagem 13 da fig. 5a com o patim de troca da sapata de soldagem 28 e a ligação mecânica 31 na seção transversal.
[0036] A fig.5d mostra a sapata de soldagem da fig. 5b a partir da vista do lado inferior. Aqui estão desenhados por sua vez o patim de troca da sapata de soldagem 28, a ponta do pino 29 e a garganta do pino 30.
[0037] Na representação da fig. 5e pode ser vista inclinadamente por baixo a sapata de soldagem com seu cabeçote de troca da sapata de soldagem 28 em vista espacial.
[0038] A fig. 6 mostra uma medida de identificação na haste do pino 27.
[0039] A fim de poder identificar produções especiais das sapatas de soldagem de acordo com a invenção, está previsto colocar um código de RFDI 32 na haste do pino 27 de uma sapata de soldagem desse tipo. Além disso, na fig. 6 estão desenhadas a garganta do pino 30 e a ponta do pino 29.
[0040] O controle complexo das sequências de movimento descritas requer um programa de controle especial. Lista dos números de referência 1 robô 2 cabeçote pivotante de robô 3 cabeçote de soldagem por fricção 4 compartimento de ferramenta 5 peça a ser trabalhada 6 dispositivo de aperto universal para recepção da peça a ser trabalhada 7 recepção da ferramenta e dispositivo de encaixe 8 placa de encaixe para o cabeçote de soldagem por fricção 3 9 placa de fixação para o flange dos sinos de ferramenta 10 flange dos sinos de ferramenta 11 sino de ferramenta 12 porca de união 13 sapata de soldagem 14 ponta do pino de soldagem 15 amplificador do sinal de medição de um sino de ferramenta e antena 16 sensor no sino de ferramenta (tira de medição por dilatação) 17 transdutor de deslocamento para a placa de encaixe 8 do cabeçote de soldagem por fricção 3 18 medida regular de cone para a recepção de um sensor (ponto elástico) 19 enrolamento primário da alimentação de corrente indutiva 20 enrolamento secundário da alimentação de corrente indutiva 21 sensor (DMS) para o cone de recepção de ferramenta indutiva (pino) 22 amplificador de sinal do sensor e antena de rotor 23 antena estática 24 sensor de medição de força piezelétrico 25 sensor para a medição da força axial 26 cone de recepção do pino 27 haste do pino 28 patim de troca da sapata de soldagem 29 ponta do pino 30 garganta do pino 31 ligação mecânica removível 32 código RFDI

Claims (6)

1. Dispositivo para a troca de ferramenta rápida e segura durante o processo de soldagem por fricção, compreendendo: um robô (1) com um cabeçote pivotante de robô (2) e um cabeçote de soldagem por fricção (3) fixado no cabeçote pivotante de robô (2) com uma sapata de soldagem (13), sendo que o robô (1) pode selecionar de um compartimento de ferramenta (4), respectivamente, um determinado cabeçote de soldagem por fricção (3), caracterizado pelo fato de que a) um dispositivo para o registro das forças mecânicas na ponta do pino de soldagem (14) de cada sapata de soldagem (13) de um cabeçote de soldagem por fricção (3), sendo que um sensor (16), está colocado do lado do sino de ferramenta (11) situado oposto à direção de fluxo do processo de soldagem, sendo que está previsto um sensor (21) para a medição do momento de torção que atua no cone de recepção do pino (26) e do momento de flexão que surge aqui e, sendo que, além disso, no cone de recepção do pino (26) está previsto um sensor (25), e no eixo longitudinal da haste de um pino (27) está previsto um sensor de medição de força piezelétrico (24) para a medição da força axial que atua sobre a ponta do pino de soldagem (14), b) um código de RFDI colocado na haste do pino (27) de cada sapata de soldagem (13) para a identificação, c) um patim de troca (28) previsto em cada sapata de soldagem (13).
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor (16) apresenta um amplificador de medição (15) associado com uma antena que retransmite os sinais de medição.
3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o sino de ferramenta (11) apresenta um amplificador de sinal do sensor com uma antena de rotor (22) para a recepção, amplificação e transmissão de todos os valores de medição registrados, sendo que esses valores de medição são transmitidos de uma antena estática (23) para um controle de máquina.
4. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o sino de ferramenta (11) apresenta um sistema de alimentação de corrente indutivo para a alimentação de corrente do sistema de medição, que é constituído de um enrolamento secundário (20) que se movimenta, e de um enrolamento primário (19) estacionário, e de uma alimentação de corrente correspondente a eles.
5. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que um patim de troca da sapata de soldagem (28) está fixado na respectiva sapata de soldagem (13) em um dos lados, com um degrau de encaixe em forma de saliência, e no outro lado está fixado por meio de uma ligação mecânica (31) removível.
6. Método para a troca de ferramenta rápida e confiável durante o processo de soldagem por fricção, em que: um robô (1) seleciona de um compartimento de ferramenta (4), um determinado cabeçote de soldagem por fricção (3) apropriado para o processo de soldagem seguinte para uma peça a ser trabalhada, armada em um dispositivo de aperto universal (6), aproxima o compartimento de ferramenta (4) e se liga por meio de uma recepção da ferramenta (7) e de uma placa de encaixe (8), com o respectivo cabeçote de soldagem por fricção (3), após o término do processo de soldagem, o robô (1) afasta o respectivo cabeçote de soldagem por fricção (3) da peça a ser trabalhada, e recoloca o cabeçote de soldagem por fricção (3) de volta no compartimento de ferramenta (4), caracterizado pelo fato de que a) por meio do transdutor de deslocamento (17), o robô (1) determina o peso do cabeçote de soldagem por fricção (3), encaixado como parâmetro para o controle da máquina, e se desloca com o cabeçote de soldagem por fricção (3) para as coordenadas, indicadas pelo controle da máquina, do início do processo de soldagem seguinte, b) durante a realização do processo de soldagem, por meio dos sensores (16, 21, 24, 25), são obtidos os valores de medição físicos relevantes ao processo de soldagem, e em tempo real, são transmitidos ao controle da máquina do robô (1), sendo que um sensor (16), está colocado do lado do sino de ferramenta (11) situado oposto à direção de fluxo do processo de soldagem, sendo que está previsto um sensor (21) para a medição do momento de torção que atua no cone de recepção do pino (26) e do momento de flexão que surge aqui e, sendo que, além disso, no cone de recepção do pino (26) está previsto um sensor (25), e no eixo longitudinal da haste de um pino (27) está previsto um sensor de medição de força piezelétrico (24) para a medição da força axial que atua sobre a ponta do pino de soldagem (14), em que um código de RFDI é colocado na haste do pino (27) de cada sapata de soldagem (13) para a identificação, e em que na haste do pino (27) de cada sapata de soldagem (13), está colocado um código de RFDI (32) para identificação, em que para alterar uma face deslizante e alisadora em cada sapata de soldagem (13), a troca da superfície de deslizamento e de alisamento pode ocorrer por meio de um patim de troca (28).
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