CN101570081B - 用于高速相变油墨图像生成机器的阀组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于高速固态油墨输送的快速响应单向阀。具体而言,本发明提供一种用于高速相变油墨图像生成机器的阀组件,该阀组件位于第一存储储存器和第二存储储存器之间,第一存储储存器用于容纳和保持来自油墨源的第一体积的熔化油墨,第二存储储存器用于保持在压力下输送给打印头系统的第二体积的熔化油墨。阀组件包括被动阀盘,该被动阀盘可从阀盘邻接阀座成密封接触的闭合位置运动到所述阀盘由倾斜表面支承的打开位置。阀盘的上部未受支承且阀盘后面的引流表面沿着该上部引导流体流动以帮助闭合阀。阀座的表面特性受到控制以改善阀盘打开时的“裂开”时间。
Description
技术领域
本发明涉及图像生成机器,且具体地涉及使用相变油墨熔化和控制装置的固态油墨机器。
背景技术
总体而言,相变油墨图像生成机器例如打印机,使用在环境温度下处于固相的相变油墨,但在机器或打印机升高的操作温度下存在着熔融或熔化的液相(并且可作为滴剂或喷流喷出)。在这样的升高的操作温度下,熔融或液态的相变油墨的液滴或喷流从打印机的打印头装置喷到打印介质上。这样的喷射可直接喷到最终图像接收基底上,或在从它转印到最终图像接收介质之前间接地喷到成像部件上。在任一情况下,当墨滴接触打印介质的表面时,它们迅速固化以形成预定图案的固化墨滴图像。
高速相变油墨图像生成机器,例如图1中所示的打印机10,包括机架11,打印机所有的操作子系统以及构件都直接或间接地安装到机架11上。其中的一个构件是以鼓的形式显示的成像部件12,但可同样地以受支承的环状带的形式。成像部件12具有相变油墨图像形成于其上的成像表面14,并可沿方向16运动。
高速固态油墨打印机10还包括相变油墨系统20,相变油墨系统20具有至少一个固态形式的单色相变油墨源22。当打印机10为多色图像生成机器时,油墨系统20包括代表四种不同颜色CYMK(蓝色、黄色、红色和黑色)的相变油墨固态块的四个油墨源22,24,26,28,如图1所示。相变油墨系统20还包括固态相变油墨熔化和控制组件或装置100(图2),用于使固态形式的相变油墨熔化或相变成液态形式,且之 后供应液态形式给打印头系统30。打印头系统30包括至少一个打印头组件32,或在高速或高吞吐量的多色图像生成机器的情况下,打印头系统30包括四个单独的打印头组件32,34,36和38,如图2所示。
固态油墨图像生成打印机10还包括基底供应及管理系统,例如,其可包括多基底供应源42,44,46,48。基底供应及管理系统还包括具有基底预热器52的基底处理系统50,基底及图像加热器54以及定影装置60。所示的相变油墨图像生成打印机10还可包括具有文档保持托盘72的原始文档馈送器70,文档用纸馈送及收回装置74和文档照射及扫描系统76。
机器或打印机10的各种子系统、构件和功能借助于控制器或电子子系统(ESS)80来操作和控制。ESS或控制器80是例如具有中央处理单元(CPU)82,电子存储器84以及显示或用户界面(UI)86的自容式专用小型计算机。ESS或控制器80包括例如传感器输入及控制装置88以及像素布置及控制装置89。此外,CPU82读入、获取、准备及管理在图像输入源如扫描系统76、或在线或工作站连接件90和打印头组件32,34,36,38之间的图像数据流。因此,ESS或控制器80为用于操作和控制所有其它机器子系统和功能(包括机器的打印操作)的多任务主处理器。
在操作中,用于待生成图像的图像数据从扫描系统76或通过在线或工作站连接件90发送到控制器80,以便于处理并输出到打印头组件32,34,36,38。此外,控制器确定和/或接受相关子系统和构件控制,例如根据经由用户界面86的操作者输入,以及相应地执行这些控制。结果,适当颜色的固态形式的相变油墨被熔化并传送给打印头组件。此外,像素布置控制相对于成像表面14运动,由此根据这些图像数据形成所希望的图像,以及接收基底通过油墨源22,24,26,28中的任一个供应并通过装置50操作同步记录表面14上的图像形成。最后,图像在转印夹压部92中从表面14转印到接收基底,以便随后在定影装置60处定影。
因此,示范性的高速相变油墨图像生成机器10包括:(a)用于控制其所有子系统及构件的操作的控制子系统80;(b)具有成像表面14的可动成像部件12;(c)连接到控制子系统80上用于喷射已熔化的熔融液态油墨到成像表面14上以形成图像的打印头系统30;以及(d)连接到打印头系统30上的相变油墨系统20。
在一个实施例中,相变油墨系统20包括固态相变油墨熔化及控制装置100(图2),其包括预熔化器组件200和熔化器组件300。预熔化器组件200适于可控制地从源22,24,26,28供应相变油墨固态块到位于预熔化器组件200下方的熔化器组件300上,且更具体而言,供应到单独的熔化器300A-D上。熔化的熔融液态油墨存储及控制组件400位于熔化器组件300的下方。因此,相变油墨熔化及控制装置100适于熔化固态相变油墨至熔化的熔融液态油墨,并适于控制熔化的熔融液态油墨。
在高吞吐量的固态油墨系统中,存储及控制组件400可结合双储存器系统,如图3所示,对应于各独立的熔化器300A-D以便在系统中以固态实现各种色彩。在该系统中,熔融的液态油墨从相应的熔化器300A-D馈送到相关的初级储存器402中,初级储存器402存储第一体积的熔化油墨以便于随后使用。该储存器通过导管或管道406连接到次级储存器404上,次级储存器404存储第二体积的熔化液态油墨。液态油墨在出口410处从次级储存器喷出,并通常经过加热的路径系统而到达打印头组件30相应的一个或多个打印头。在这种类型的系统中,在端口412处提供加压空气P作用在次级储存器中的液态油墨的自由面上,以排出油墨到出口410中。初级储存器402中的油墨体积通常保持在大气压力下。
如图3所示,初级储存器402和次级储存器404中的两种体积的油墨水平在平衡状态下相同。应理解的是,液态油墨在压力下通过出口410分配后,次级储存器中的油墨水平将降低,如图3所示。一旦端口412处的加压空气停止,则次级储存器中第二体积的油墨表面上 的压力恢复到大气压力。然而,由于油墨高度的不同,导致两储存器间的流体压力不同。这种压差致使熔融油墨从初级储存器402经过管道406流进次级储存器404中,直到相应的油墨高度或水平平衡。因此,液态油墨总是准备好供应到次级储存器404中,即使在引导新的熔融油墨进入初级储存器402中。因此,在打印头组件处待排出的油墨供应决不会中断,至少只要流入初级储存器的熔化油墨不中断。
在这种类型的双储存器系统中,必须在两个储存器之间的管道406中置入单向阀408。阀408可操作地允许油墨从初级储存器流到次级储存器,而不是相反的方向。因此,当次级储存器受压以排出熔融油墨到打印头组件时,阀408闭合。
在一个典型系统中的阀408是在动力下以机械方式致动,并处于控制子系统80的控制下。这种类型的致动阀利用对于次级储存器施加和释放压力而及时地打开和闭合。这种类型的阀通常昂贵且在机器10中占用显著的空间。
在另一种类型的系统中,阀408是球阀,其在两个储存器间的压差的作用下被动地操作。当次级储存器404中的油墨水平低时,压差帮助初级储存器402,因此球阀打开。当次级储存器受压时,该压差转而帮助次级储存器,流体压力推动球阀抵靠其阀座而闭合,以防止油墨流回初级储存器中。被动球阀尽管就成本和空间的观点而言总体上更经济但反应比机械式致动阀更慢。被动球阀的反应时间慢限制了存储及控制系统400的吞吐速度,且因此限制了机器10的打印速度。而且,闭合速率慢允许更多的油墨在密封前经过球阀泄漏,这反过来导致系统性能的下降。
因此,存在着对于用于双储存器熔融液态油墨系统的阀系统的需求,该阀系统具有高吞吐量、装配在机器中的受限外壳内并且具有成本效益。
发明内容
根据本文说明的一个方面,描述了布置在相变油墨图像生成机器的初级储存器和次级储存器之间的阀组件。该阀组件可操作地处于打开位置以控制熔化油墨从第一存储储存器流到第二存储储存器,以及处于闭合位置以防止在压力下传输到打印头系统的熔化油墨回流到第一存储储存器中。在一个实施例中,阀组件包括在第一储存器和第二储存器之间限定阀座的阀壳体、布置在阀壳体中的倾斜表面,以及布置在阀壳体中的被动阀盘,该被动阀盘可从阀盘邻接阀座成密封接触的闭合位置以及阀盘由倾斜表面所支承的打开位置运动。在一个特征中,倾斜表面构造成用以仅支承阀盘的部分而其上部未受支承。阀壳体还在阀盘离开阀座的相反侧上限定了位于阀盘上部的引流表面。该表面与次级储存器流体连通以引导熔化油墨在阀盘后流动,从而在阀盘从打开位置运动到闭合位置时帮助抬起阀盘离开倾斜表面。
另一方面,阀座限定了密封表面,该密封表面在其中限定了多个微型通道,以当阀盘邻接阀座时允许流体经由其流动。因此,该微型通道允许流体在阀盘任一侧上达到平衡,以由此改善或缩短阀盘从闭合位置的“裂开(crack)”时间。在另一特征中,密封表面具有0.3μm至1.0μm之间的平均表面粗糙度以及具有在所述整个密封表面上的小于大约10μm的峰谷比高度。该特征改善了阀的打开时间而不牺牲阀盘和阀座的密封能力。
附图说明
图1是高速相变油墨图像生成机器或打印机的直立示意图;
图2是图1所示机器中使用的相变油墨熔化及控制装置的透视图;
图3是根据本文公开的一个实施例的双储存器熔融液态油墨存储及控制组件的示意图;
图4是结合到图3所示的存储及控制组件中的阀组件实施例的局 部放大剖视图;
图5是力作用在图3至图4中所示阀组件的被动阀盘上的放大图;
图6是图4至图5中所示阀组件的嵌入体的放大透视图;
图7是图5中所绘阀盘的一个实施例的表面轮廓的示图;
图8是图5中所绘阀盘的一个实施例的微观表面图的示图。
具体实施方式
根据一个实施例,熔融液态油墨存储及控制组件400包括阀组件408,阀组件408结合了被动阀盘420,如图4至图5所示。阀盘420位于由阀壳体409限定的阀室421中,阀室421在次级储存器404的出口405和流体连通到初级储存器(图3)上的导管或管道406之间。在图4中实线显示的方位中,阀盘420处于其“打开”位置,允许液态油墨从初级储存器流到次级储存器。如上所述,该打开位置允许在两储存器之间的液态油墨的水平或高度流动达到平衡,这因压力头的差异而引起。
在一个实施例中,阀壳体409包括布置在阀室421中的嵌入体432,嵌入体432构造成用以当压力P经过端口412施加到该储存器中的油墨表面上时引导液态油墨从次级储存器流到出口410,如上所述。因此嵌入体可限定在出口405和出口410之间连通的流动腔435。
嵌入体432还限定倾斜表面430,如图4至图5中所示,在打开位置时阀盘420靠着倾斜表面430。阀盘的闭合位置由虚线表示的阀盘420’显示,在其中阀盘基本上竖向布置在阀室421中。更精确地讲,阀盘420’推挤抵靠由阀壳体409围绕与管道406的分界面所限定的阀座或密封表面450。因此,应理解的是,在该“闭合”位置,阀盘420’不仅防止油墨流出初级储存器,而且防止油墨流进初级储存器中。具体而言,当次级储存器受压时,非常理想的是基本上所有的液态油墨离开次级储存器直接经过进入排出口410以馈送到打印头组件30。强制排出次级储存器404外的熔融油墨的流体压力保持阀盘420抵靠阀 组件408的密封表面450。
在本文公开的阀组件408的实施例的一个方面,阀盘420是被动阀盘,意味着它只在储存及控制组件400中的液态油墨的影响下从其打开位置至闭合位置来回移动。因此,阀盘420自由地布置在阀室421中,其运动仅由倾斜表面430和密封表面450所限制。如图4所示,在打开位置,阀盘420相对于竖向(由密封表面450表示)成一定角度布置。可看到阀盘420的打开位置与阀盘420’(以虚线显示)的闭合位置相比,阀盘的下接触点或边缘422在位置422与位置422’之间移动。为了防止阀盘打开和闭合时粘合,以及为了允许装配和成形的公差,可绕密封表面450限定环形凹部452。该环形凹部452相当于阀盘的外部径向空间,因此最大限度地降低对阀盘密封能力的影响。除了提供对下接触点422从闭合(竖向)位置到打开(成一定角度)位置的运动缓解安排外,凹部452还提供对毛边和熔融油墨沉淀出的沉淀物的收集区域,否则这些可阻碍阀盘的完整密封。凹部452还可帮助确保当阀盘后的压力(即在次级储存器404处)小于初级储存器402中的压力时使阀盘离开密封表面450。因此绕阀盘外径的周向间隙为保证阀盘离开的主要因素。
可理解的是,当两个储存器中的压差帮助初级储存器时,阀盘420从闭合位置420’移动到打开位置420。如图3中所示,由于液态油墨寻求高度或水平的平衡,熔融液态油墨的重力流将阀盘从密封表面450移出,导致阀盘在其下接触点上从位置422’枢转到位置422。
在高速打印应用中,阀的运动必须快速而不迟滞。在打印周期中,次级储存器将被填充,且油墨用量将在三秒内从储存器中清除。阀打开或闭合的任何迟滞将损害供应到打印头组件的液态油墨的定量供应速率。在现有的装置中,用于阀的必需打开时间和闭合时间要求使用机械阀。现有的被动阀装置,例如被动球阀,反应太慢并允许过量的回流进入初级储存器中而不允许高吞吐量应用。
在排出油墨用量后重新填充次级储存器404的时间量(即“再填充 速率”)是打开阀盘所需的时间(即“打开时间”)以及两个储存器之间的流动限制量的函数。另一方面,阀盘420的第二个目的(即防止回流进入初级储存器402中)是基本上相反地与这些再填充速率变量相关。因此,用于防止回流的设计因素包括闭合阀所需的时间以及阀盘420与密封表面450之间的密封有效性。减少流动限制意味着尽可能远地枢转阀盘,以提供在管道406和次级储存器404之间打开的通道。然而,阀盘枢转得越远来达到打开位置意味着阀盘的密封面经受来自次级储存器的更多的引导流,在最坏的情况下,这可防止阀盘离开倾斜表面430和移动到其闭合位置。
同样而言,已确定的是,阀盘的“打开时间”即阀盘从阀座移出的时间量是阀盘和密封表面之间的接触面积和阀座表面特性的函数。阀座的表面特性确定当阀盘闭合时存在于阀盘和密封表面之间的物理间距。因为接触面积减小和间距增大其中的一个或两者的原因,打开时间缩短。另一方面,为了最佳防止回流而必需的密封效能因为接触区域减小和间距增大其中的一个或两者的原因而降低。换句话说,密封效能通过增加接触区域和/或减小阀盘与密封表面之间的间距来改善。
过去,在高吞吐量的环境中难以处理这种权衡。然而,本文公开的阀组件400的实施例能够在高速打印应用环境中获得快速的打开时间和闭合时间、次级储存器的快速再填充以及用以防止有害回流的密封效能。通过在初级储存器和次级储存器之间界面处的端口几何结构的特征,在再填充期间实现流体流动的改进而不牺牲阀的闭合时间。
在所述实施例中,阀盘420成一定角度地倚靠,该角度由通过嵌入体432所限定的倾斜表面430形成。阀盘的角度优选地为5度至15度之间。优选的角度是11度,已发现该角度提供了从管道406到储存器404的流体流动和用以闭合阀盘的流动力之间的最佳平衡。为了最大限度地增大流体流动进入次级储存器,阀盘420的上端424至少重叠次级储存器出口405的一部分。在该位置,来自次级储存器的受 压油墨流可易于将阀盘保持在打开位置。
参照图6,可看到在优选的实施例中,嵌入体432与对应于多熔化器300A-D的其它嵌入体一起,可一体地形成在安装板433中。因此,安装板433有助于接合和移除嵌入体、相应的倾斜表面430和阀壳体409,以致允许清洁阀组件408。此外,嵌入体432可优选为圆柱形构造,以与圆柱形阀室421相对应。在嵌入体和相应的圆柱形阀室之间可建立紧配合,并且可在安装板433和阀壳体409之间置入垫圈或其它密封部件来保持流体紧密密封。
在阀组件408的另一个特征中,各嵌入体432限定了引流表面434,如图4至图6所示。表面434大体与储存器的开口405对齐,并且弯曲成在阀盘上部424处抵靠阀盘的背面引导流体流动。如图4所示,在打开位置,阀盘的上部424至少部分地置于表面434和出口405之间,以便从次级储存器排出的一些流体将通过阀盘上部424后面的引流表面434引导,用以产生有助于闭合阀盘的引导流体力,如图5所绘。引流表面434的大小形成为以便于未受支承的上部424总体与阀盘的弦节段相对应,引流表面434小于大约10%的阀盘表面面积。然而,该上部424的面积可基于引导流体力的预定大小调整,引导流体力通过引流表面434引导到阀盘的背面。换句话说,如果压力P越大,则阀盘可能暴露于引流表面434的区域越小,因为引导流体力和阻力(见下文)将更大。
当然,一旦阀盘420已离开倾斜表面430,加压流体流将推挤阀盘整个背面的大部分,将其推向阀座表面450。此外,开口410通向打印头组件的阻力产生局部区域的更大压力,其也作用在阀盘的背面以帮助闭合阀。被动阀盘420布置在阀室421中,当在打开位置和闭合位置间移动时,被动阀盘420绕下接触点或边缘422枢转。为了一旦在阀盘已离开倾斜表面430时帮助其快速移动到闭合位置,嵌入体432可构造成使得嵌入体的下部436紧密邻近阀座表面450。具体而言,最大限度地减小该下部436和密封表面450之间的间距,使得下 接触点422的运动局限于枢转。因此,最大限度地减小间距防止了可导致粘合的阀盘的过量运动。在特定的实施例中,下部436与密封表面450之间的间距小于阀盘420厚度的两倍,且优选为阀盘厚度的1.5倍。下部436与阀盘之间的接触还可作为阀盘朝向闭合位置枢转的支点。
如图5所示,两个附加力作用在阀盘上以缩短其闭合时间。一个力是直接在整个阀盘后面的压差力,其当阀盘在引导流体力作用下开始移动时产生。在优选的实施例中,倾斜的支承表面430为环形,如图6中所示,致使阀盘后面的流动腔435中更大的压力可产生该压差。第二个力是当流体经过阀盘前(或密封)面运动时由流体摩擦所产生的阻力。尽管该阻力极小且短暂,但其通过缩短阀盘离开倾斜表面430所消耗的时间来帮助阀闭合。(应注意的是,如果打开的阀盘处于更大的角度,由于流体流动更直接地推挤密封面抵抗通向关闭位置的运动,该相同的阻力可克服阀而起作用。)在图5中表示的三个力当压力P施加到次级储存器时都有助于阀盘的快速闭合时间。
就阀的打开时间而言,阀组件400的另一个特征减少了阀盘420’拉离密封表面450的迟滞,这由此缩短了阀的打开时间。具体而言,阀座或密封表面450的表面特性受到紧密地控制。在特定的实施例中,对于直径为10.0mm的阀盘而言,阀座具有直至0.5mm±0.1mm的台面宽度。此外,密封表面450加工成具有小于10μm的平整度以及处于0.3μm至1.0μm之间的平均粗糙度(Ra)值。此外,密封表面加工成在整个阀盘密封表面上的峰谷比(PV)高度小于10μm。在图6的曲线图中所示的是一个特定实施例中的密封表面的表面轮廓。
除了保持这些表面特性之外,加工密封表面的方式有助于它的最佳性能。具体而言,表面加工成使得来自铣床的切削刀痕作为“微型通道”或流体流动路径,经过其流体压力可达到平衡,由此缩短最初的打开或“裂开”时间。示范性的加工表面在图7的微观表面图中显示。在这张图中可看到的是,圆形的铣削图案形成流体可经由其流过 的独特的凹槽或微型通道460。将理解的是,微型通道460对应于图6中的PV值。PV值连同Ra值一起限定了密封表面450的表面特性,明确地允许流体流最大限度地缩短阀的“裂开”时间,同时保持有效的密封能力。在特定的示例中,发现在特定用量中的液态油墨仅大约0.3%泄漏经过密封的阀盘420’。另一方面,以上所述的表面特性允许示范性的阀在大约100毫秒内快速打开,以及在少于500毫秒的时间内完全打开。在高速应用中,在要求再次打开以再填充次级储存器之前,阀盘将通常只闭合非常短的时间,大约为1.0秒。
在上述示范性实施例中,平面铣床以12000rpm的轴速、立铣刀以7英寸/分钟的进给速度以及450平方英尺/分钟操作。应考虑立铣刀的速度和进给速率将基于阀座的材料和具体的应用来校准。在本文描述的实施例中,密封表面通过立铣刀形成。然而,在保持上述表面特性的同时,可使用其它的产生密封表面的方法,例如冲压,砂磨或蚀刻。该实施例已经示出了保持直至250万次循环的性能而没有明显的退化
本文公开的阀设计的另一方面,阀座或密封表面450优选由比阀盘“更软”或更小耐磨性的材料形成。因此,发生的多数磨损将在密封表面上,而不是在阀盘上。这种磨损的影响随着时间的推移而降低表面粗糙度,这具有改进阀盘密封效能的效果。当打开时间将增加时,影响因存在机加工通道或凹槽而降低,该机加工通道或凹槽允许在阀盘任一侧的压力平衡。在特定实施例中,阀盘由不锈钢形成而密封表面由铝形成。
阀盘420优选为圆形,以与圆柱形阀室421、环形阀座密封表面450以及环形倾斜表面430相对应。然而,基于阀盘布置在其中的阀组件的几何结构,构思出用于阀盘的其它构造。例如,除圆柱形外,构件可采用备选的多面形。
阀盘足够厚,以避免当在压力下于打开位置和闭合位置之间移动时弯曲。另一方面,由于阀盘质量将影响阀盘可从一个位置到另一个 位置移动得多快,故阀盘420的厚度足够薄以保持阀盘质量至最小。在特定的实施例中为了在高速固态油墨打印机中使用,阀盘具有大约0.3mm的厚度。
Claims (3)
1.一种用于高速相变油墨图像生成机器的阀组件,在所述高速相变油墨图像生成机器中,具有打印头系统以及用于馈送和控制提供给所述打印头系统的熔化液态油墨的系统,所述馈送和控制系统具有第一存储储存器和第二存储储存器,所述第一存储储存器用于容纳和保持来自油墨源的第一体积的熔化油墨,所述第二存储储存器用于保持在所述第二存储储存器受压时待输送到所述打印头系统的第二体积的熔化油墨,所述阀组件在打开位置可操作用以控制熔化的油墨从所述第一存储储存器流到所述第二存储储存器以及处于闭合位置用以防止在压力下输送给所述打印头系统的熔化油墨回流到所述第一存储储存器中,所述阀组件包括:
在所述第一储存器和所述第二储存器之间的限定阀座的阀壳体,所述阀座具有密封表面,所述密封表面具有限定在其中的多个微型通道,用以当所述阀盘邻接所述阀座时允许流体经由所述微型通道流动,所述密封表面具有0.3μm至1.0μm之间的平均表面粗糙度;
布置在所述阀壳体中的倾斜表面;以及
布置在所述阀壳体中的被动阀盘,其可从所述阀盘邻接所述阀座成密封接触的闭合位置运动到所述阀盘由所述倾斜表面支承的打开位置,
其中,所述倾斜表面构造成用以仅支承所述阀盘的一部分且所述阀盘的上部未受支承;以及
其中,所述阀壳体还在所述阀盘离开所述阀座的相反侧上限定位于所述阀盘的所述上部的引流表面,所述引流表面和所述第二储存器成流体连通,用以引导熔化油墨在所述阀盘后的流动。
2.根据权利要求1所述的阀组件,其特征在于,所述第二储存器包括出口,其中:
所述阀壳体的所述引流表面与所述第二储存器的出口成流体连通;以及
在所述打开位置,所述阀盘的所述上部布置在所述出口和所述引流表面之间。
3.根据权利要求1所述的阀组件,其特征在于,所述阀壳体限定位于所述阀座外侧的凹部;以及
所述阀盘的大小形成为当在所述打开位置所述阀盘由所述倾斜表面支承时使得所述阀盘的下边缘至少部分地延伸到所述凹部中。
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