CN105150625A - 一种轻质复合点阵夹芯板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种轻质复合点阵夹芯板及其制备方法，包括金字塔型点阵芯子、上面板和下面板；金字塔型点阵芯子的上表面和所述上面板通过抽芯铆钉固定连接，金字塔型点阵芯子的底面和下面板通过抽芯铆钉固定连接；制备方法：步骤1：制备菱形金属网板；步骤2：设计弯折模具；步骤3：制作金字塔型点阵芯子；步骤4：钻孔；步骤5：铆接；本发明能够解决现有技术中存在的金属板、芯之间采用焊接方法成本高以及复合材料板、芯之间采用胶粘连接，抗剪抗拉承载力不足，连接强度低、连接质量不易检测及难以制备大板的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种夹芯板及其制备方法，具体涉及一种轻质复合点阵夹芯板及其制备方法。
背景技术
轻质多孔夹芯点阵结构是近十年来以减重、节能、净化为目标而发展起来的一种新型结构，它具有高比刚度、高比强度、可设计性强以及满足多功能化需求的优点。点阵结构既可以有效地承受外部载荷，又易于布线、植入微型器件、填充功能材料等，因此该类结构是超轻多功能结构的理想结构平台。在航天航空、汽车舰船、土木工程、军事安全等领域有着广泛的应用潜力和应用前景。
现有报道的用作轻质多孔夹芯结构面板的材料主要有两类：1、金属类：如铝合金、不锈钢、低碳钢；2、纤维增强复合材料：如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料。用作芯体的材料主要有三类：1、金属类：如铝合金、不锈钢、低碳钢；2、纤维增强复合材料：如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料；3、高分子类：如聚合物泡沫。
采用上述材料制备的夹芯点阵结构存在以下缺点：1、金属面板和点阵金属芯体通常采用激光焊、钎焊的方法连接，制备成本很高；2、复合材料的面板和点阵夹芯结构由高强度纤维所制备，通常采用胶粘方法连接，但点阵芯体和面层的接触点较小，使得面板层和点阵芯体间的抗剪抗拉能力差，而且制作大面积夹芯板时面临环氧树脂胶凝固的问题，面板与芯间连接强度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻质复合点阵夹芯板及其制备方法，能够解决现有技术中存在的金属板、芯之间采用焊接方法成本高及复合材料板、芯之间采用胶粘连接，抗剪抗拉承载力不足，连接强度低、连接质量不能检测及难以制备大板的问题。
本发明的技术方案是：
一种轻质复合点阵夹芯板，包括金字塔型点阵芯子、上面板和下面板；所述金字塔型点阵芯子的上表面和所述上面板通过抽芯铆钉二固定连接，所述金字塔型点阵芯子的底面和所述下面板通过抽芯铆钉一固定连接。
金字塔型点阵芯子是由多个金字塔型点阵结构单胞一组成；所述金字塔型点阵结构单胞一均是由四根杆件组成的具有金字塔型的一体件；两两相邻的四个金字塔型点阵结构单胞一中，相交的四根杆组合成一个与金字塔型点阵结构单胞一方向相反的金字塔型点阵结构单胞二。
金字塔型点阵芯子和所述上面板、下面板的连接方式具体为：所述金属金字塔型点阵结构单胞一的金字塔顶端均设有通孔一，所述上面板与通孔一接触的位置均设有通孔二；所述通孔一、通孔二中均穿有抽芯铆钉二；所述金属金字塔型点阵结构单胞二的金字塔顶端均设有通孔四，所述下面板与通孔四接触的位置均设有通孔三；所述通孔四、通孔三中均穿有抽芯铆钉一。
上面板、下面板采用的材料为玻璃纤维、碳纤维树脂基纤维增强复合材料。
金字塔型点阵芯子采用的材料为铝合金材料、钢材中的一种。
一种轻质复合点阵夹芯板的制备方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤1：制备菱形金属网板；
首先，根据设定的菱形的边长尺寸以及相邻的两个菱形之间的间隔尺寸在CAD制图软件中绘制菱形网板的平面图；然后将绘制的菱形网板的平面图装入CNC数控机床的控制程序中；最后将选好的材质为铝、钢或其他金属种类的矩形板固定在CNC数控机床上的加工区域，CNC数控机床根据装入的菱形网板的平面图对进行矩形板切割加工，制得菱形金属网板；
步骤2：设计弯折模具；
根据步骤1中的菱形金属网板的尺寸设计弯折模具的上模，上模的结构为倒梯形，梯形下底边的两个角设有倒角；再根据上模的尺寸和结构设计出与上模相互配合的凹槽形下模，凹槽内的拐角处设有倒角；然后再通过机加工设备将模具钢加工成设计好的上模和下模做出来；
步骤3：制作金字塔型点阵芯子；
首先，将步骤2中制得的上模和下模在液压折弯机的相应位置固定；将步骤1中制得的菱形金属网板放置在上模和下模之间，确保要弯折一排的菱形节点一与上、下模具的轴线对中；开启液压折弯机，液压折弯机的千斤顶使上模与下模做相向运动，完成该排菱形金属网板的金字塔型点阵结构单胞一的制作，再移动菱形金属网板位置，继续令上模与下模相向运动，直至使菱形金属网板正面的金字塔型点阵结构单胞一的制作全部完成；同时也完成了菱形金属网板反面的金字塔型点阵结构单胞二的制作；其中液压折弯机的千斤顶的控制压力小于5KN，以免对菱形金属网板造成损伤。
步骤4：钻孔
步骤4.1：金字塔型点阵结构单胞金字塔顶端中心位置钻孔
将金字塔型点阵芯子正面固定在CNC数控钻床上，使要钻孔的位置正对在钻头下方；CNC数控钻床根据设定的程序依次在金字塔型点阵结构单胞金字塔顶端中心位置钻上沉头通孔一，孔径2.5mm；然后将金字塔型点阵芯子反转、固定，依次在反面的金字塔型点阵结构单胞二的金字塔顶端中心位置钻上沉头通孔四，孔径：2.5mm；
步骤4.2：上面板钻孔；
根据步骤4.1中制得的金字塔型点阵芯子正面的金字塔型点阵结构单胞一4相邻两通孔一之间的距离，设定程序并载入CNC数控钻床控制单元；将上面板固定在CNC数控钻床的相应位置，开启CNC数控钻床在上面板上钻取沉头通孔二，孔径：2.5mm；
步骤4.3：下面板钻孔
根据步骤4.1中制得的金字塔型点阵芯子反面的相邻两通孔四之间的距离，设定程序并载入CNC数控钻床控制单元；将下面板固定在CNC数控钻床的相应位置，开启CNC数控钻床在下面板上钻取沉头通孔三，孔径：2.5mm；
步骤5：铆接；
步骤5.1：将金字塔型点阵芯子的反面与下面板贴合在一起；依次将直径为2.4mm的沉头抽芯铆钉插入相对应的通孔三和通孔四中；然后用拉铆枪将沉头抽芯铆钉一的芯体抽出，实现金字塔型点阵芯子与下面板的连接；
步骤5.2：将步骤5.1中连接好的下面板和金字塔型点阵芯子反转过来，使金字塔型点阵芯子朝上；再将上面板贴合放在金字塔型点阵芯子上，使相互对应的通孔二和通孔一对齐，在对应的通孔二和通孔一插入抽芯铆钉二，再使用拉铆枪将抽芯铆钉二的芯体抽出，实现金字塔型点阵芯子与下上面板的连接；即得到复合点阵夹芯板的成品。
所述步骤3中的下模凹槽内垫有一层橡胶垫，防止弯折时对菱形金属网板造成损伤。
所述步骤4.1中，在需要钻孔的金字塔型点阵结构单胞一的下方垫有一个截面为等腰梯形的与金字塔型点阵结构单胞一的金字塔腔相匹配的长条形模具一；在需要钻孔的金字塔型点阵结构单胞二的下方垫有一个截面为等腰梯形的与金字塔型点阵结构单胞二的金字塔腔相匹配的长条形模具二，长条形模具一和长条形模具二的作用是提高钻孔时的稳定性；长条形模具一和长条形模具二的截面形状优选为等腰梯形。
所述上面板、下面板采用的材料为玻璃纤维、碳纤维树脂基纤维增强复合材料。
所述金字塔型点阵芯子采用的材料为铝合金材料、钢材中的一种。
本发明的有益效果是：
一、通过选用树脂基纤维增强复合材料的上、下面板、金属金字塔型点阵芯子和拉铆连接的方法使板、芯之间牢固连接，使轻质复合点阵夹芯板具有高比强度，高比刚度，高效吸能等优点。
二、采用的拉铆工艺制备方法，具有工艺简单，成本低，连接可靠，制备过程短，手工操作少、质量易控制等优点。克服了现有技术中存在的金属板、芯之间采用焊接方法成本高及复合材料板、芯之间采用胶粘连接，抗剪、抗拉承载力不足、连接强度低及难以制备大板的问题。
附图说明
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明一种轻质复合点阵夹芯板及其制备方法的菱形金属网板设计图；
图2为本发明一种轻质复合点阵夹芯板及其制备方法的金字塔型点阵芯子结构图；
图3为本发明一种轻质复合点阵夹芯板及其制备方法的复合材料面板示意图；
图4为本发明一种轻质复合点阵夹芯板及其制备方法的抽芯铆钉示意图；
图5为本发明一种轻质复合点阵夹芯板及其制备方法带有钻孔的面板示意图，其中图(a)为上面板钻孔后的示意图；图(b)为下面板钻孔后的示意图；
图6为本发明一种轻质复合点阵夹芯板及其制备方法的组装示意图；其中图(a)为金字塔型点阵芯子反面与下面板的组装示意图；图(b)为用拉铆枪将沉头抽芯抽芯铆钉钉过后的复合材料下面板示意图；图(c)为金字塔型点阵芯子正面与上面板的组装示意图；图(d)为组装好的点阵夹芯板的示意图。
其中，1、金字塔型点阵芯子；2、上面板；3、下面板；4、金字塔型点阵结构单胞一；5、通孔一；6、通孔二；7、通孔三；8、抽芯铆钉一；9、抽芯铆钉二；10、通孔四；11、金字塔型点阵结构单胞二；12、菱形节点一；13、菱形节点二。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
本发明一种轻质复合点阵夹芯板的结构如图2-6所示，包括金字塔型点阵芯子1、上面板2和下面板3；所述金字塔型点阵芯子1是由多个金字塔型点阵结构单胞一4组成；所述金字塔型点阵结构单胞一4均是由四根杆件组成的具有金字塔型的一体件；两两相邻的四个金字塔型点阵结构单胞一4中，相交的四根杆组合成一个与金字塔型点阵结构单胞一4方向相反的金字塔型点阵结构单胞二11；所述金字塔型点阵芯子1的上表面和所述上面板2通过抽芯铆钉二9固定连接，所述金字塔型点阵芯子1的底面和所述下面板3通过抽芯铆钉一8固定连接。
所述金字塔型点阵芯子1和所述上面板2、下面板3的连接方式具体为：所述金属金字塔型点阵结构单胞一4的金字塔顶端均设有通孔一5，所述上面板2与通孔一5接触的位置均设有通孔二6；所述通孔一5、通孔二6中均穿有抽芯铆钉二9；所述金属金字塔型点阵结构单胞二11的金字塔顶端均设有通孔四10，所述下面板3与通孔四10接触的位置均设有通孔三7；所述通孔四10、通孔三7中均穿有抽芯铆钉一8。
其中，上面板2、下面板3采用的材料为玻璃纤维、碳纤维树脂基纤维增强复合材料；金字塔型点阵芯子1采用的材料为铝合金材料、钢材中的一种。
本发明通过将树脂基纤维增强复合材料的上面板2、树脂基纤维增强复合材料的下面板3与夹在二者中间的金字塔型点阵芯子1分别用抽芯铆钉一8和抽芯铆钉二9固定连接起来，解决了现有技术中存在的金属板、芯之间采用焊接方法成本高及复合材料板、芯之间采用胶粘连接强度低的问题。
一种轻质复合点阵夹芯板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备菱形金属网板；
首先，根据设定的菱形的边长尺寸以及相邻的两个菱形之间的间隔尺寸在CAD制图软件中绘制如图1所示的菱形网板的平面图；然后将绘制的菱形网板的平面图装入CNC数控机床的控制程序中；最后将选好的材质为铝、钢或其他金属种类的矩形板固定在CNC数控机床上的加工区域，CNC数控机床根据装入的菱形网板的平面图对进行矩形板切割加工，制得菱形金属网板。
步骤2：设计弯折模具；
根据步骤1中的菱形金属网板的尺寸设计弯折模具的上模，上模的结构为倒梯形，梯形下底边的两个角设有倒角；再根据上模的尺寸和结构设计出与上模相互配合的凹槽形下模，凹槽内的拐角处设有倒角；然后再通过机加工设备将模具钢加工成设计好的上模和下模做出来。
步骤3：制作金字塔型点阵芯子1；
首先，将步骤2中制得的上模和下模在液压折弯机的相应位置固定；在下模凹槽内垫一层橡胶垫，防止弯折时对菱形金属网板造成损伤；
将步骤1中制得的菱形金属网板放置在上模和下模之间，确保要弯折一排的菱形节点一12与上、下模具的轴线对中；开启液压折弯机，液压折弯机的千斤顶使上模与下模做相向运动，完成该排菱形金属网板的金字塔型点阵结构单胞一4的制作，再移动菱形金属网板位置，继续令上模与下模相向运动，直至使菱形金属网板正面的金字塔型点阵结构单胞一4制作全部完成；同时菱形金属网板反面的金字塔型点阵结构单胞二11的制作也完成了；其中液压折弯机的千斤顶的控制压力小于5KN，以免对菱形金属网板造成损伤。
步骤4：钻孔；
步骤4.1：金字塔型点阵结构单胞一4和金字塔型点阵结构单胞二11的金字塔顶端中心位置钻孔；
将金字塔型点阵芯子1正面固定在CNC数控钻床上，使要钻孔的位置正对在钻头下方；在需要钻孔的金字塔型点阵结构单胞一4下方垫有一个截面为等腰梯形的与金字塔型点阵结构单胞一4的金字塔腔相匹配的长条形模具一，CNC数控钻床根据设定的程序依次在金字塔型点阵结构单胞一4金字塔顶端中心位置钻上沉头通孔一5，孔径2.5mm；然后将金字塔型点阵芯子反转、固定，在需要钻孔的金字塔型点阵结构单胞二11下方垫有一个截面为等腰梯形的与金字塔型点阵结构单胞二11的金字塔腔相匹配的长条形模具二，CNC数控钻床根据设定的程序依次在金字塔型点阵结构单胞二11的金字塔顶端中心位置钻上沉头通孔四10，孔径：2.5mm；长条形模具一和长条形模具二的作用是提高钻孔时的稳定性。
步骤4.2：上面板2钻孔；
根据步骤4.1中制得的金字塔型点阵芯子正面的相邻两通孔一5之间的距离，设定程序并载入CNC数控钻床控制单元；将上面板2固定在CNC数控钻床的相应位置，开启CNC数控钻床在上面板2上钻取沉头通孔二6，孔径：2.5mm。
步骤4.3：下面板3钻孔；
根据步骤4.1中制得的金字塔型点阵芯子反面的相邻两通孔四10之间的距离，设定程序并载入CNC数控钻床控制单元；将下面板3固定在CNC数控钻床的相应位置，开启CNC数控钻床在下面板3上钻取沉头通孔三7，孔径：2.5mm。
步骤5：铆接；
步骤5.1：将金字塔型点阵芯子1的反面与下面板3贴合在一起；依次将直径为2.4mm的沉头抽芯铆钉一8插入相对应的通孔三7和通孔四10中；然后用拉铆枪将沉头抽芯铆钉一8的芯体抽出，实现金字塔型点阵芯子1与下面板3的连接。
步骤5.2：将步骤5.1中连接好的下面板3和金字塔型点阵芯子1反转过来，使金字塔型点阵芯子1朝上；再将上面板2贴合放在金字塔型点阵芯子1上，使相互对应的通孔二6和通孔一5对齐，在对应的通孔二6和通孔一5插入抽芯铆钉二9，再使用拉铆枪将抽芯铆钉二9的芯体抽出，实现金字塔型点阵芯子1与下上面板2的连接；即得到复合点阵夹芯板的成品。
本发明一种轻质复合点阵夹芯板及其制备方法，采用的拉铆工艺制备使轻质复合点阵夹芯板具有高比强度，比刚度，高效吸能等优点。同时其制备方法具有工艺简单，成本低，连接可靠，制备过程短，手工操作少、质量易控制等优点。可作为结构材料在交通运输、抗爆抗冲击防护领域应用，也可以以该结构为基础进行涂装和填充以满足更多功能的需求。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种轻质复合点阵夹芯板，包括金字塔型点阵芯子(1)、上面板(2)和下面板(3)；其特征在于：所述金字塔型点阵芯子(1)的上表面和所述上面板(2)通过抽芯铆钉二(9)固定连接，所述金字塔型点阵芯子(1)的底面和所述下面板(3)通过抽芯铆钉一(8)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种轻质复合点阵夹芯板，其特征在于：所述金字塔型点阵芯子(1)是由多个金字塔型点阵结构单胞一(4)组成；所述金字塔型点阵结构单胞一(4)均是由四根杆件组成的具有金字塔型的一体件；两两相邻的四个金字塔型点阵结构单胞一(4)中，相交的四根杆组合成一个与金字塔型点阵结构单胞一(4)方向相反的金字塔型点阵结构单胞二(11)。
3.根据权利要求2所述的一种轻质复合点阵夹芯板，其特征在于：所述金字塔型点阵芯子(1)和所述上面板(2)、下面板(3)的连接方式具体为：所述金属金字塔型点阵结构单胞一(4)的金字塔顶端均设有通孔一(5)，所述上面板(2)与通孔一(5)接触的位置均设有通孔二(6)；所述通孔一(5)、通孔二(6)中均穿有抽芯铆钉二(9)；所述金属金字塔型点阵结构单胞二(11)的金字塔顶端均设有通孔四(10)，所述下面板(3)与通孔四(10)接触的位置均设有通孔三(7)；所述通孔四(10)、通孔三(7)中均穿有抽芯铆钉一(8)。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种轻质复合点阵夹芯板，其特征在于：所述上面板(2)、下面板(3)采用的材料为玻璃纤维、碳纤维树脂基纤维增强复合材料。
5.根据权利要求1所述的一种轻质复合点阵夹芯板，其特征在于：所述金字塔型点阵芯子(1)采用的材料为铝合金材料、钢材中的一种。
6.一种轻质复合点阵夹芯板的制备方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤1：制备菱形金属网板；
首先，根据设定的菱形的边长尺寸以及相邻的两个菱形之间的间隔尺寸在CAD制图软件中绘制菱形网板的平面图；然后将绘制的菱形网板的平面图装入CNC数控机床的控制程序中；最后将选好的材质为铝、钢或其他金属种类的矩形板固定在CNC数控机床上的加工区域，CNC数控机床根据装入的菱形网板的平面图对进行矩形板切割加工，制得菱形金属网板；
步骤2：设计弯折模具；
根据步骤1中的菱形金属网板的尺寸设计弯折模具的上模，上模的结构为倒梯形，梯形下底边的两个角设有倒角；再根据上模的尺寸和结构设计出与上模相互配合的凹槽形下模，凹槽内的拐角处设有倒角；然后再通过机加工设备将模具钢加工成设计好的上模和下模做出来；
步骤3：制作金字塔型点阵芯子(1)；
首先，将步骤2中制得的上模和下模在液压折弯机的相应位置固定；将步骤1中制得的菱形金属网板放置在上模和下模之间，确保要弯折一排的菱形节点一(12)与上、下模具的轴线对中；开启液压折弯机，液压折弯机的千斤顶使上模与下模做相向运动，完成该排菱形金属网板的金字塔型点阵结构单胞一(4)的制作，再移动菱形金属网板位置，继续令上模与下模相向运动，直至使菱形金属网板正面的金字塔型点阵结构单胞一(4)制作全部完成；同时也完成了菱形金属网板反面的金字塔型点阵结构单胞二(11)的制作；其中液压折弯机的千斤顶的控制压力小于5KN，以免对菱形金属网板造成损伤；
步骤4：钻孔；
步骤4.1：金字塔型点阵结构单胞一(4)金字塔顶端中心位置钻孔；
将金字塔型点阵芯子(1)正面固定在CNC数控钻床上，使要钻孔的位置正对在钻头下方；CNC数控钻床根据设定的程序依次在金字塔型点阵结构单胞一(4)金字塔顶端中心位置钻上沉头通孔一(5)，孔径2.5mm；然后将金字塔型点阵芯子反转、固定，依次在反面的金字塔型点阵结构单胞二(11)的金字塔顶端中心位置钻上沉头通孔四(10)，孔径：2.5mm；
步骤4.2：上面板(2)钻孔；
根据步骤4.1中制得的金字塔型点阵芯子正面的相邻两通孔一(5)之间的距离，设定程序并载入CNC数控钻床控制单元；将上面板(2)固定在CNC数控钻床的相应位置，开启CNC数控钻床在上面板(2)上钻取沉头通孔二(6)，孔径：2.5mm；
步骤4.3：下面板(3)钻孔；
根据步骤4.1中制得的金字塔型点阵芯子反面的相邻两通孔四(10)之间的距离，设定程序并载入CNC数控钻床控制单元；将下面板(3)固定在CNC数控钻床的相应位置，开启CNC数控钻床在下面板(3)上钻取沉头通孔三(7)，孔径：2.5mm；
步骤5：铆接；
步骤5.1：将金字塔型点阵芯子(1)的反面与下面板(3)贴合在一起；依次将直径为2.4mm的沉头抽芯铆钉一(8)插入相对应的通孔三(7)和通孔四(10)中；然后用拉铆枪将沉头抽芯铆钉一(8)的芯体抽出，实现金字塔型点阵芯子(1)与下面板(3)的连接；
步骤5.2：将步骤5.1中连接好的下面板(3)和金字塔型点阵芯子(1)反转过来，使金字塔型点阵芯子(1)朝上；再将上面板(2)贴合放在金字塔型点阵芯子(1)上，使相互对应的通孔二(6)和通孔一(5)对齐，在对应的通孔二(6)和通孔一(5)插入抽芯铆钉二(9)，再使用拉铆枪将抽芯铆钉二(9)的芯体抽出，实现金字塔型点阵芯子(1)与下上面板(2)的连接；即得到复合点阵夹芯板的成品。
7.根据权利要求6所述的一种轻质复合点阵夹芯板的制备方法，其特征在于：所述步骤3中的下模凹槽内垫有一层橡胶垫，防止弯折时对菱形金属网板造成损伤。
8.根据权利要求6所述的一种轻质复合点阵夹芯板的制备方法，其特征在于：所述步骤4.1中，在需要钻孔的金字塔型点阵结构单胞一(4)的下方垫有一个截面为梯形的与金字塔型点阵结构单胞一(4)的金字塔腔相匹配的长条形模具一；在需要钻孔的金字塔型点阵结构单胞二(11)的下方垫有一个截面为梯形的与金字塔型点阵结构单胞二(11)的金字塔腔相匹配的长条形模具二，长条形模具一和长条形模具二的作用是提高钻孔时的稳定性；长条形模具一和长条形模具二的截面形状优选为等腰梯形。
9.根据权利要求6所述的一种轻质复合点阵夹芯板的制备方法，其特征在于：所述上面板(2)、下面板(3)采用的材料为玻璃纤维、碳纤维树脂基纤维增强复合材料。
10.根据权利要求6所述的一种轻质复合点阵夹芯板的制备方法，其特征在于：所述金字塔型点阵芯子(1)采用的材料为铝合金材料、钢材中的一种。
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