CN106238256B - 用于3d打印模型后处理的自动喷墨上色系统及上色方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统及上色方法，用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统包括：主体支架(1)、工作台单元(2)、压电喷墨单元(3)、X向移动导轨组件(4)、Z向移动导轨组件(5)和总控制器。优点为：具有结构简单、操作方便、上色速率快以及上色精确的优点，可有效保证3D打印模型的上色品质，提高用户的打印体验。

Description

用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统及上色方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统及上色方法。
背景技术
自3D打印技术问世以来，3D打印机便成为3D技术领域的前瞻性产品，并逐步成为一项新型的主流加工技术。3D打印机作为一种高科技设备，综合应用了CAD技术、CAM技术、激光学、光化学及材料科学等诸多方面的科学与技术，它使得产品设计、工业设计、建筑设计及医疗用品设计等领域的研发者，能够快捷方便地获得三维实物模型，方便后期的设计，因此，3D打印机具有广阔的发展空间。
基于FDM(熔丝沉积成型)的3D打印机，是一种不依靠激光作为成型能源、而将各种耗材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC、PLA、尼龙、柔性材料等)加热熔化进而堆积成型方法，属于3D打印机中的一种重要设备。
现有的基于FDM的3D打印机主要具有以下不足：
(1)基于FDM的3D打印机一般只能打印单颜色材料。因此，当需要进行多色打印时，例如，当需要选择打印全彩色模型时，必须增加喷头数量，在打印过程中，需要人工遴选与模型颜色一致的原材料，在增加了人工劳动量、降低打印速率的同时，还具有模型成型表面精度不高，容易出现混色等品控问题，从而影响用户的打印体验。
(2)现有的制备彩色模型的另一种方法为：在喷头旁加染料仓，在打印过程中，将色料通过染料仓输送到喷头处与熔融耗材融合，以形成新着色的熔融耗材，然后，耗材通过层层堆积最后形成有色模型。但是，由于现有的基于FDM的打印机模型通常采用支撑方式进行打印模型，模型打印完成后，需要一些后处理，比如去除支撑、打磨、抛光等，利用上述彩色模型打印方法时，容易使制备到的有色模型形成颜色不均匀、色彩混杂等情况，从而降低了打印品质。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统及上色方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统，包括：主体支架(1)、工作台单元(2)、压电喷墨单元(3)、X向移动导轨组件(4)、Z向移动导轨组件(5)和总控制器；
所述主体支架(1)包括相互垂直设置的水平支座(1.1)和立柱(1.2)；
所述工作台单元(2)包括工作台(2.1)、驱动螺杆(2.2)、工作台底座(2.3)以及工作台伺服电机(2.4)；所述工作台底座(2.3)与所述水平支座(1.1)的一端一体成型设置；所述工作台(2.1)置于所述工作台底座(2.3)的上方；所述驱动螺杆(2.2)的底部与所述工作台底座(2.3)可转动连接，所述驱动螺杆(2.2)的顶部与所述工作台(2.1)固定连接；所述驱动螺杆(2.2)还通过传动件与所述工作台伺服电机(2.4)连接，所述工作台伺服电机(2.4)驱动所述驱动螺杆(2.2)转动，进而带动所述工作台(2.1)转动；
所述Z向移动导轨组件(5)包括Z轴伺服电机(5.1)以及Z轴导轨(5.2)；所述Z轴导轨(5.2)固定于所述立柱(1.2)上；所述压电喷墨单元(3)安装于所述Z轴导轨(5.2)上，在所述Z轴伺服电机(5.1)的驱动下，所述压电喷墨单元(3)沿所述Z轴导轨(5.2)进行Z向的升降运动；
所述X向移动导轨组件(4)包括X轴伺服电机(4.1)以及X轴导轨(4.2)；所述X轴导轨(4.2)固定于所述水平支座(1.1)上；所述立柱(1.2)的底端安装于所述X轴导轨(4.2)上，在所述X轴伺服电机(4.1)的驱动下，所述立柱(1.2)沿所述X轴导轨(4.2)进行X向的移动，进而带动所述压电喷墨单元(3)进行X向的移动；
所述总控制器分别与所述压电喷墨单元(3)、所述工作台伺服电机(2.4)、所述Z轴伺服电机(5.1)以及所述X轴伺服电机(4.1)电连接。
优选的，所述压电喷墨单元(3)包括墨水仓(3.1)、墨水输送管(3.2)以及喷头组件(3.3)；
所述墨水仓(3.1)的内部安装有n个墨盒，n为自然数；所述墨水仓(3.1)的外部具有n个墨水输出口；每个所述墨水输出口均与对应的一个所述墨盒连通；
所述喷头组件(3.3)包括外置喷头(3.3.1)以及集束喷头组件(3.3.2)；所述集束喷头组件(3.3.2)包括：集束喷头基座(3.3.2.1)，所述集束喷头基座(3.3.2.1)的内部形成有n个独立的墨水腔(3.3.2.2)；所述集束喷头基座(3.3.2.1)的底部具有与各个所述墨水腔(3.3.2.2)分别连通的喷头输出口，各个所述喷头输出口均与所述外置喷头(3.3.1)连通；
在所述集束喷头基座(3.3.2.1)的顶部固定安装有压电陶瓷板(3.3.2.3)，所述压电陶瓷板(3.3.2.3)的表面固定有n个压电驱动单元(3.3.2.4)；每个所述压电驱动单元(3.3.2.4)的中心开设有喷头输入口(3.3.2.5)，每个所述喷头输入口(3.3.2.5)的一端通过独立的一个墨水输送管(3.2)与对应的一个所述墨水仓(3.1)的墨水输出口连通；每个所述喷头输入口(3.3.2.5)的另一端与对应的一个所述墨水腔(3.3.2.2)连通；
各个所述压电驱动单元(3.3.2.4)均连接到所述总控制器。
优选的，所述墨水腔(3.3.2.2)按从喷头输入口(3.3.2.5)到喷头输出口的方向，其直径逐渐变小，形成上粗下细结构。
优选的，所述外置喷头(3.3.1)的直径在0.05-0.1mm之间。
优选的，所述外置喷头(3.3.1)采用铝合金材质。
优选的，所述喷头组件(3.3)为可拆卸结构。
优选的，所述墨水仓(3.1)为可拆卸结构。
优选的，所述墨水输送管(3.2)采用PU软管。
优选的，所述主体支架(1)采用空腔结构，所述空腔用于穿过线缆；在所述主体支架(1)安装有计算机接口(6)和电源接口(7)；所述总控制器与所述计算机接口(6)连接；所述计算机接口(6)通过线缆分别与所述压电喷墨单元(3)、所述工作台伺服电机(2.4)、所述Z轴伺服电机(5.1)以及所述X轴伺服电机(4.1)连接；
外部电源与所述电源接口(7)连接；所述电源接口(7)通过供电线缆分别与所述压电喷墨单元(3)、所述工作台伺服电机(2.4)、所述Z轴伺服电机(5.1)以及所述X轴伺服电机(4.1)连接。
本发明还提供一种用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色方法，包括以下步骤：
步骤1，采用3D打印机打印得到未上色的3D打印模型；
步骤2，将未上色的所述3D打印模型固定于工作台(2.1)的表面；其中，固定方式为：采用水溶性胶进行粘合固定；
步骤3，总控制器接收模型颜色文件；然后，所述总控制器根据所述模型颜色文件，执行以下控制过程：
当所述总控制器需要对所述3D打印模型的某个特定位置A进行上色时，所述总控制器对工作台伺服电机(2.4)进行控制，工作台伺服电机(2.4)通过驱动螺杆(2.2)带动工作台(2.1)转动到特定的最佳上色位置；
同时，所述总控制器根据3D打印模型的高度以及特定位置A，对X轴伺服电机(4.1)进行控制，在X轴伺服电机(4.1)的驱动下，立柱(1.2)沿X轴导轨(4.2)进行X向的移动，进而带动压电喷墨单元(3)进行X向的移动；同时，所述总控制器根据3D打印模型的高度以及特定位置A，对Z轴伺服电机(5.1)进行控制，在Z轴伺服电机(5.1)的驱动下，压电喷墨单元(3)沿Z轴导轨(5.2)进行Z向的升降运动；最终将压电喷墨单元(3)移动到与特定位置A对应的最佳喷墨位置；
步骤4，所述总控制器根据特定位置A需要上色的颜色值，向与对应颜色墨盒连接的压电驱动单元(3.3.2.4)发送喷墨指令，压电驱动单元(3.3.2.4)使压电陶瓷板(3.3.2.3)的对应位置产生形变，从而使对应的墨水腔(3.3.2.2)的体积收缩，因此，对应颜色墨盒内的墨水通过墨水输送管进入对应的墨水腔，最后通过外置喷头喷射在3D打印模型的特定位置A的表面，实现对3D打印模型的特定位置进行特定颜色的上色的结果。
本发明提供的用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统及上色方法具有以下优点：具有结构简单、操作方便、上色速率快以及上色精确的优点，可有效保证3D打印模型的上色品质，全面提高用户的打印体验。
附图说明
图1为本发明提供的用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统的整体结构示意图；
图2为本发明提供的用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统的后侧示意图；
图3为本发明提供的集束喷头组件的立体结构示意图；
图4为本发明提供的集束喷头组件的侧视图；
图5为图4沿A-A的剖视图；
图6为本发明提供的集束喷头组件的俯视图；
图7为图6沿B-B的剖视图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术中存在的彩色模型打印存在色彩混杂、操作繁琐等问题，本发明提供一种用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统，具有结构简单、操作方便以及上色精确的优点。
参考图1-图7，本发明提供的用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统，包括：主体支架1、工作台单元2、压电喷墨单元3、X向移动导轨组件4、Z向移动导轨组件5和总控制器。下面对各主要部件详细介绍：
(一)主体支架
主体支架1为整个上色系统的承载结构，包括相互垂直设置的水平支座1.1和立柱1.2。
另外，主体支架1采用空腔结构，空腔用于穿过线缆；在主体支架1安装有计算机接口6和电源接口7。总控制器与计算机接口6连接；计算机接口6通过线缆分别与上色系统的控制部件连接，包括：压电喷墨单元3、工作台伺服电机2.4、Z轴伺服电机5.1以及X轴伺服电机4.1。外部电源与电源接口7连接；电源接口7通过供电线缆分别与上色系统的用电部件供电，包括：压电喷墨单元3、工作台伺服电机2.4、Z轴伺服电机5.1以及X轴伺服电机4.1。
(二)工作台单元
工作台单元2包括工作台2.1、驱动螺杆2.2、工作台底座2.3以及工作台伺服电机2.4；工作台底座2.3与水平支座1.1的一端一体成型设置；工作台2.1置于工作台底座2.3的上方，工作台为玻璃材质，并可拆卸，方便清洗。驱动螺杆2.2的底部与工作台底座2.3可转动连接，驱动螺杆2.2的顶部与工作台2.1固定连接；驱动螺杆2.2还通过传动件与工作台伺服电机2.4连接，工作台伺服电机2.4对驱动螺杆2.2进行驱动，使其转动，进而带动工作台2.1转动。
(三)Z向移动导轨组件和X向移动导轨组件
Z向移动导轨组件5包括Z轴伺服电机5.1以及Z轴导轨5.2；Z轴导轨5.2固定于立柱1.2上；压电喷墨单元3安装于Z轴导轨5.2上，在Z轴伺服电机5.1的驱动下，压电喷墨单元3沿Z轴导轨5.2进行Z向的升降运动。
X向移动导轨组件4包括X轴伺服电机4.1以及X轴导轨4.2；X轴导轨4.2固定于水平支座1.1上；立柱1.2的底端安装于X轴导轨4.2上，在X轴伺服电机4.1的驱动下，立柱1.2沿X轴导轨4.2进行X向的移动，进而带动压电喷墨单元3进行X向的移动。
(四)压电喷墨单元
压电喷墨单元3包括墨水仓3.1、墨水输送管3.2以及喷头组件3.3；
墨水仓3.1设计为可拆卸结构，方便进行更换墨盒以及清洗。墨水仓的内部安装有n个墨盒，n个墨盒可装有颜色各不相同的颜料，n为自然数，具体数量根据实际需求灵活设定；墨水仓3.1的外部具有n个墨水输出口；每个墨水输出口均与对应的一个墨盒连通；
喷头组件3.3可设计为可拆卸结构，方便进行喷头清洗；喷头组件3.3包括外置喷头3.3.1以及集束喷头组件3.3.2；外置喷头3.3.1可采用铝合金材质，其直径在0.05-0.1mm之间，
参考图3-图7，集束喷头组件3.3.2包括：集束喷头基座3.3.2.1，集束喷头基座3.3.2.1的内部形成有n个独立的墨水腔3.3.2.2，墨水腔3.3.2.2按从喷头输入口3.3.2.5到喷头输出口的方向，其直径逐渐变小，形成上粗下细结构。集束喷头基座3.3.2.1的底部具有与各个墨水腔3.3.2.2分别连通的喷头输出口，各个喷头输出口均与外置喷头3.3.1连通。
在集束喷头基座3.3.2.1的顶部固定安装有压电陶瓷板3.3.2.3，压电陶瓷板3.3.2.3的表面固定有n个压电驱动单元3.3.2.4；每个压电驱动单元3.3.2.4的中心开设有喷头输入口3.3.2.5，每个喷头输入口3.3.2.5的一端通过独立的一个墨水输送管3.2与对应的一个墨水仓3.1的墨水输出口连通；其中，墨水输送管采用PU软管。每个喷头输入口3.3.2.5的另一端与对应的一个墨水腔3.3.2.2连通。
(5)总控制器
总控制器分别与压电喷墨单元3、工作台伺服电机2.4、Z轴伺服电机5.1以及X轴伺服电机4.1电连接。对于所述压电喷墨单元，总控制器具体与压电喷墨单元中的各个压电驱动单元连接。
本发明还提供一种用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色方法，包括以下步骤：
步骤1，采用3D打印机打印得到未上色的3D打印模型；
步骤2，将未上色的3D打印模型固定于工作台2.1的表面；其中，固定方式为：采用水溶性胶进行粘合固定；
步骤3，总控制器接收模型颜色文件；然后，总控制器根据模型颜色文件，执行以下控制过程：
当总控制器需要对3D打印模型的某个特定位置A进行上色时，总控制器对工作台伺服电机2.4进行控制，工作台伺服电机2.4通过驱动螺杆2.2带动工作台2.1转动到特定的最佳上色位置；
同时，总控制器根据3D打印模型的高度以及特定位置A，对X轴伺服电机4.1进行控制，在X轴伺服电机4.1的驱动下，立柱1.2沿X轴导轨4.2进行X向的移动，进而带动压电喷墨单元3进行X向的移动；同时，总控制器根据3D打印模型的高度以及特定位置A，对Z轴伺服电机5.1进行控制，在Z轴伺服电机5.1的驱动下，压电喷墨单元3沿Z轴导轨5.2进行Z向的升降运动；最终将压电喷墨单元3移动到与特定位置A对应的最佳喷墨位置；
步骤4，总控制器根据特定位置A需要上色的颜色值，向与对应颜色墨盒连接的压电驱动单元3.3.2.4发送喷墨指令，压电驱动单元3.3.2.4使压电陶瓷板3.3.2.3的对应位置产生形变，从而使对应的墨水腔3.3.2.2的体积收缩，因此，对应颜色墨盒内的墨水通过墨水输送管进入对应的墨水腔，最后通过外置喷头喷射在3D打印模型的特定位置A的表面，实现对3D打印模型的特定位置进行特定颜色的上色的结果。
由此可见，本发明提供的用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统及上色方法，具有以下优点：
(1)结构简单、设计合理以及便于实施，克服了现有技术中彩色模型打印颜色不匀、色彩混杂、打印工序繁琐复杂的问题。
(2)本发明设计的阵列集束打印喷头适用面广，可用于各种常温可塑性材料的上色，且价格低廉。
(3)本发明设计的3D打印模型的后处理自动喷墨上色系统，可以在同样的3D模型上完成不同的艺术创作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统，其特征在于，包括：主体支架(1)、工作台单元(2)、压电喷墨单元(3)、X向移动导轨组件(4)、Z向移动导轨组件(5)和总控制器；
所述主体支架(1)包括相互垂直设置的水平支座(1.1)和立柱(1.2)；
所述工作台单元(2)包括工作台(2.1)、驱动螺杆(2.2)、工作台底座(2.3)以及工作台伺服电机(2.4)；所述工作台底座(2.3)与所述水平支座(1.1)的一端一体成型设置；所述工作台(2.1)置于所述工作台底座(2.3)的上方；所述驱动螺杆(2.2)的底部与所述工作台底座(2.3)可转动连接，所述驱动螺杆(2.2)的顶部与所述工作台(2.1)固定连接；所述驱动螺杆(2.2)还通过传动件与所述工作台伺服电机(2.4)连接，所述工作台伺服电机(2.4)驱动所述驱动螺杆(2.2)转动，进而带动所述工作台(2.1)转动；
所述Z向移动导轨组件(5)包括Z轴伺服电机(5.1)以及Z轴导轨(5.2)；所述Z轴导轨(5.2)固定于所述立柱(1.2)上；所述压电喷墨单元(3)安装于所述Z轴导轨(5.2)上，在所述Z轴伺服电机(5.1)的驱动下，所述压电喷墨单元(3)沿所述Z轴导轨(5.2)进行Z向的升降运动；
所述X向移动导轨组件(4)包括X轴伺服电机(4.1)以及X轴导轨(4.2)；所述X轴导轨(4.2)固定于所述水平支座(1.1)上；所述立柱(1.2)的底端安装于所述X轴导轨(4.2)上，在所述X轴伺服电机(4.1)的驱动下，所述立柱(1.2)沿所述X轴导轨(4.2)进行X向的移动，进而带动所述压电喷墨单元(3)进行X向的移动；
所述总控制器分别与所述压电喷墨单元(3)、所述工作台伺服电机(2.4)、所述Z轴伺服电机(5.1)以及所述X轴伺服电机(4.1)电连接。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统，其特征在于，所述压电喷墨单元(3)包括墨水仓(3.1)、墨水输送管(3.2)以及喷头组件(3.3)；
所述墨水仓(3.1)的内部安装有n个墨盒，n为自然数；所述墨水仓(3.1)的外部具有n个墨水输出口；每个所述墨水输出口均与对应的一个所述墨盒连通；
所述喷头组件(3.3)包括外置喷头(3.3.1)以及集束喷头组件(3.3.2)；所述集束喷头组件(3.3.2)包括：集束喷头基座(3.3.2.1)，所述集束喷头基座(3.3.2.1)的内部形成有n个独立的墨水腔(3.3.2.2)；所述集束喷头基座(3.3.2.1)的底部具有与各个所述墨水腔(3.3.2.2)分别连通的喷头输出口，各个所述喷头输出口均与所述外置喷头(3.3.1)连通；
在所述集束喷头基座(3.3.2.1)的顶部固定安装有压电陶瓷板(3.3.2.3)，所述压电陶瓷板(3.3.2.3)的表面固定有n个压电驱动单元(3.3.2.4)；每个所述压电驱动单元(3.3.2.4)的中心开设有喷头输入口(3.3.2.5)，每个所述喷头输入口(3.3.2.5)的一端通过独立的一个墨水输送管(3.2)与对应的一个所述墨水仓(3.1)的墨水输出口连通；每个所述喷头输入口(3.3.2.5)的另一端与对应的一个所述墨水腔(3.3.2.2)连通；
各个所述压电驱动单元(3.3.2.4)均连接到所述总控制器。
3.根据权利要求2所述的用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统，其特征在于，所述墨水腔(3.3.2.2)按从喷头输入口(3.3.2.5)到喷头输出口的方向，其直径逐渐变小，形成上粗下细结构。
4.根据权利要求2所述的用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统，其特征在于，所述外置喷头(3.3.1)的直径在0.05mm-0.1mm之间。
5.根据权利要求2所述的用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统，其特征在于，所述外置喷头(3.3.1)采用铝合金材质。
6.根据权利要求2所述的用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统，其特征在于，所述喷头组件(3.3)为可拆卸结构。
7.根据权利要求2所述的用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统，其特征在于，所述墨水仓(3.1)为可拆卸结构。
8.根据权利要求2所述的用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统，其特征在于，所述墨水输送管(3.2)采用PU软管。
9.根据权利要求1所述的用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色系统，其特征在于，所述主体支架(1)采用空腔结构，所述空腔用于穿过线缆；在所述主体支架(1)安装有计算机接口(6)和电源接口(7)；所述总控制器与所述计算机接口(6)连接；所述计算机接口(6)通过线缆分别与所述压电喷墨单元(3)、所述工作台伺服电机(2.4)、所述Z轴伺服电机(5.1)以及所述X轴伺服电机(4.1)连接；
外部电源与所述电源接口(7)连接；所述电源接口(7)通过供电线缆分别与所述压电喷墨单元(3)、所述工作台伺服电机(2.4)、所述Z轴伺服电机(5.1)以及所述X轴伺服电机(4.1)连接。
10.一种用于3D打印模型后处理的自动喷墨上色方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用3D打印机打印得到未上色的3D打印模型；
步骤2，将未上色的所述3D打印模型固定于工作台(2.1)的表面；其中，固定方式为：采用水溶性胶进行粘合固定；
步骤3，总控制器接收模型颜色文件；然后，所述总控制器根据所述模型颜色文件，执行以下控制过程：
当所述总控制器需要对所述3D打印模型的某个特定位置A进行上色时，所述总控制器对工作台伺服电机(2.4)进行控制，工作台伺服电机(2.4)通过驱动螺杆(2.2)带动工作台(2.1)转动到特定的最佳上色位置；
同时，所述总控制器根据3D打印模型的高度以及特定位置A，对X轴伺服电机(4.1)进行控制，在X轴伺服电机(4.1)的驱动下，立柱(1.2)沿X轴导轨(4.2)进行X向的移动，进而带动压电喷墨单元(3)进行X向的移动；同时，所述总控制器根据3D打印模型的高度以及特定位置A，对Z轴伺服电机(5.1)进行控制，在Z轴伺服电机(5.1)的驱动下，压电喷墨单元(3)沿Z轴导轨(5.2)进行Z向的升降运动；最终将压电喷墨单元(3)移动到与特定位置A对应的最佳喷墨位置；
步骤4，所述总控制器根据特定位置A需要上色的颜色值，向与对应颜色墨盒连接的压电驱动单元(3.3.2.4)发送喷墨指令，压电驱动单元(3.3.2.4)使压电陶瓷板(3.3.2.3)的对应位置产生形变，从而使对应的墨水腔(3.3.2.2)的体积收缩，因此，对应颜色墨盒内的墨水通过墨水输送管进入对应的墨水腔，最后通过外置喷头喷射在3D打印模型的特定位置A的表面，实现对3D打印模型的特定位置进行特定颜色的上色的结果。
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