CN110253890A - 一种增材制造复合分层切片方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于成型加工技术领域，涉及增材制造中的工艺控制技术，具体涉及一种增材制造的复合分层切片方法。针对现有技术中3D打印的分层切片方法存在打印速度与打印精度难以兼顾的问题，本发明算法旨在不改变成型工件表面精度的前提下，将打印工件的外表面和内部采取不同的打印厚度进行加工，以提高加工速度，提升加工效率，降低成本。本方法至少会用到两种打印层厚：一种用于外表面打印，层厚较小以保证工件表面的加工精度；一种用于内部打印，层厚较大以对工件内部进行快速填充。本方法也可以用于自适应层厚加工。

Description

一种增材制造复合分层切片方法
技术领域
本发明属于成型加工技术领域，涉及增材制造中的工艺控制技术，具体涉及一种增材制造复合分层切片方法。
背景技术
在增材制造(俗称3D打印)技术中，成型工件由成型材料层层累积而成，因此在加工之前对工件数字模型的切片分层处理就显得尤其重要。其中，切片的厚度会直接影响成型工件的表面精度和加工时间，因而与加工成本密切相关。一般来说，采用较大的切片厚度可以缩短打印时间，但工件表面的“台阶效应”明显，精度较差；采用较小的切片厚度可以提升表面精度，但打印时间会加长，两者之间存在着难以调和的矛盾。
在3D打印技术发展之初都是采用等层厚的处理办法，用户在打印精度和打印时间之间做出取舍，或者选取一个折衷的层厚参数加工整个工件；随着3D打印技术的发展，逐渐出现了自适应变层厚分层技术，可以根据工件表面的变化程度，在打印过程中调整层厚——表面变化较小的地方采用较大的层厚，表面质量可以保证，打印时间也短；而表面变化较大的部分则采用较小的层厚，保证表面质量，牺牲一部分打印时间。相较于定层厚加工，自适应层厚兼顾了表面质量和打印时间，是更为合理的分层方法。
但是自适应算法只能将工件表面和内部进行一样的切片处理，即当工件表面变化较大时，为了保证表面加工质量，将工件表面和内部都采用较小的层厚进行打印。这样的处理是没有必要的，因为工件内部的材料只对整个工件起支撑作用，不会影响表面质量，没有必要采用小层厚或者变层厚进行加工；如果可以采用较大的固定层厚进行内部结构的加工，就可以进一步减少需要采用小层厚打印的区域，减少打印时间，提高打印效率。本专利基于此想法，提出一种复合切片方法。
在《基于FDM技术3D打印机切片方式的设计》(张自强，王占礼，陈延伟，王丽，马驰骋，2015工业设计与协同创新学术会议暨第20届全国工业设计学术年会)中，提出要构建一种新型的切片方式，分别采用不同层厚对工件的外表面、辅助支撑、内部支撑进行分层处理。其主要利用增加的大直径喷头来增加打印速度，想借此来增加打印速度和工件强度。但是该文对外部支撑做出的增大喷头直径的做法会使支撑难以剥离；更重要的是该文仅以简单的正方体作为示例，并未提出一种具有普遍适用性的切片方法。
在《基于轮廓注塑成型的3D成型方法》(中国专利：CN105172152A)中提出一种方法：首先将三维模型转化得到其壳体切片，然后用3D打印出物体的壳体，在顶部或底部留下浇口；再从浇口往内部注入光固化液体材料、灌封胶、熔化液体、可熔融粉末材料之一种或多种进行填充，然后进行光固化、加热熔固、胶合反应固化；最后用3D打印在开口处利用顶部结构的切片数据继续打印以最终成型，使得整个模型密封、完整。该方法只将壳体进行打印，内部使用类似浇注的办法，能减少打印时间。但是却将打印过程复杂化，需要人工干预；且对于某些复杂的零件，由于壳体材料透气性等问题，会出现浇注不足现象，导致工件内部有孔隙，对工件力学性能会有影响。
发明内容
针对现有技术中3D打印的分层切片方法存在打印速度与打印精度难以兼顾的问题，本发明提供一种增材制造复合分层切片方法，其目的在于：提出一种方法逻辑简单、计算量小，面向当前主流3D打印工艺的切片算法。本方法的根本思想是将工件划分为外表面和内部两个部分，分别打印以提高加工效率。方法适用于各种复杂程度的工件，能够在保证工件加工精度和力学性能的前提下提高打印速度，并适用于SLA、SLS、FDM等多种主流3D打印工艺。还可用于混合材料打印，即工件内外部分可使用不同材料加工，例如外部使用耐磨的高硬度材料，而内部使用高韧性的材料。进一步的，甚至可利用本专利提出的方法对工件进行多次分割，以不同材料填充工件内部，以得到高性能的复合材料工件。
本发明采用的技术方案如下：
一种增材制造复合分层切片方法，包括如下步骤：
步骤Ⅰ：进行参数规划，参数规划过程中将待打印的工件划分为外表面和作为支撑的内部两个部分，所述外表面部分由数个外表面层组成，所述外表面层包括数个完整的起始层和数个完整的结束层，所述“完整”的意义为外表面层中不包含用于填充内部层的中空结构。所述起始层和结束层之间的外表面层具有中空结构，所述内部部分填充在所述外表面层的中空结构中，所述内部由数个内部层组成；所述外表面层的层数和厚度根据工件表面精度的需求进行设置，所述内部层的层数和厚度根据打印速度的需求和设备性能进行设置；
步骤Ⅱ：根据步骤Ⅰ中规划的参数对工件进行切片和偏置获得各外表面层和内部层的轮廓；
步骤Ⅲ：填充步骤Ⅱ得到的外表面层和内部层的轮廓，对处理得到的外表面轮廓和内部轮廓进行扫描路径规划，获得喷头的运动轨迹，按由起始层至结束层、由外至内的顺序输出G代码。
采用该技术方案后，将工件打印分为外表面打印与内部打印，外表面层片采用较小层厚进行高精度的打印，保证工件表面质量；内部层片采用较大层厚打印，保证打印速度和工件力学性能。该方案克服了打印速度与打印精度之间的矛盾，即能够以较快的速度进行打印，又能够打印出表面质量和力学性能优异的工件。
优选的，外表面层的总层数为L个，所述起始层的层数为Ls个，所述结束层的层数为Le个，在起始层和结束层之间，每M个外表面层对应一个内部层，所述一个内部层与对应的M个外表面层共同构成复合层；所述步骤Ⅲ中输出G代码的顺序具体如下：
[1]打印起始层；
[2]打印复合层，对每一个复合层先打印外表面层，再打印内部层；
[3]打印结束层。
该优选方案中，打印的顺序是各复合层逐层由外至内进行打印，保证外表面层片的自支撑性能，不会在内部层片填充之前出现外表面层片因缺少支撑而塌陷的情况。
优选的，外表面层和内部层分别采用不同层厚。
优选的，外表面层和内部层的打印分别采用两种材料。该优选方案能够满足打印工件特殊的工艺需求，例如外部使用耐磨的高硬度材料，而内部使用高韧性的材料。
优选的，内部层的层厚设置为设备支持的最大层厚。
本发明还提供一种增材制造的复合分层切片方法，包括如下步骤：
步骤1：进行参数规划：
步骤1.1：读入工件的数字模型并进行预处理；
步骤1.2：根据加工精度的需求，计算所述工件的打印层数L，进而得到外表面层的打印厚度touter；
步骤1.3：根据工件的力学性能需求确定起始层的层数Ls；
步骤1.4：参考打印设备支持的最大层厚确定外表面层的打印厚度touter的整数倍为内部层的打印层厚tinter；通过设置结束层的层数Le，保证起始层与结束层之间的外表面层的厚度之和为tinter的整数倍且保证Le≥Ls；
步骤1.5：确定偏置距离δd，所述偏置距离为层片轮廓向内偏置以得到中间偏置轮廓的距离；
步骤2：获得各外表面层和内部层的轮廓：
步骤2.1：根据步骤1确定的L和touter确定L个完整层片的轮廓，即得到起始层和结束层的轮廓；
步骤2.2：将步骤2.1得到的L个完整层片的轮廓中与内部层对应的层片轮廓向内偏置δd得到偏置轮廓；
步骤2.3：将步骤2.2得到的同一内部层对应的所有偏置轮廓进行布尔交运算，得到对应的内部层的轮廓；
步骤2.4：将步骤2.1得到的与外表面层对应的层片轮廓减去步骤2.3得到的对应的内部轮廓，即得到所述外表面层的外部轮廓。
该技术方案能够合理地划分工件的外表面部分和内部部分，逻辑简单、计算量小，适用于各种复杂程度的工件，能够在保证工件加工精度和力学性能的前提下提高打印速度。
优选的，外表面层的轮廓内含保护层的轮廓，所述保护层的轮廓设置在工件每一内部层所对应的原外表面层和内部层之间，所述保护层的轮廓的确定方法为：在步骤2.3中，将每一内部层对应的所有偏置轮廓及前后相邻数个层片的偏置轮廓进行布尔交运算，得到所述内部层的内部轮廓；在步骤2.4中得到的与所述内部层对应的外表面层减去原外表面层即为保护层的轮廓。
采用上述优选方案后，步骤2.2和步骤2.3分别修改为：
步骤2.2：将步骤2.1得到的L个完整层片的轮廓中与内部层对应的层片轮廓和相应邻近层片轮廓向内偏置δd得到偏置轮廓；
步骤2.3：将步骤2.2得到的同一内部层对应的所有偏置轮廓和相应邻近层片轮廓进行布尔交运算，得到对应的内部层的轮廓。
该优选方案在工件外表面发生突变时，使得内部层能被外表面层完整包裹，保证打印的精度和工件表面的质量。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.克服了打印速度与打印精度之间的矛盾，即能够以较快的速度进行打印，又能够打印出表面质量和力学性能优异的工件。
2.打印的顺序是各复合层逐层由外至内进行打印，保证外表面层片的自支撑性能，不会在内部层片填充之前出现外表面层片因缺少支撑而塌陷的情况。
3.能够满足打印工件由多种材料组成的特殊工艺需求，例如外部使用耐磨的高硬度材料，而内部使用高韧性的材料。
4.能够合理地划分工件的外表面部分和内部部分，逻辑简单、计算量小，适用于各种复杂程度的工件，能够在保证工件加工精度和力学性能的前提下提高打印速度。
5.在工件外表面发生突变时，所设置的保护层使得内部层能被外表面层完整包裹，保证打印的精度和工件表面的质量。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明中增材制造复合分层切片方法的流程图；
图2是本发明的复合切片原理示意图；
图3是本发明中外表面结构突变且无保护层的复合分层示意图；
图4是本发明中外表面结构突变且加入保护层的复合分层示意图；
图5是本发明中参数的示意图；
图6是本发明实施例中编号为1-8号的层片的具体位置示意图；
图7是本发明实施例中编号为1-8号的层片的轮廓；
图8是本发明实施例中编号为1-8号的层片的偏置轮廓；
图9是本发明实施例中1-8号偏置轮廓做布尔交运算后得到的内部轮廓；
图10是本发明实施例中3-6号层片轮廓所对应的外表面轮廓；
图11是本发明实施例中工件垂直与打印方向的投影和复合切片结果；
图12是本发明实施例中工件复合切片结果的局部放大图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1至图12对本发明作详细说明。
一种增材制造复合分层切片方法，包括如下步骤：
步骤Ⅰ：进行参数规划，参数规划过程中将待打印的工件划分为外表面和作为支撑的内部两个部分，所述外表面部分由数个外表面层组成，所述外表面层包括数个完整的起始层和数个完整的结束层，所述“完整”的意义为外表面层中不包含用于填充内部层的中空结构。所述起始层和结束层之间的外表面层具有中空结构，所述内部部分填充在所述外表面层的中空结构中，所述内部由数个内部层组成；所述外表面层的层数和厚度根据工件表面精度的需求进行设置，所述内部层的层数和厚度根据打印速度的需求进行设置；
步骤Ⅱ：根据步骤Ⅰ中规划的参数对工件进行切片和偏置获得各外表面层和内部层的轮廓；
步骤Ⅲ：填充步骤Ⅱ得到的外表面层和内部层的轮廓，对处理得到的外表面轮廓和内部轮廓进行扫描路径规划，获得喷头的运动轨迹，按由起始层至结束层、由外至内的顺序输出G代码。
优选的，外表面层的总层数为L个，所述起始层的层数为Ls个，所述结束层的层数为Le个，在起始层和结束层之间，每M个外表面层对应一个内部层，所述一个内部层与对应的M个外表面层共同构成复合层；所述步骤Ⅲ中输出G代码的顺序具体如下：
[1]打印起始层；
[2]打印复合层，对每一个复合层先打印外表面层，再打印内部层；
[3]打印结束层。
优选的，外表面层和内部层的打印分别采用两种材料。
本发明还提供一种增材制造复合分层切片方法，包括如下步骤：
步骤1：进行参数规划：
步骤1.1：读入工件的数字模型并进行预处理；
步骤1.2：根据加工精度的需求，计算所述工件的打印层数L，进而得到外表面层的打印厚度touter；
步骤1.3：根据工件的力学性能需求确定起始层的层数Ls；
步骤1.4：参考打印设备支持的最大层厚确定外表面层的打印厚度touter的整数倍为内部层的打印层厚tinter；通过设置结束层的层数Le，保证起始层与结束层之间的外表面层的厚度之和为tinter的整数倍且保证Le≥Ls；
步骤1.5：确定偏置距离δd，所述偏置距离为层片轮廓向内偏置以得到中间偏置轮廓的距离；
步骤2：获得各外表面层和内部层的轮廓：
步骤2.1：根据步骤1确定的L和touter确定L个完整层片的轮廓，即得到起始层和结束层的轮廓；
步骤2.2：将步骤2.1得到的L个完整层片的轮廓中与内部层对应的层片轮廓向内偏置δd得到偏置轮廓；
步骤2.3：将步骤2.2得到的同一内部层对应的所有偏置轮廓进行布尔交运算，得到对应的内部层的内部轮廓；
步骤2.4：将步骤2.1得到的与外表面层对应的层片轮廓减去步骤2.3得到的对应的内部轮廓，即得到所述外表面层的外部轮廓。
优选的，所述保护层的轮廓的确定方法为：外表面层的轮廓内还含保护层的轮廓，所述保护层的轮廓设置在工件每一内部层所对应的原外表面层和内部层之间，所述保护层的轮廓的确定方法为：在步骤2.3中，将每一内部层对应的所有偏置轮廓及前后相邻数个层片的偏置轮廓进行布尔交运算，得到所述内部层的内部轮廓；在步骤2.4中得到的与所述内部层对应的外表面层减去原外表面层即为保护层的轮廓。
实施例
下面通过一个具体的工件对本申请的技术方案进行举例说明。
本实施例旨在不改变成型工件表面精度的前提下，将打印工件的外表面和内部采取不同的打印厚度进行加工，以提高加工速度，提升加工效率，降低成本。本方法至少会用到两种打印层厚：一种用于外表面打印，层厚较小以保证工件表面的加工精度；一种用于内部打印，层厚较大以对工件内部进行快速填充。本方法也可以用于自适应层厚加工。为了方便说明，本实施例以定层厚打印为例。图2为复合切片的原理示意图，如图所示除了工件的开始和结束的几层按传统方法进行完整打印，中间部分则分为外表面和内部打印层以不同厚度进行打印。
本实施例对工件进行3D打印的各步骤具体说明如下：
(1)读入工件的数字模型
读入待加工工件的数字模型，最常见的为STL文件，进行必要的预处理。
(2)进行参数规划
(2.1)计算外表面打印层数L和层厚touter
使用传统方法，按照加工精度要求进行打印层数、层厚的计算。计算得到的工件打印层数为L，打印厚度为touter。这里，L应大于一定的数值，对于打印层数较少的薄片类工件，采用本方法意义不大。
(2.2)确定完整打印的起始层数Ls
工件最开始几层(起始层)和最后几层(结束层)与一般打印过程一致，应该完整打印。层数的选择可以根据具体情况自行确定，如外表面以高硬度的耐磨材料进行打印，为了节省成本，可以只打1层，但一般情况下为了保证工件的力学性能，打印5层以上为宜。最终设定完整打印的起始层数为Ls，则工件最后应完整打印的结束层数至少也该是Ls层。
(2.3)确定内部打印层厚tinter、完整打印的结束层数Le
对于工件内部应该采用较大的固定的层厚进行快速填充打印，其层厚tinter原则上应确定为设备支持的最大厚度tmax，但还应满足两个条件：①一个内部层对应整数个外表面层，即对于定层厚打印有tinter/touter＝M(M为大于等于1的整数)。②所有需要进行复合切片部分的总层高应为内部层厚tinter的整数倍，如果不是，可以通过调整完整打印的结束层数Le来实现。先取Le＝Ls，再根据情况增大Le并保证Le≥Ls。则最终需要进行复合分层的是工件的第Ls+1层到第L-Le层，共L-Ls-Le层。
(2.4)确定偏置距离δd
偏置距离δd为层片轮廓向内偏置以得到中间偏置轮廓的距离，δd推荐取外表面层层厚的整数倍，即δd＝ntouter(n≥1)。
(2.5)确定保护层数L'
保护层是为了让内部层片轮廓能自适应各种不规则形状工件,尤其是表面形状变化较大的工件。如图3和图4所示，当外表面相邻层片轮廓有较大突变,且正好处于内部层分层处时，利用保护层机制可使内部层不外露。使用方法是在每次进行求交以获得内部轮廓时加入邻近的轮廓，使邻近层片的变化能体现在内部轮廓上。进行布尔交运算时加入的邻近层片数为L'，L'推荐取δd/touter，即步骤(2.4)中的n。此外，无论工件的形状如何，计算每一个内部轮廓时均要加入邻近层片，这样才具有普适性。
图3为未使用保护层所得到的复合分层结果，可以看出内部层暴露在外面，这是由于邻近层片轮廓发生突变；而图4是在相同参数下加入保护层后得到的复合分层结果，由于加入了对邻近层片轮廓的变化的综合考虑，能很好地避免了前述特殊情况。
本步骤规划完成的参数对应的含义如图5所示。
为了方便说明，后文以某工件示例进行说明。该模型H＝50mm，取touter＝0.2mm，则L＝250，取Ls＝Le＝5，tinter＝4*touter＝0.8mm，则M＝4,取δd＝2*touter＝0.4mm，L′＝2。
(3)获取内、外部轮廓
(3.1)切片获得完整层片轮廓
根据步骤2所确定的参数对示例工件进行切片，得到各层片完整轮廓。取连续的8个层片轮廓,编号为1-8号，具体位置如图6所示，得到的层片轮廓形状如图7所示。其中1、2与7、8号为邻近保护层,3-6号为1个内部层所对应的4个外部层。
(3.2)偏置层片轮廓得到偏置轮廓
将步骤(3.1)得到的层片轮廓向内偏置δd得到偏置轮廓。对于上述8个层片轮廓向内偏置δd＝0.4mm后，得到如图8所示的8个偏置轮廓。
(3.3)偏置轮廓取交集获得内部轮廓
将上一步得到的偏置轮廓进行布尔交运算便得到该层的内部轮廓。如上述1-8号偏置轮廓做布尔交运算后得到的内部轮廓如图9所示。
(3.4)层片轮廓减去内部轮廓获得外表面轮廓
将步骤(3.1)中得到的每一内部层所对应的M层完整层片轮廓与上一步得到的内部轮廓进行布尔减运算得到外表面轮廓。对于示例工件，将步骤(3.1)得到的第3-6号层片轮廓与上一步得到内部轮廓相减，可以分别得到3-6号层片轮廓的所对应的外表面轮廓，如图10所示标黑区域。
图11为一测试工件垂直于打印方向的投影及其复合切片结果。其中灰色区域为外表面层片，白色区域为内部层片。
(4)填充内部、外表面轮廓，按由外至内的顺序输出G代码
对处理得到的外表面轮廓和内部轮廓进行扫描路径规划，获得喷头的运动轨迹。在输出G代码时，应遵循先外后内的加工顺序，具体过程为：
1)打印Ls个完整起始层；
2)打印第Ls+1至第L-Le复合层，对每一个复合层复合层中，一个内部层对应M个外表面层，先打印外表面层，再打印内部层。
3)打印Le个完整结束层。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种增材制造复合分层切片方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤Ⅰ：进行参数规划，参数规划过程中将待打印的工件划分为外表面和作为支撑的内部两个部分，所述外表面部分由数个外表面层组成，所述外表面层包括数个完整的起始层和数个完整的结束层，所述起始层和结束层之间的外表面层具有中空结构，所述内部部分填充在所述外表面层的中空结构中，所述内部由数个内部层组成；所述外表面层的层数和厚度根据工件表面精度的需求进行设置，所述内部层的层数和厚度根据打印速度的需求进行设置；
步骤Ⅱ：根据步骤Ⅰ中规划的参数对工件进行切片和偏置获得各外表面层和内部层的轮廓；
步骤Ⅲ：填充步骤Ⅱ得到的外表面层和内部层的轮廓，对处理得到的外表面轮廓和内部轮廓进行扫描路径规划，获得喷头的运动轨迹，按由起始层至结束层、由外至内的顺序输出G代码。
2.按照权利要求1所述的一种增材制造复合分层切片方法，其特征在于：
所述外表面层的总层数为L个，所述起始层的层数为Ls个，所述结束层的层数为Le个，在起始层和结束层之间，每M个外表面层对应一个内部层，所述一个内部层与对应的M个外表面层共同构成复合层；所述步骤Ⅲ中输出G代码的顺序具体如下：
[1]打印起始层；
[2]打印复合层，对每一个复合层先打印外表面层，再打印内部层；
[3]打印结束层。
3.按照权利要求1所述的一种增材制造复合分层切片方法，其特征在于：所述外表面层和内部层分别采用不同层厚。
4.按照权利要求1所述的一种增材制造复合分层切片方法，其特征在于：所述外表面层和内部层按需求采用不同材料进行打印。
5.按照权利要求1所述的一种增材制造复合分层切片方法，其特征在于：所述内部层的层厚设置为设备支持的最大层厚。
6.一种增材制造的复合分层切片方法，其特征在于,包括如下步骤：
步骤1：进行参数规划：
步骤1.1：读入工件的数字模型并进行预处理；
步骤1.2：根据加工精度的需求，计算所述工件的打印层数L，进而得到外表面层的打印厚度touter；
步骤1.3：根据工件的力学性能需求确定起始层的层数Ls；
步骤1.4：参考打印设备支持的最大层厚确定外表面层的打印厚度touter的整数倍为内部层的打印层厚tinter；通过设置结束层的层数Le，保证起始层与结束层之间的外表面层的厚度之和为tinter的整数倍且保证Le≥Ls；
步骤1.5：确定偏置距离δd，所述偏置距离为层片轮廓向内偏置以得到中间偏置轮廓的距离；
步骤2：获得各外表面层和内部层的轮廓：
步骤2.1：根据步骤1确定的L和touter确定L个完整层片的轮廓，即得到起始层和结束层的轮廓；
步骤2.2：将步骤2.1得到的L个完整层片的轮廓中与内部层对应的层片轮廓向内偏置δd得到偏置轮廓；
步骤2.3：将步骤2.2得到的同一内部层对应的所有偏置轮廓进行布尔交运算，得到对应的内部层的轮廓；
步骤2.4：将步骤2.1得到的与外表面层对应的层片轮廓减去步骤2.3得到的对应的内部轮廓，即得到所述外表面层的外部轮廓。
7.按照权利要求6所述的一种增材制造复合分层切片方法，其特征在于，外表面层的轮廓内含保护层的轮廓，所述保护层的轮廓设置在工件每一内部层所对应的原外表面层和内部层之间，所述保护层的轮廓的确定方法为：在步骤2.3中，将每一内部层对应的所有偏置轮廓及前后相邻数个层片的偏置轮廓进行布尔交运算，得到所述内部层轮廓；在步骤2.4中得到的与所述内部层对应的外表面层减去原外表面层即为保护层的轮廓。
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