CN111148943B - 照明设备和制造照明设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包括3D打印散热器（11，41）的照明设备（10,40）。该3D打印散热器（11，41）包括芯层（15，45）和沿垂直于芯层（15，45）的堆叠轴堆叠的至少一个另外的层的堆叠（13，43）。芯层（15，45）和至少一个另外的层包括各自具有导热填充物的相同的聚合物材料（14，44），其中聚合物材料（14，44）中的导热填充物的浓度从芯层（15，45）开始，随着至少一个另外的层中的每一个相继地降低，以改善所述3D打印散热器（11，41）的对机械故障的抵抗性和热传导。

Description

照明设备和制造照明设备的方法

技术领域

本发明涉及一种照明设备，该照明设备包括光源和/或电子设备，并且包括3D打印散热器。所述3D打印散热器包括芯层和至少一个另外的层，其中例如由照明设备包括的光源和/或电子设备可以进一步布置在芯层上。本发明还涉及一种散热器以及一种制造包括3D打印散热器的照明设备的方法。

背景技术

照明设备的操作通常与热的生成相关联。所述热是可能对照明设备的性能和寿命具有有害影响的副产物。因此，有效的冷却在许多照明设备中是有用的和期望的。为了冷却在使用或操作时可能生成热的照明设备，散热器经常被使用。

用于改善照明设备的热性能的散热器在本领域中是众所周知的。因为预期，通过数字化制造的广泛引入，全球制造中的当前实践将被转变，因此，也预期这样的散热器的设计和制造将被数字化；例如借助于熔融沉积建模或3D打印。

然而，目前，许多照明设备仍然利用常规制造技术制造，因为许多照明设备具有高的光通量要求，并且因此需要金属散热器来实现更好的热扩散并且因此满足期望的冷却属性。这种金属散热器可以是铝散热器。转向照明设备中较小光源（诸如板上芯片（CoB））的趋势，进一步增加了对借助于金属散热器的高效热扩散和冷却的需求。

这种金属散热器，例如铝散热器，目前通过管芯铸造制造。这种铸造工艺的模具需要用工具加工（每一个部件和每一个设计），并且因此导致高制造成本。此外，3D打印金属散热器仍然非常昂贵，并且仅在生产有限批次的小的或非常专业的部件时是高效的。数字化制造类似设计（例如替代品）的3D打印聚合物散热器将是成本有效的，但是这种（替代的）3D打印散热器将缺乏与金属散热器的机械强度相结合的热属性。机械强度是涉及固体对象承受应力和应变的性能的主题。这可能是个问题。即，改善3D打印散热器中的热传导，例如通过在（例如）（聚合物）基质材料中提供导热填充物，通常可能导致基质材料的机械强度的退化。这种机械强度可能例如被需要用来提供结构强度，用来确保良好的机械属性（诸如抗冲击性或延展性），用来抵抗热负载，和/或用来抵抗物理负载。

这样的热或物理负载的示例是：由于连接照明设备的构造内的散热器所致的负载；由于开/关、白天/夜晚/、太阳/阴影周期发生的热应力；在构造压在散热器上的照明设备时产生的重量负载；诸如风、太阳、雨、冰雹、雪的天气条件；诸如流氓行为的使用负载。作为结果，仅用已知的聚合物散热器代替金属散热器可能不足以克服这样的机械负载，并且同时提供照明设备内的热负载的热耗散。因此，向这种照明设备提供已知的聚合物散热器是不利的。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善的包括3D打印散热器的照明设备，其至少减轻了上面提及的问题。其中，本发明提供了一种照明设备，其包括光源和/或电子部件，并且包括3D打印散热器；3D打印散热器包括芯层和沿垂直于芯层的堆叠轴堆叠的至少一个另外的层的堆叠；其中芯层和至少一个另外的层包括各自具有导热填充物的相同的聚合物材料，其中聚合物材料中的导热填充物的浓度从芯层开始，随着至少一个另外的层中的每一个相继地降低，以改善所述3D打印散热器的对机械故障的抵抗性和热传导。

这种照明设备包括3D打印散热器，其中散热器包括芯层和沿着垂直于芯层的堆叠轴堆叠的至少一个另外的层的堆叠。因此，散热器可以包括相继地芯层和至少一个另外的层的堆叠。所述堆叠中的每一个层包括相同的聚合物材料，这确保了堆叠中的每一个层彼此良好地粘附。所述堆叠中的每一个层也包括导热填充物，以改善通过每一个相应层的热传递。但是，在许多情况下，随着聚合物材料中导热填充物的浓度增加，聚合物的对机械故障的抵抗性降低。更具体地，这里对机械故障的抵抗性是指例如脆性和延展性：因为增加了导热填充物含量，因此堆叠的脆性（和/或刚度）增加，从而使堆叠在延展性方面退化，并易于因变形而更快地断裂或破裂（即，机械强度的属性降低）。尽管在热方面期望实现导热填充物，但是因此在机械方面并不期望为所述堆叠中的每一个层提供高浓度的导热填充物。因此，如上面所提及的，本发明提供了一种3D打印散热器，其中，聚合物材料中的导热填充物的浓度从芯层开始，随着至少一个另外的层中的每一个相继地降低，以改善所述3D打印散热器的机械强度和热传导之间的关系。所述关系在这里是与热传导相关的对机械故障的抵抗性。这（本发明）使得3D打印散热器具有相对高的机械强度属性，如所提及的那样对机械故障的抵抗性，同时保留了热性能。如所提及的，所述机械强度属性例如为较小的脆性，延展性得到改善，随着增加的变形对断裂更抵抗，同时保持热性能。这里，3D打印可以是例如熔融沉积建模（FDM）。所述浓度可以是整个聚合物材料的均匀浓度。在一些示例中，所述关系可以是所述3D打印散热器的机械强度，例如脆性或延展性，和热传导的比率。这里，对机械故障的抵抗性也可以被称为3D打印散热器的机械强度属性的机械强度。

作为结果，芯层可以提供对机械故障的较小的抵抗性，但是较高的导热系数，并且至少一个另外的层可以相继地提供对机械故障的增加的抵抗性和降低的导热系数。这种配置的效果是，沿着所述层的堆叠，散热器的对机械故障的抵抗性和散热器的导热系数可以成反比。因此，施加到散热器的芯层的热可以通过层的堆叠更快速地耗散，例如通过至少一个另外的层的最初的几个层，而散热器的对机械故障的整体抵抗性可以相应地保留，例如，因为至少一个另外的层的最后几个层可能需要较小的导热系数，因为热已经通过最初的几个层耗散，并且因此提供了对抗机械故障的更多抵抗性，以改善散热器的对机械故障的整体抵抗性。因此，如这里所描述的，3D打印散热器的对机械故障的抵抗性和热传导也得到了改善。

对机械故障的抵抗性是指机械属性，诸如刚度、脆性、延展性、冲击抵抗性、应力-应变性能等；这在材料力学领域是已知的。因此，对机械故障的改善的抵抗性是指例如不那么易脆的、更具延展性的、更具抵抗冲击的对象，该对象对由于应变或变形所致的破裂更具抵抗性。应变可以指机械的应变以及发生的热应变两者。

根据本发明的照明设备的优点在于，照明设备被提供有改善的3D打印（聚合物）散热器，该散热器可以将热传递远离光源和/或电子部件。更具体地：该散热器不仅是所述照明设备中金属散热器的有利替代，而且与已知的聚合物散热器相比是一种改善；因为包括所述3D打印散热器的照明设备更容易和更快速地制造，无需高额的前期投资（比如例如铸造模具的管芯）而更经济有效地制造，并且为散热器提供了对机械故障的抵抗性和热传导属性之间的改善和有利的关系。作为结果，包括（金属散热器或）已知聚合物散热器的传统照明设备可以由包括根据本发明的3D打印聚合物散热器的照明设备有利地代替，而不会失去由金属散热器提供的机械和热优点；这是已知的聚合物散热器的明显缺点。

提供本发明，预期散热器的设计和制造将被更有效和更快速地数字化，因为本发明现在提供了良好使能的有利的聚合物散热器和/或金属散热器的有利替代品。例如，本发明可以有利地应用于在飞利浦照明的产品组合中存在的特定照明设备，诸如例如室外后置顶照明设备，或例如更具体地Metronomis。

另一个优点是，数字制造用于所述照明设备中的这种散热器允许成本有效地小批量生产，并允许个性化产品。这样的个性化产品可以例如由消费者发起并3D打印。

芯层包括聚合物材料中的一浓度的导热填充物。聚合物材料中的所述浓度的导热填充物可以允许芯层有效地传导热。由于聚合物材料中的导热填充物的浓度从芯层开始，随着至少一个另外的层中的每一个相继地降低，因此散热器的导热系数随着每一个相继的层降低，但其对机械故障的抵抗性增加。即，例如堆叠变得不那么易脆、更具延展性和对由于应变/变形所致的破裂更有抵抗性。因此，当在芯层上时，热源将被更有效地耗散，因为靠近热源的导热系数更高。因此，热可以更好地分布在芯层上并且越来越少地分布在至少一个另外的层中的每一个上。但是，后者是可接受的，因为随着热的分布更多，在至少一个另外的层上，散热器的对机械故障的抵抗性维持的越来越好，并且在至少一个另外的层上对导热系数的要求越来越不严格。

因此，如前面所提及的，当在芯层上时，热源将因此被更有效地耗散。因此，在实施例中，光源和/或电子设备可以布置在芯层上。更具体地，光源和/或电子设备可以布置在芯层的背离顶层的一侧上。这种实施例是有利的，因为照明设备的光源和/或电子设备可以是在照明设备内产生大部分热的部件。将光源和/或电子设备布置到芯层上改善了照明设备的热性能。可替代地，在实施例中，电子部件可以是电池、处理器、电阻、驱动器、致动器、芯片或半导体设备或显示器。

所述光源可以是常规光源、照明设备、固态照明设备、LED、OLED、LED板、卤素射灯、或光导、或发光材料、或包括发光材料的透明窗口。

为了更好的散热，可以进一步有利的是将光源和/或电子设备（诸如例如驱动器）布置在芯层上的特定位置处，其中，该特定位置可以允许由光源生成的热的更好的散热。因此，在实施例中，光源和/或电子设备可以定位在芯层的几何中心处。所述几何中心可以是几何形状的中心。例如，当芯层具有圆形形状时，几何中心可以是圆的中心；当芯层具有椭圆形状时，几何中心可以是椭圆的两个焦点中的一个；当芯层具有自由形状时，几何中心可以是重心。可替代地，惯性中心。

例如，本发明可以特别适合于替换包括已知的薄聚合物或薄金属片散热器（板形）的照明设备；因为具有这种（板形）散热器的照明设备需要由光源生成的热的有效散热，而且还需要散热器的显著强度以应对不同发生的负载和导致的应变或冲击。因此，例如薄的金属片由于金属的属性很适合。制造类似设计的聚合物散热器，其中通过在整个散热器中实现高浓度导热填充物而实现类似的导热系数，可能不能够满足所述机械要求；因为高浓度的导热填充物可以使散热器的对机械故障的抵抗性退化，由于薄板形状，特别需要对机械故障的抵抗性，诸如例如对由于变形所致的断裂更好的抵抗性。

然而，本发明提供了一种具有包括聚合物材料的3D打印散热器的有利照明设备，该3D打印散热器有效地替代了这种（薄板形）散热器。因此，在实施例中，可以提供根据本发明的照明设备，其中，所述堆叠包括板形，其中，所述板形的厚度至多是所述堆叠的有效直径的十五分之一；所述有效直径是散热器的几何中心与堆叠边缘之间的最大距离的两倍。所述板形的厚度至多是所述有效直径的十五分之一；因为尤其用于照明设备设计（例如灯杆设计）的较厚板形将导致过度设计和体积庞大的聚合物散热器。这不必要地增加了（材料）成本和重量。作为这种实施例的结果，提供了一种有利的照明设备，该照明设备包括具有板形的3D打印散热器。

所述有效直径在文献中也称为等效直径。例如，正方形的有效直径是正方形的几何中心与正方形的四个角中的一个之间的最大距离的两倍，因为可以围绕这些边缘绘制圆，有效直径不是正方形的几何中心和边缘中的一个的中点之间的距离。因此，所述有效直径可以类似于在管流中确定的有效直径，其中管道的截面提供了形状（例如，圆形、正方形）。所述有效直径也可以简单地称为直径。

所述板形的所述厚度可以可替代地至多是所述堆叠的有效直径的二十分之一、三十分之一、四十分之一、五十分之一、或六十分之一；因为对于所述厚度值中的每一个，堆叠变得较轻且较便宜，而本发明仍然可以提供期望的对机械故障的抵抗性和热传导（虽然降低了）。所述厚度可以是功能厚度。因此，至多是六十分之一的厚度的值是上限，因为这里散热器的对机械故障的抵抗性可能不足以与热传导属性相关。此外，在实施例中，所述板形的所述（功能）厚度可以是20毫米、10毫米、10毫米与15毫米之间、5毫米、至少5毫米、2毫米或至少2毫米；因为这样的特定厚度值在照明器（散热器）设计实践中是最常见的，诸如例如具有集成散热器的灯杆罩棚。

也可以提供单独对应于每个层的厚度。每个层的厚度单独地可以例如至少为1或2毫米。可以将每个层的厚度设置为适合于打印工艺的类型。每个层的厚度单独地也可以是不同的，诸如例如与至少一个另外的层相比，芯层具有更高的单独的厚度。没有任何导热填充物的层的厚度可以是其他层中的一个的至少两倍大、优选为四倍大。

另外，在实施例中，所述堆叠的所述板形包括弯曲。因此，散热器可以是弯曲板或可以包括多个弯曲部。这种弯曲可以是有利的，因为照明设备和散热器可以包括（或可能需要）弯曲的设计。这种弯曲对于冷却散热器表面也可能是有益的。

所述层中的每一个也可以包括直径。在实施例中，芯层和至少一个另外的层的层直径，从芯层开始，随着至少一个另外的层中的每一个相继地增加；层直径是相应层的几何中心和最远边缘之间的最大距离的两倍。作为结果，相对于彼此，与至少一个另外的层的层直径相比，芯层可以具有更小的层直径。这是有利的，因为如前所提及的在机械上可能更坚固的至少一个另外的层具有较大的层直径，并且因此改善了所述3D打印散热器的对机械故障的抵抗性。例如，芯层可以具有500毫米或至少500毫米的层直径；对于热负载为100W和直径为110毫米的诸如CoB的热源。

可替代地，每一个层可以包括相等的层直径，例如500毫米或至少110毫米的层直径。

在实施例中，导热填充物是碳、氧化铝、蓝宝石、尖晶石、AlON、BN、Y2O3、Si3N4、SiC或MgO或其任何组合或混合物中的至少一种。这种导热填充物是有利的，因为它与3D打印兼容。在一些示例中，各层中的导热填充物的类型可以是不同的。

在实施例中，聚合物材料是以下中的至少一种：ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）、尼龙（或聚酰胺）、PVA（聚乙酸乙烯酯）、PLA（聚乳酸）、对苯二甲酸酯（诸如PET聚对苯二甲酸乙二醇酯）、丙烯酸酯（聚丙烯酸甲酯、有机玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、PMMA）、聚碳酸酯、聚丙烯（或聚丙烯）、PS（聚苯乙烯）、PE（诸如膨化高抗冲击聚乙烯（或聚乙烯）、低浓度（LDPE）高浓度（HDPE））、聚酯、硅树脂、PVC（聚氯乙烯）、聚氯乙烯或其任何复合物、或其任何组合或混合物。这种聚合物材料可以是热塑性的。这种聚合物材料是有利的，因为它与3D打印很好地兼容，提供了良好的强度，并且与导热填充物组合良好的热属性，并且广泛地用于3D打印。相同的聚合物材料指示芯层和至少另外的层的聚合物基质兼容并且在所述层之间良好粘附。这也防止分层和内部应力的增加。

可选地，聚合物材料包括选自由尿素甲醛、聚酯树脂、环氧树脂、三聚氰胺甲醛或橡胶组成的组的材料。可选地，聚合物材料包括选自由聚砜、聚醚砜、聚苯砜或酰亚胺（诸如聚醚酰亚胺）组成的组的材料。

聚合物材料包括导热填充物。这导致具有基质和颗粒的复合材料。在实施例中，包括导热填充物的聚合物材料的导热系数在平面内至少为150W/mK。这种实施例可以是热传导的下限，因为具有更小小的热传导，散热器可能在冷却上是不足够的。例如，具有聚合物树脂的碳纤维填充物可以在平面内提供在150W/mK和620W/mK之间的导热系数。

如前面所提及的，聚合物材料中导热填充物的浓度从芯层开始，随着至少一个另外的层中的每一个相继地降低，以改善所述3D打印散热器的对机械故障的抵抗性和热传导。本发明的这种配置的效果是，沿着所述层的堆叠，散热器的对机械故障的抵抗性和散热器的导热系数可以成反比。所述浓度降低可以作为（数学）函数提供。因此，在实施例中，所述聚合物材料中所述导热填充物的浓度的降低包括芯层和至少一个另外的层中的最后一层之间的离散型函数；其中所述离散型函数选自由线性、抛物线、指数、阶跃函数或对数组成的组。这样的实施例是有利的，因为控制所述导热填充物的浓度降低的函数提供了更大的设计自由，以满足包括所述3D打印散热器的所述照明设备的热和机械要求。例如，当聚合物材料在包括导热填充物时具有足够的强度时，“线性降低”可能很适合；当聚合物材料在包括导热填充物时具有较小强度并且因此需要在至少一个另外的层中提供更大的强度时，“指数降低”可能很适合。

在芯层中，所述聚合物材料中的导热填充物的所述浓度可以例如以基质材料中的填充物的体积百分比表示，至少10％的导热填充物、至少20％的导热填充物、至少30％的导热填充物、或至少60％的导热填充物、或30％至80％之间的导热填充物、或至多80％的导热填充物。导热填充物浓度可以在所述范围内最好地适合，因为这可能是公共的范围（更少是热所不期望的，更多可能使基质材料易脆）其中热传导随增加的浓度而提高。所述填充物可以例如是球形颗粒，诸如陶瓷珠，或例如是纤维、或其组合。

在实施例中，堆叠可以包括三层，其中第一层包括25％的导热填充物，第二层包括10％的导热填充物，并且第三层包括0％的导热填充物，是例如平均（如果作为整体而不分层）7％的导热填充物；其中第三层可以例如是机械层。

所述照明设备可以是照明器或照明器材。可替代地，所述发明可以（比照）应用于电子设备或包括电子设备的对象。

由于诸如风、冰雹、雨、日光、和/或公共用途的环境条件，照明设备通常将在室外经受更大的机械负载和/或变形。因此，室外照明设备可以被设计成抵抗这种机械负载和/或变形。室外照明器的光输出和所得的热生成通常也多于室内照明器。由于热生成越高，越多的热变形例如可能发生，从而导致热应变。由于冰雹，可能导致冲击，这可能导致更易脆材料的故障。风负载可能由于振动或大变形而引起应变，这可能由于较少的延展性而导致故障或破裂。因此，本发明可以很好地适合于室外应用，因为本发明提供了对机械故障的抵抗性和热传导属性的有利比例。即，本发明可以提供一种散热器，该散热器不那么易脆、更具延展性、并且对由于变形/应变所致的断裂更具抵抗性；同时热属性也得到改善。

根据本发明的照明设备可以是室外照明设备。在实施例中，照明设备可以是室外照明设备。这种室外照明设备的特征可以在于天气抵抗性，例如对湿气/灰尘侵入的抵抗性、例如防护等级IP等级6、或（UV）日光、用于确保强度或周期性负载的机械过度设计。

此外，例如，根据本发明的照明设备可以被布置用于室外应用，其中可以将3D打印散热器的面布置成用于将热耗散到室外环境。由于散热器被布置成用于将热耗散到室外环境，诸如直接与恶劣的室外条件接触，或者间接地通过中间的机械部件，所以照明设备将经受许多机械和热负载。因此，根据本发明的照明设备很适合，并且可以是具有已知的聚合物散热器或金属散热器的照明设备的有利替代，并且可以是具有3D打印散热器的改善的照明设备。

此外，在实施例中，照明设备的3D打印散热器可以包括肋条，例如在散热器的表面处的径向肋条，其从散热器的边缘延伸到散热器的几何中心的方向。所述散热器还可以包括多个这样的肋条，其可以延伸到散热器的几何中心的一半。这是有利的，因为散热器的外边缘可以包括较小的强度和刚度，因此肋条局部地改善散热器的刚度。

在实施例中，散热器是照明设备的壳体的一部分。壳体可以是外壳或防护外壳。在又一实施例中，散热器是照明设备罩棚的一部分。由于照明设备的罩棚可以经受高的机械负载，诸如恶劣的天气条件（通过风、昼夜冷却循环、雨、冰雹、雪、开/关周期性负载、或通过阳光的热周期性应力的加载），或由于构造和/或部件所致的内部热/机械应力，本发明的散热器当是照明设备罩棚的部分时（和/或照明设备的外壳的部分）在满足机械要求方面将是有利的。

在实施例中，导热填充物包括在径向方向上取向的纤维，以改善径向方向上的热的耗散（例如，源自光源）；所述径向方向是垂直于堆叠轴并且从堆叠的几何中心朝向堆叠的边缘取向的方向。这种实施例有利于耗散热，该热例如源自光源或任何其他热负载；因为纤维将沿其取向的径向方向将热传递远离堆叠的边缘。可替代地，所述纤维可以朝向相应层中的有源冷却元件和/或冷却区域取向。

在实施例中，至少一个相继层中的每一个包括圆形形状，所述圆形形状与芯层同心。其中散热器包括具有圆形形状的层的堆叠的这种实施例，由于在所有方向上圆的均匀距离而有利于耗散热，其中，热可以源自光源或任何其他热负载。

可替代地，所述形状可以是正方形、三角形、星形、八边形、五边形、六边形、和/或与几何中心具有相等距离的任何其他形状。可替代地或可选地，至少一个相继层中的每一个包括不同的形状，所述不同的形状与芯层同心。所述同心可以围绕相应的堆叠轴。

导热填充物可以以各种形式存在。这种填充物可以是颗粒、纤维、或连续纤维。与纤维填充物相比，这种连续纤维是聚合物基质内相对长且连续的纤维（例如线、丝、纤维）。因此，在实施例中，芯层和至少一个相继层包括用于改善散热器中的热传递的连续纤维。这种实施例是有利的，因为可以容易地布置连续纤维以有利地在期望的方向上提供热耗散，同时由于连续纤维的局部应用而保持对机械故障的抵抗性。这种连续纤维可以例如以螺旋图案、网状图案中的星形轮、或围绕几何中心的Z字形图案取向。所述这种的连续纤维（以及落入所述定义下的特征）在3D打印领域中是清楚的。所述连续纤维可以与聚合物材料一起被打印并且以期望的图案沉积在3D打印散热器中，或者可以在3D打印过程期间分别地/独立地沉积，诸如例如连续纤维的放置。

根据本发明的照明设备可以有利地应用于以下条件，其中照明设备的散热器可能需要薄的形状和有限的复杂性，同时能够实现高的导热系数和对机械故障的抵抗性。因此，在实施例中，3D打印散热器包括相继地芯层、第一另外的层和第二另外的层的堆叠；其中所述堆叠包括板形，其中，所述板形的厚度至多是所述堆叠的有效直径的十五分之一；所述有效直径是散热器的几何中心与堆叠的边缘之间的最大距离的两倍；其中芯层的层直径小于第一另外的层的层直径，并且第一另外的层的层直径小于第二另外的层的层直径，所述层直径是相应层的几何中心和最远边缘之间的最大距离；其中第一另外的层和第二另外的层包括圆形形状，所述圆形形状与芯层同心；并且其中所述聚合物材料中所述导热填充物的浓度降低，包括芯层、第一另外的层和第二另外的层之间的离散线性函数；并且其中散热器是照明设备的外壳的部分。如之前也部分提及的，这种实施例提供了一种照明设备，该照明设备能够抵抗不期望的机械负载并且能够提供期望的热性能，同时保持简单且易于生产的3D打印散热器设计。

此外，在实施例中，至少一个另外的层中的一个可以包括用于在散热器和流体之间传递热的翅片。这种实施例可以改善热传递。这种流体可以是空气、氮气、氧气、其他惰性气体；或者可以是水、冷却剂或制冷剂（诸如R123A）、液氮、或其他液体。所述流体可以是环境流体，诸如环境空气。此外，这种流体可以专用于强制对流。在示例中，所述至少一个另外的层可以包括通道，其中，通道可以被布置成用于容纳流体和/或用于使流体流动（抽送/推进）。

本发明的另一目的是提供一种改善的散热器。因此，本发明提供了一种散热器，其具有根据本发明的照明设备内包括的散热器的所有特征。与包括在照明设备内的所述散热器相关的实施例和对应的优点也可以比照适用于本发明这里的另一目的中提供的改善的散热器。

本发明的另一目的是提供一种制造照明设备的改善方法，该照明设备包括光源和/或电子设备，并且包括3D打印散热器。因此，在实施例中，提供了一种制造照明设备的方法，该照明设备包括光源和/或电子设备，并且包括3D打印散热器，该3D打印散热器包括芯层和沿着垂直于芯层的堆叠轴堆叠的至少一个另外的层的堆叠，该方法包括：利用包括导热填充物的聚合物材料3D打印芯层，其中导热填充物以一浓度存在于芯层中；利用包括导热填充物的相同的聚合物材料3D打印堆叠到芯层的至少一个另外的层，其中，聚合物材料中导热填充物的浓度，从芯层开始，随着至少一个另外的层中的每一个相继地降低，以改善所述3D打印散热器的对机械故障的抵抗性和热传导；将光源和/或电子部件布置到芯层上，从而提供照明设备。在一些示例中，该方法可以进一步包括将3D打印散热器和所布置的光源（这因此提供了照明设备）组装成照明器。这种制造包括3D打印散热器的照明设备的方法是有利的，因为制造包括这种散热器的这种照明设备允许小批量成本有效地生产并且允许个性化产品。

如所提及的，制造包括3D打印散热器的照明设备的所述方法可以包括将电子部件布置到芯层上。所述电子部件可以是驱动器。因此，在示例中，光源或电子部件（诸如例如驱动器）可以被布置到芯层上；或者在其他示例中，光源和电子部件（诸如例如驱动器）两者可以一起布置在芯层上。这是有利的，因为照明设备的所有产热元件都可以布置在根据本发明的散热器上，并且布置在芯层上，芯层是热从其被最有效传递远离的层。

在适用的情况下，参考如前面提及的照明设备的实施例，可以比照适用于所述制造包括3D打印散热器的照明设备的方法。

在所述方法中，所布置的光源可以可替代地是第二电子设备，诸如传感器、显示器、电池、或控制器。

在本发明的一方面中，提供了一种包括3D打印散热器的照明设备；3D打印散热器包括芯层和顶层的堆叠；其中，芯层和顶层包括各自具有导热填充物的相同的聚合物材料，其中聚合物材料中的导热填充物的浓度从芯层到顶层每一层降低。此外，可以提供所述照明设备，其还包括在芯层和顶层之间的至少一个中间层。与所述照明设备相关的实施例和对应优点也可以比照适用于在本发明这里的方面中提供的设备。

在段落中，本发明的另一目的是提供一种照明设备，该照明设备包括3D打印散热器；3D打印散热器包括芯层和沿着垂直于芯层的堆叠轴相继地堆叠的至少一个另外的层的堆叠；其中芯层和至少一个另外的层包括各自具有导热填充物的相同的聚合物材料，其中聚合物材料中的导热填充物的浓度从芯层开始，随着至少一个另外的层中的每一个相继地降低，以改善所述3D打印散热器的对机械故障的抵抗性和热传导。

附图说明

现在将借助于示意性非限制性附图进一步阐明本发明：

图1示意性地描绘了包括光源和3D打印散热器的照明设备的实施例；

图2示意性地描绘了包括电子设备（是驱动器）和3D打印散热器的照明设备的实施例；并且

图3在流程图中示意性地描绘了制造包括3D打印散热器的照明设备的方法的实施例；并且

图4在图表中示意性地描绘了仿真结果，该仿真结果指示出，与具有均匀分布的含有高浓度的导热填充物的3D打印散热器相比，3D打印散热器的实施例的对机械故障的抵抗性得到了改善，同时热性能保持相似。

具体实施方式

图1通过非限制性示例示意性地描绘了包括3D打印散热器11的照明设备10的实施例。图1还描绘了根据本发明的散热器11的实施例。照明设备10是室外照明设备，诸如类似于例如飞利浦照明后置顶室外照明器，例如飞利浦照明Metronomis。这里，照明设备布置在灯杆上。3D打印散热器11（对于大部分）是圆形形状，并且是照明设备外壳的一部分，特别是照明设备10的照明设备罩棚的一部分。（当前，例如，飞利浦照明Metronomis包括利用专用的模具铸造的金属罩棚罩棚）。作为结果，散热器11包括被布置为用于将热耗散到室外环境的面。这种散热器11在散热方面是高效的，因为室外环境中的气流可能会迫使对流将来自照明设备的热转移远离至周围环境。

可替代地，所述3D打印散热器可以是正方形、三角形、八边形、矩形、星形、椭圆形、或用于照明设备罩棚的任何其他合适的形状。可替代地，所述3D打印散热器可以是照明设备的外壳的另一部分的一部分，诸如照明设备的面、比如杆、盖子、壳体、或光学盖的标准件。

参考图1，3D打印散热器11包括芯层15和（相继地）沿垂直于芯层15的堆叠轴堆叠的至少一个另外的层16、17的堆叠13；其中图1描绘了第一另外的层16和第二另外的层17。芯层15和至少一个另外的层（第一另外的层16和第二另外的层17）包括每一个具有导热填充物18、19、20的相同的聚合物材料14；其中聚合物材料14中的导热填充物18、19、20的浓度从芯层15（所述浓度芯层也指示为18）开始，随着至少一个另外的层中的每一个相继地降低，至少一个另外的层为第一另外的层16和第二另外的层17（所述浓度的第一另外的层也指示为19，所述浓度的第二另外的层也指示为20）。层15、16、17以及聚合物材料14中的导热填充物18、19、20的浓度的对应降低的这种配置，改善了所述3D打印散热器11对机械故障的（整体）的抵抗性。因此，所述3D打印散热器11对机械故障的抵抗性和热传导得到了改善。

芯层15包括正方形形状。可替代地，优选地，所述芯层包括圆形形状，以耗散源自热源的热。所述形状也可以是不同的形状，诸如三角形、椭圆形、六边形、八边形等。此外，至少一个另外的层（这里是第一另外的层16和第二另外的层17）中的每一个包括圆形形状，所述圆形形状与正方形芯层15同心。可替代地，至少一个另外的层各自可以具有不同的形状，其中每一个层与芯层同心。这种同心布置，其中形状是基本几何形状，可以允许布置在芯层的几何中心处的光源的更好的热分布。

此外，仍然参考图1，堆叠13包括板形。所述板形至多是所述堆叠13的有效直径的十五分之一；所述有效直径是散热器的几何中心与堆叠13的边缘之间的最大距离的两倍。这里，有效直径是罩棚（即散热器11）的直径。此外，层直径可以被定义为相应层的几何中心与最远边缘之间的最大距离的两倍。这里，芯层15和至少一个另外的层16、17的层直径从芯层15开始，随着至少一个另外的层16、17中的每一个，相继地增加。因此，芯层15的层直径小于第一另外的层16的层直径，并且第一另外的层16的层直径小于第二另外的层17的层直径。

仍然参考图1，照明设备10包括光源12。所述光源12是半导体照明设备，其包括在衬底LED板上的多个板上芯片元件。可替代地，所述光源可以是常规光源或在透明或半透明衬底上的发光材料。所述光源12布置在芯层15上。光源12布置或定位在芯层15的几何中心处。可替代地，所述光源可以定位在芯层上的另一位置处。（在光源是透明或半透明衬底上的发光材料的情况下，所述衬底可以以不可分离的构造布置在芯层上，例如在与3D打印散热器一起打印的某些情况下）。

所述聚合物材料14是聚碳酸酯。导热填充物18、19、20是碳，更具体地是碳纤维。可替代地，导热填充物是以下之一：碳、氧化铝、蓝宝石、尖晶石、AlON、BN、Y2O3、Si3N4、SiC或MgO。可替代地，所述导热填充物可以被这里提及的导热填充物部分地代替。并且聚合物材料是ABS、尼龙、PVA、PLA、对苯二甲酸酯、PMMA、聚碳酸酯、聚丙烯、聚苯乙烯、PE、聚酯、硅树脂、PVC、或其任何复合物、或其任何组合或混合物中的一种。可替代地，所述聚合物材料可以部分地被这里提及的聚合物材料代替。如前面所提及的，从芯层15开始，随着至少一个另外的层16、17中的每一个，聚合物材料14中的导热填充物18、19、20的浓度相继地降低。参考图1，所述聚合物材料14中的所述导热填充物18、19、20的浓度的降低包括在芯层15和第二另外的层17之间的离散函数。所述离散函数是线性的。也就是说：在所述聚合物材料14中的所述导热填充物18、19、20的浓度从芯层、第一另外的层和第二另外的层线性降低。相应地，芯层15中的导热填充物18的体积百分比为60％；芯层16中的导热填充物19的体积百分比为40％；并且芯层17中的导热填充物20的体积百分比为20％。这在图1中也以纹理填充示意性地描绘了。可替代地，所述浓度降低可以是抛物线的、指数的、阶跃函数的或对数的。可替代地，所述百分比填充物可以是不同的，诸如分别为例如30％-20％-10％。为碳纤维的导热填充物18、19、20，沿径向方向（未描绘）取向，以改善从芯层15到第一另外的层16，到第二另外的层17的热的耗散。径向方向是垂直于堆叠轴（即，芯层15和至少一个另外的层16、17堆叠的方向）的方向的方向，并且从堆叠的几何中心朝向堆叠的边缘取向。

作为结果，芯层15可以提供对机械故障的较小的抵抗性，但是较高的导热系数，并且至少一个另外的层16、17可以相继地提供对机械故障的增加的抵抗性和降低的导热系数。这种配置的效果是，沿着所述层15、16、17的堆叠13，散热器11的对机械故障的抵抗性和散热器11的导热系数可以是成反比例。因此，借助于光源12施加到散热器11的芯层15的热，可以更快地通过层15、16、17的堆叠13耗散，同时可以相应地保持散热器的对机械故障的抵抗性。

根据本发明的这种照明设备10的优点在于，照明设备10被提供有改善的3D打印（聚合物）散热器11。散热器11是例如所述照明设备10中已知的聚合物散热器或金属散热器的有利替代；因为包括所述3D打印散热器11的照明设备10尤其更容易和更快速地制造，更成本有效地大量制造，并且为散热器11提供了对机械故障的抵抗性和导热属性的改善或有利关系。

图2通过非限制性示例示意性地描绘了包括3D打印散热器41（悬挂的）照明设备40的实施例；该实施例部分类似于图1中描绘的实施例，但是现在其中照明设备40被应用在室内并且散热器41是照明设备40的内部部件。图2还描绘了根据本发明的散热器41的实施例。

参考图2，3D打印散热器41包括相继地芯层45和至少一个另外的层46、47、48的堆叠43。图2描绘了第一另外的层46、第二另外的层47和第三另外的层48。芯层45和第一另外的层46、第二另外的层47和第三另外的层48包括各自具有导热填充物55、56、57、58的相同的聚合物材料44。聚合物材料44中的导热填充物55、56、57、58的浓度从芯层45开始，随着至少一个另外的层46、47、48中的每一个相继地降低。层45、46、47、48的这种配置以及聚合物材料44中的导热填充物55、56、57、58的浓度的相应降低，改善了所述3D打印散热器41的对机械故障的抵抗性和热传导。

芯层45包括矩形形状。至少一个另外的层（这里是第一另外的层46、第二另外的层47和第三另外的层48）中的每一个包括矩形形状。每一个层46、47、48的形状与矩形芯层45同心。

此外，仍然参考图2，堆叠43包括板形。所述板形至多是所述堆叠43的有效直径的十五分之一；所述有效直径是散热器的几何中心与堆叠43的边缘之间的最大距离的两倍。所述堆叠43的板形包括弯曲，这需要将散热器41适配在照明设备40内。此外，层直径可以被定义为相应层的几何中心与最远边缘之间的最大距离的两倍。这里，芯层45的层直径小于至少一个另外的层46、47、48。第一另外的层46、第二另外的层47和第三另外的层48的层直径是相同的（通过忽略堆叠13中存在的轻微弯曲来考虑堆叠13平坦）。

仍然参考图2，照明设备40包括电子设备。这里，电子设备是驱动器42。可替代地，所述电子设备可以是电池、处理器、电阻、驱动器、致动器、芯片或半导体设备、或显示器。所述驱动器42布置在芯层45上。这种驱动器生成大量的热，其期望被有效地耗散。此外，聚合物材料44是具有包括MgO颗粒的导热填充物55、56、57、58的聚乙烯。可替代地，各层中的导热填充物的类型可以不同。可替代地，如前面所提及的，所述聚合物材料和/或所述导热填充物可以部分地由前面所提及的相应材料/填充物代替。为了进一步改善热传递，（仅）第一另外的层包括（这里）由碳纤维制成的连续纤维50，用于改善散热器中的热传递。所述纤维主要在第一另外层46的最长长度方向上以图案50布置。可替代地，所述图案可以是围绕芯层同心布置的螺旋形，或者是以网状图案的星形轮。

图3在流程图中示意性地描绘了制造包括3D打印散热器的照明设备的方法80的实施例。3D打印散热器包括以下的堆叠：芯层和沿垂直于芯层的堆叠轴堆叠的至少一个另外的层。例如芯层和五个另外的层。方法80包括利用包括导热填充物的聚合物材料3D打印芯层的步骤81，其中导热填充物以一浓度存在于芯层中。可替代地，所述芯层可以已经被提供为3D打印的衬底，在其上可以打印另外的打印结构。随后，该方法提供利用包括导热填充物的相同聚合物材料3D打印堆叠到芯层的至少一另外的层（例如，五个另外的层）的步骤82。这里，聚合物材料中的导热填充物的浓度从芯层开始，随着至少一个另外层中的每一个相继地降低，以改善所述3D打印散热器的对机械故障的抵抗性。该方法的进一步的步骤83包括将光源布置到芯层上，从而提供照明设备。可替代地，所述光源可以是生成热的电子设备，诸如驱动器或电池。还有，该方法的另一进一步的步骤84包括将具有光源的3D打印散热器，即所得的照明设备，组装到照明器中。

生产包括3D打印散热器的照明设备的这种方法80是有利的，因为生产包括这种散热器的这种照明设备允许经济有效地小批量生产并且允许个性化产品。

图4通过非限制性示例示意性地描绘了与根据本发明的3D打印散热器的实施例相关的模拟结果，该模拟结果证明了对机械故障的改善的抵抗性（或例如机械强度）和热传导。这将在下面更详细地阐述。

机械/热仿真通过程序Ansys来执行。为根据本发明的照明设备构造仿真模型120，其中，照明设备包括3D打印散热器。（注意，仿真模型120在这里被描绘为四分之一件以允许在图中可视化层）。参考图4，仿真模型120根据本发明的实施例而被构造并具有以下边界条件。在仿真模型120中，3D打印散热器包括芯层121、第二层122和第三层123；其中所有层都是直径为500 mm的圆盘。圆形LED板129布置在芯层121的几何中心上。所述层中的每一个包括相同的聚合物材料，这里即聚碳酸酯。芯层121的厚度为0.5 mm，并且包括浓度为25％的导热填充物；第二层122的厚度为10 mm，并且包括浓度为10％的相同的导热填充物；第三层123的厚度为5 mm，并且不包括导热填充物（因此为0％）。用于仿真模型120的所述导热填充物是M55J Toray碳纤维。

在仿真模型的几何设置之后，也设置了用于仿真的环境边界条件。3D打印散热器被视为静态支撑的罩棚。环境空气设置为35摄氏度，在所有表面上自然对流被应用为8W/m²K，辐射热传递被建模为具有辐射率1，并且向整个35摄氏度的周围环境辐射，并且在圆形LED板处施加100瓦特热量。这样的边界条件模拟了真实的室外条件，例如当根据本发明的照明设备被应用为街道照明（例如杆顶）时。

如上所描述的仿真模型120现在称为“本发明”，接下来，对两个参考散热器进行建模和仿真，称为“均匀散热器”和“无填充物散热器”。“均匀散热器”包括与“本发明”相同的几何形状，但始终含有浓度25％的均匀导热填充物。“无填充物散热器”包括与“本发明”相同的几何形状，但是不包含导热填充物浓度，并且完全由单独的聚碳酸酯制成。为了方便起见，图4中未描绘“无填充物散热器”，但下面需要时请参考其结果。

通过仿真模型120的几何形状，对“本发明”、“均匀散热器”和“无填充物散热器”执行仿真。仍然参考图4，所述仿真的结果示出如下：

第一，考虑热结果90，相对于散热器的直径102绘制散热器的温度101。热结果90描绘了“本发明”91和“均匀散热器”92两者。未描绘“无填充物散热器”。热结果90指示“本发明”91和“均匀散热器”92的温度分布101是类似和接近的；即，分部仅几摄氏度的局部差异。如所期望的，“均匀散热器”92在热方面执行更好，因为其热填充物含量具有更高浓度，更易获得并且始终均匀地应用。然而，热结果90指示，即使“本发明”91包括较少的导热填充物材料，“本发明”91以及“均匀散热器”92两者表现同样良好。然而，根据本发明的应用的梯度仍然足以能够将热传递远离LED板129。对于“无填充物散热器”，LED板129处存在高达270摄氏度的热点，因为聚合物材料的绝缘属性不允许热传递远离散热器的中心。

总而言之，热结果90得出结论，与“均匀散热器”92情况相比，由于应用了根据本发明的梯度，因此在“本发明”91中，散热器的热性能被保留。没有根据本发明的层的架构，散热器的温度分布101将呈现热点。

第二，仍然参考图4，考虑机械结果180、180'、180''，针对“本发明”181和“均匀散热器”182两者描绘了的应力-应变曲线180，其中，为方便起见，还描绘了弹性区域180'中应力-应变曲线的第二更详细的（放大）图。还呈现了表格值180''。所述应力-应变曲线180、180'描绘了相关的机械属性。应力-应变曲线180、180'示出了，与“本发明”181相比，“均匀散热器”182包括更大的刚度，因为在弹性区域中的斜率更高。“均匀散热器”182可以承受更大的应力104。然而，较硬的材料抗冲击性较差，因此，“本发明”182相对于冲击抵抗性提供了更好的机械属性。此外，对于类似的应变（或变形，或伸长），在“均匀散热器”181中出现更高的应力104，因此“本发明”181是更延展的。

此外，应力-应变曲线180还清楚地指示出，与“均匀散热器”182相比，“本发明”181能够在断裂之前（在点181'处）抵抗更多的应变105。观察应变105时，“均匀散热器”182的断裂点182’早于“本发明”181。这是由于以下事实，“均匀散热器”182包括更高的导热填充物浓度，因此使材料在热方面稍好一些，但是在机械脆性方面较差，因为与“本发明”181相比，“均匀散热器”情况182不能够抵抗较大的应变105；这在天气条件或操作条件可能导致应变、变形和振动幅度的室外环境中是不利的。

作为结果，其证明了，随着聚合物材料中导热填充物的浓度增加，聚合物的对机械故障的抵抗性（即，在上述解释的属性中）降低。更具体地，这里对机械故障的抵抗性是指脆性和延展性：因为增加导热填充物含量，堆叠层的脆性（和/或刚度）增加，从而使得堆叠在延展性方面退化，并且易于因变形或应变而更快地断裂或破裂。尽管在热方面期望实现导热填充物，但是因此在机械上并不期望为所述堆叠中的每一个层提供高浓度的导热填充物。因此，如上面所提及的，本发明提供了一种3D打印散热器，其中聚合物材料中的导热填充物的浓度从芯层开始，随着至少一个另外的层中的每一个相继地降低，以改善所述3D打印散热器的对机械故障的抵抗性和热传导。这使3D打印散热器具有相对高的对机械故障属性的抵抗性（诸如延展性和由于应变所致的更高的断裂点），同时创造性地保留了热性能。本发明在由于天气条件所致的变形或冲击的情况下是有利的，诸如冰雹的冲击、由于风所致的变形、热应变等。

Claims (15)

1.一种照明设备（10，40），包括光源（12）和/或电子部件（42），并且包括3D打印散热器（11，41）；

所述3D打印散热器（11，41）包括芯层（15，45）和沿垂直于所述芯层（15，45）的堆叠轴堆叠的至少一个另外的层的堆叠（13，43）；

其中，所述芯层（15，45）和所述至少一个另外的层包括相同的聚合物材料（14，44），其中所述聚合物材料（14，44）中的导热填充物的浓度从所述芯层（15，45）开始，随着所述至少一个另外的层中的每一个相继地降低，以改善所述3D打印散热器（11，41）的对机械故障的抵抗性和热传导。

2.根据权利要求1所述的照明设备（10，40），其中，所述光源（12）和/或所述电子部件布置在所述芯层（15）上。

3.根据权利要求2所述的照明设备（10，40），其中，所述光源（12）和/或所述电子部件（42）定位在所述芯层的几何中心处。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的照明设备（10，40），其中，所述堆叠（13，43）包括板形，其中，所述板形的厚度至多是所述堆叠（13，43）的有效直径的十五分之一；所述有效直径是所述散热器（11，41）的几何中心与所述堆叠（13，43）的边缘之间的最大距离的两倍。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的照明设备（10，40），其中，所述芯层（15，45）和所述至少一个另外的层的层直径，从所述芯层（15，45）开始，随着所述至少一个另外的层中的每一个相继地增加；

所述层直径是相应层的几何中心和最远边缘之间的最大距离的两倍。

6.根据权利要求1-3中的任一项所述的照明设备（10，40），其中，所述导热填充物是碳、氧化铝、蓝宝石、尖晶石、AlON、BN、Y2O3、Si3N4、SiC或MgO中的至少一种。

7.根据权利要求1-3中的任一项所述的照明设备（10，40），其中，所述聚合物材料（14，44）是下列中的至少一种：ABS、尼龙、PVA、PLA、对苯二甲酸酯、PMMA、聚碳酸酯、聚丙烯、聚苯乙烯、PE、聚酯、硅树脂、PVC，或其任何复合材料。

8.根据权利要求1-3中的任一项所述的照明设备（10，40），其中，所述聚合物材料（14，44）中的所述导热填充物的浓度的降低包括所述芯层（15，45）和所述至少一个另外的层中的最后一层之间的离散函数；其中所述离散函数选自由以下组成的组：线性、抛物线、指数、阶跃函数或对数。

9.根据权利要求1-3中的任一项所述的照明设备（10，40），其中，所述照明设备（10）是室外照明设备。

10.根据权利要求1-3中的任一项所述的照明设备（10，40），其中，所述散热器（11）是所述照明设备的壳体的一部分。

11.根据权利要求1-3中的任一项所述的照明设备（10，40），其中，所述散热器（11）是照明设备罩棚的一部分。

12.根据权利要求1-3中的任一项所述的照明设备（10，40），其中，所述至少一个另外的层中的每一个包括圆形形状，所述圆形形状与所述芯层（15）同心。

13.根据权利要求1所述的照明设备（10），其中，所述3D打印散热器（11）包括相继地所述芯层（15）、第一另外的层（16）和第二另外的层（17）的所述堆叠（13）；

其中，所述堆叠（13）包括板形，其中，所述板形的厚度至多是所述堆叠（13）的有效直径的十五分之一；所述有效直径是所述散热器（11）的几何中心与所述堆叠（13）的边缘之间的最大距离的两倍；

其中，所述芯层（15）的层直径小于所述第一另外的层（16）的层直径，并且所述第一另外的层（16）的层直径小于所述第二另外的层（17）的层直径，所述层直径是相应层的几何中心和最远边缘之间的最大距离的两倍；

其中，所述第一另外的层（16）和所述第二另外的层（17）包括圆形形状，所述圆形形状与所述芯层（15）同心；并且

其中，所述聚合物材料（14）中的所述导热填充物的浓度的降低包括所述芯层（15）、所述第一另外的层（16）和所述第二另外的层（17）之间的离散线性函数；并且

其中，所述散热器（11）是所述照明设备（10）的外壳的一部分。

14.一种制造照明设备的方法（80），所述照明设备包括光源和/或电子设备，并且包括3D打印散热器，所述3D打印散热器包括芯层和沿着垂直于所述芯层的堆叠轴堆叠的至少一个另外的层的堆叠，所述方法包括：

-（81）利用包括导热填充物的聚合物材料3D打印芯层，其中所述导热填充物以一浓度存在于所述芯层中；

-（82）利用相同的聚合物材料3D打印堆叠到所述芯层的至少一个另外的层，

其中，所述聚合物材料中的所述导热填充物的浓度从所述芯层开始，随着所述至少一个另外的层中的每一个相继地降低，以改善所述3D打印散热器的对机械故障的抵抗性和热传导；

-（83）将光源布置到所述芯层上，从而提供照明设备。

15.根据权利要求14所述的方法（80），所述方法还包括：

-（84）将电子部件布置到所述芯层上。

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