CN114682795A - 一种基于复合微纳增材制造曲面共形天线的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于复合微纳增材制造曲面共形天线的制造方法包括基材预处理，采用基于提取电极的五轴联动电场驱动喷射沉积微纳3D打印机打印共形天线结构种子层，打印的共形天线结构种子层导电化处理，共形天线结构微电铸或者化学镀，样件后处理等步骤，采用本发明的方法实现大尺寸高精度曲面共形天线高效低成本批量化制造，尤其是能实现大尺寸透明曲面共形天线的制造，而且所制造的共形天线具有高精度、低剖面、微型化、超宽带的优势。特别是能实现大尺寸导引头弹载透明曲面透明共形天线、战机机载透明曲面共形天线、光学仪器表面透明曲面共形天线的高效低成本制造。

Description

一种基于复合微纳增材制造曲面共形天线的制造方法

技术领域

本发明属于微纳增材制造和共形天线技术领域，具体涉及一种基于复合微纳增材制造技术实现大尺寸曲面共形天线高效低成本制造方法，尤其涉及一种能实现透明曲面共形天线高精度低成本制造方法。

背景技术

共形天线(共形阵天线)是与载体平台外形保持一致并且降低载体负载的天线阵，在现代无线通信系统中，共形天线由于能够与飞机、导弹以及卫星等高速运行的载体平台表面相共形，且并不破坏载体的外形结构及空气动力学等特性，已经成为无线通信天线领域的一个研究热点和前沿技术。相对于平面阵天线，曲面共形天线具有更大的优势，主要包括：共形天线可以安装在飞机、导弹、无人机、卫星等飞行器航空航天装备不同曲率的表面，不会像传统天线那样破坏飞行器航空航天装备的气动外形，使平台保持良好的气动布局和隐身特性；贴在机身表面或直接做成蒙皮的共形天线，可在更大的空域和距离上实现对目标的扫描和探测，极大地改善电子攻击效能。共形天线体积小，重量轻，不占用机内空间，彻底改变了天线突出武器表面的情况，达成了天线与机身的一体化设计，从而最大限度地保持了战机和战舰的隐身特性和机动能力，进而极大地提升了战力水平。

在机载智能蒙皮天线技术中，在航天器、飞机、无人机、军舰、潜艇等装备的外壳中植入探测元件、微处理系统和驱动元件，使得这些装备的外壳既起到结构件的作用，又使其具有优异的气动、隐身、监视、预警和通信等性能。在高性能的导弹领域中，采用共形天线技术，将天线与弹壁、弹翼甚至天线罩共形一体化设计，充分利用载体表面积以增大天线口径，提高天线增益。天线罩设计可以优先考虑头罩内窄带天线的性能，降低天线罩的设计难度，减轻对地性能的影响，同时还能降低导引头载体的雷达散射截面(RCS)。共形天线技术能够大大提高导弹的生存力和战斗力，是新一代制导武器采用的关键技术之一。在透明共形天线技术中，可在导引头表面安装透明共形天线，内部空间留给其它传感器。导引头共形天线减小弹体体积及重量，实现对多个目标的快速准确跟踪，还可以提高抗干扰性和隐身性能。此外，基于透明曲面基材上制造透明共形天线，在第六代战斗机、军事航天通信、智能无人机、自动驾驶等诸多领域具有非常广阔的应用前景。

目前共形天线和共形阵天线主要制造方法包括打印、转印、激光直写技术、全息光刻技术等。这些技术虽然能够实现曲面共形天线的制造，但是现有这些技术好都存在严重的不足和局限性。打印技术作为一种非接触式的印刷方式，减少了对基底(基材)形状结构的限制，同时无需模具或者掩膜等，材料兼容性较好，工艺过程较为灵活。但是还存在如下的问题，例如传统的喷墨打印，打印精度较低(目前最小线宽是20微米)，打印材料受限(材料的粘度低于30mPa.s)，与基材的粘附性能差。挤出式打印，打印分辨率低，目前线宽一般在100微米，难以满足高性能共形天线尤其是透明共形天线的实际需要；气溶胶打印目前是实现曲面共形打印技术最成熟的方案，但是目前设备昂贵，成本高，尤其是打印材料受限(打印材料必须要雾化)，打印的线最小宽目前是10微米；另外，该技术的知识产权在美国Optomec公司，开发受到较大的限制。转印技术是利用施主基体完成导电薄膜的制作，借助柔性转印图章将功能结构转移至目标基板，具有工艺过程简单、成本低廉等优点，在柔性、共形透明天线集成方面具有较好应用前景。但是存在的主要不足有模具制作过程工艺复杂，精度较差，效率比较低，对于非闭合曲面尤其是任意曲面方面存在很大的难度。全息光刻技术无需复杂光学系统以及传统光学掩膜版，并且在非平面基底进行图案化时可有效消除衍射线展宽，具有高分辨率和均匀度，在共形天线制造中受到广泛的关注。全息光刻技术受限于基底形貌，工艺灵活性差、周期长，加工精度较低。激光微加工技术直接通过激光照射将各种结构直接数字化地制造到曲线表面上，功能结构的所有特征尺寸都能借助计算机控制进行调整，工艺流程简单。激光加工对于承载电路图案的基底材料有耐受高温和活化的要求，限制了可选用的材料范围，大尺寸曲面和大均曲率基材的均匀涂胶困难，材料浪费较为严重，加工精度较低。

基于上述介绍，亟需一种制造方法能够解决大尺寸、高精度共形天线(尤其是透明曲面共形天线)的高效低成本制造的问题，以及克服现有技术无法实现大幅面、大曲率曲面载体高精度共形天线制造的难题(尤其是10微米以下线宽、大高宽比结构曲面共形透明天线的制造)。

发明内容

为了克服现有技术的不足，实现大尺寸高精度曲面共形天线高效低成本批量化制造，尤其是能实现大尺寸透明曲面共形天线的制造，而且所制造的共形天线具有高精度、低剖面、微型化、超宽带的优势。特别是能实现大尺寸导引头弹载透明曲面透明共形天线、战机(无人机、战斗机、预警机等)机载透明曲面共形天线、光学仪器表面透明曲面共形天线的高效低成本制造。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于复合微纳增材制造曲面共形天线的制造方法，主要包括如下工艺步骤：

步骤1：基材预处理：对曲面基材进行疏水化处理，所述疏水化处理包括对曲面基材去污清洁、表面疏水和干燥。具体地，首先，对曲面基材表面进行去污清洁处理后；随后进行表面疏水处理，降低其表面能，提高打印的稳定性、一致性和高精度；最后进行烘干和风干处理。

步骤2：共形天线结构种子层打印：使用五轴联动电场驱动喷射曲面共形微纳3D打印机在曲面基材上打印共形天线结构的种子层，即导电层，在打印过程中同时通过激光或者UV灯进行原位固化和烧结，实现打印-烧结同步进行。结合不同的打印模式，以及改变不同的打印工艺参数来实现不同线宽和精度种子层的打印。优先选用固含量高于70％高粘度纳米导电银浆作为打印材料。线宽为0.5μm-200μm。

步骤3：打印的共形天线结构种子层导电化处理：将步骤2打印的共形天线结构种子层基材，置于真空箱中烧结进行导电化处理，随后清洗和氮气吹干等处理，完全去除种子层和基材上的污物。

步骤4：共形天线结构微电铸或者化学镀：将步骤3打印的共形天线结构种子层经过电铸或者化学镀工艺，在种子层上继续沉积金属材料。沉积金属材料的厚度3微米-20微米。

步骤5：样件后处理。将微电铸或者化学镀好的样件进行清洗，去除沉积过程产生的残留物，然后对样件进行烘干处理，制备完成大尺寸高精度曲面共形天线。

作为进一步限定，所述步骤1中的曲面基材可以是半球，圆柱、圆锥、抛物面、任意曲面等，也可以是通过切削加工、模具、3D打印的3D基体或者任意曲面基体。

作为进一步限定，所述步骤2中的曲面共形天线打印设备为基于提取电极的五轴联动电场驱动喷射沉积微纳3D打印机，可以完成在X，Y，Z，A，C方向上的五自由度打印，通过调整旋转工作台的旋转角度来更好的实现共形天线图案的打印。

作为进一步限定，所述步骤2中共形天线种子层打印所使用的打印材料为高粘度纳米银浆、纳米镍/银等金属的溶液、改性液态金属等各种与基体粘附好的导电材料。

作为进一步限定，所述步骤2中所用的打印喷嘴为内径范围1-300μm的玻璃针头(玻璃喷金导电处理)，不锈钢喷头，或者武藏针头。

作为进一步限定，所述步骤2中共形天线的打印路径可根据不同曲面基材形状设计生成相应的加工代码，导入机器系统中协同调节不同打印工艺参数，完成不同线宽(0.5-200μm)和不同打印速度(1-200mm/s)共形天线的打印。

作为进一步限定，所述步骤2中的共形程度取决于喷嘴与曲面基材的距离和方向保持相同，即距离始终在精度允许的范围内，方向始终是沿着曲面基材的法线方向垂直打印。

作为进一步限定，所述步骤2中的打印工艺参数范围为：施加电压为100V-2000V，气压为30-200kPa，打印速度为1-100mm/s，喷嘴直径为1-300μm。

作为进一步限定，所述步骤2中共形天线的导电处理工艺是根据所使用的导电银浆最佳的固化工艺条件将其置于激光烧结器下150℃与打印同步固化烧结，防止打印材料在基体上扩散，提高打印精度和效率。

作为进一步限定，所述步骤2中激光器为光斑直径小于0.1mm的细点激光器，有利于提高固化效果。

作为进一步限定，所述步骤2中的激光器与喷头同时固定，设计好一定的距离和方向，打印路径应完全保持一致，才能起到打印完后进行同步固化烧结。

作为进一步限定，所述步骤3中选择的清洗溶剂要求对导电银浆和曲面基材不发生反应，除去表面的污染物，提高导电层表面的光洁度。

进一步的，所述步骤4中电铸工艺，首先按一定的比例称取电铸溶液所需要的试剂材料，其次是依次将其充分溶解，最终获得所需要的电铸溶液，调节溶液PH值在3-4.5范围之内。

进一步的，所述步骤4中导磁层的化学镀工艺，首先按一定的比例称取化学镀溶液所需要的试剂材料，其次是依次将其充分溶解，最终获得所需要的化学镀溶液，调节溶液PH值在3-4.5范围之内。

作为进一步限定，所述步骤4中微电铸过程，将共形天线导电层的一侧贴上导电铜胶带连接到精密微电铸设备的阴极，金属板连接阳极，并放置在电铸液中，等待溶液发生化学反应使其在导电层表面沉积一层镍。

作为进一步限定，所述步骤4中微电铸的高度可以自己根据镍溶液浓度和电铸时间进行调整，达到自己想要的高度效果。

作为进一步限定，所述步骤4中电铸过程，采用恒温监控系统以及溶液循环系统对电铸液的温度进行实时控制，确保电铸液的温度始终在45-55℃之内，溶液循环系统中溶液循环速度为1～2m/s。

作为进一步限定，所述步骤4中电铸过程，在电铸溶液中增设超声振动器，目的是使电极表面气泡迅速排出起到减小浓差极化、改善流场特性的作用。

作为进一步限定，所述步骤5中样件后处理中烘干温度范围为80-90℃，清洗剂应该为不影响样件的化学试剂。

作为进一步限定，所述曲面共形天线基材不限于、球面、半球面、圆柱面等，可以是任意自由曲面形状。

作为进一步限定，所述微电铸材料，不限于镍、铬、钛、铜中的一种或两种及以上的合金材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明结合五轴联动电场驱动喷射沉积曲面共形微纳3D打印技术与微电铸工艺，实现大尺寸曲面共形天线的高效和低成本制造，尤其能实现复杂3D结构、任意复杂曲面的大尺寸共形天线的制造。

(2)采用同步激光烧结技术，实现打印共形天线种子层的同步烧结固化，防止打印材料在基体流动，提高了打印效率。

(3)本发明采用基于提取电极的五轴联动电场驱动喷射沉积曲面共形微纳3D打印技术，可以有效提高打印分辨率，使得打印出的曲面共形天线达到亚微米级别精度。

(4)采用五轴联动电场驱动喷射沉积曲面共形微纳3D打印技术能实现五自由度3D打印，可以打印复杂曲面共形天线，通过调整AC轴旋转角度，来实现打印的自由化和效率化。

(5)使用微电铸工艺可以实现2层或者多层共形天线结构的高精度打印。

(6)能够实现导引头弹载透明曲面共形天线、战机(无人机、战斗机、预警机等)机载透明曲面共形天线、光学仪器表面透明曲面共形天线的制造，应用领域很广。

(7)生产成本低，效率高，打印的共形天线精度很高。

(8)本发明是基于复合微纳增材制造，材料利用率高，成本低。

(9)本发明的生产是在常温、常压、室温下进行，对于生产环境的要求低。

(10)本发明适合各种基材，属于非接触打印，对于基材几乎没有损伤。

(11)本发明制造共形天线具有工艺简单，短生产流程，高效率，低成本，绿色和柔性好的优势；

(12)结合挤出、喷射等3D打印，本发明还能实现共形天线基体和导电结构一体化制造。

(13)能够实现多层曲面共形天线制造。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1曲面共形天线结构示意图；

图2曲面共形天线制造过程工艺流程示意图；

图3曲面共形天线制造过程原理示意图；

图4基于提取电极的五轴联动电场驱动喷射沉积曲面共形微纳3D打印的结构示意图；

图5微电铸原理示意图；

其中，1-X轴，2-Y轴，3-Z轴，4-A轴，5-C轴，6-高压电源，7-CCD相机，8-半球面玻璃基材，9-共形天线，10-喷头模块，11-光纤激光器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合实施例对本发明作进一步说明

实施例1

本实施例以纳米导电银浆为打印材料，首先，利用基于提取电极的五轴联动电场驱动喷射沉积曲面共形微纳3D打印技术在曲面基材上打印金属共形天线种子层结构；然后对打印完的金属共形天线种子层结构进行低温烧结导电化处理；随后，对导电化处理后的金属共形天线种子层结构进行精密微电铸，在金属共形天线种子层银表面沉积金属镍或者银，最后，对电铸后的样件进行清洗烘干处理，完成曲面共形天线的制造。

本实施例基于复合微纳增材制造玻璃圆柱面共形天线制造方法具体工艺步骤如下：

步骤1：预处理基材

对圆柱面曲面玻璃基材清洗、疏水和干燥。首先，对曲面玻璃基材表面进行去污清洁处理后；随后进行玻璃表面疏水处理，降低其表面能，提高打印的稳定性、一致性和高精度；最后，对玻璃基材进行烘干和风干处理。

步骤2：共形天线结构种子层银结构打印。

将预处理后的圆柱面曲面基材置于打印平台，利用曲面共形微纳3D打印技术在圆柱面曲面基材上打印共形天线结构的种子层银结构(导电层)，打印线宽6μm，高宽比0.5∶1。打印工艺参数：施加的电压1200V，打印速度为10mm/s，施加气压为200kPa，打印高度为120μm，打印喷头为玻璃-不锈钢同轴喷头内径为20μm。在打印过程中同时通过激光进行原位固化和烧结，实现打印-烧结同步进行。

步骤3：打印的共形天线结构种子层烧结导电化处理。

将步骤2打印的共形天线结构种子层基材，置于真空箱中低温烧结进行导电化处理，随后清洗和氮气吹干等处理，完全去除种子层和基材上的污物。具体固化工艺为：160℃固化烧结40min。目的是一方面提高种子层的导电能力，同时增强种子层与曲面基材的附着力。

步骤4：共形天线结构微电铸。

将步骤3打印的共形天线结构种子层经过电铸工艺，在种子层银上继续沉积金属材料镍。沉积厚度5微米。首先按比例依次称取电镀溶液的成分：氨基磺酸镍100g/L，氯化镍10g/L，硼酸30g/L，十二烷基硫酸钠0.1g/L，调节电铸溶液PH值4，设置溶液温度50℃，所用电流密度为1A/dm²，电铸时间3min，溶液循环流速1.5m/s，之后将导电金属网栅结构的一侧贴上导电铜胶带连接到精密微电铸设备的阴极，金属镍板连接阳极，并放置在电铸液中，开启电铸设备进行金属镍结构的微电铸。

步骤5：样件后处理。

将电铸好的样件进行置于超声设备中进行清洁超声处理，设置超声功率为400W，去除表面残留物，并且进行烘干处理，烘干温度为85℃，最终获得复合结构的曲面共形天线。

实施例2

本实施例以纳米导电银浆为打印材料，首先，利用基于提取电极的五轴联动电场驱动喷射沉积曲面共形微纳3D打印自技术在曲面基材上打印金属共形天线种子层结构；然后对打印完的金属共形天线种子层结构进行低温烧结导电化处理；随后，对导电化处理后的金属共形天线种子层结构进行精密微电铸，在金属共形天线种子层银表面沉积金属镍或者银，最后，对电铸后的样件进行清洗烘干处理，完成曲面共形天线的制造。

本实施例基于复合微纳增材制造玻璃半球面共形天线制造方法具体工艺步骤如下：

步骤1：预处理基材

对半球面玻璃基材清洗、疏水和烘干。首先，对半球面玻基材表面进行去污清洁处理后；随后进行玻璃表面疏水处理，降低其表面能，提高打印的稳定性、一致性和高精度；最后，对半球面玻璃基材进行烘干和风干处理。

步骤2：共形天线结构种子层银结构打印。

将预处理后的半球面玻璃基材置于打印平台，利用曲面共形微纳3D打印技术在半球面玻璃基材上打印共形天线结构的种子层银结构，打印线宽15μm，高宽比0.6∶1。打印工艺参数：施加的电压1000V，打印速度为8mm/s，施加气压为150kPa，打印高度为140μm，打印喷头为不锈钢喷头，内径为30μm。在打印过程中同时通过激光进行原位固化和烧结，实现打印-烧结同步进行。

步骤3：打印的共形天线结构种子层烧结导电化处理。

将步骤2打印的共形天线结构种子层基材，置于真空箱中烧结进行导电化处理，随后清洗和氮气吹干等处理，完全去除种子层和基材上的污物。具体烧结参数为：160℃固化烧结40min。目的是一方面提高金属网栅结构的导电能力，同时增强金属网栅结构与曲面基材的附着力。

步骤4：共形天线结构微电铸。

将步骤3打印的共形天线结构种子层过电铸工艺，在种子层银上继续沉积金属材料银。沉积厚度6微米。

步骤5：样件后处理。

将电铸好的样件进行置于超声设备中进行清洁超声处理，设置超声功率为400W，去除表面残留物，并且进行烘干处理，烘干温度为90℃，最终获得半球面玻璃基材曲面共形天线。

上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于复合微纳增材制造曲面共形天线的制造方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：

步骤1：基材预处理：对曲面基材进行疏水化处理，所述疏水化处理包括对曲面基材去污清洁、表面疏水和干燥；

步骤2：共形天线结构种子层打印：使用基于提取电极的五轴联动电场驱动喷射沉积微纳3D打印机在曲面基材上打印共形天线结构的种子层，在打印过程中同时通过激光或者UV灯进行原位固化和烧结，实现打印-烧结同步进行；结合不同的打印模式，以及改变不同的打印工艺参数来实现不同线宽和精度种子层的打印；线宽为0.5μm-200μm。

步骤3：打印的共形天线结构种子层导电化处理：将步骤2打印的共形天线结构种子层基材，置于真空箱中烧结进行导电化处理，随后清洗和氮气吹干处理，完全去除种子层和基材上的污物；

步骤4：共形天线结构微电铸或者化学镀：将步骤3打印的共形天线结构种子层经过电铸或者化学镀工艺，在种子层上继续沉积金属材料；

步骤5：样件后处理：将微电铸或者化学镀好的样件进行清洗，去除沉积过程产生的残留物，然后对样件进行烘干处理，制备完成大尺寸高精度曲面共形天线。

所述步骤2中共形天线结构种子层所使用的打印材料包括高粘度纳米银浆、纳米镍/银金属的溶液、改性液态金属；

所述步骤4沉积金属材料的厚度3微米-20微米。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的曲面基材是球面、半球面、圆柱、圆锥、抛物面、任意曲面以及通过切削加工、模具、3D打印的3D基体中的任意一种或多种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的打印设备为基于提取电极的五轴联动电场驱动喷射沉积微纳3D打印机，能够完成五自由度打印，通过调整旋转工作台的旋转角度来实现共形天线图案的打印；

优选地，所述步骤2中所用的打印喷嘴为内径范围1-300μm的喷金导电处理的玻璃针头、不锈钢喷头或者武藏针头。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中共形天线的打印路径能够根据不同曲面基材形状设计生成相应的加工代码，导入机器系统中协同调节不同打印工艺参数，完成线宽在0.5-200μm范围内和不同打印速度1-200mm/s范围内共形天线的打印；

优选地，所述步骤2中打印喷嘴与曲面基材的距离和方向保持相同，即距离始终在精度允许的范围内，方向始终是沿着曲面基材的法线方向垂直打印；

进一步优选地，所述步骤2中的打印工艺参数范围为：施加电压为100V-2000V，气压为30-200kPa，打印速度为1-100mm/s，喷嘴直径为1-300μm。

更为优选地，所述步骤2中共形天线的导电化处理工艺是根据所使用的导电金属浆料最佳的固化工艺条件将其置于激光烧结器下150℃与打印同步固化烧结，防止打印材料在基体上扩散，提高打印精度和效率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中激光器为光斑直径小于0.1mm的细点激光器，有利于提高固化效果；

优选地，所述步骤2中的激光器与喷头同时固定，设计好一定的距离和方向，打印路径完全保持一致。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中微电铸工艺为：首先按一定的比例称取电铸溶液所需要的试剂材料，其次是依次将其充分溶解，最终获得所需要的电铸溶液，调节溶液PH值在3-4.5范围之内。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中化学镀工艺，首先按一定的比例称取化学镀溶液所需要的试剂材料，其次是依次将其充分溶解，最终获得所需要的化学镀溶液，调节溶液PH值在3-4.5范围之内。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤4中微电铸过程，将共形天线导电层的一侧贴上导电铜胶带连接到精密微电铸设备的阴极，金属板连接阳极，并放置在电铸液中，等待溶液发生化学反应使其在导电层表面沉积一层金属；

优选地，所述步骤4中微电铸的高度能够根据金属溶液浓度和电铸时间进行调整；

进一步优选地，所述步骤4中电铸过程，采用恒温监控系统以及溶液循环系统对电铸液的温度进行实时控制，确保电铸液的温度始终在45-55℃之内，溶液循环系统中溶液循环速度为1～2m/s；

更为优选地，所述步骤4中电铸过程，在电铸溶液中增设超声振动器，目的是使电极表面气泡迅速排出起到减小浓差极化、改善流场特性的作用。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中样件后处理中烘干温度范围为80-90℃，清洗剂为不与样件发生化学反应的试剂。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微电铸材料包括镍、铬、钛、铜中的一种或多种。

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