CN1868679A - 用于表面精加工操作的块状工具及其获得方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于表面精加工操作的块状工具，其具有支撑和连接构件(2)以连接至机械工具，和由所述支撑构件(2)支撑的研磨块(3)，研磨块得自分散在包含热塑性树脂的基体中的颗粒研磨材料的溶液或乳液。

Description

用于表面精加工操作的块状工具及其获得方法
技术领域
本发明涉及用于精加工操作例如可加工表面的平滑化或抛光的块状工具(block-shaped tool)，所述可加工表面具体为石材、上釉瓷砖(gres)、树脂-石英、树脂-花岗岩、树脂-大理石、树脂-水泥、水泥-石英、水泥-花岗岩、水泥-大理石块集岩等的表面，还涉及获得所述块状工具的方法。
本发明还涉及制造研磨材料块以得到根据本发明的块状工具的方法。
背景技术
众所周知，已经提出了块状工具(block tool)，通常包括热固性树脂或烧结金属粉末并设计来安装在合适的机械工具的头部或组件上，以通过研磨来进行精加工操作，例如平滑化或抛光石材(天然石料，例如大理石、花岗岩等)、块集岩如上釉瓷砖、树脂-石英、树脂-花岗岩、树脂-大理石、树脂-水泥、水泥-石英、水泥-花岗岩、水泥-大理石块集岩的表面，并且所述块状工具在使用时经历旋转或振荡运动或者既有旋转又有振荡运动。
然而，目前用于上述类型的精加工操作的块状工具存在多种缺点，例如脆性、较高的易磨损性以及高成本。
传统块状工具是根据多种制造方法得到的。根据第一种方法，采用模具和对接模具压制，该模具和对接模具必须加热至高于特定热固性树脂可模制成型的温度。此外，难以得到向工具芯部的均匀热传播，这导致所述块的内部和外部在理想的模制温度下保持不同的“保温”时间，因而所得工具可能具有机械性能特征不同的部分。此外，利用加热的模具和对接模具法，对于模制提供有连接至机器的分立连接构件的块状工具具有高风险，因为该构件将妨碍或阻碍模具和对接模具组合件内的热传播。
第二种方法包括浇铸半液体或浆状惰性填料和热固性树脂。然而，由于液体和树脂具有不同的比重，因此该方法面临关于各组分的沉降和分离的问题，显然较重组分下沉，导致块状工具组成的极不均匀。而且，当使用该方法时，会产生聚酯或环氧树脂与所用催化剂(例如过氧化物、胺类)之间的放热化学反应，尤其是该反应高度依赖环境温度，因此难以控制该反应从而经常引起块状工具中的裂纹或变形。最后，采用该方法，树脂百分比必须足以保证得到足够为流体的混合物，以使其可以进行无缺陷的浇铸，该要求限制了由此所得的工具的机械性能。
此外，通常可用的热固性树脂需要聚合后热处理(后固化)，通常为约100°-150℃，由此提高变形温度TG，并因此提高机械性能至可接受值。优选的是，在后固化处理之后，变形温度下降至约60°-120℃。
生产块状工具的另一方法包括使用通过“金属烧结”粘结剂粘接在一起的颗粒研磨材料(一般是工业金刚石)。在该方法中，使用具有几微米量级的颗粒尺寸的金属粉末，将其以各种比例混合，随后装载到压制机或烧结机中，最后经历烧结过程。
具有微米级尺寸的颗粒有被空气氧化的风险，这不利于烧结操作的效率。因此，该生产块状工具的方法需要持久的监控和正确的粉末保存(通常保存在提供有使树脂干燥的药筒或真空条件下的容器中)。该方法因而涉及实施和原料方面的高成本，以及加工废水中的金属污染问题，还有与工业金刚石在烧结过程中的热冲击相关的任何问题，它具有获得永久削弱的结构的严重风险。
发明内容
本发明的主要目的是提供用于可加工表面的精加工操作的块状工具，该工具提供有高冲击强度和高去除效果以实现平坦和均匀的平滑化和抛光操作。
本发明的另一目的是提供用于表面精加工操作的块状工具，其可以相对于传统块状工具以具有竞争力的成本进行表面精加工操作并且去除效果相等。
根据本发明第一方面，提供用于表面精加工操作的块状工具，其具有至少一个用于连接至机械工具的支撑和连接构件，和至少一个由所述支撑构件支撑的研磨块，其特征在于所述至少一个研磨块得自分散在包含至少一种热塑性树脂的基体中的至少一种颗粒研磨材料的至少一种溶液或乳液。
根据本发明另一方面，提供生产块状工具的方法，其特征在于所述方法依次包括以下步骤：
将至少一个支撑构件置于模具中；
将分散在包含至少一种热塑性树脂的基体中的至少一种颗粒研磨材料的溶液或乳液装载到模具中；
使所述至少一种热塑性树脂定型，从而得到至少一个固体和密实的块；和
从模具中移除块状工具。
有利的是，将所述溶液或乳液注射装载到模具中。
根据本发明另一方面，提供生产研磨块的方法，其特征在于包括以下步骤：
将包含至少一种热塑性树脂的树脂基体和至少一种颗粒研磨材料装载到模具中的至少一个空腔中；
使所述树脂基体就位，从而得到至少一个固体研磨块；和
从模具中移除各固体块。
附图说明
本发明的其它特征和优点将随以下参照附图利用非限制性实施例给出的一些目前优选的实施方案的详细描述而更加明显，在附图中：
图1-4分别是根据本发明的块状工具的前视图、侧视图和图2的俯视图和图1的仰视图；
图5是根据本发明的块状工具的支撑构件的截面图；和
图6是提供有图5的支撑构件的模具的截面图。
具体实施方式
在附图中，相同或相似的部件和组件示以相同的附图标记。
首先参考图1-4，图中示出一般以附图标记1指示的工具，其具有支撑构件2，支撑构件2提供有设置来连接且固定至抛光或平滑化机器的工作单元的底切凹头2a，如本领域所熟知，所述机器具有各自的燕尾榫接收座。真正的研磨块3锚接至支撑构件2的底切凹头2a的相对侧，其基本为平行六面体形状并得自在包含一种或多种热塑性树脂的基体中的一种或多种颗粒研磨材料的溶液或乳液，以下将进一步说明。
有利的是，所述基体包含至少一种填充材料，其优选选自包括玻璃纤维或球、滑石、二氧化硅、石英、不锈钢、cupper、青铜粉末、碳酸盐、铁、锆、锡、铝、镁氧化物的集合。金属粉末在任意工具工作步骤中都有助于热散逸。
在支撑构件2的相对侧，研磨块3具有工作表面3a，其基本平坦并优选具有接近于并沿两个不相邻拐角延伸的宽圆角部分3a，使用时，其通常置于块状工具的运动(工作)方向的横向上，以进行平坦材料例如石料的最优平滑化和抛光操作。
优选的是，支撑构件2通过模制合适的可模制材料得到，例如可商业购得的商标为nylon6/6.6的聚酰胺。支撑构件的构造可以是任意构造，例如基本为四面体、平行六面体、圆柱体、圆柱体扇区构造等。
用于块状工具3的基体的合适材料优选选自：烯烃聚合物、苯乙烯、氯乙烯、或醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯醚、聚丙烯酸酯树脂、线型聚酰胺、混合聚酰胺、以及聚胺产品、聚酰胺(PA)、聚甲基丙烯酰胺、聚酰胺-酰亚胺、聚醚-酰亚胺、热塑性聚氨酯聚合物、无定形聚酰胺、聚丁烯-1、聚甲基戊烯、苯乙烯聚合物、氯乙烯聚合物(例如PVC)、氟代聚合物、聚(甲基)丙烯酸塑料、模塑PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)块、聚碳酸酯、聚对苯二酸亚烷基酯(PTP)、多芳基化合物、氧化物-硫化物(PPS)-线型含硫聚丙烯酸、改性聚苯醚(PPO)、聚芳醚(酮、PEEK、聚砜)。
优选的是，研磨材料包含至少一种选自包括工业金刚石、碳化钨、碳化硅、暗红刚玉、氮化硼、碳化硼的集合的组分的颗粒。
适合溶解或乳化所述研磨材料的基体优选包含热塑性树脂，例如聚酰胺(尼龙)6/6.6或热塑性树脂的混合物以及聚苯乙烯。
根据本发明生产用于加工平坦石材表面的块状工具的方法包括首先将支撑构件2置于模具中，随后将在一种或多种热塑性树脂中的一种或多种颗粒研磨材料、可以是例如纤维等形式的一种或多种填充材料或填料的溶液或乳液装载到其中安置有支撑构件的模具中，所述热塑性树脂设计来在聚合后形成研磨材料的粘合基体。优选的是，所述溶液或乳液注射装载到模具中。
装载之后，所述溶液或乳液经历聚合并因此使所述混合物定型。热塑性材料的聚合可以以任意适合的方式进行，这对于本领域技术人员而言是显而易见的，例如采用自发方式或利用聚合反应催化剂。
当树脂基体发生聚合或固化时，得到与各支撑构件2构成整体的块从而形成最终的块状工具1。当然，定型之后，将最终的块1从模具中移出或取出以备用。
此外，根据本发明的块状工具可通过将支撑构件置于模具中而得到，以可控方式向具有支撑构件的模具中装载粉末或颗粒研磨材料，所述粉末或颗粒研磨材料独立地来自于合适的流体状态的热塑性树脂，或者在装载到模具中之前即刻将研磨材料和树脂混合在一起，从而使得由于树脂强迫进料管中的研磨材料所导致的磨损作用最小化。树脂进料参数、树脂流速、喷嘴类型和研磨材料用量必须确保树脂中的研磨剂分布均匀。同样，当单独或几乎单独装载研磨材料和树脂时，在树脂定型终止时完成块状工具。
参考图5和6，示出支撑构件20，其中通道21形成在其连接侧以固定至机械工具，而座22形成在其研磨部位。通道21和座22由壁、优选极薄的壁或隔板23而相互隔离。
为了得到根据本发明的研磨工具，将支撑构件20置于模具腔中，使得通道21与模具注射通道流体连通。随后将合适的研磨材料或研磨材料混合物装载到座22中。此时，优选在约250-400℃的温度下，向其中注射热塑性树脂或树脂混合物。在该温度下，隔板23被溶解或破坏并且树脂混合物因而被注射到模具腔中，由此将一种或多种研磨材料分散在其中。优选的是，为了使隔板23在接触一种或多种树脂时快速溶解或破坏，采用熔点范围为约230℃-约260℃的材料制造支撑构件。
为了保证研磨材料在热塑性树脂中的良好均匀性，可以在模具腔中提供一个或多个突出部分，优选位于座22处，其设计来在包含一种或多种树脂和研磨材料的溶液中产生混合涡流。
为了得到提供有支撑构件而没有通道21和座22的研磨块或块状工具，研磨材料也可沿树脂至模具的进料路径安置。在这种情况下，利用树脂混合物沿该路径夹带走研磨剂并将其转移至模具，因而确保混合物中研磨剂分布均匀。
上述两种方法使得可以得到定型材料(基体)的块状工具，其中研磨材料几乎均匀地分散在树脂中，在一种方法中，通过树脂夹带研磨剂而确保均匀，而在另一种方法中，一方面利用树脂进料系统的特点而确保均匀，另一方面利用研磨材料的特点而确保均匀。
根据本发明优选实施方案的制造块状工具的另一方法，通过模塑、优选通过注射模塑上述溶液或乳液，并且在将所模制的块从模具中取出之后，通过合适的保持装置例如胶合或使用已知的可以从市场上以商品名“维可牢(Velcro)”购得的保持装置将其固定至合适的单独制造的支撑构件2来得到研磨块。
该方法使得可以随后仅在块被固定至支撑构件之后而得到块状工具。支撑构件可在从模具中取出之前或之后固定至研磨块，例如通过甚至当固体块仍位于模具腔中时将其固定至支撑构件。
然而，在所有三种所述的方法中，可以通过供应分散在包含至少一种热塑性树脂的树脂基体中的至少一种颗粒研磨材料的溶液或乳液或者通过单独供应树脂质基体和研磨材料颗粒来制造研磨块。在后一种情况下，为了得到研磨材料在基体中的均匀分布，可以首先将树脂基体层施加至模具腔中随后施加一定量的研磨材料，再施加树脂基体层，如此反复，直至填满整个模具腔。作为替代方案，在将基体和研磨材料装载到模具腔中后，可以利用合适的混合系统将研磨材料分散在基体中。
根据本发明的第一方法在以下说明中通过一些优选实施方案更加详细地示出。
实施例1
制备根据本发明的块状工具，其具有由填充20％玻璃纤维的尼龙制成的支撑构件，在其上将Luzzara(Reggio Emilia-意大利)的Nevicolor S.p.A公司生产的可以从市场上以商品名Nevamide 209G30购得的热塑性树脂的溶液注射装载到合适的模具中，其中加入占树脂7％的80/100目工业金刚石颗粒。
允许树脂在模具中自发固化180秒，随后打开模具并取出最终的块状工具，其具有类似于传统块的连接头部，而且研磨材料在树脂(基体)中具有非常好的分布。
实施例2
制备根据本发明的块状工具，其具有由填充20％玻璃纤维的尼龙制成的支撑构件，将可以从市场上以商品名Krasten(热塑性聚酯)购得并由Luzzara(Reggio Emilia-意大利)的Nevicolor S.p.A公司生产的热塑性树脂的溶液注射到其上。将包含80/100目工业金刚石颗粒的研磨材料与热塑性树脂以7∶93的比率混合，并且将所述混合物注射装载到具有多个空腔的模具中。在180秒内发生固化。一旦固化终止，就从模具中移除六个块状工具，以备使用，并且研磨剂颗粒在基体中具有非常好的分布。
实施例3
制备根据本发明的块状工具，其具有由填充20％玻璃纤维的尼龙制成的支撑构件，在其上将包含热塑性缩醛树脂以及分散在其中的5％(60g)碳化硅、2％75-150微米碳化钨和3％80/100目工业金刚石的溶液注射装载到模具中。
树脂固化之后，得到块状工具备用，并且研磨材料在其中具有非常好的分布。
优选地，根据本发明的块状工具具有由含有分散于其中的10-30％玻璃纤维的尼龙制成的支撑构件。
以类似方式重复上述试验，制备没有用于连接至工具机器的支撑构件的研磨块。这些块可以在利用合适的保持装置例如合适的胶合装置或维可牢尼龙搭扣(Velcro)系统从模具中移除之前或之后固定至各支撑构件。
对包含以下材料：卡拉拉(Carrara)大理石、非洲黑花岗岩、树脂-石英块集岩(人造石料)、瓷砖，尺寸为30×30cm的四块砖片进行试验或测试。
测试的目的是通过测量加工后砖片的重量损失来确定根据本发明制造的工具的移除程度。为了进行该测试，使用具有135mm工具头、进给速率400mm/min的单头抛光机，该抛光机提供有设计为振动部分(块)的根据本发明的块状工具，如传统花岗岩平滑化操作中一样。工具头的转动圆周速率为约12m/秒，同时冷却液体(水)以20升/min的速率进料。工作压力为约2.0巴。对每一测试进行四次。
作为参比工具，使用Evolution Tenax pos.7工具和120S型“树脂状fingrain”粘合剂工具。
测试结果示于下表。
 Tenax pos 7   实施例1   实施例2   实施例3   Fingrain 120S
  卡拉拉大理石重量损失(g)外观 10.2拐角处破坏，变白 8未变，具有色调 9.1未变，具有色调和移除沟槽 6未变，具有高色调 8.1未变，具有实施例3的色调
  非洲黑花岗岩重量损失(g)外观 3.2边缘处轻微破裂，变白 2.2未变，具有许多色调 2.9具有色调和移除沟槽 1.6未变，具有很少色调 2.7未变，具有弱色调
  树脂-石英块集岩重量损失(g)外观 2.7未变，变白 1.2未变，色调良好 1.7未变，具有色调和明显缺陷沟槽 1.1未变，具有足够的色调 1.9未变，具有相当好的色调
  瓷砖陶瓷重量损失(g)外观 1.5破裂，变白且出现沟槽 0.5未变，无迹象 0.7未变，缺陷线深 0.2未变，无缺陷沟槽 0.7未变，无缺陷沟槽
测试表明根据本发明的块状工具适合用于改善被加工材料的背景颜色，因而适合用于实施具有比目前可得的抛光操作系统更高的色调和深度效果的抛光操作。所用热塑性树脂具有良好的移除能力并且没有拐角破坏和/或工具破裂与所加工材料无关的。
所检测的电功率消耗应使得该工具相对于目前市场上可得到的块状工具而言非常有竞争力。根据本发明的块状工具的生产成本大约是包含由热固性树脂组成的粘合剂的金刚石块状工具的一半，并比包含烧结金属粘合剂的工具成本低10倍。具体生产方法还使得可以在模制步骤中提供冷却通道4(图1和4)，有助于使块状工具的机械性能在加工步骤中保持不变。
上述系统易于在由权利要求所限定的范围内进行许多改进和变化。
因此，例如，根据本发明的研磨部分的结构和形状可以多种多样：扇形、平行六面体形、圆柱体形等，这取决于应用，如在利用数控机械工具抛光平面表面和肋部位的领域中所已知的。

Claims (29)

1.一种用于表面精加工操作的块状工具，其具有至少一个支撑和连接构件(2)以连接至机械工具，和至少一个由所述支撑构件(2)支撑的研磨块(3)，其特征在于所述至少一个研磨块得自分散在包含至少一种热塑性树脂的基体中的至少一种颗粒研磨材料的至少一种溶液或乳液。
2.权利要求1中所述的块状工具，其特征在于所述基体包含聚苯乙烯。
3.权利要求1中所述的块状工具，其特征在于所述基体包含聚苯乙烯和至少另一种热塑性树脂。
4.前述权利要求中任一项所述的块状工具，其特征在于所述基体包含聚酰胺。
5.权利要求4中所述的块状工具，其特征在于所述基体包含6/6.6聚酰胺。
6.权利要求1中所述的块状工具，其特征在于所述基体包含至少一种选自包括烯烃聚合物、苯乙烯、氯乙烯或醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯醚、聚丙烯酸酯树脂、线型聚酰胺、混合聚酰胺、以及聚胺产品、聚酰胺(PA)、聚甲基丙烯酰胺、聚酰胺-酰亚胺、聚醚-酰亚胺、热塑性聚氨酯聚合物、无定形聚酰胺、聚丁烯-1、聚甲基戊烯、苯乙烯聚合物、氯乙烯聚合物、PVC、氟代聚合物、聚(甲基)丙烯酸塑料、模塑PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)块、聚碳酸酯、聚对苯二酸亚烷基酯(PTP)、多芳基化合物、氧化物-硫化物(PPS)-线型含硫聚丙烯酸、改性聚苯醚(PPO)、聚芳醚(酮、PEEK、聚砜)的集合的组分。
7.前述权利要求中任一项所述的块状工具，其特征在于所述支撑构件(2)通过模制热塑性可模塑材料而得到。
8.权利要求7中所述的块状工具，其特征在于所述热塑性可模塑材料是6/6.6聚酰胺。
9.权利要求8中所述的块状工具，其特征在于所述热塑性可模塑材料分散在10-30％的玻璃纤维中。
10.前述权利要求中任一项所述的块状工具，其特征在于所述至少一种研磨材料包含选自包括工业金刚石、碳化钨、碳化硅、暗红刚玉、氮化硼、碳化硼的集合的至少一种组分的颗粒。
11.前述权利要求中任一项所述的块状工具，其特征在于所述基体包含至少一种填充材料。
12.权利要求11中所述的块状工具，其特征在于所述填充材料包含至少一种选自包括玻璃纤维或球、滑石、二氧化硅、石英、不锈钢、cupper、青铜粉末、碳酸盐、以及铁、锆、锡、铝、镁氧化物的集合的组分。
13.前述权利要求中任一项所述的块状工具，其特征在于所述至少一种溶液或乳液包含93％的热塑性树脂和7％的至少一种研磨材料。
14.前述权利要求中任一项所述的块状工具，其特征在于所述溶液包含90％的热塑性缩醛树脂、5％的碳化硅、2％的75-150微米碳化钨和3％的80/100目工业金刚石。
15.生产权利要求1中所述的块状工具的方法，其特征在于所述方法依次包括以下步骤：
-将至少一个支撑构件置于模具中；
-将分散在包含至少一种热塑性树脂的基体中的至少一种颗粒研磨材料的溶液或乳液装载到模具中；
-使所述至少一种热塑性树脂定型，由此得到至少一个固体和密实的块；和
-从模具中移除块状工具。
16.权利要求15中所述的方法，其特征在于所述溶液通过注射模塑来供应。
17.生产权利要求1中所述的块状工具的方法，其特征在于所述方法依次包括以下步骤：
-将至少一个支撑构件置于模具中；
-将至少是颗粒研磨材料装载到模具中，置于所述至少一个支撑构件上；
-将至少一种热塑性树脂注射供给至模具中，在其中分散先前装载到模具中的所述至少一种研磨材料。
18.权利要求17中所述的方法，其特征在于所述支撑构件(2)包括具有减小的厚度的壁或隔板(23)，还在于所述方法包括以下步骤：
-将至少一种颗粒研磨材料装载到模具中，置于所述壁或隔板(23)处；
-将至少一种热塑性树脂注射供给至所述壁处并在与所述至少一种研磨材料相对的一侧上；
-使所述壁溶解或破坏，从而允许所述至少一种研磨材料溶解在所述至少一种热塑性树脂中。
19.权利要求18中所述的方法，其特征在于所述树脂在约250-400℃的温度下供应。
20.权利要求18中所述的方法，其特征在于所述支撑构件(2)具有约230-260℃的熔点。
21.一种用于表面精加工操作的磨块，其特征在于所述磨块包含分散在包含至少一种热塑性树脂的基体中的至少一种颗粒研磨材料的至少一种溶液或乳液。
22.权利要求21中所述的磨块，其特征在于所述基体包含至少一种选自包括烯烃聚合物、苯乙烯共聚物、氯乙烯共聚物、醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯醚、聚丙烯酸酯树脂、线型聚酰胺、混合聚酰胺、聚胺产品、聚酰胺(PA)、聚甲基丙烯酰胺、聚酰胺-酰亚胺、聚醚-酰亚胺、热塑性聚氨酯聚合物、无定形聚酰胺、聚丁烯-1、聚甲基戊烯、苯乙烯聚合物、氯乙烯聚合物、PVC、氟代聚合物、聚(甲基)丙烯酸塑料、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)模塑块、聚碳酸酯、聚对苯二酸亚烷基酯(PTP)、多芳基化合物、氧化物-硫化物(PPS)-线型含硫聚丙烯酸、改性聚苯醚(PPO)、聚芳醚(酮、聚砜、PEEK)的集合的组分。
23.权利要求21中所述的磨块，其特征在于所述至少一种研磨材料包含选自包括工业金刚石、碳化钨、碳化硅、暗红刚玉、氮化硼、碳化硼的集合的至少一种组分的颗粒。
24.一种生产权利要求21中所述的研磨块的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
-将包含至少一种热塑性树脂的树脂基体和至少一种颗粒研磨材料装载到至少一个模具中；
-使所述树脂基体定型，由此得到至少一个固体研磨块；和
-从模具中移除所述至少一个研磨块。
25.一种生产权利要求24中所述的研磨块的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
-将分散在包含至少一种热塑性树脂的树脂基体中的至少一种颗粒研磨材料的溶液或乳液注射到至少一个模具中；
-使所述树脂基体定型，由此得到至少一个固体研磨块；和
-从模具中移除所述至少一个研磨块。
26.一种生产权利要求21中所述的研磨块的方法，其特征在于所述方法依次包括以下步骤：
-将至少一种颗粒研磨材料装载到模具中；和
-将至少一种热塑性树脂注射供给至模具中，在其中分散先前装载到所述模具中的所述至少一种研磨材料。
27.权利要求24中所述的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
-为至少一个固体研磨块设置至少一个支撑构件；
-将所述至少一个研磨块在将其从所述模具中移除之前或之后，通过合适的保持装置固定至所述至少一个支撑构件。
28.权利要求27中所述的方法，其特征在于所述保持装置包括合适的胶合装置。
29.权利要求27中所述的方法，其特征在于所述保持装置包括维可牢尼龙搭扣系统。
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