CN214134538U - 一种激光打孔设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型关于一种激光打孔设备。由上至下依次包括第一安装平台、第二安装平台和用于承载工件的工作台，还包括：激光器，固定安装于所述第一安装平台上；第一反射镜，设置于所述第一安装平台上；第二反射镜，设置于所述第二安装平台上；动态调焦系统，设置于所述第二安装平台上；第三反射镜，设置于所述第二安装平台上；振镜系统，设置于所述第二安装平台上。本实用新型能够对具有一定厚度的大尺寸硬脆材料进行高精度、高效率激光打孔。

Description

一种激光打孔设备

技术领域

本实用新型涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光打孔设备。

背景技术

激光打孔技术是最早应用在激光加工领域的激光加工技术。随着对产品打孔质量要求的提高，传统的加工方式已经不能满足需求，因此激光激光打孔技术得到了广泛应用。现有利用激光对硬脆材料打孔的方案主要由两种，一种是激光器出射的激光光束入射进入扩束器，经扩束器后的激光光束形成扩束光束，扩束光束经反射镜进入光束扫描系统，经光束扫描系统后光束沿预先设定轨迹传输，并聚焦于工作台上的硬脆材料上，从而实现了对硬脆材料激光钻孔的加工；另外一种方案是对上述方案的改进，与上述方案不同的是工作台是可移动的三维动态工作台，加工具有一定厚度的加工对象时，通过振镜的升降或工作台升降来调节加工纵深。目前，用于硬脆材料打孔的激光器大都使用激光脉冲短、强度高的飞秒激光器。

上述技术方案中，对于具有一定厚度的加工对象，利用振镜的升降或工作台升降来调节加工纵深，由于振镜或者工作台质量大，惯性大，在上升或下降的过程中精度不易控制，可能会造成切割面达不到要求。而且采用飞秒激光器价格高，激光打孔设备成本高，并且可选择激光器有限。因此，有必要提供一种新的技术方案改善上述方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本实用新型的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种激光打孔设备，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本实用新型提供一种激光打孔设备，由上至下依次包括第一安装平台、第二安装平台和用于承载工件的工作台；该设备还包括：

激光器，固定安装于所述第一安装平台上，用于发射激光束；

第一反射镜，设置于所述第一安装平台上，且该第一反射镜镜面与水平面呈45°，用于反射所述激光束；

第二反射镜，设置于所述第二安装平台上，且该第二反射镜镜面与水平面呈45°，用于反射经所述第一反射镜反射的所述激光束；

动态调焦系统，设置于所述第二安装平台上，接收经所述第二反射镜反射的所述激光束，以调节焦平面在竖直方向移动的距离；

第三反射镜，设置于所述第二安装平台上，对穿过所述动态调焦系统的所述激光束进行反射；

振镜系统，设置于所述第二安装平台上，接收经所述第三反射镜反射的所述激光束，并控制穿过该振镜系统的所述激光束在所述工件的表面刻画预设轮廓；

其中，所述第二安装平台能够带动位于其上的所述第二反射镜、动态调焦系统、第三反射镜和振镜系统沿竖直方向进行移动；所述工作台能够在水平面上移动，以保证所述工件的工作面位于所述振镜系统的正下方。

本实用新型的实施例中，该设备还包括：

场镜，设置于所述振镜系统下方，用于对穿过该场镜的所述激光束进行再次聚焦。

本实用新型的实施例中，所述第二安装平台带动所述第二反射镜、动态调焦系统、第三反射镜和振镜系统沿竖直方向进行移动，以使所述振镜系统的焦平面在所述工件加工之前处于工作面上。

本实用新型的实施例中，所述动态调焦系统包括：

壳体；

第一进光孔，设置于所述壳体侧面，用于所述激光束进入；

第一出光孔，设置于与所述第一进光孔相对的所述壳体侧面，用于所述激光束射出；

凹透镜，设置于靠近所述第一进光孔的所述壳体底部，并通过电机驱动进行前后移动；

第一凸透镜，设置于所述凹透镜后方，且与所述凹透镜同轴线，用于接收经所述凹透镜扩束后的所述激光束，并对该激光束进行聚集；

第二凸透镜，设置于所述第一凸透镜后方，且与所述第二凸透镜同轴线，用于接收经所述第一凸透镜聚集后的所述激光束，并对该激光束进行再次聚集。

本实用新型的实施例中，所述凹透镜的移动距离介于0～10mm之间，以控制所述激光束的焦平面向下移动预设深度；所述第一凸透镜和第二凸透镜之间的距离为一固定值。

本实用新型的实施例中，所述振镜系统包括：

矩形壳体；

第二进光孔，设置于所述矩形壳体一侧，用于使经所述第三反射镜反射的所述激光束进入；

第二出光孔，设置于所述矩形壳体一侧，且该第二出光孔轴线与所述进光孔轴线垂直。

本实用新型的实施例中，所述振镜系统还包括：

第一扫描镜，用于反射进入该系统内的激光束，并通过设置于所述矩形壳体上的第一驱动部进行驱动旋转；

第二扫描镜，用于反射经所述第一扫描镜的激光束，并通过设置于所述矩形壳体上的第二驱动部进行驱动旋转，以配合第一扫描镜的旋转使得所述激光束在所述工件的表面刻画预设轮廓。

本实用新型的实施例中，所述第二反射镜位于所述第一反射镜正下方，且所述第二反射镜镜面与所述第一反射镜镜面相互垂直。

本实用新型的实施例中，所述第三反射镜呈45°设置于所述动态调焦系统与所述振镜系统之间，以使从所述激光器出射的所述激光束方向与入射到所述振镜系统的所述激光束方向垂直。

本实用新型的实施例中，所述激光器包括纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器。

本实用新型的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本实用新型的一种实施例中，根据本实施例提供的激光打孔设备，通过动态调焦系统可以高效率、高精度调整焦平面的纵深，适用于任何有厚度的工件，而且通过动态调焦系统同时配合后聚焦场镜，保证在对有厚度工件加工过程中，既可以调整焦平面，也可以保证焦点光斑的大小，从而有效保证切割面光滑平整以及加工效率；通过将竖直移动的第二安装平台的控制从平面移动工作台单独分离出，使得打孔的精度更容易控制。

附图说明

图1示出本实用新型示例性实施例中激光打孔设备结构示意图；

图2示出本实用新型示例性实施例中激光打孔设备侧视结构示意图；

图3示出本实用新型示例性实施例中动态调焦系统与振镜系统的原理示意图；

图4示出本实用新型示例性实施例中动态调焦系统原理示意图。

图中：第一安装平台100；第二安装平台200；工作台300；激光器101；第一反射镜102；第二反射镜201；动态调焦系统202；第三反射镜203；振镜系统204；场镜205；第一进光孔2021；第一出光孔2022；凹透镜L1；第一凸透镜L2；第二凸透镜L3；第二进光孔2041；第二出光孔2042；第一扫描镜M1；第二扫描镜M2。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本实用新型的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中提供了一种激光打孔设备。参考图1和图2中所示，该设备由上至下依次包括第一安装平台100、第二安装平台200和用于承载工件的工作台300；还包括激光器101、第一反射镜102、第二反射镜201、动态调焦系统202、第三反射镜203和振镜系统204。

激光器101固定安装于所述第一安装平台100上，用于发射激光束；第一反射镜102，设置于所述第一安装平台100上，且该第一反射镜102镜面与水平面呈45°，用于反射所述激光束；第二反射镜201，设置于所述第二安装平台200上，且该第二反射镜201镜面与水平面呈45°，用于反射经所述第一反射镜102反射的所述激光束；动态调焦系统202，设置于所述第二安装平台200上，接收经所述第二反射镜201反射的所述激光束，以以调节焦平面在竖直方向移动的距离；第三反射镜203，设置于所述第二安装平台200上，对穿过所述动态调焦系统202的所述激光束进行反射；振镜系统204，设置于所述第二安装平台200上，接收经所述第三反射镜203反射的所述激光束，并控制穿过该振镜系统204的所述激光束在所述工件的表面刻画预设轮廓；其中，所述第二安装平台200能够带动位于其上的所述第二反射镜201、动态调焦系统202、第三反射镜203和振镜系统204沿竖直方向进行移动；所述工作台300能够在水平面上移动，以保证所述工件的工作面位于所述振镜系统204的正下方。

根据本实施例提供的激光打孔设备，通过动态调焦系统202可以高效率、高精度调整焦平面的纵深，适用于任何有厚度的工件，而且通过动态调焦系统202同时配合后聚焦场镜205，保证在对有厚度工件加工过程中，既可以调整焦平面，也可以保证焦点光斑的大小，从而有效保证切割面光滑平整以及加工效率；通过将竖直移动的第二安装平台200的控制从平面移动工作台300单独分离出，使得打孔的精度更容易控制。

下面，将参考图1至图4对本示例实施方式中的上述激光打孔设备的各个结构进行更详细的说明。

在一个实施例中，工作台300是用来固定工件(加工对象)的平台，工作面是工件目标加工位置所在的平面。激光束从激光器101出射后便经过第一反射镜102、第二反射镜201、动态调焦系统202、第三反射镜203和振镜系统204，然后到达工件表面。激光器101与第一反射镜102固定在第一安装平台100上，第二反射镜201位于第一反射镜102正下方，第二反射镜201、动态调焦系统202、第三反射镜203以及振镜系统204固定在激光器101与第一反射镜102正下方的第二安装平台200上，并由导轨控制第二安装平台200在竖直方向上移动，从而调节第二安装平台200的高度，使振镜系统204的焦平面(经动态调焦系统202和场镜205聚焦后激光束的焦点所在的平面)在本打孔设备工作之前处于工作面上。第一反射镜102反射面与水平面即激光器101出光口所在平面呈45°夹角，第二反射镜201反射面与第一反射镜102反射面垂直，第三反射镜203呈45°角置于动态调焦系统202与振镜系统204之间，用来调整从激光器101出射的激光束方向与入射到振镜的激光束方向垂直，便于振镜系统204在工作台300上确定中心位置。

激光器101出射的激光束经过第一反射镜102、第二反射镜201入射到动态调焦系统202，然后经过第三反射镜203使得入射到振镜系统204的激光束方向与从激光器101出射的激光束方向垂直，出射激光束进入振镜系统204，从振镜系统204出射的激光束聚焦在工作面上。工作台300由水平面上的导轨控制，使工件能够在水平面上移动，以保证工作面始终处于振镜系统204的正下方。

在一个实施例中，该设备还包括场镜205，设置于所述振镜系统204下方，用于对穿过该场镜的所述激光束进行再次聚焦。具体的，场镜205设置在振镜系统204的第二出光孔2042的位置，能够改变激光束在工件表面的成像位置，即场镜205能够改变出射激光束汇聚焦点的位置。

在一个实施例中，所述第二安装平台200带动所述第二反射镜201、动态调焦系统202、第三反射镜203和振镜系统204沿竖直方向进行移动，以使所述振镜系统204的焦平面在所述工件加工之前处于工作面上。具体的，第二反射镜201、动态调焦系统202、第三反射镜203以及振镜系统204固定在激光器101与第一反射镜102正下方的第二安装平台200上，并由导轨控制第二安装平台200在竖直方向上移动，从而调节第二安装平台200的高度，使振镜系统204的焦平面(经动态调焦系统202和场镜205聚焦后激光束的焦点所在的平面)在本打孔设备工作之前处于工作面上。该种将激光器101与动态调焦系统202通过三个反射镜在竖直方向实现分离，能够减轻竖直方向传动装置的负载。

在一个实施例中，所述动态调焦系统202包括：壳体；第一进光孔2021，设置于所述壳体侧面，用于所述激光束进入；第一出光孔2022，设置于与所述第一进光孔2021相对的所述壳体侧面，用于所述激光束射出；凹透镜L1，设置于靠近所述第一进光孔2021的所述壳体底部，并通过电机驱动进行前后移动；第一凸透镜L2，设置于所述凹透镜L1后方，且与所述凹透镜L1同轴线，用于接收经所述凹透镜L1扩束后的所述激光束，并对该激光束进行聚集；第二凸透镜L3，设置于所述第一凸透镜L2后方，且与所述第二凸透镜L3同轴线，用于接收经所述第一凸透镜L2聚集后的所述激光束，并对该激光束进行再次聚集。

具体的，动态调焦系统202包括用于实现激光扩束的凹透镜L1、用于实现激光聚焦的第一凸透镜L2和第二凸透镜L3，输入激光束进入激光聚焦光路系统，进行扩束和聚焦。首先，激光器101出射的激光束从扩束凹透镜L1进入激光动态聚焦光路系统，第一凸透镜L2和第二凸透镜L3对扩束后的激光束进行聚焦，电机带动凹透镜L1沿光轴方向移动，改变从激光调焦系统出射的激光束的焦距。其次，当扩束凹透镜L1沿光路方向向第一凸透镜L2移动时，从第二凸透镜L3的右面到焦点之间的距离就会变大，从而达到激光振镜在工作过程中动态聚焦的效果。最后，激光束经过动态调焦系统202从第二凸透镜L3出射后，进入激光振镜系统204，经过振镜系统204内的第一扫描镜M1和第二扫描镜M2，最后在工件的工作面上形成聚焦光斑，激光动态调焦系统202使激光束在整个打孔过程中都处于激光束的焦点位置。在一个示例中，所述凹透镜L1的移动距离介于0～10mm之间，以控制所述激光束的焦平面向下移动预设深度；所述第一凸透镜L2和第二凸透镜L3之间的距离为一固定值。具体的，凹透镜L1可移动距离小于10mm，第一凸透镜L2与第二凸透镜L3之间的距离固定且小于20mm，但不限于此。

在一个实施例中，所述振镜系统204包括矩形壳体；第二进光孔2041，设置于所述矩形壳体一侧，用于使经所述第三反射镜203反射的所述激光束进入；第二出光孔2042，设置于所述矩形壳体一侧，且该第二出光孔2042轴线与所述进光孔轴线垂直。

具体的，振镜系统204为中空的矩形壳体结构，且第二进光孔2041与第二出光孔2042垂直设置，在一个示例中，该振镜系统204还包括第一扫描镜M1，用于反射进入该系统内的激光束，并通过设置于所述矩形壳体上的第一驱动部进行驱动旋转；第二扫描镜M2，用于反射经所述第一扫描镜M1的激光束，并通过设置于所述矩形壳体上的第二驱动部进行驱动旋转，以配合第一扫描镜M1的旋转使得所述激光束在所述工件的表面刻画预设轮廓。具体的，第一扫描镜M1通过第一驱动部设置于矩形壳体上，该第一扫描镜M1用于将进入振镜系统204内的激光束进行反射，第二扫描镜M2通过第二驱动部设置于矩形壳体上，该第二扫描镜M2用于接收第一扫描镜M1反射的激光束，并将该激光束从第二出光孔2042反射出去。

在一个实施例中，所述第一反射镜102位于所述第一反射镜102正下方，且所述第二反射镜201镜面与所述第一反射镜102镜面相互垂直。具体的，第二反射镜201设置于第一反射镜102的正下方，该种设置能够在第二安装平台200进行竖直方向的移动时，不改变激光束通过第一反射镜102和第二反射镜201的反射传输。

在一个实施例中，所述第三反射镜203呈45°设置于所述动态调焦系统202与所述振镜系统204之间，以使从所述激光器101出射的所述激光束方向与入射到所述振镜系统204的所述激光束方向垂直。具体的，第三反射镜203呈45°角置于动态调焦系统202与振镜系统204之间，用来调整从激光器101出射的激光束方向与入射到振镜的激光束方向垂直，便于振镜系统204在工作台300上确定中心位置。

在一个实施例中，所述激光器101包括纳秒激光器101、皮秒激光器101、飞秒激光器101。具体的，由于打孔方式为逐层加工，因此该打孔设备的第一安装平台100上能够兼容多种激光器101，并不限于纳秒激光器101、皮秒激光器101、飞秒激光器101，该种设置可以提升生产效率，降低制造成本。

工作原理：固定好激光器101、第一反射镜102、第二反射镜201、动态调焦系统202、第三反射镜203、振镜系统204以及场镜205；确定初始位置，调节第二安装平台200高度，使系统的焦平面在工作之前处于工作面上，调节工作台300，使振镜在零点的时候，聚焦光斑处于目标工作面的原点位置；振镜系统204控制激光束刻画轮廓，动态调焦系统202调节纵深。利用软件对振镜系统204预设激光路径(目标图案)，动态调焦系统202控制焦平面总的高度的变化量(工件的厚度)h和激光走完预设路径一次后焦平面的高度变化量h1，振镜系统204控制激光在工件上表面刻出目标轮廓后，激光光斑回到图案轮廓的起点，动态调焦系统202控制焦平面向下(或向上)移动h1高度，重复上述过程，直至完成第一次打孔，第二安装平台200控制工作面平移到下一个加工区域，重复上述过程，达到激光在工件上依次打孔的目的。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种激光打孔设备，由上至下依次包括第一安装平台、第二安装平台和用于承载工件的工作台，其特征在于，该设备还包括：

激光器，固定安装于所述第一安装平台上，用于发射激光束；

第一反射镜，设置于所述第一安装平台上，且该第一反射镜镜面与水平面呈45°，用于反射所述激光束；

第二反射镜，设置于所述第二安装平台上，且该第二反射镜镜面与水平面呈45°，用于反射经所述第一反射镜反射的所述激光束；

动态调焦系统，设置于所述第二安装平台上，接收经所述第二反射镜反射的所述激光束，以调节焦平面在竖直方向移动的距离；

第三反射镜，设置于所述第二安装平台上，对穿过所述动态调焦系统的所述激光束进行反射；

振镜系统，设置于所述第二安装平台上，接收经所述第三反射镜反射的所述激光束，并控制穿过该振镜系统的所述激光束在所述工件的表面刻画预设轮廓；

其中，所述第二安装平台能够带动位于其上的所述第二反射镜、动态调焦系统、第三反射镜和振镜系统沿竖直方向进行移动；所述工作台能够在水平面上移动，以保证所述工件的工作面位于所述振镜系统的正下方。

2.根据权利要求1所述激光打孔设备，其特征在于，该设备还包括：

场镜，设置于所述振镜系统下方，用于对穿过该场镜的所述激光束进行再次聚焦。

3.根据权利要求1所述激光打孔设备，其特征在于，所述第二安装平台带动所述第二反射镜、动态调焦系统、第三反射镜和振镜系统沿竖直方向进行移动，以使所述振镜系统的焦平面在所述工件加工之前处于工作面上。

4.根据权利要求3所述激光打孔设备，其特征在于，所述动态调焦系统包括：

壳体；

第一进光孔，设置于所述壳体侧面，用于所述激光束进入；

第一出光孔，设置于与所述第一进光孔相对的所述壳体侧面，用于所述激光束射出；

凹透镜，设置于靠近所述第一进光孔的所述壳体底部，并通过电机驱动进行前后移动；

第一凸透镜，设置于所述凹透镜后方，且与所述凹透镜同轴线，用于接收经所述凹透镜扩束后的所述激光束，并对该激光束进行聚集；

第二凸透镜，设置于所述第一凸透镜后方，且与所述第二凸透镜同轴线，用于接收经所述第一凸透镜聚集后的所述激光束，并对该激光束进行再次聚集。

5.根据权利要求4所述激光打孔设备，其特征在于，所述凹透镜的移动距离介于0～10mm之间，以控制所述激光束的焦平面向下移动预设深度；所述第一凸透镜和第二凸透镜之间的距离为一固定值。

6.根据权利要求1所述激光打孔设备，其特征在于，所述振镜系统包括：

矩形壳体；

第二进光孔，设置于所述矩形壳体一侧，用于使经所述第三反射镜反射的所述激光束进入；

第二出光孔，设置于所述矩形壳体一侧，且该第二出光孔轴线与所述进光孔轴线垂直。

7.根据权利要求6所述激光打孔设备，其特征在于，所述振镜系统还包括：

第一扫描镜，用于反射进入该系统内的激光束，并通过设置于所述矩形壳体上的第一驱动部进行驱动旋转；

第二扫描镜，用于反射经所述第一扫描镜的激光束，并通过设置于所述矩形壳体上的第二驱动部进行驱动旋转，以配合第一扫描镜的旋转使得所述激光束在所述工件的表面刻画预设轮廓。

8.根据权利要求1所述激光打孔设备，其特征在于，所述第二反射镜位于所述第一反射镜正下方，且所述第二反射镜镜面与所述第一反射镜镜面相互垂直。

9.根据权利要求1所述激光打孔设备，其特征在于，所述第三反射镜呈45°设置于所述动态调焦系统与所述振镜系统之间，以使从所述激光器出射的所述激光束方向与入射到所述振镜系统的所述激光束方向垂直。

10.根据权利要求1所述激光打孔设备，其特征在于，所述激光器包括纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器。

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