DE10129514B4 - Method for adhering thermoplastic strips on a tool platform - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum automatisierten Ablegen von Thermoplastbändchen auf eine Werkzeugplattform, wobei
– die gesamte Oberfläche der Werkzeugplattform während des Legeprozesses im Bereich von 50°C unterhalb bis 40°C oberhalb der Kristallisationstemperatur – jedoch immer unterhalb der Schmelztemperatur – des zu verarbeitenden Thermoplasten beheizt wird und
– nach Beendigung des gesamten Legeprozesses die Werkzeugplattform mit dem darauf abgelegten Bauteil abkühlt und das Bauteil von der Werkzeugplattform abgelöst wird.Method for automatically depositing thermoplastic strips on a tool platform, wherein
- The entire surface of the tool platform during the laying process in the range of 50 ° C below to 40 ° C above the crystallization temperature - but always below the melting temperature - of the thermoplastic to be processed is heated and
- After completion of the entire laying process, the tool platform cools with the component deposited thereon and the component is detached from the tool platform.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Ablegen von Thermoplastbandchen auf einer Werkzeugplattform.The The invention relates to a method for automated storage of Thermoplastic band on a tool platform.

Hochbelastbare, kontinuierlich faserverstärkte Kunststoffbauteile mit beanspruchungsgerechter Faserorientierung und -positionierung lassen sich durch Ablegen vorimprägnierter Endlosfaserstrange herstellen. Die Vorimprägnierung erfolgt bei duromeren Kunststoffsystemen indem man die Faserbündel durch ein Tauchbad des noch nicht ausgehärteten Kunststoffsystems führt. Bei der Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffsystemen verwendet man häufig faserverstärkte Kunststoffbändchen, die in einem separaten, vorgeschalteten Prozess bereits imprägniert und konsolidiert wurden. Diese thermoplastischen Kunststoffbändchen werden direkt vor dem Ablegen auf Temperaturen oberhalb des Schmelz- bzw. Erweichungsbereiches des Thermoplasten erwärmt und mittels einer Andruckrolle im Ablegepunkt der Geometrie des Bauteils angepasst und konsolidiert. Die Geometrie des Bauteils wird dabei durch eine ebene oder gekrümmte Struktur, auf die abgelegt wird, vorgegeben. Dies hochautomatisierbare Verfahren wird als "Tapelegen", oder im Englischen "Tape/Tow Placement" bzw. "Fiber Placement" bezeichnet.Heavy-duty, continuously fiber reinforced Plastic components with stress-oriented fiber orientation and positioning can be pre-impregnated by placing Manufacture endless fiber strands. The pre-impregnation takes place at thermosets Plastic systems by the fiber bundles through a dip of the not yet cured plastic system leads. When processing thermoplastic systems use often fiber reinforced Plastic tapes, already impregnated in a separate, upstream process and consolidated. These thermoplastic plastic tapes are directly before depositing to temperatures above the melting or Softening range of the thermoplastic heated and by means of a pressure roller adapted and consolidated at the point of deposition of the geometry of the component. The geometry of the component is characterized by a plane or curved structure, is placed on the, given. This highly automated process is referred to as "tape laying", or in English "tape / tow placement" or "Fiber Placement".

In der Verfahrenstechnik wurde, vor dem Hintergrund, dass ursprünglich nur Duromer-basierende Systeme verarbeitet wurden, ein wesentlicher Schwerpunkt in der Automation des Prozesses gelegt. In der US 3 775 219 wird beispielsweise ein Legekopf beschrieben, mit dem die vorimprägnierten Tapes automatisch von einer Rolle abgezogen werden, die Trennfolie entfernt wird und dann das Tape auf dem Werkzeug abgelegt wird. Es werden Details des Legekopfes beschrieben, die im Wesentlichen auf die exakte Positionierung des Tapes beim Ablegen unter Einhaltung einer definierten Winkelstellung abzielen. Den besonderen Fragestellungen bei der Verarbeitung von Thermoplast-basierenden Systemen wird durch die Beschreibung von Aufheizsystemen nachgegangen. EP 0 491 355 A1 beschreibt hier beispielsweise Lösungen, das thermoplastische Tape auf die notwendige Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des zu verarbeitenden Thermoplasten zu heizen.In the field of process engineering, in view of the fact that originally only duromer-based systems were processed, a major focus was placed on the automation of the process. In the US 3,775,219 For example, a laying head is described, with which the pre-impregnated tapes are automatically removed from a roll, the release film is removed and then the tape is placed on the tool. It describes details of the laying head, which are aimed essentially at the exact positioning of the tape when placing in compliance with a defined angular position. The specific issues involved in the processing of thermoplastic-based systems will be addressed by the description of heating systems. EP 0 491 355 A1 describes here, for example, solutions to heat the thermoplastic tape to the necessary temperature above the melting temperature of the thermoplastic to be processed.

Ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung der thermoplastischen Kunststoffsysteme liegt darin, dass diese unmittelbar beim Ablegen konsolidiert, d.h. unter Druck miteinander verfestigt werden. Das abgelegte Bändchen wird dabei mit dem bereits zuvor abgelegten Material gefügt. Die resultierende Haftung ermöglicht es, beliebig komplexe Geometrien zu legen. Die an der späteren Belastung des Bauteils orientierte Ablage der Bändchen, auch außerhalb geodätischer Bahnen, erlaubt eine hochgradige Ausnutzung des Werkstoffpotentials. Konvexe und konkave Bahnen sind möglich.One significant advantage in the use of thermoplastic polymer systems is because it consolidates immediately upon discard, i. be solidified under pressure. The discarded ribbon will doing so with the previously deposited material joined. The resulting liability allows to lay arbitrarily complex geometries. The at the later load the component-oriented filing of the ribbon, even outside geodetic Webs, allows a high degree of utilization of the material potential. Convex and concave paths are possible.

Obwohl der derzeitige Entwicklungsstand des Legeprozesses selbst eine Bauteilfertigung ermöglichen würde, können kontinuierlich faserverstärkte, thermoplastische Bauteile nur begrenzt wirtschaftlich mittels der Tapelegetechnik hergestellt werden. Ursächlich dafür ist das Erstlagenproblem: Für den kontinuierlichen Prozess muss zunächst eine erste Lage von Thermoplastbändern aufgebracht werden. Das Erstlagenproblem besteht damit aus der reversiblen Anbindung faserverstärkter Thermoplastbänder auf einer konturierten Werkzeugoberfläche unter der Maßgabe, dass das fertige Bauteil wiederum problemlos von der Werkzeugoberfläche abgenommen werden kann. Aus diesem Grund scheiden Lösungen aus, die die Werkstoffeigenschaften und Oberfläche des Bauteils durch chemische Prozesse, Verunreinigungen, Beschädigungen etc. nachteilig beeinflussen wie z.B. Aufbringen von Klebstoffen, Klebebändern etc. Weiterhin muss sowohl verfahrenstechnisch als auch wirtschaftlich eine Serientauglichkeit insbesondere für sehr große Bauteile, wie sie für die Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, gewährleistet sein. Daher scheiden auch bekannte Lösungen wie z.B. eine mit Unterdruck beaufschlagte Werkzeugplattform aus gesintertem Aluminium (z.B. Metapor) oder mit Ansauglöchern versehene Werkzeuge aus.Even though the current state of development of the laying process itself is a component production enable would, can continuously fiber reinforced, Thermoplastic components only limited economically by means of Tapelegetechnik be produced. The reason for this is the first-time problem: for the continuous Process must first one first layer of thermoplastic tapes be applied. The initial problem consists of the reversible Connection fiber reinforced Thermoplastic tapes on a contoured tool surface under the proviso that the finished component in turn easily removed from the tool surface can be. For this reason, solutions that eliminate the material properties are eliminated and surface of the component due to chemical processes, contamination, damage, etc. adversely affect such. Application of adhesives, adhesive tapes etc. Furthermore, both procedurally and economically a series suitability especially for very large components, such as those used for aerospace, guaranteed be. Therefore, known solutions such as e.g. one with negative pressure applied tool platform made of sintered aluminum (e.g. Metapor) or with suction holes provided tools.

Eine serientaugliche Lösung beschreibt DE 100 12 378 A1 . Sie basiert auf dem Prinzip der elektrostatischen Anziehung zwischen Kohlenstofffasern und metallischer Werkzeugoberfläche. Danach wird zwischen der metallischen Werkzeugoberfläche und den in einem Kunststoffbändchen befindlichen Kohlenstofffasern eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Zwischen den Kohlenstofffasern und der Werkzeugoberfläche entsteht ein elektrostatisches Feld, welches das gesamte Bändchen aufgrund der resultierenden Normalkraft auf der Werkzeugoberfläche hält. Nachteilig bei dieser Lösung ist die Beschränkung auf elektrischleitende Fasern sowie ein erhöhter apparativer und finanzieller Aufwand für die Sicherung des Arbeitsplatzes, Beschichtung des Werkzeugs und Betrieb der Gleichspannungquelle.A production-ready solution describes DE 100 12 378 A1 , It is based on the principle of electrostatic attraction between carbon fibers and metallic tool surface. Thereafter, a DC voltage source is connected between the metallic tool surface and the carbon fibers located in a plastic tape. An electrostatic field is created between the carbon fibers and the tool surface which holds the entire ribbon on the tool surface due to the resulting normal force. A disadvantage of this solution is the limitation to electrically conductive fibers and increased equipment and financial outlay for securing the workplace, coating the tool and operation of the DC voltage source.

Durch die Erfindung soll ein Verfahren zur automatisierten Herstellung von belastungsoptimierten Faserverbund-Formteilen, welche aus kontinuierlich faserverstärkten Thermoplast-Bändern aufgebaut werden, bereitgestellt werden, und das Verfahren soll durch einen vollautomatisierten Prozess mit Hilfe des Tapelegeverfahrens auf einer Werkzeugplattform durchgeführt werden können.The invention provides a process for the automated production of load-optimized fiber composite moldings, which are constructed from continuously fiber-reinforced thermoplastic tapes, are provided, and the Verfah It should be possible to carry out a fully automated process on a tool platform using the tape laying process.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Überaschenderweise wird bei einer Temperierung der Werkzeugoberfläche (TWerk.) im Bereich der Kristallisationstemperatur (TKris.) des eingesetzten Thermoplasten ein Anhaften des abgelegten Thermoplastbändchens an der Werkzeugoberfläche erzielt. Die Kristallisationstemperatur ist dabei die charakteristische Größe des eingesetzten Thermoplasten, die den bei Abkühlung des Materials auftretenden Phasenübergang vom flüssig, ungeordnetem Zustand in den festen, durch eine Nahordnung der Moleküle gekennzeichneten Zustand beschreibt und beispielsweise mittels einer kaloriemetrischen Untersuchung bei einer Abkühlrate von 10 °C/min ermittelt werden kann. Der Bereich um die Kristallisationstemperatur, in dem die Anhaftung erzielt wird, ist erfindungsgemäß eingegrenzt durch einen oberen Wert, der maximal 40°C oberhalb der Kristallisationstemperatur liegt und einen unteren Wert, der maximal 50°C unterhalb der Kristallisationstemperatur liegt. Bei Thermoplasten mit einer Kristallisationstemperatur, die zur Schmelztemperatur (Tm) einen Abstand ΔT = Tm – TKris. ≤ 40°C besitzen, reduziert sich die erfindungsgemäß obere Grenze für die Werkzeugtemperatur (TWerk.) auf den Wert der Onset-Temperatur des Phasenübergangs von fest zu flüssig, wie er mittels einer kalorimetrischen Untersuchung bei einer Heizrate von 10°C/min bestimmt werden kann.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Surprisingly, at a temperature of the tool surface (T work.) (T Kris.) In the range of the crystallization temperature of the thermoplastic used is obtained adhesion of the deposited thermoplastic ribbon on the tool surface. The crystallization temperature is the characteristic size of the thermoplastics used, which describes the phase transition occurring when the material cools from the liquid, disordered state into the solid state characterized by a close arrangement of the molecules and, for example, by means of a calorimetric examination at a cooling rate of 10 ° C. min can be determined. The range around the crystallization temperature, in which the adhesion is achieved, according to the invention limited by an upper value which is a maximum of 40 ° C above the crystallization temperature and a lower value, which is a maximum of 50 ° C below the crystallization temperature. In the case of thermoplastics having a crystallization temperature which, at the melting temperature (T m ), has a distance ΔT = T m -T Kris. ≤ 40 ° C, the inventively upper limit for the tool temperature (T Werk. ) Reduced to the value of the onset temperature of the phase transition from solid to liquid, as determined by a calorimetric examination at a heating rate of 10 ° C / min can be.

Der Grad der Anhaftung des Thermoplasten an der Werkzeugoberfläche ist abhängig vom eingesetzten Thermoplasten und variiert im erfindungsgemäßen Bereich (TWerk. = TKris. – 50°C) bis (TWerk. = TKris. + 40°C). In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Werkzeugoberfläche im Bereich (TWerk. = TKris. – 20°C) bis (TWerk. = TKris. + 20°C) temperiert. Hierdurch lässt sich der Grad der Anhaftung optimieren.The degree of adhesion of the thermoplastic to the tool surface depends on the thermoplastic used and varies in the range according to the invention (T Werk. = T Kris. - 50 ° C) to (T Werk. = T Kris. + 40 ° C). In a preferred embodiment of the invention, the tool surface in the range (T Werk. = T Kris. - 20 ° C) to (T Werk. = T Kris. + 20 ° C) tempered. This makes it possible to optimize the degree of adhesion.

Erfindungsgemäß lässt sich die Anhaftung der abgelegten Thermoplastbändchen an der Werkzeugoberfläche durch Reduzierung der Werkzeugoberflächentemperatur derart herabsetzen, dass ein leichtes Ablösen der abgelegten Thermoplastbändchen bzw. des hergestellten Bauteils möglich ist. Leichtes Ablösen bedeutet erfindungsgemäß ein Trennen von Werkzeug und Bauteil, gegebenenfalls auch unter Zuhilfenahme von beispielsweise mechanischen Arbeitshilfen, ohne eine Schädigung der Bauteiloberfläche. Die resultierende Bauteiloberfläche bleibt als Abbild der Werkzeugoberfläche erhalten. Die Anhaftung ist umso geringer, je tiefer die eingestellte Werkzeugoberflächentemperatur ist. Erfindungsgemäß kann ein Abkühlen auf ein Temperaturniveau (TWerk. < TKris. – 50°C) bereits ausreichen, um das Bauteil von der Werkzeugoberfläche zu trennen. Bevorzugt wird erfindungsgemäß ein Abkühlen auf niedrigere Temperaturen. Besonders bevorzugt wird ein Abkühlen auf Umgebungstemperatur. Durch aktives Kühlen lässt sich der Prozess beschleunigen. Erfindungsgemäß kann auch eine aktive Kühlung zum Einsatz kommen, die eine Temperierung unterhalb der Umgebungstemperatur erlaubt.According to the invention, the adhesion of the deposited thermoplastic tapes to the tool surface can be reduced by reducing the mold surface temperature in such a way that it is possible to easily detach the deposited thermoplastic tapes or the manufactured component. According to the invention, easy detachment means a separation of tool and component, if appropriate also with the aid of, for example, mechanical working aids, without damaging the component surface. The resulting component surface remains as an image of the tool surface. The adhesion is the lower, the lower the set mold surface temperature. According to the invention, cooling to a temperature level (T Werk. <T Kris. - 50 ° C.) may already be sufficient to separate the component from the tool surface. According to the invention, cooling to lower temperatures is preferred. Cooling to ambient temperature is particularly preferred. Active cooling speeds up the process. According to the invention, active cooling can also be used, which allows a temperature below the ambient temperature.

Die verwendeten Thermoplastbändchen können erfindungsgemäß aus reinem Thermoplastmaterial bestehen oder auch durch Füll- und Verstärkungsstoffe, wie sie nach dem Stand der Technik in der Kunststoffindustrie eingesetzt werden, modifiziert sein. Verwendet werden können alle bekannten Thermoplaste, sowohl Standardthermoplaste wie beispielsweise Polyethylen und Polypropylen aber auch technische Thermoplaste wie beispielsweise Polyamide, Polyterephthalate sowie Hochleistungs-Thermoplaste wie Polyetheretherketone. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden faserförmige Verstärkungsmaterialien wie beispielsweise Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern verwendet. In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung liegen diese Fasern in kontinuierlicher, quasi endloser Form vor. Faseroberflächenmodifikationen nach dem Stand der Technik, um beispielsweise die Anbindung der Fasern an die Matrix zu verbessern, sind möglich.The used thermoplastic strips can according to the invention of pure Thermoplastic material or by fillers and reinforcing materials, as used according to the state of the art in the plastics industry will be modified. Can be used all known thermoplastics, both standard thermoplastics such as polyethylene and polypropylene but also technical thermoplastics such as polyamides, Polyterephthalates and high performance thermoplastics such as polyetheretherketones. In a preferred embodiment The invention will be fibrous reinforcing materials such as glass, carbon or aramid fibers used. In a particularly preferred embodiment of the invention these fibers in a continuous, quasi-endless form. Fiber surface modifications According to the prior art, for example, the connection of the Fibers to improve the matrix are possible.

Die Anbindung der Fasern an das Thermoplastmaterial kann erfindungsgemäß in einem vorgeschalteten Prozess erfolgen. Die Imprägnierung der Fasern mit dem Thermoplasten kann dabei erfindungsgemäß zunächst nur partiell erfolgen. Diese Teilimprägnierung wird während des Ablegeprozesses komplettiert, so dass im abgelegten Thermoplastbändchen eine vollständige Imprägnierung vorliegt. In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Fasern im vorgeschalteten Prozess vollständig mit dem Thermoplastmaterial imprägniert.The Connection of the fibers to the thermoplastic material can according to the invention in a upstream process done. The impregnation of the fibers with the According to the invention, thermoplastics can initially only be partially made. This partial impregnation is during completed the deposition process, so that in the stored thermoplastic ribbon a full impregnation is present. In a particularly preferred embodiment of the invention the fibers in the upstream process completely with the thermoplastic material impregnated.

Die Temperierung der Thermoplastbändchen kann erfindungsgemäß unmittelbar vor dem Ablegen erfolgen. Damit die notwendige Energie zum Erreichen einer Temperatur oberhalb des Schmelz- bzw. Erweichungsbereiches eingebracht werden kann, können nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren wie beispielsweise Infrarotstrahl-, Laserstrahl- oder Flammheizung eingesetzt werden.The Temperierung the thermoplastic tape can according to the invention immediately take place before taking off. So the necessary energy to reach a temperature above the melting or softening range can be introduced according to the prior art known methods such as Infrared beam, laser beam or flame heating can be used.

Erfindungsgemäß können die Thermoplastbändchen im Vorlauf eine Temperierung erfahren. Um konstante Verarbeitungsbedingungen zu erzielen, können die Thermoplastbändchen gekühlt oder auch geheizt werden.According to the invention can Thermoplastic tapes experienced in the flow temperature. To constant processing conditions to achieve the thermoplastic tapes chilled or heated.

Die Oberflächenqualität des zum Ablegen verwendeten Werkzeuges richtet sich nach der Qualitätsanforderung an das herzustellende Bauteil. Über die Werkzeugoberflächenqualität lässt sich erfindungsgemäß die resultierende Bauteiloberflächenqualität einstellen. Die Werkzeugoberfläche kann erfindungsgemäß unbehandelt oder mittels mechanischer, physikalischer oder chemischer Verfahren nach dem Stand der Technik behandelt sein. Erfindungsgemäß sind Beschichtungen der Oberfläche nach dem Stand der Technik möglich.The surface quality of the tool used for depositing depends on the qua requirement for the component to be manufactured. By means of the tool surface quality, it is possible according to the invention to set the resulting component surface quality. The tool surface may be untreated according to the invention or treated by mechanical, physical or chemical methods according to the prior art. According to the invention, coatings of the surface according to the prior art are possible.

Zur Verbesserung der Ablösbarkeit des fertigen Bauteils kann erfindungsgemäß ein Trennmittel verwendet werden. Trennmittel werden bei Formgebungsverfahren in Verbindung mit einem Werkzeug eingesetzt, um ein Anhaften des auszuformenden Materials an der Werkzeugoberfläche zu verhindern.to Improvement of removability of the finished component can be used according to the invention, a release agent become. Release agents are associated with molding processes used with a tool to adhere the auszuformenden material on the tool surface to prevent.

Die Werkzeugplattform zum Ablegen der Thermoplastbändchen kann erfindungsgemäß aus Metall, Keramik, Kunststoff oder auch beliebigen Kombinationen dieser Materialien bestehen. Zur Erzielung der Temperierung können alle nach dem Stand der Technik bekannten Methoden wie beispielsweise Heizleitungen, Heizelemente, Wärmestrahler oder Ölheizung zum Einsatz kommen.The Tool platform for storing the thermoplastic strip can according to the invention of metal, Ceramic, plastic or any combination of these materials consist. To achieve the temperature, all according to the state of Known methods such as heating pipes, heating elements, Radiant heaters or oil heating be used.

Claims (7)

Verfahren zum automatisierten Ablegen von Thermoplastbändchen auf eine Werkzeugplattform, wobei – die gesamte Oberfläche der Werkzeugplattform während des Legeprozesses im Bereich von 50°C unterhalb bis 40°C oberhalb der Kristallisationstemperatur – jedoch immer unterhalb der Schmelztemperatur – des zu verarbeitenden Thermoplasten beheizt wird und – nach Beendigung des gesamten Legeprozesses die Werkzeugplattform mit dem darauf abgelegten Bauteil abkühlt und das Bauteil von der Werkzeugplattform abgelöst wird.Method for automatically depositing thermoplastic strips a tool platform, wherein - the entire surface of the Tool platform during the laying process in the range of 50 ° C below to 40 ° C above the crystallization temperature - however always below the melting temperature - of the thermoplastic to be processed is heated and - to Completion of the entire laying process with the tool platform the component deposited on it cools and the component of the Tool platform replaced becomes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugplattform zum Ablegen der Thermoplastbändchen im Bereich 20°C unterhalb bis 20°C oberhalb der Kristallisationstemperatur des Thermoplasten temperiert wird.Method according to claim 1, characterized in that that the tool platform for placing the thermoplastic tape in the Range 20 ° C below to 20 ° C tempered above the crystallization temperature of the thermoplastic becomes. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass verstärkte oder unverstärkte Thermoplastbändchen abgelegt werden.Method according to claim 1 or 2, characterized that reinforced or unreinforced Thermoplastbändchen filed become. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierlich faserverstärkte Thermoplastbändchen abgelegt werden.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that is continuously fiber reinforced Thermoplastic tapes be filed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vollimprägnierte oder teilimprägnierte kontinuierlich faserverstärkte Thermoplastbändchen verwendet werden.Method according to one of claims 1 to 4, characterized that fully impregnated or partially impregnated continuously fiber reinforced Thermoplastic tapes be used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Werkzeugplattform vor dem Ablegen der Thermoplastbandchen mit einem Trennmittel behandelt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the surface the tool platform before laying the thermoplastic bands with a release agent is treated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugplattform mit Heizleitungen, Heizelementen, Wärmestrahlern oder Öl temperiert wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized that the tool platform with heating cables, heating elements, radiant heaters or oil is tempered.
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