DE102013112974A1 - Sandwichblechkonstruktion - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Konstruktion umfassend mindestens ein Sandwichblech (1) und mindestens ein weiteres, vorzugsweise metallisches Bauteil (3), wobei das Sandwichblech (1) aus mindestens zwei metallischen Deckschichten (1.1, 1.2) und mindestens einer dazwischen angeordneten Kernschicht (13) aus Kunststoff, vorzugsweise thermoplastischem oder elastomerem Kunststoffaufgebaut ist, wobei das Bauteil (3) mit dem Sandwichblech (1) über mindestens eine kraftschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schraubenverbindung verbunden ist, wobei das Sandwichblech (1) mindestens ein Durchgangsloch (1.4) aufweist, in welchem ein der kraftschlüssigen Verbindung dienendes Verbindungsmittel (2), insbesondere eine Schraube, aufgenommen ist, und wobei das Durchgangsloch (1.4) und das darin aufgenommene Verbindungsmittel (2) einen Spaltraum oder ringförmigen Raum begrenzen. Um bei einer derartigen Konstruktion einen Vorspannungsverlust an der kraftschlüssigen Verbindung von Sandwichblech (1) und dem weiterem Bauteil (3) zu verhindern, ist erfindungsgemäß in dem Spaltraum oder ringförmigen Raum ein das Verbindungsmittel (2) umgebendes und die Kernschicht absperrendes Füllmaterial (5, 5') angeordnet.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Konstruktion umfassend mindestens ein Sandwichblech und mindestens ein weiteres, vorzugsweise metallisches Bauteil, wobei das Sandwichblech aus mindestens zwei metallischen Deckschichten und mindestens einer dazwischen angeordneten Kernschicht aus Kunststoff, vorzugsweise thermoplastischem oder elastomerem Kunststoffaufgebaut ist, wobei das Bauteil mit dem Sandwichblech über mindestens eine kraftschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schraubenverbindung verbunden ist, wobei das Sandwichblech mindestens ein Durchgangsloch aufweist, in welchem ein der kraftschlüssigen Verbindung dienendes Verbindungsmittel aufgenommen ist, und wobei das Durchgangsloch und das darin aufgenommene Verbindungsmittel einen Spaltraum oder ringförmigen Raum begrenzen.
- Bei dem in der erfindungsgemäßen Konstruktion verwendeten Verbindungsmittel kann es sich insbesondere um eine Schraube, einen Schraubbolzen, einen Niet (Metallbolzen) oder dergleichen, eine kraftschlüssige Verbindung bewirkende Mittel handeln.
- Sandwichbleche, auch Leichtbleche genannt, welche zwei metallische Deckschichten und eine dazwischen liegende, nicht metallische, in der Regel elektrisch isolierende Kernschicht aus Kunststoff aufweisen, werden insbesondere aus Gründen der Gewichtsreduktion zunehmend im Automobilbau verwendet. Neben einer Reduktion des Fahrzeuggewichts bieten Sandwichbleche zusätzliche Vorteile im Hinblick auf Schwingungsdämpfung und Steifigkeit. Die üblicherweise aus Kunststoffbestehende Kernschicht des Sandwichblechs ist elektrisch isolierend, so dass beispielsweise ein Widerstandsschweißen solcher Sandwichbleche gar nicht oder nur mit erheblichem technischem Aufwand erfolgen kann.
- Aus der
DE 10 2011 052 110 A1 ist eine gattungsgemäße Leichtblechkonstruktion bekannt, bei der ein als Sandwichblech ausgeführtes Leichtblech mit einem weiteren Bauteil über einen Kraftschluss verbunden ist. Hierzu ist bei der bekannten Leichtblechkonstruktion ein Verbindungselement vorgesehen, welches in eine Durchgangsöffnung des Leichtblechs eingebracht wird und einen die Durchgangsöffnung übergreifenden Flansch und einen napf- oder hülsenförmigen Abschnitt, der in die Durchgangsöffnung eingreift, aufweist. Der Flansch stellt dabei einen Kraft- und Formschluss mit der metallischen Deckschicht auf einer Seite des Sandwichblechs bereit, während der an den Flansch angeformte napf- oder hülsenförmige Abschnitt auf der zweiten Seite des Sandwichblechs über einen Form-, Kraft- und/oder Stoffschluss mit dem Bauteil verbunden ist. Zur Anbindung des Bauteils kann der hülsenförmige Abschnitt des Verbindungselements ein Innengewinde aufweisen. - Untersuchungen seitens der Anmelderin haben ergeben, dass es bei der Leichtblechkonstruktion gemäß der
DE 10 2011 052 110 A1 zu einem Vorspannungsverlust an der kraftschlüssigen Verbindung, insbesondere der Schraubenverbindung kommen kann, was eine Lockerung bzw. ein Lösen der kraftschlüssigen Verbindung bedeutet. - Davon ausgehend lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sandwichblechkonstruktion der eingangs genannten Art anzugeben, bei der ein Vorspannungsverlust an der kraftschlüssigen Verbindung von Sandwichblech und weiterem Bauteil verhindert wird.
- Diese Aufgabe wird durch eine Konstruktion mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Konstruktion sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Die erfindungsgemäße Konstruktion ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Spaltraum oder ringförmigen Raum, der durch das Durchgangsloch und das darin aufgenommene Verbindungsmittel, beispielsweise eine Schraube, begrenzt ist, ein das Verbindungsmittel umgebendes und die Kernschicht des Sandwichblechs absperrendes Füllmaterial angeordnet ist.
- Seitens der Anmelderin wurde festgestellt, dass es beim kraftschlüssigen Verbinden von Sandwichblechen der oben genannten Art zu lokalen Druckbeanspruchungen im Bereich des Verbindungsmittels kommt. Infolge dieser Druckbeanspruchung, die auch als Hertzsche Pressung bezeichnet wird, entstehen in der typischerweise aus thermoplastischem oder elastomerem Kunststoff hergestellten Kernschicht innerhalb des Sandwichblechs Druckspannungen, die zu einem Kriecheffekt der Kunststoffmoleküle führen. Diese zeit- und temperaturabhängige, plastische Verformung des Kunststoffs unter Last (auch Retardation genannt) äußert sich in einem Ausweichen des Kunststoffs aus der Druckzone heraus, so dass sich im Bereich des Verbindungsmittels eine Dickenverringerung in der Kernschicht ergibt. Diese Dickenverringerung (Kriechdehnung) verursacht einen Vorspannungsverlust an dem Verbindungsmittel (z. B. einer Schraube oder einem Niet) und damit eine Lockerung der Verbindung.
- Durch das erfindungsgemäße Anordnen bzw. Einbringen eines Füllmaterials in den durch das Durchgangsloch des Sandwichblechs und das darin aufgenommene Verbindungsmittel, beispielsweise eine Schraube, definierten Spaltraum oder ringförmigen Raum derart, dass das Füllmaterial die Kernschicht des Sandwichblechs abdeckt und das Verbindungsmittel umgibt, kann ein Ausweichen des Kunststoffs infolge der durch das Verbindungsmittel bewirkten Druckbeanspruchung weitgehend verhindert werden. Da so ein Ausweichen des Kunststoffs aus der Druckzone heraus verhindert wird, wird dementsprechend auch ein Vorspannungsverlust an der kraftschlüssigen Verbindung verhindert. Das Füllmaterial kann auch als Sperrmaterial oder Sperrmittel bezeichnet werden.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Konstruktion ist dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (Sperrmaterial) aus einer Hülse gebildet ist, die in das Durchgangsloch eingesteckt wird. Die Verwendung entsprechender Hülsen, deren Außendurchmesser an den Innendurchmesser der jeweiligen Durchgangslöcher des Sandwichblechs so angepasst sind, dass sich vorzugsweise eine leichte Presspassung, Übergangspassung oder sehr geringe Spielpassung ergibt, ermöglicht eine sehr zuverlässige Absperrung der Kernschicht des Sandwichblechs. Das in Form einer Hülse ausgebildete Füllmaterial lässt sich einfach handhaben und stellt die Erzielung einer sauberen Sandwichblechoberfläche sicher.
- Die Hülse sollte axial so bemessen sein, dass sie im eingesetzten Zustand zumindest die Kernschicht des Sandwichblechs vollumfänglich abdeckt. Zweckmäßigerweise wird die Hülse allerdings in ihrer Länge so bemessen, dass sie den ringförmigen Raum (Ringspalt) zwischen Verbindungsmittel (z. B. Schraube) und Durchgangsloch im Wesentlichen vollständig ausfüllt. Vorzugsweise entspricht die Länge der Hülse mindestens der Dicke des Sandwichblechs. Hinsichtlich der axialen Festlegung der Hülse ist es zweckmäßig, wenn die Länge der Hülse gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Konstruktion dem Maß der Gesamtdicke entspricht, welche sich aus der Dicke des Sandwichblechs und der Dicke des anzubindenden Bauteils im Bereich des das Verbindungsmittel aufnehmenden Durchgangslochs ergibt.
- Die die Kernschicht absperrende Hülse ist vorzugsweise aus Kunststoff, besonders bevorzugt aus einem thermisch und/oder durch Strahlung verfestigbaren Kunststoff oder aus duroplastischem Kunststoffgebildet.
- Nach einer alternativen Ausgestaltung kann das Füllmaterial (Sperrmaterial) auch aus fließfähigem Kunststoff bestehen, der durch chemische Reaktion, thermische Einwirkung, mechanische Einwirkung und/oder Strahlungseinwirkung verfestigbar ist. Das so beschaffene Füllmaterial wird nach dem Einsetzen des Verbindungsmittels, insbesondere einer Schraube, in den durch das Durchgangsloch des Sandwichblechs und das Verbindungsmittel begrenzten Spaltraum bzw. Ringspalt eingebracht. Dank seiner Fließfähigkeit kann das Füllmaterial sich optimal an den Innendurchmesser des Durchgangslochs sowie an den Außendurchmesser des in das Durchgangsloch eingesetzten Verbindungsmittels anpassen. Die Grundfläche des Ringspaltes lässt sich selbst dann optimal mit dem fließfähigen Füllmaterial ausfüllen, wenn das Verbindungsmittel nicht zentriert und/oder nicht koaxial – etwa leicht schräg – in das Durchgangsloch eingesetzt ist. Das in fließfähigem Zustand in den Spaltraum bzw. Ringspalt eingebrachte Füllmaterial kann denselben vollständig oder weitestgehend vollständig ausfüllen.
- Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Konstruktion ist dadurch gekennzeichnet, dass der als Füllmaterial (Sperrmaterial) verwendete Kunststoff ein Klebstoff ist. Hierdurch ergibt sich zusätzlich zu der kraftschlüssigen Verbindung eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Klebesicherung des dem Kraftschluss dienenden Verbindungsmittels.
- Vorzugsweise ist die aus Kunststoffhergestellte Kernschicht des in der erfindungsgemäßen Konstruktion verwendeten Sandwichblechs dicker als die jeweilige metallische Deckschicht. Besonders bevorzugt ist die Kunststoffkernschicht mindestens so dick wie die Summe der Einzeldicken der mindestens zwei metallischen Deckschichten des Sandwichbleches. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei leichten Sandwichblechen mit entsprechend dicken Kunststoff-Kernschichten die Verwendung des erfindungsgemäßen Füllmaterials (Sperrmaterials) vorteilhaft ist, da dieses die Kernschicht stabilisiert und gleichzeitig ein gute Anbindungsmöglichkeit für Bauteile an solchen Sandwichblechen bietet, ohne die Kernschicht negativ zu beeinträchtigen.
- Des Weiteren weist die einzelne metallische Deckschicht des für die erfindungsgemäße Konstruktion verwendeten Sandwichblechs vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm, besonders bevorzugt im Bereich 0,15 bis 0,3 mm auf. Solche Dicken der metallischen Deckschichten gewährleiten, insbesondere bei der Verwendung von Deckschichten aus Stahl, die erforderlichen Festigkeiten des Leichtblechs, um dieses beispielsweise im Kraftfahrzeugbau vorteilhaft anzuwenden. Denkbar ist auch die Verwendung von Aluminium und/oder Magnesium oder einer Legierung auf Basis mindestens eines dieser Leichtmetalle als Deckschicht.
- Aufgrund der einfachen Anbindungsmöglichkeit eines Bauteils an ein Sandwichblech (Leichtblech) der oben genannten Art ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Konstruktion im Fahrzeugbau, insbesondere im Kraftfahrzeugbau, besonders vorteilhaft, da neben der Gewichtsersparnis noch weitere positive Eigenschaften, beispielsweise eine schalldämmende bzw. schalldämpfende Wirkung, durch das Sandwichblech erzielt werden kann. Die Einsatzmöglichkeit eines entsprechenden Sandwichblechs (Leichtblechs) im Fahrzeugbau wird durch die Bereitstellung der erfindungsgemäßen Konstruktion erheblich verbessert.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert.
- Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Konstruktion in einer schematischen Schnittansicht mit einem Sandwichblech
1 , das über ein Verbindungselement2 mit einem weiteren Bauteil3 , beispielsweise einem Blech oder Halter kraftschlüssig verbunden ist. Das Sandwichblech1 ist aus zwei metallischen Deckschichten1.1 ,1.2 und einer dazwischen angeordneten Kernschicht1.3 aus Kunststoffaufgebaut. Prinzipiell können auch mehrere metallische Deckschichten sowie mehrere Kern- bzw. Zwischenschichten aus Kunststoff vorgesehen sein. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt daher nur stellvertretend für andere Verbundbleche ein als Sandwichblech ausgebildetes Verbundblech. - In das Sandwichblech
1 ist ein Durchgangsloch1.4 eingebracht, in welchem das Verbindungselement2 , beispielsweise in Form einer Schraube, zur kraftschlüssigen Anbindung des weiteren Bauteils3 eingesetzt ist. Das Verbindungselement2 weist einen durchmessererweiterten Kopf2.1 auf, der das Durchgangsloch1.4 radial übergreift und sich somit an einer Seite des Sandwichblechs1 abstützt. Zudem besitzt das Verbindungselement einen schaft- oder bolzenförmigen Abschnitt2.2 , der sich durch das Durchgangsloch1.4 des Sandwichblechs1 und eine damit fluchtende Bohrung3.1 des weiteren Bauteils3 erstreckt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Abschnitt2.2 des Verbindungselements2 ein Außengewinde auf, das aus der Bohrung3.1 herausragt und mit einer Mutter2.4 versehen ist. - Die metallischen Deckschichten (Deckbleche)
1.1 ,1.2 des Sandwichblechs1 sind in dem Ausführungsbeispiel aus Stahl hergestellt; sie können aber auch aus anderen Metallen, beispielsweise aus Aluminium, Magnesium oder einer Legierung auf Basis von Aluminium oder Magnesium bestehen. Bei der mit den Deckschichten (Deckblechen)1.1 ,1.2 stoffschlüssig verbundenen Kernschicht1.3 aus Kunststoff kann es sich insbesondere um eine faserverstärkte Kunststoffschicht handeln. - Die Kernschicht
1.3 des Sandwichblechs ist dicker als die jeweilige metallische Deckschicht1.1 ,1.2 , so dass eine relativ hohe Gewichtseinsparung gegenüber einem herkömmlichen entsprechend dicken einschichtigen Metallblech erzielt wird. Die Dicke der metallischen Deckschichten1.1 ,1.2 liegt beispielsweise zwischen 0,1 und 0,5 mm, während die Dicke der Kernschicht1.3 vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 2,0 mm liegt. - Erfindungsgemäß ist dem Spaltraum bzw. Ringspalt, den das Durchgangsloch
1.4 des Sandwichblechs1 und das darin eingesetzte Verbindungsmittel2 begrenzen, ein Füllmaterial (Sperrmittel)5 ,5' angeordnet, welches die Kernschicht1.3 des Sandwichblechs1 im Bereich des Durchgangslochs1.4 vollumfänglich abdeckt und dadurch einem Kriechen des aufgrund der kraftschlüssigen Verbindung druckbeaufschlagten Kunststoffs entgegenwirkt. Dadurch können ein Vorspannkraftverlust und somit eine Lockerung der Verbindung wirksam verhindert werden. - Das Füllmaterial (Sperrmittel)
5 besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Hülse, die vorzugsweise aus Kunststoff, beispielsweise aus duroplastischem oder einem anderen, nach thermischer Behandlung formstabilen Kunststoff gebildet ist. Der Außendurchmesser der Hülse5 entspricht zumindest im Bereich der Kernschicht1.3 dem Durchmesser des Durchgangslochs1.4 des Sandwichblechs1 . Die Hülse5 liegt vorzugsweise mit geringer Presspassung oder sehr geringem Spiel an der Kernschicht13 an, wobei sich unmittelbar beim Anziehen der Schraube2 bzw. Herstellen der kraftschlüssigen Verbindung eine Presspassung zwischen Kernschicht13 und Hülse5 einstellt. - In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen das Durchgangsloch
1.4 des Sandwichblechs1 und die Bohrung (Durchgangsloch)3.1 des mit dem Sandwichblech zu verbindenden Bauteils3 im Wesentlichen den gleichen Durchmesser auf. Die Länge der Hülse ist so bemessen, dass sie gleich oder geringfügig kürzer als die Summe aus der Dicke des Sandwichblechs1 und der Dicke des Bauteils3 an der Verbindungsstelle ist. Das radiale Spaltmaß des Ringspaltes bzw. die Wandstärke der Hülse5 sind deutlich kleiner als das Maß des gegenüber dem bolzenförmigen Abschnitt12 radial vorstehenden Abschnitts des Kopfes11 des Verbindungselements (Schraubenkopfes). - Die Ausführung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr sind zahlreiche Varianten denkbar, die auch bei einer von dem gezeigten Beispiel abweichenden Gestaltung von der in den beiliegenden Ansprüchen angegebenen Erfindung Gebrauch machen. So kann ein Sandwichblech
1 der hier in Rede stehenden Art beispielsweise auch mit einem Niet (Metallbolzen) anstelle einer Schraube mit dem weiteren Bauteil3 verbunden sein bzw. werden. - In Abwandlung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels kann die Bohrung
3.1 in dem mit dem Sandwichblech1 zu verbindenden Bauteil3 auch als Gewindebohrung ausgeführt sein, in welche eine passende Schraube eingedreht wird. In diesem Fall erstreckt sich die Hülse5 dann nur maximal über die Länge des Durchgangslochs1.4 des Sandwichblechs1 . - Des Weiteren umfasst die Erfindung auch die Verwendung von fließfähigem Kunststoff
5' , insbesondere Klebstoff, als Sperrmittel zum Füllen des Spaltraumes zwischen dem Durchgangsloch1.4 und dem Verbindungsmittel2 . Der Klebestoff5' bzw. fließfähige Kunststoff5' ist vorzugsweise so beschaffen, dass er bei einer kathodischen Tauchlackierung oder Wärmebehandlung des Sandwichblechs1 aushärtet. Das Einbringen des Klebstoffs5' bzw. fließfähigen Kunststoffs5' erfolgt nach dem Einsetzen des Verbindungsmittels2 (z. B. der Schraube oder des Niets). Durch die Fließfähigkeit des Klebstoffs5' bzw. Kunststoffs5' kann eine optimale Ausfüllung des Spaltraumes erzielt werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011052110 A1 [0004, 0005]
Claims (10)
- Konstruktion umfassend mindestens ein Sandwichblech (
1 ) und mindestens ein weiteres, vorzugsweise metallisches Bauteil (3 ), wobei das Sandwichblech (1 ) aus mindestens zwei metallischen Deckschichten (1.1 ,1.2 ) und mindestens einer dazwischen angeordneten Kernschicht (1.3 ) aus Kunststoff, vorzugsweise thermoplastischem oder elastomerem Kunststoffaufgebaut ist, wobei das Bauteil (3 ) mit dem Sandwichblech (1 ) über mindestens eine kraftschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schraubenverbindung verbunden ist, wobei das Sandwichblech (1 ) mindestens ein Durchgangsloch (1.4 ) aufweist, in welchem ein der kraftschlüssigen Verbindung dienendes Verbindungsmittel (2 ), insbesondere eine Schraube, aufgenommen ist, und wobei das Durchgangsloch (1.4 ) und das darin aufgenommene Verbindungsmittel (2 ) einen Spaltraum oder ringförmigen Raum begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Splatraum oder ringförmigen Raum ein das Verbindungsmittel (2 ) umgebendes und die Kernschicht (13 ) absperrendes Füllmaterial (5 ,5' ) angeordnet ist. - Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (
5 ) aus einer Hülse gebildet ist. - Konstruktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (
5 ) aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem thermisch und/oder durch Strahlung verfestigbaren Kunststoff oder duroplastischem Kunststoff gebildet ist. - Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das (
5' ) Füllmaterial aus fließfähigem Kunststoff besteht, der durch chemische Reaktion, thermische Einwirkung, mechanische Einwirkung und/oder Strahlungseinwirkung verfestigbar ist. - Konstruktion nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (
5' ) ein Klebstoff ist. - Konstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spaltraum oder ringförmige Raum vollständig mit dem Füllmaterial (
5 ,5' ) ausgefüllt wird. - Konstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (
2 ) eine Schraube, ein Schraubbolzen oder ein Niet ist. - Konstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (
1.3 ) des Sandwichblechs (1 ) dicker als die jeweilige metallische Deckschicht (1.1 ,1.2 ) ist, vorzugsweise mindestens so dick wie die mindestens zwei metallischen Deckschichten (1.1 ,1.2 ) zusammen betrachtet ist. - Konstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der jeweiligen metallischen Deckschicht (
1.1 ,1.2 ) im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm liegt. - Verwendung einer Konstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 9 im Fahrzeugbau, insbesondere im Kraftfahrzeugbau.
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