DE102015206534B4 - Verbindungsanordnung sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindungsanordnung - Google Patents
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Abstract
Verbindungsanordnung aus zumindest zwei Fügepartnern (1, 7), von denen ein erster Fügepartner (1) ein thermoplastisches Kunststoffmaterial aufweist und ein zweiter Fügepartner (7) zumindest ein Verbindungselement (17) mit einer Hinterschnittkontur (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fügepartner (7) mit seinem Verbindungselement (17) bei plastifiziertem Kunststoffmaterial des ersten Fügepartners (1) unter Materialverdrängung gegen den ersten Fügepartner (1) gepresst ist, wodurch das Verbindungselement (17) in den ersten Fügepartner (1) in einer Fügerichtung (F) eingetrieben ist, dass das Verbindungselement (17) des zweiten Fügepartners (7) bis auf eine Fügetiefe (Δt) unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke (r) zur abgewandten Bauteilseite (19) des ersten Fügepartners (1) eingetrieben ist, und zwar unter Rückfluss des noch plastifizierten Kunststoffmaterials in die Hinterschnittkontur (24) des Verbindungselements (17) hinein, dass der zweite Fügepartner (7) einen Fügetiefenanschlag (11) aufweist, der beim Fügevorgang bei Erreichen der Fügetiefe (Δt) eine Fügebewegung des ersten und/oder zweiten Fügepartners (1, 7) in der Fügerichtung (F) begrenzt, dass der Fügetiefenanschlag (11) des zweiten Fügepartners (7) eine Anschlagplatte ist, an deren, dem ersten Fügepartner (1) zugewandter Fügeseite (13) das Verbindungselement (17) um die Fügetiefe (Δt) vorragt, und dass die Anschlagplatte (11) im Zusammenbauzustand mit ihrer Fügeseite (13) in flächigem Kontakt mit dem ersten Fügepartner (1) ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindungsanordnung nach dem Patentanspruch 8.
- Im Fahrzeug-Leichtbau werden zunehmend thermoplastische Faserkunststoffverbund-Bauteile als Ersatz für herkömmliche Metall-Bauteile herangezogen. Dies erfordert Anpassungen der Fügetechnik, um zum Beispiel Montagepunkte (das heißt Gewindebolzen, Gewindemutter oder ein mechanischer Clip) am Faserkunststoffverbund-Bauteil zu realisieren.
- Aus der
DE 10 2012 214 395 A1 ist eine Verbindungsanordnung bekannt, bei der eine Metallhülse in einem Faserkunststoffverbund-Bauteil integriert ist. Die Metall-Gewindehülse weist eine Hinterschnittkontur auf zur formschlüssigen Verbindung mit dem Faserkunststoffverbund-Bauteil. - In der
DE 10 2012 214 395 A1 wird der Fügeprozess zur Herstellung der obigen Verbindungsanordnung im Wesentlichen durch zwei Prozessschritte bewerkstelligt: Im ersten Prozessschritt wird die Gewindehülse mit einem vorgelagerten Hilfswerkzeug mit konischem Werkzeugkopf in das durch Wärme plastifizierte Kunststoffmaterial des Faserkunststoffverbund-Bauteils eingetrieben, und zwar solange bis das eingetriebene, in der Fügerichtung vorauseilende Gewindehülse-Ende das Faserkunststoffverbund-Bauteil durchstoßen hat. Anschließend wird das Hilfswerkzeug von der Gewindehülse entfernt. Im zweiten Prozessschritt wird der so gebildete Bauteilverbund in ein Umformwerkzeug eingelegt, in dem das durch das Faserkunststoffverbund-Bauteil getriebene Gewindehülseteil ausgeweitet wird, und zwar unter Bildung der Hinterschnittkontur, die das Faserverbundkunststoff-Bauteil in der, in der Fügerichtung abgewandten Seite hintergreift. - Die beiden zeitlich hintereinander folgenden Prozessschritte führen insgesamt zu einem hohen Werkzeugaufwand sowie einer großen Prozessdauer, bis die Verbindungsanordnung fertiggestellt ist.
- Aus der
EP 3 170 647 A1 ist ein gattungsgemäßes Verbundelement mit einem Metallprofilelement und einem Kunststoffschaumkörper bekannt. Aus derUS 2010/0079970 A1 DE 10 2004 050 161 A1 ist ein Hybridbauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hybridbauteils bekannt. Aus derFR 2 264 209 A1 EP 2 778 440 A1 , aus derUS 2007 / 0 077 390 A1 DE 18 07 993 A , aus derDE 19 92 875 U und aus derDE 101 33 292 A1 sind weitere Verbindungsanordnungen bekannt. - Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verbindungsanordnung sowie ein Fügeverfahren zur Herstellung der Verbindungsanordnung bereitzustellen, bei dem im Vergleich zum Stand der Technik mit reduziertem Werkzeugaufwand sowie reduzierter Prozessdauer die Verbindungsanordnung herstellbar ist.
- Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 8 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
- Erfindungsgemäß wird beim Fügevorgang der eine Fügepartner nicht vollständig durch die gesamte Materialdicke des anderen Fügepartners getrieben, sondern vielmehr nur bis auf eine Fügetiefe eingetrieben, und zwar unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke zur abgewandten Bauteilseite des ersten Fügepartners. Zudem erfolgt das Eintreiben des zweiten Fügepartners nicht nur unter Materialverdrängung des plastifizierten Kunststoffmaterials, sondern zugleich auch unter anschließendem Rückfluss des noch plastifizierten Kunststoffmaterials in die Hinterschnittkontur des Verbindungselementes, wodurch eine Formschlussverbindung zwischen den beiden Fügepartnern erzielt wird.
- Im Unterschied zum Stand der Technik wird diese Formschlussverbindung ohne zusätzliches Umformwerkzeug erzeugt. Zudem wird die Formschlußverbindung nicht in zwei aufeinanderfolgenden Prozessschritten erzeugt, sondern in einem Prozessschritt, das heißt mit dem Eintreiben des zweiten Fügepartners in den ersten Fügepartner, wodurch sowohl der Werkzeugaufwand als auch die Prozessdauer reduziert sind.
- Der zweite Fügepartner kann zur Bildung eines Montagepunktes jegliche Art von Krafteinleitungsstruktur aufweisen, zum Beispiel einen Gewindebolzen, eine Gewindemutter oder einen Befestigungsclip. Der zweite Fügepartner kann zudem bevorzugt aus Stahl, Aluminium oder aus einem Duromer-Kunststoffmaterial mit entsprechend hoher Wärmebeständigkeit ausgebildet sein. Demgegenüber ist der erste Fügepartner ein Bauteil aus einem thermoplastischen Kunststoff oder ein thermoplastisches Faserverbundkunststoff-Bauteil.
- Die beim Fügevorgang erforderliche Plastifizierung des Kunststoffmaterials des ersten Fügepartners kann bevorzugt indirekt zum Beispiel durch Induktion des zweiten Fügepartners erfolgen. Alternativ dazu kann die Erwärmung des zweiten Fügepartners in einem Ofen, durch Heißluft oder durch Infrarot erfolgen.
- Nachfolgend werden weitere Erfindungsaspekte beschrieben: So weist der zweite Fügepartner einen Fügetiefenanschlag auf. Dieser begrenzt beim Fügevorgang bei Erreichen der Fügetiefe eine Fügebewegung des ersten/zweiten Fügepartners in der Fügerichtung. Der Fügetiefenanschlag des zweiten Fügepartners ist eine großflächig geschlossene Anschlagplatte, an deren, dem ersten Fügepartner zugewandten Fügeseite das Verbindungselement um die oben erwähnte Fügetiefe vorragt. Im Zusammenbauzustand, das heißt nach Abschluss des Fügevorgangs, ist die Anschlagplatte mit ihrer Fügeseite in flächigem Kontakt mit dem ersten Fügepartner.
- Der zweite Fügepartner kann die oben erwähnte Krafteinleitungsstruktur und das Verbindungselement aufweisen. Um eine funktionelle Entkopplung der Krafteinleitungsstruktur vom Verbindungselement zu erzielen, ist es bevorzugt, wenn die Krafteinleitungsstruktur auf der, der Fügeseite der Anschlagplatte gegenüberliegenden Bauteilseite angeformt ist.
- Das Verbindungselement mit seiner Hinterschnittkontur kann geometrisch beliebig ausgeführt sein. In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das Verbindungselement einen an der Anschlagplatte angeformten Schaftabschnitt aufweisen, der an seinem freien Ende in einen ausgeweiteten Kopfabschnitt übergeht. Der Kopfabschnitt kann in der Fügerichtung betrachtet einen größeren Querschnitt aufweisen als der Schaftabschnitt. In diesem Fall kann die Hinterschnittkontur ein Inneneckbereich zwischen den Schaftabschnitt und dem Kopfabschnitt des Verbindungselementes sein.
- Beim Fügeprozess ist es von Relevanz, dass das Verbindungselement des zweiten Fügepartners in den ersten Fügepartner eingetrieben wird, ohne dessen Faserarchitektur zu zerstören. Vor diesem Hintergrund kann der Kopfabschnitt des Verbindungselementes an seinem, von der Anschlagplatte entfernten Ende, bis auf eine, insbesondere punktförmige Scheitelstelle verjüngt sein.
- Im Hinblick auf eine einwandfreie Verbindungssteifigkeit zwischen den beiden Fügepartnern ist es von Vorteil, wenn der zweite Fügepartner eine Vielzahl von Verbindungselementen aufweist. Die Verbindungselemente können bevorzugt an der Fügeseite der Anschlagplatte in einem Fügefeld gruppiert sein, das zumindest teilweise von einer ebenflächigen Kontaktfläche ohne Verbindungselemente rahmenförmig umgrenzt ist. Auf diese Weise ergibt sich im Fügefeld eine Noppenstruktur bestehend aus einer Vielzahl von stiftförmigen Verbindungselementen. Diese können beispielhaft um eine Höhe von 1,5 mm von der Fügeseite der Anschlagplatte vorragen. Der Schaftabschnitt der stiftförmigen Verbindungselemente kann in einem Bereich von ca., 0,5 mm liegen, während der Kopfabschnitt in der Fügerichtung betrachtet eine Kopfhöhe von 0,5 mm aufweisen kann.
- Fertigungstechnisch besonders bevorzugt ist es, wenn der oben beschriebene zweite Fügepartner durch Anwendung eines CTM-Schweißverfahrens hergestellt wird, das auf dem CMT(Cold Metal Transfer)-Prozess basiert. Dieser ist durch eine elektronisch-digitale, hochpräzise Prozessregelung gekennzeichnet sowie durch den in sie einbezogenen reversierenden Drahtvorschub.
- Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ist insbesondere bei der Fertigung von Exterieur-Strukturbauteilen aus thermoplastischen Faserkunststoffverbund-Bauteilen anwendbar. Alternativ und/oder zusätzlich ist die Verbindungsanordnung auch bei Interieur-Bauteilen aus thermoplastischem Faserkunststoffverbund einsetzbar. Zudem ist die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung nicht auf den Automobilbau beschränkt, sondern vielmehr in allen Branchen und Industriezweigen anwendbar, in denen thermoplastische Faserkunststoffverbund-Bauteile verarbeitet werden, zum Beispiel in der Energietechnik, Schifffahrtstechnik, Luft- und Raumfahrt, Flugzeugbau, im klassischen Maschinenbau sowie in der Sport- und Freizeitindustrie, etc.
- Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
- Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 in einer schematischen Seitenschnittdarstellung eine Verbindungsanordnung in der Zusammenbaulage; -
2 bis4 jeweils Ansichten, die den Fügevorgang zur Herstellung der Verbindungsanordnung veranschaulichen; -
5 in einer perspektivischen Ansicht von unten den zweiten Fügepartner in Alleinstellung; und -
6 bis9 jeweils unterschiedliche Varianten des Verbindungselementes. - In der
1 weist die Verbindungsanordnung als einen ersten Fügepartner1 ein Faserkunststoffverbund-Bauteil auf, in dem ein Faserhalbzeug3 aus Verstärkungsfasern in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix5 eingebettet ist. Die Verbindungsanordnung weist einen zweiten Fügepartner7 auf, der hier beispielhaft aus Stahl hergestellt und einen Montagepunkt M am ersten Fügepartner1 bildet. Der Montagepunkt M ist in der1 als ein Gewindebolzen9 realisiert, der auf einer Anschlagplatte11 des zweiten Fügepartners7 angeformt ist. Die Anschlagplatte11 ist an ihrer, vom Gewindebolzen9 abgewandten Fügeseite13 vollflächig in Kontakt mit einer Bauteilseite15 des Faserverbundkunststoff-Bauteils1 . An der Fügeseite13 der Anschlagplatte11 des zweiten Fügepartners7 sind stiftförmige Verbindungselemente17 angeformt, die formschlüssig bis auf eine Fügetiefe Δt in das Material des Faserverbundkunststoffbauteils1 eingetrieben sind, und zwar unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke Δr zur abgewandten Bauteilseite19 des Faserverbundkunststoff-Bauteils1 . - In der
6 ist eines der Verbindungselemente17 vergrößert dargestellt. Demzufolge weist das Verbindungselement17 einen, an der Anschlagplatte11 angeformten Schaftabschnitt21 auf, der an seinem freien Ende in einen ausgeweiteten Kopfabschnitt23 übergeht. Der Kopfabschnitt23 weist, in der Fügerichtung F (2 oder3 ) betrachtet, einen größeren Querschnitt als der Schaftabschnitt21 auf. Beispielhaft weist das Verbindungselement17 in der6 eine Höhe von 1,5 mm auf, die identisch mit der Fügetiefe Δt (1 ) ist. Der Durchmesser des Schaftabschnittes21 beträgt dabei exemplarisch 0,5 mm, während die Kopfhöhe bei 0,5 mm liegen kann. - Wie aus der
5 hervorgeht, ist die Fügeseite13 des zweiten Fügepartners7 aufgeteilt in eine in etwa mittig angeordnetes Fügefeld25 , in dem eine Vielzahl von Verbindungselementen17 gruppiert sind, und in eine Kontaktfläche27 , die das Fügefeld25 rahmenartig umzieht. - Durch die anhand der
6 beschriebene Verbindungselement-Geometrie ergibt sich bei jedem Verbindungselement17 zwischen seinem Schaftabschnitt21 und seinem Kopfabschnitt23 ein Inneneckbereich24 , der im Zusammenbauzustand (1 ) als eine Hinterschnittkontur wirkt. - Nachfolgend wird anhand der
2 bis4 ein Fügeprozess zur Herstellung der in der1 gezeigten Verbindungsanordnung beschrieben: Demzufolge werden zunächst gemäß der2 die beiden Fügepartner, nämlich das Faserverbund-Kunststoffbauteil1 und der zweite Fügepartner7 als voneinander separate Bauteile bereitgestellt. Der zweite Fügepartner7 mit darin integriertem Gewindebolzen9 wird zur Vorbereitung des Fügevorgangs beispielhaft induktiv erwärmt, und zwar mittels der angedeuteten Induktionsspule29 (4 ) bis auf eine Prozesstemperatur, bei der der thermoplastische Kunststoff im Faserverbundkunststoff-Bauteil1 fließfähig wird, das heißt in einen teigigen bzw. plastifizierten Zustand überführt ist. - Anschließend wird der erwärmte zweite Fügepartner
7 in der Fügerichtung F gegen das Faserverbundkunststoff-Bauteil1 gepresst, wodurch die Verbindungselemente17 unter Materialverdrängung (das heißt Verdrängung von sowohl der plastifizierten Kunststoffmatrix5 als auch der Verstärkungsfasern3 ) in das Faserverbund-Kunststoffbauteil eingetrieben werden, und zwar bis zum Erreichen der Fügetiefe Δt (4 ), bei der die Fügeseite13 der Anschlagplatte11 des zweiten Fügepartners7 vollflächig in Kontakt mit der zugewandten Bauteilseite15 des Faserverbundkunststoff-Bauteils1 gebracht ist. Das Eintreiben der Verbindungselemente17 erfolgt dabei nicht nur unter der oben erwähnten Materialverdrängung des Materials des Bauteils1 , sondern zusätzlich auch unter anschließendem Rückfluss des noch plastifizierten Kunststoffmaterials in die Hinterschnittkontur24 der Verbindungselemente17 , wodurch der zweite Fügepartner7 mit hoher Verbindungssteifigkeit am Faserverbundkunststoff-Bauteil1 gehaltert ist. Nach Erreichen der Endlage (4 ) sowie nach Abkühlung und Erstarrung der Verbindungsstelle ist der zweite Fügepartner7 in seiner Position fixiert. - Die Geometrie der Verbindungselemente
17 ist nicht auf die in der6 gezeigte Geometrie beschränkt. Vielmehr sind beliebige andere Geometrien denkbar. Beispielhaft ist in der7 der Kopfabschnitt23 nicht kugelförmig ausgeführt, sondern läuft dieser konusartig nach oben zu einer punktförmigen Scheitelstelle29 zusammen. - In der
8 ist demgegenüber auf einen ausgeweiteten Kopfabschnitt23 gänzlich verzichtet. Vielmehr geht der Schaftabschnitt21 an seinem freien Ende in eine sich verjüngende Schaftspitze31 über. In der9 weist das Verbindungselement17 keine stiftförmige Grundform auf, sondern vielmehr eine kugelförmige Grundform, wobei sich die Hinterschnittkontur24 zwischen einer Seitenflanke33 des Verbindungselementes17 und der Fügeseite13 der Anschlagplatte11 ergibt.
Claims (8)
- Verbindungsanordnung aus zumindest zwei Fügepartnern (1, 7), von denen ein erster Fügepartner (1) ein thermoplastisches Kunststoffmaterial aufweist und ein zweiter Fügepartner (7) zumindest ein Verbindungselement (17) mit einer Hinterschnittkontur (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fügepartner (7) mit seinem Verbindungselement (17) bei plastifiziertem Kunststoffmaterial des ersten Fügepartners (1) unter Materialverdrängung gegen den ersten Fügepartner (1) gepresst ist, wodurch das Verbindungselement (17) in den ersten Fügepartner (1) in einer Fügerichtung (F) eingetrieben ist, dass das Verbindungselement (17) des zweiten Fügepartners (7) bis auf eine Fügetiefe (Δt) unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke (r) zur abgewandten Bauteilseite (19) des ersten Fügepartners (1) eingetrieben ist, und zwar unter Rückfluss des noch plastifizierten Kunststoffmaterials in die Hinterschnittkontur (24) des Verbindungselements (17) hinein, dass der zweite Fügepartner (7) einen Fügetiefenanschlag (11) aufweist, der beim Fügevorgang bei Erreichen der Fügetiefe (Δt) eine Fügebewegung des ersten und/oder zweiten Fügepartners (1, 7) in der Fügerichtung (F) begrenzt, dass der Fügetiefenanschlag (11) des zweiten Fügepartners (7) eine Anschlagplatte ist, an deren, dem ersten Fügepartner (1) zugewandter Fügeseite (13) das Verbindungselement (17) um die Fügetiefe (Δt) vorragt, und dass die Anschlagplatte (11) im Zusammenbauzustand mit ihrer Fügeseite (13) in flächigem Kontakt mit dem ersten Fügepartner (1) ist.
- Verbindungsanordnung nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fügepartner (7) eine Krafteinleitungsstruktur (9) aufweist, und dass die Krafteinleitungsstruktur auf der vom Verbindungselement (17) abgewandten Seite der Anschlagplatte (11) ausgebildet ist. - Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (17) einen, an der Anschlagplatte (11) angeformten Schaftabschnitt (21) mit in Fügerichtung (F) reduziertem Querschnitt aufweist, und dass der Schaltabschnitt (21) in der Fügerichtung (F) betrachtet in einen ausgeweiteten Kopfabschnitt (23) mit in Fügerichtung (F) größerem Querschnitt übergeht.
- Verbindungsanordnung nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschnittkontur (24) ein Inneneckbereich zwischen dem Schaftabschnitt (21) und dem Kopfabschnitt (23) des Verbindungselements (17) ist. - Verbindungsanordnung nach
Anspruch 3 oder4 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfabschnitt (23) des Verbindungselements (17) an seinem von der Anschlagplatte (11) entfernten Ende bis auf eine Scheitelstelle (29) verjüngt ist. - Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fügepartner (7) eine Vielzahl von Verbindungselementen (17) aufweist, und dass die Verbindungselemente (17) an der Fügeseite (13) der Anschlagplatte (11) in einem Fügefeld (25) gruppiert sind, das zumindest teilweise von einer Kontaktfläche (27) ohne Verbindungselemente (17) umgrenzt ist.
- Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fügepartner (1) ein faserverstärktes Kunststoffbauteil ist, in dem Verstärkungsfasern (3) in einer Matrix (5) aus thermoplastischem Kunststoffmaterial eingebettet sind.
- Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Verbindungsanordnung durch zumindest zwei Fügepartner (1, 7) gebildet ist, von denen ein erster Fügepartner (1) ein thermoplastisches Kunststoffmaterial aufweist und ein zweiter Fügepartner (7) zumindest ein Verbindungselement (17) mit einer Hinterschnittkontur (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fügepartner (7) mit seinem Verbindungselement (17) bei plastifiziertem Kunststoffmaterial des ersten Fügepartners (1) gegen den ersten Fügepartner (1) gepresst wird, wodurch das Verbindungselement (17) unter Materialverdrängung in den ersten Fügepartner (1) in einer Fügerichtung (F) eingetrieben wird, dass das Verbindungselement (17) des zweiten Fügepartners (7) bis auf eine Fügetiefe (Δt) unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke (r) zur abgewandten Bauteilseite (19) des ersten Fügepartners (1) eingetrieben wird, und zwar unter Rückfluss des noch plastifizierten Kunststoffmaterials in die Hinterschnittkontur (24) des Verbindungselements (17) hinein, dass der zweite Fügepartner (7) einen Fügetiefenanschlag (11) aufweist, der beim Fügevorgang bei Erreichen der Fügetiefe (Δt) eine Fügebewegung des ersten und/oder zweiten Fügepartners (1, 7) in der Fügerichtung (F) begrenzt, dass der Fügetiefenanschlag (11) des zweiten Fügepartners (7) eine Anschlagplatte ist, an deren, dem ersten Fügepartner (1) zugewandter Fügeseite (13) das Verbindungselement (17) um die Fügetiefe (Δt) vorragt, und dass die Anschlagplatte (11) im Zusammenbauzustand mit ihrer Fügeseite (13) in flächigem Kontakt mit dem ersten Fügepartner (1) ist.
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