DE102016110216A1 - Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen (1), wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) ohne den Zusatz eines Schleifmittels geschliffen werden, wobei ein Materialabrieb von den piezoelektrischen Vielschichtbauelementen (1) durch das Reiben der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) aneinander erfolgt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen. Bei den piezoelektrischen Vielschichtbauelementen kann es sich beispielsweise um piezoelektrische Transformatoren handeln, die zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas geeignet sind.
  • Bei der Herstellung von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen können die Bauelemente einem Prozess unterzogen werden, bei dem ungeordnete Bauelemente mit losem Korn als Schleifmittel geschliffen werden, um eine glatte Oberfläche der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente zu erzielen. .
  • Nachteile dieses Prozesses bestehen darin, dass die auf diese Weise gefertigten Bauelemente eine Oberfläche aufweisen, die den Anforderungen an die Glattheit oftmals nicht genügt. Ferner kann die Separierung des Schleifmittels von den Bauelementen sehr aufwendig sein.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst.
  • Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen vorgeschlagen, wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente ohne den Zusatz eines Schleifmittels geschliffen werden, wobei ein Materialabrieb von den piezoelektrischen Vielschichtbauelementen durch das Reiben der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente aneinander erfolgt.
  • Insbesondere kann der Materialabrieb nur durch das Reiben der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente aneinander erfolgen. Bei dem Verfahren wird somit kein Schleifmittel verwendet.
  • Unter einem „Schleifmittel“ kann hier jeder Abrasivstoff verstanden werden, der zur Erzielung eines Materialabtrages genutzt werden kann. Bei einem Schleifmittel handelt es sich typischerweise um eine feinkörnige, harte und scharfkantige Substanz. Bekannte Schleifmittel sind beispielsweise Sand oder ZrO2.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch den Verzicht auf jegliche Schleifmittel aus. Es hat sich gezeigt, dass durch das Reiben der Vielschichtbauelemente aneinander deutlich glattere Oberflächen erreicht werden können als dies mit Schleifmitteln möglich ist. Schleifmittel, beispielsweise Sand mit einer Körnung zwischen 0,1 und 0,5 mm, verursachen bei dem Scheuerprozess starke Riefen in der Oberfläche der Vielschichtbauelemente. Damit kann es zu lokale Unebenheiten in der Oberfläche kommen. Diese können bei der Verwendung der Vielschichtbauelemente zur Plasmaerzeugung zu lokalen Feldüberhöhungen führen, wodurch es zu lokalen Zündungen von Plasma an unerwünschten Stellen der Vielschichtbauelemente kommen kann. Dadurch wird zum einen der Wirkungsgrad verringert und zum anderen das Bauelement unter Umständen beschädigt, sodass es zu einem frühzeitigen Ausfall des Bauelements kommen kann.
  • Der Verzicht auf ein Schleifmittel ermöglicht es dagegen, eine glatte, abgerundete Oberfläche der Vielschichtbauelemente zu gewährleisten. Dementsprechend weist die Oberfläche eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten piezoelektrischen Vielschichtbauelements keine wesentlichen lokalen Unebenheiten auf. Daher kann die lokale Feldüberhöhung durch lokale Spitzen in der Rauheit der Oberfläche vermieden werden. Auch im Bereich der Kanten des Vielschichtbauelementes kann eine glatte, abgerundete Oberfläche sichergestellt werden.
  • Ein weiterer Vorteil des Verfahrens, bei dem kein Schleifmittel verwendet wird, besteht darin, dass nach Abschluss des Schleifvorgangs auf dem Schritt der Trennung der Vielschichtbauelemente von dem Schleifmittel verzichtet werden kann. Dieser Schritt ist unter Umständen sehr aufwändig. Durch den Verzicht auf ein zusätzliches Schleifmittel kann die Herstellung somit mit weniger Verfahrensschritten durchgeführt werden. Daher ist das Herstellungsverfahren kostengünstig und schnell durchführbar.
  • Das Material kann bei dem Verfahren sowohl von den Außenflächen als auch von den Kanten der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente abgerieben werden. Die Außenflächen können vier Seitenflächen, deren Flächennormale jeweils senkrecht auf einer longitudinalen Achse der Vielschichtbauelemente steht, und zwei Stirnflächen, deren Flächennormale jeweils parallel zu der longitudinalen Achse ist, aufweisen. Zwei benachbarte Außenflächen können dabei stets senkrecht aufeinander stehen. Dabei grenzen zwei benachbarte Außenflächen jeweils an eine Kante an. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement kann im Wesentlichen quaderförmig sein. Das Verfahren ist jedoch auch für anders geformte Vielschichtbauelemente geeignet, beispielsweise für zylinderförmige Bauelemente.
  • Durch den Materialabrieb von den Außenflächen können die Außenflächen glatter werden, d. h. die Rauheit der der Außenflächen kann in Folge des Materialabriebs abnehmen.
  • Durch den Materialabrieb von den Kanten der Vielschichtbauelemente können die Kanten abgerundet werden. Dementsprechend kann durch das Verfahren eine vormals spitze Kante zu einer gerundeten Kante umgeformt werden, wobei der Radius der gerundeten Kante umso größer ist, je mehr Material abgetragen wurde. Gerundete Kanten weisen bei piezoelektrischen Transformatoren den Vorteil gegenüber spitzen Kanten auf, dass es an einer gerundeten Kante nicht zu einer lokalen Felderhöhung kommt. Dementsprechend kann es an einer gerundeten Kante nicht zu einer unerwünschten Plasmazündung kommen.
  • Das hier beschriebene Verfahren ist zur Herstellung verschiedenster piezoelektrischer Vielschichtbauelemente geeignet, beispielsweise zur Herstellung von Transformatoren, Aktoren oder Kondensatoren.
  • Bei dem Schleifen können die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente in einem losen Zustand vorliegen. Beispielsweise können die Bauelemente in einem losen Zustand in einer Trommel angeordnet sein. Als loser Zustand kann dabei ein Zustand bezeichnet werden, bei dem die
  • Vielschichtbauelemente nicht mechanisch miteinander verbunden sind.
  • Die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente können als Grünkörper geschliffen werden, wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente nach dem Schleifen gesintert werden.
  • Ein Grünkörper ist ein ungebrannter Rohling. Ein Grünkörper ist ein Körper im grünen Zustand, das heißt ein keramischer Körper vor der Durchführung eines Brenn- oder Sinterprozesses. Im Grünzustand kann Material von den Vielschichtbauelementen in einfacher Weise abgetragen werden, da die Härte der Vielschichtbauelemente vor dem Sintern deutlich geringer ist als nach Durchführung eines Sintervorgangs. Da der Materialabrieb nach dem Sintern erheblich aufwendiger wäre, wird der Schleifprozess vorzugsweise vor dem Sintern durchgeführt.
  • Der Grünkörper enthält oft einen organischen Binder, der für die vorherige Formgebung benötigt wird. Der organische Binder weist typischerweise Weichmacher auf. Diese können durch eine Temperaturbehandlung entfernt werden, wobei das Bauelement härter wird.
  • Vor dem Schleifen der piezoelektrischen Bauelemente kann ein Temperaturprozess durchgeführt werden. Bei dem Temperaturprozess kann das piezoelektrische Bauelement erhöhten Temperaturen von 100 °C bis 150 °C ausgesetzt werden. Dabei können die Weichmacher des organischen Binders zumindest teilweise entfernt werden. Durch das Entfernen der Weichmacher wird die Härte des Bauelements erhöht. Dementsprechend kann durch den Temperaturprozess die Härte des Bauelements in gewünschter Weise eingestellt werden.
  • Insbesondere kann es der Temperaturprozess ermöglichen, die Härte der piezoelektrischen Bauelemente derart einzustellen, dass sie bei dem Schleifen nicht in unerwünschter Weise deformiert werden.
  • Die bei dem Temperprozess gewählte Temperatur hängt von dem verwendeten Weichmacher ab. Der Temperprozess kann unter reduziertem Druck durchgeführt werden.
  • Nach dem Schleifen können die Bauelemente gegebenenfalls getrocknet werden.
  • Nach dem Schleifen und gegebenenfalls nach dem Trocknen werden thermische Prozesse durchgeführt, beispielsweise Entbindern und/oder Sintern.
  • Das Schleifen kann in einer Trommel durchgeführt werden, die mit einer Vielzahl der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente beladen ist, wobei der Materialabrieb durch das Einstellen zumindest eines von Laufzeit des Schleifvorgangs, der Anzahl der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente in der Trommel und der Rotationsgeschwindigkeit der Trommel in gewünschter Weise eingestellt wird. Die drei hier genannten Parameter beeinflussen jeweils den Materialabrieb während des Schleifvorgangs.
  • Durch eine Erhöhung der Laufzeit, das heißt der Zeit, in der die Trommel rotiert, wird der Abtrag des Materials von den Vielschichtbauelementen erhöht. Laufzeit und Materialabrieb sind dabei nahezu linear zueinander.
  • Die Rotationsgeschwindigkeit der Trommel, das heißt die Geschwindigkeit, mit der die Trommel sich dreht, beeinflusst ebenfalls den Materialabrieb der Vielschichtbauelemente. Der genaue Einfluss der Rotationsgeschwindigkeit auf den Materialabrieb hängt von der Geometrie und der Größe sowie dem genauen Aufbau der Vielschichtbauelemente ab. Die Rotationsgeschwindigkeit sollte derart gewählt werden, dass ein möglichst hoher Materialabrieb pro Sekunde erreicht wird, um auf diese Weise die Dauer des Schleifprozesses zu minimieren.
  • Die Anzahl der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente in der Trommel, das heißt die Beladung der Trommel, sollte ebenfalls auf einen für den Materialabrieb optimalen Wert eingestellt werden. Werden pro Volumeneinheit zu viele Vielschichtbauelemente in die Trommel geladen, so können die Vielschichtbauelemente sich gegenseitig verkeilen und es kommt kaum noch zu einem Reiben der Bauelemente aneinander. Dadurch wird der Materialabrieb stark gehemmt. Auch wenn zu wenige Vielschichtbauelemente in die Trommel geladen werden, kommt es nur zu wenigen Reibvorgängen der Bauelemente aneinander, wodurch ebenfalls die erreichbare Reibung reduziert würde.
  • Die Vielschichtbauelemente können bei dem Schleifen von dem Medium Wasser umgeben sein. Wasser wirkt dabei nicht als Schleifmittel, da das Wasser nicht für einen Materialabrieb von der Oberfläche der Vielschichtbauelemente sorgt. Insbesondere können sich in der Trommel während des Schleifens der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente neben den Vielschichtbauelementen nur Wasser und Luft befinden. Alternativ oder ergänzend zu Wasser kann auch eine andere Flüssigkeit verwendet werden.
  • Wasser oder eine andere Flüssigkeit dient dazu, das abgeriebene Material in der Schwebe zu halten. Wird keine Flüssigkeit als Medium verwendet werden, so kann sich das abgeriebene Material als Staub auf die Oberflächen der Bauelemente absetzen und diese verkleben. Dadurch könnte ein weiterer Abtrag verhindert oder zumindest erschwert werden. Zudem erfolgt durch die Verwendung von Wasser oder einer anderen Flüssigkeit als Medium eine Dämpfung der Bewegungen der piezoelektrischen Bauelemente, wodurch es insgesamt zu gleichmäßigeren Bewegungen kommt, so dass das Material von den piezoelektrischen Vielschichtbauelementen gleichmäßiger abgetragen wird.
  • Bei den piezoelektrischen Vielschichtbauelementen kann es sich um piezoelektrische Transformatoren handeln. Insbesondere kann es sich dabei um Transformatoren handeln, die für die Verwendung in einem Plasmagenerator zur Erzeugung von nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasma geeignet sind. Bei diesen Bauelementen ist es insbesondere wichtig, eine glatte, abgerundete Oberfläche zu erzielen, da ansonsten durch lokale Feldüberhöhungen Plasmazündungen in unerwünschter Weise entstehen würden, durch die das Bauelement beschädigt werden könnte.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements,
  • 2 zeigt eine Detailaufnahme eines Vielschichtbauelementes, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde,
  • 3 zeigt eine Detailaufnahme eines Vergleichsbeispiels eines Vielschichtbauelementes, das unter Verwendung des Scheuermittels ZrO2 gefertigt wurde.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Vielschichtbauelementes 1, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde. Bei dem piezoelektrischen Vielschichtbauelement 1 handelt es sich um einen piezoelektrischen Transformator. Der piezoelektrische Transformator kann insbesondere in einer Vorrichtung zur Erzeugung von nichtthermischem Atmosphärendruck-Plasma eingesetzt werden.
  • Ein piezoelektrischer Transformator ist eine Bauform eines Resonanztransformators, welcher auf Piezoelektrizität basiert und im Gegensatz zu den herkömmlichen magnetischen Transformatoren ein elektromechanisches System darstellt. Der piezoelektrische Transformator ist beispielsweise ein Transformator vom Rosen-Typ.
  • Das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 weist einen Eingangsbereich 2 und einen Ausgangsbereich 3 auf, wobei der Ausgangsbereich 3 sich in einer longitudinalen Richtung z an den Eingangsbereich 2 anschließt. Im Eingangsbereich 2 weist das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 Elektroden 4 auf, an die eine Wechselspannung angelegt werden kann. Die Elektroden 4 erstrecken sich in der longitudinalen Richtung z des piezoelektrischen Vielschichtbauelements 1. Die Elektroden 4 sind in einer Stapelrichtung x, die senkrecht zu
  • der longitudinalen Richtung z ist, abwechselnd mit einem piezoelektrischen Material 5 gestapelt. Das piezoelektrische Material 5 ist dabei in Stapelrichtung x polarisiert.
  • Eine y-Richtung y steht jeweils senkrecht auf der Stapelrichtung x und der longitudinalen Richtung z.
  • Die Elektroden 4 sind im Innern des piezoelektrischen Vielschichtbauelements 1 angeordnet und werden auch als Innenelektroden bezeichnet. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 weist eine erste Seitenfläche 6 und eine zweite Seitenfläche 7, die der ersten Seitenfläche 6 gegenüberliegt, auf. Auf der ersten Seitenfläche 6 ist eine erste Außenelektrode 8 angeordnet. Auf der zweiten Seitenfläche 7 ist eine zweite Außenelektrode (nicht gezeigt) angeordnet. Die innenliegenden Elektroden 4 sind in Stapelrichtung x abwechselnd entweder mit der ersten Außenelektrode 8 oder der zweiten Außenelektrode elektrisch kontaktiert.
  • Ferner weist das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 eine dritte Seitenfläche 20 und eine vierte Seitenfläche 21 auf, die einander gegenüberliegen und die senkrecht zu der ersten Seitenfläche 6 und der zweiten Seitenfläche 7 angeordnet sind. Die Flächennormalen der dritten und der vierten Seitenflächen 20, 21 zeigen jeweils in Stapelrichtung x.
  • Der Eingangsbereich 2 kann mit einer geringen Wechselspannung angesteuert werden, die zwischen den Elektroden 4 angelegt wird. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts wird die eingangsseitig angelegte Wechselspannung zunächst in eine mechanische Schwingung umgewandelt. Die Frequenz der mechanischen Schwingung ist dabei wesentlich von der Geometrie und dem mechanischen Aufbau des piezoelektrischen Vielschichtbauelements 1 abhängig.
  • Der Ausgangsbereich 3 weist piezoelektrisches Material 9 auf und ist frei von innenliegenden Elektroden. Das piezoelektrische Material 9 im Ausgangsbereich ist in der longitudinalen Richtung z polarisiert. Bei dem piezoelektrischen Material 9 des Ausgangsbereichs 3 kann es sich um das gleiche Material wie bei dem piezoelektrischen Material 5 des Eingangsbereichs 2 handeln, wobei sich die piezoelektrischen Materialien 5 und 9 in ihrer Polarisationsrichtung unterscheiden können. Im Ausgangsbereich 3 ist das piezoelektrische Material 9 zu einer einzigen monolithischen Schicht geformt, die vollständig in der longitudinalen Richtung z polarisiert ist. Dabei weist das piezoelektrische Material 9 im Ausgangsbereich 3 nur eine einzige Polarisationsrichtung auf.
  • Wird an die Elektroden 4 im Eingangsbereich 2 eine Wechselspannung angelegt, so bildet sich innerhalb des piezoelektrischen Materials 5, 9 eine mechanische Welle aus, die durch den piezoelektrischen Effekt im Ausgangsbereich 3 eine Ausgangsspannung erzeugt. Der Ausgangsbereich 3 weist eine ausgangsseitige Stirnfläche 10 auf. Im Ausgangsbereich 3 wird somit eine elektrische Spannung zwischen der Stirnfläche 10 und dem Ende der Elektroden 4 des Eingangsbereichs 2 erzeugt. An der ausgangsseitigen Stirnfläche 10 wird dabei eine Hochspannung erzeugt. Dabei entsteht auch zwischen der ausgangseitigen Stirnfläche und einer Umgebung des piezoelektrischen Vielschichtbauelements eine hohe Potentialdifferenz, die ausreicht, um ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen, dass ein Prozessgas ionisiert.
  • Auf diese Weise erzeugt das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 hohe elektrische Felder, die in der Lage sind, Gase oder Flüssigkeiten durch elektrische Anregung zu ionisieren. Dabei werden Atome oder Moleküle des jeweiligen Gases bzw. der jeweiligen Flüssigkeit ionisiert und bilden ein Plasma. Es kommt immer dann zu einer Ionisation, wenn die elektrische Feldstärke an der Oberfläche des piezoelektrischen Vielschichtbauelements 1 die Zündfeldstärke des Plasmas überschreitet. Als Zündfeldstärke eines Plasmas wird dabei die Feldstärke bezeichnet, die zur Ionisation der Atome oder Moleküle erforderlich ist.
  • Das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 weist ferner eine eingangsseitige Stirnfläche 22 auf, die der ausgangseitigen Stirnfläche 10 gegenüberliegt. Des Weiteren weist das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 Kanten 23 auf. Die Kanten 23 können abgerundet sein.
  • Das piezoelektrische Vielschichtbauelement 1 wird während seiner Herstellung einem Schleifprozess unterzogen, bei dem kein Schleifmittel verwendet wird und bei dem ein Materialabrieb von dem piezoelektrischen Vielschichtbauelement 1 durch das Reiben des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes 1 an weiteren piezoelektrischen Vielschichtbauelementen erfolgt.
  • 2 zeigt eine Detailaufnahme eines Ausschnittes eines piezoelektrischen Vielschichtbauelementes 1, das mit dem hier beschriebenen Verfahren gefertigt wurde, wobei ein Materialabrieb von den Seitenflächen 6, 7, 20, 21, den Stirnflächen 21, 22 und den Kanten 23 des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes 1 durch ein Reiben der Bauelemente aneinander erfolgt. Dabei sind die Vielschichtbauelemente in einem losen Zustand in einer Trommel angeordnet.
  • Im Vergleich dazu ist in 3 eine Detailaufnahme eines Vergleichsbeispiels eines Vielschichtbauelementes gezeigt, das einem Scheuerprozess unterzogen wurde, bei dem ZrO2 als Schleifmittel verwendet wurde.
  • Ein Vergleich der 2 und 3 zeigt, dass durch den Verzicht auf ein Schleifmittel das Material von den Seitenflächen und Kanten der Vielschichtbauelemente in einer Weise abgetragen werden kann, die zu weniger rauen Seitenflächen und glatter abgerundeten Kanten führt. Auf diese Weise kann das Entstehen von lokalen Unebenheiten an den Außenflächen des Vielschichtbauelementes vermieden werden. Dementsprechend kann die unerwünschte Plasmazündung an solchen lokalen Unebenheiten vermieden werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    piezoelektrisches Vielschichtbauelement
    2
    Eingangsbereich
    3
    Ausgangsbereich
    4
    Elektrode
    5
    piezoelektrisches Material
    6
    erste Seitenfläche
    7
    zweite Seitenfläche
    8
    erste Außenelektrode
    9
    piezoelektrisches Material
    10
    ausgangsseitige Stirnfläche
    20
    dritte Seitenfläche
    21
    vierte Seitenfläche
    22
    eingangsseitige Stirnfläche
    23
    Kanten
    x
    Stapelrichtung
    y
    y-Richtung
    z
    longitudinale Richtung

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen (1), wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) ohne den Zusatz eines Schleifmittels geschliffen werden, wobei ein Materialabrieb von den piezoelektrischen Vielschichtbauelementen (1) durch das Reiben der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) aneinander erfolgt.
  2. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) als Grünkörper geschliffen werden und wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) nach dem Schleifen gesintert werden.
  3. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei vor dem Schleifen der piezoelektrischen Bauelemente ein Temperprozess durchgeführt wird, bei dem die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden.
  4. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Schleifen in einer Trommel durchgeführt wird, die mit einer Vielzahl der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) beladen ist, wobei der Materialabrieb durch das Einstellen zumindest eines von Laufzeit des Schleifvorgangs, der Anzahl der piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) in der Trommel und der Rotationsgeschwindigkeit der Trommel in gewünschter Weise eingestellt wird.
  5. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die piezoelektrischen Vielschichtbauelemente (1) bei dem Schleifen von dem Medium Wasser umgeben sind.
  6. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei den piezoelektrischen Vielschichtbauelementen (1) um piezoelektrische Transformatoren handelt.
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