DE102017221235A1 - Faserverbundkörper sowie Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkörpers - Google Patents

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Bernhard Staudt
Ingo Steinke
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Abstract

Ein Faserverbundkörper, insbesondere eine Strebe, hat einen vorzugsweise länglichen Grundkörper (12) und wenigstens einen eine Befestigungsöffnung (16) aufweisenden Befestigungsabschnitt (14) zur Befestigung des Faserverbundkörpers (10) an einem Nachbarteil, wobei ein Verstärkungsfaserbündel (18) vorgesehen ist, das die Faserverstärkung sowohl des Grundkörpers (12) als auch des Befestigungsabschnitts (14) bildet und dessen Verstärkungsfasern (22) im Bereich des Grundkörpers (12) in Längsrichtung (L) des Grundkörpers (12) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. In einem Übergangsbereich zwischen Grundkörper (12) und Befestigungsabschnitt (14) verlässt zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern (22a, 22b) den Bündelverlauf und kreuzt sich mit anderen Verstärkungsfasern (22b, 22a). Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung eines länglichen Faserverbundkörpers (10), insbesondere einer Strebe, beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen vorzugsweise länglichen Faserverbundkörper, insbesondere eine Strebe, mit einem Grundkörper, der insbesondere länglich ist, und wenigstens einem eine Befestigungsöffnung aufweisenden Befestigungsabschnitt zur Befestigung des Faserverbundkörpers an einem Nachbarteil, wobei ein Verstärkungsfaserbündel vorgesehen ist, das die Faserverstärkung sowohl des Grundkörpers als auch des Befestigungsabschnitts bildet und dessen Verstärkungsfasern im Bereich des Grundkörpers in Längsrichtung des Grundkörpers im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines länglichen Faserverbundkörpers, insbesondere einer Strebe, mit einem insbesondere länglichen Grundkörper und wenigstens einem eine Befestigungsöffnung aufweisenden Befestigungsabschnitt.
  • Ein gattungsgemäßer Faserverbundkörper ist aus der DE 10 2010 053 850 A1 bekannt und dient als Versteifungsstrebe für eine Kraftfahrzeugkarosserie, die als Diagonalstrebe am Unterboden des Fahrzeugs, insbesondere eines Cabriolets, eingesetzt wird, um die Karosseriesteifigkeit zu erhöhen. Die in der DE 10 2010 053 850 A1 beschriebene Versteifungsstrebe hat an beiden Enden eine Durchtrittsöffnung, um die herum die ansonsten unidirektional in Belastungsrichtung der Strebe verlaufenden Verstärkungsfasern geführt sind, und stellt eine leichtere Alternative zu bekannten Diagonalstreben aus Metall dar.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Faserverbundkörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkörpers bereitzustellen, der sich durch ein geringes Gewicht, eine kostengünstige Fertigung sowie eine verbesserte Stabilität auszeichnet.
  • Erfindungsgemäß ist hierzu bei einem Faserverbundkörper der eingangs genannten Art vorgesehen, dass in einem Übergangsbereich zwischen Grundkörper und Befestigungsabschnitt zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern den Bündelverlauf verlässt und sich mit anderen Verstärkungsfasern kreuzt. Während also im Bereich des Grundkörpers die Verstärkungsfasern (bei einem länglichen Grundkörper entlang dessen Längsachse) in Belastungsrichtung verlaufen, werden einige der Verstärkungsfasern im Übergangsbereich zum Befestigungsabschnitt (und somit vom Grundkörper aus gesehen vor der Befestigungsöffnung) miteinander gekreuzt, wodurch sich die Stabilität des erfindungsgemäßen Faserverbundkörpers erhöht. Insbesondere ist dieser nicht nur auf Zug, sondern auch sehr gut auf Druck belastbar. Dabei zeichnet sich der erfindungsgemäße Faserverbundkörper gegenüber gängigen Streben aus Aluminium oder Stahl durch sein deutlich geringeres Gewicht aus.
  • Der erfindungsgemäße Faserverbundkörper und der Grundkörper sind vorzugsweise länglich.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verstärkungsfaserbündel durch Wickeln erzeugt. Dadurch ergibt sich gegenüber Streben aus Faserverbundwerkstoff mit geflochtenen Verstärkungsfasern neben einem deutlich günstigeren Herstellungsprozess auch eine Gewichtsersparnis.
  • Insbesondere ist der Befestigungsabschnitt einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet, wodurch ein einfach zu fertigendes und besonders stabiles Bauteil erzielt wird.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Befestigungsabschnitt ein Endabschnitt, insbesondere sind zwei entgegengesetzte Endabschnitte vorgesehen. Diese dienen der Befestigung des Faserverbundkörpers an einem Nachbarteil, z.B. an einer Fahrzeugkarosserie oder an einer anderen Strebe.
  • Zur weiteren Erhöhung der Stabilität sind die Kreuzungsstellen der Verstärkungsfasern in einer Weiterbildung der Erfindung verpresst, insbesondere durch Aushärten des Faserverbundkörpers in einem Werkzeug.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist zumindest der Befestigungsabschnitt einen Einsatz auf, um den herum die Verstärkungsfasern geführt sind. Ein solcher Einsatz, der vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt ist, erleichtert die Faserführung beim Wickeln des Verstärkungsfaserbündels, da die Verstärkungsfasern ohne entsprechende Führung dazu neigen, geradlinig zu verlaufen. Dabei umgeben die Verstärkungsfasern den Einsatz insbesondere schlaufenförmig.
  • Alternativ zur Verwendung eines Einsatzes, der im fertigen Faserverbundkörper verbleibt, ist eine entsprechend ausgeführte Wickelvorrichtung denkbar, die über Faserführungselemente bzw. „Wickelhilfen“ verfügt, um beim Wickeln des Verstärkungsfaserbündels den gewünschten Faserverlauf zu erreichen.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Einsatz zumindest eine Aussparung auf, durch die sich die sich kreuzenden Verstärkungsfasern erstrecken, wobei sich die Verstärkungsfasern in der Aussparung selbst kreuzen. Auf diese Weise bildet der Einsatz im Kreuzungsbereich eine Führung für die Verstärkungsfasern.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Einsatz einen die Befestigungsöffnung umgebenden Hülsenabschnitt auf, der insbesondere mit zwei seitlichen Begrenzungsscheiben versehen ist. Um den Hülsenabschnitt sind die Verstärkungsfasern zumindest teilweise herumgeführt, wobei die seitlichen Begrenzungsscheiben das Wickeln erleichtern, da sie ein seitliches Herunterrutschen der Verstärkungsfasern vom Hülsenabschnitt verhindern.
  • Weiterhin kann der Einsatz einen an den Hülsenabschnitt angrenzenden, in Richtung des Grundkörpers weisenden Dornabschnitt aufweisen, in dessen Bereich ein Teil der Verstärkungsfasern miteinander gekreuzt ist. Der Dornabschnitt dient somit als Führung für die Verstärkungsfasern, insbesondere im Kreuzungsbereich.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der Dornabschnitt wenigstens einen an seinem grundkörperseitigen Ende angeordneten stiftartigen Fortsatz auf, der einen Teil der Verstärkungsfasern in zwei Gruppen aufteilt, die miteinander gekreuzt sind. Dabei sind bevorzugt zwei Fortsätze zu beiden Seiten des Dornabschnitts vorgesehen, wobei dann zu beiden Seiten des Dornabschnitts Verstärkungsfasern miteinander gekreuzt sind, was die Stabilität erhöht.
  • Vorzugsweise erstreckt sich der wenigstens eine stiftartige Fortsatz senkrecht zur Längsrichtung des Grundkörpers und damit zur Haupterstreckungsrichtung der Verstärkungsfasern. Somit dient er als Führungs- bzw. Teilungselement für die Verstärkungsfasern, was das Wickeln eines Verstärkungsfaserbündels mit überkreuzten Fasern erleichtert.
  • Die zuvor gestellte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das die folgenden Schritte aufweist:
    1. a) Wickeln eines Verstärkungsfaserbündels, dessen Verstärkungsfasern im Bereich des Grundkörpers in Längsrichtung des Grundkörpers verlaufen;
    2. b) Kreuzen zumindest eines Teils der Verstärkungsfasern des Verstärkungsfaserbündels in einem Übergangsbereich zwischen Grundkörper und Befestigungsabschnitt;
    3. c) Einbetten des Verstärkungsfaserbündels in eine Kunststoffmatrix; und
    4. d) Aushärten der Kunststoffmatrix.
  • Dabei erfolgen die Verfahrensschritte a) und b), nämlich das Wickeln des Verstärkungsfaserbündels und das Kreuzen eines Teils der Verstärkungsfasern, vorzugsweise gleichzeitig, d.h. ein Teil der Verstärkungsfasern wird direkt beim Wickeln des Verstärkungsfaserbündels überkreuzt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich ein Faserverbundkörper herstellen, der neben einer hohen Zugbelastbarkeit auch sehr gut auf Druck belastbar ist. Durch die Kreuzung der Fasern vor der Befestigungsöffnung wird eine erhöhte Stabilität des Faserverbundkörpers gerade im Befestigungsbereich bzw. um die Befestigungsöffnung herum erreicht. Zudem werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr leichte und kostengünstige Streben erzielt.
  • In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Kreuzungsstellen der Verstärkungsfasern verpresst, insbesondere durch Aushärten des Faserverbundkörpers in einem Werkzeug. So lässt sich die Stabilität der erzeugten Bauteile noch weiter erhöhen.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung wird zumindest im Bereich des Befestigungsabschnitts ein Einsatz angeordnet, um den herum die Verstärkungsfasern beim Wickeln geführt werden und mit dessen Hilfe ein Teil der Verstärkungsfasern gekreuzt wird. Dazu kann der Einsatz insbesondere eine Aussparung aufweisen, durch die sich die sich kreuzenden Verstärkungsfasern erstrecken und in deren Innerem sich die Verstärkungsfasern kreuzen. Der Einsatz erleichtert also das Wickeln der Fasern im Kreuzungsbereich, da die Verstärkungsfasern ohne entsprechende Führung dazu neigen, geradlinig zu verlaufen.
  • Darüber hinaus gelten sämtliche mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Faserverbundkörper genannten Weiterbildungen und Vorteile auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
  • Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigt:
    • - 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen länglichen Faserverbundkörper;
    • - 2 eine Seitenansicht des Faserverbundkörpers aus 1;
    • - 3 eine vergrößerte Darstellung eines Befestigungsabschnitts des Faserverbundkörpers aus 1, die den Verlauf der Verstärkungsfasern verdeutlicht; und
    • - 4 eine perspektivische Ansicht des Befestigungsabschnitts aus 3.
  • Die 1 bis 4 zeigen einen erfindungsgemäßen länglichen Faserverbundkörper 10 in Form einer Strebe, der insbesondere im Kfz-Bereich eingesetzt wird, beispielsweise zur Versteifung einer Karosserie. Der Faserverbundkörper 10 weist einen länglichen Grundkörper 12 sowie zwei einstückig mit dem Grundkörper 12 ausgebildete Befestigungsabschnitte 14 auf, bei denen es sich um entgegengesetzte Endabschnitte handelt. Jeder der Befestigungsabschnitte 14 hat eine Befestigungsöffnung 16 und dient der Befestigung des Faserverbundkörpers 10 an einem Nachbarteil, z.B. über eine in den Figuren nicht gezeigte Schraube.
  • Der Faserverbundkörper 10 weist eine gemeinsame Faserverstärkung des Grundkörpers 12 und beider Befestigungsabschnitte 14 in Form eines durch Wickeln erzeugten Verstärkungsfaserbündels 18 auf, das in eine Kunststoffmatrix 20 eingebettet ist. Die Verstärkungsfasern 22 des Verstärkungsfaserbündels 18 verlaufen im Bereich des Grundkörpers 12 in Längsrichtung L des Grundkörpers 12 im Wesentlichen parallel zueinander, wie insbesondere 3 entnommen werden kann.
  • Im Bereich der Befestigungsabschnitte 14 ist jeweils ein aus Kunststoff vorgefertigter, in die Kunststoffmatrix 20 mit eingebetteter Einsatz 24 vorgesehen, um den herum die Verstärkungsfasern 22 im Wesentlichen schlaufenförmig geführt sind.
  • Der Einsatz 24 hat einen die Befestigungsöffnung 16 umgebenden Hülsenabschnitt 26, der, ähnlich einer Garnrolle, mit zwei seitlichen Begrenzungsscheiben 28 versehen ist (siehe insbesondere 4). Um den Hülsenabschnitt 26 herum verlaufen die Verstärkungsfasern 22.
  • Hier ist zu beachten, dass in 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit das faserverstärkte Kunststoffmaterial des Faserverbundkörpers 10 durchscheinend dargestellt ist.
  • An den Hülsenabschnitt 26 grenzt ein in Richtung des Grundkörpers 12 weisender Dornabschnitt 30 an, der sich mit seiner Spitze 32 bis in den Grundkörper 12 hinein erstreckt. Im Bereich des Dornabschnitts 30 weist der Einsatz 24 zwei Aussparungen 34 auf, die in Hochrichtung Z des Faserverbundkörpers 10 zu beiden Seiten des Dornabschnitts 30 angeordnet sind. Im Inneren der Aussparungen 34 ist jeweils ein Teil der Verstärkungsfasern 22 des Verstärkungsfaserbündels 18 miteinander gekreuzt. Hierzu verlässt ein Teil der Verstärkungsfasern, der mit 22a bezeichnet ist, den Bündelverlauf und kreuzt sich mit anderen Verstärkungsfasern 22b, die ebenfalls den Bündelverlauf verlassen.
  • Die Aussparungen 34 werden dabei einerseits durch den Hülsenabschnitt 26, andererseits durch zwei am grundkörperseitigen Ende des Dornabschnitts 30 nahe der Spitze 32 angeordnete stiftartige Fortsätze 36 begrenzt, die sich in Hochrichtung Z (und damit senkrecht zur Längsrichtung L des Grundkörpers 12) erstrecken. Die stiftartigen Fortsätze 36 teilen jeweils einen Teil der Verstärkungsfasern 22 in die beiden Gruppen 22a und 22b auf, die miteinander gekreuzt sind. Zwischen den Ebenen der sich kreuzenden Verstärkungsfasern 22a und 22b verlaufen zudem einige Verstärkungsfasern 22c seitlich an einem mittleren Bereich 38 des Dornabschnitts 30 entlang, ohne sich mit anderen Verstärkungsfasern zu kreuzen. Natürlich können auch neben sowie oberhalb und unterhalb der sich kreuzenden Verstärkungsfasern 22a, 22b ungekreuzte Verstärkungsfasern 22c vorgesehen sein. In 3 sind die sich kreuzenden Verstärkungsfasern 22a, 22b der besseren Übersichtlichkeit halber gestrichelt dargestellt, während die ungekreuzten Verstärkungsfasern 22c mit durchgezogenen Linien angedeutet sind.
  • Die im Bereich der Aussparung 34 liegenden Kreuzungsstellen 40 der Verstärkungsfasern 22a, 22b sind verpresst, und zwar durch Aushärten des Faserverbundkörpers 10 in einem Werkzeug.
  • Zur Herstellung des Faserverbundkörpers 10 wird zunächst das Verstärkungsfaserbündel 18 gewickelt, wobei die Verstärkungsfasern 22 im Bereich des Grundkörpers 12 in Längsrichtung L des Grundkörpers 12 verlaufen und die Teile 22a, 22b der Verstärkungsfasern des Verstärkungsfaserbündels 18 im Übergangsbereich zwischen Grundkörper 12 und Befestigungsabschnitt 14, genauer in den Aussparungen 34 des Einsatzes 24, gekreuzt werden, während ein weiterer Teil 22c der Verstärkungsfasern ohne Überkreuzung seitlich am Einsatz 24 entlanggeführt wird.
  • Das auf diese Weise gewickelte Verstärkungsfaserbündel 18 wird in die Kunststoffmatrix 20 eingebettet und diese wird ausgehärtet. Um eine noch höhere Stabilität zu erreichen, werden die Kreuzungsstellen 40 der Verstärkungsfasern 22 verpresst, vorzugsweise durch Aushärten des Faserverbundkörpers 10 in einem Werkzeug.
  • Der Einsatz 24 und insbesondere die Aussparungen 34 sowie die stiftartigen Fortsätze 36 dienen beim Wickeln des Verstärkungsfaserbündels 18 zur Führung der Verstärkungsfasern 22 und zur Erzeugung der Kreuzungsstellen 40.
  • Alternativ zur gezeigten Ausgestaltung mit dem Einsatz 24, der natürlich im zweiten, in den 3 und 4 nicht gezeigten Befestigungsabschnitt 14 gleichermaßen vorhanden ist, kann auch eine entsprechende Wickelvorrichtung verwendet werden, die entsprechende „Wickelhilfen“ (z.B. in Form von Stiften) aufweist, welche den gewünschten Faserverlauf der Verstärkungsfasern 22 ermöglichen. In diesem Fall wird das gewickelte Verstärkungsfaserbündel 18 an ein Werkzeug übergeben und dort ausgehärtet, wobei jedoch zuvor die Wickelhilfe entfernt wurde. Vorzugsweise wird hierbei mit schon imprägnierten Verstärkungsfasern gewickelt.
  • Der erfindungsgemäße Faserverbundkörper 10 zeichnet sich durch eine hohe Stabilität aus, ist deutlich leichter als Streben aus Stahl oder Aluminium und im Vergleich zu Faserverbundkörpern mit geflochtenen Verstärkungsfasern deutlich kostengünstiger in der Herstellung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010053850 A1 [0002]

Claims (14)

  1. Faserverbundkörper, insbesondere Strebe, mit einem vorzugsweise länglichen Grundkörper (12) und wenigstens einem eine Befestigungsöffnung (16) aufweisenden Befestigungsabschnitt (14) zur Befestigung des Faserverbundkörpers (10) an einem Nachbarteil, wobei ein Verstärkungsfaserbündel (18) vorgesehen ist, das die Faserverstärkung sowohl des Grundkörpers (12) als auch des Befestigungsabschnitts (14) bildet und dessen Verstärkungsfasern (22) im Bereich des Grundkörpers (12) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich zwischen Grundkörper (12) und Befestigungsabschnitt (14) zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern (22a, 22b) den Bündelverlauf verlässt und sich mit anderen Verstärkungsfasern (22b, 22a) kreuzt.
  2. Faserverbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsfaserbündel (18) durch Wickeln erzeugt ist.
  3. Faserverbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt (14) einstückig mit dem Grundkörper (12) ausgebildet ist.
  4. Faserverbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt (14) ein Endabschnitt ist, insbesondere dass zwei entgegengesetzte Endabschnitte vorgesehen sind.
  5. Faserverbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreuzungsstellen (40) der Verstärkungsfasern (22a, 22b) verpresst sind, insbesondere durch Aushärten des länglichen Faserverbundkörpers (10) in einem Werkzeug.
  6. Faserverbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Befestigungsabschnitt (14) einen Einsatz (24) aufweist, um den herum die Verstärkungsfasern (22, 22a, 22b, 22c) geführt sind.
  7. Faserverbundkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (24) zumindest eine Aussparung (34) aufweist, durch die sich die sich kreuzenden Verstärkungsfasern (22a, 22b) erstrecken, wobei sich die Verstärkungsfasern (22a, 22b) in der Aussparung (34) selbst kreuzen.
  8. Faserverbundkörper nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (24) einen die Befestigungsöffnung (16) umgebenden Hülsenabschnitt (26) aufweist, der insbesondere mit zwei seitlichen Begrenzungsscheiben (28) versehen ist.
  9. Faserverbundkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (24) einen an den Hülsenabschnitt (26) angrenzenden, in Richtung des Grundkörpers (12) weisenden Dornabschnitt (30) aufweist, in dessen Bereich ein Teil der Verstärkungsfasern (22a, 22b) miteinander gekreuzt ist.
  10. Faserverbundkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dornabschnitt (30) wenigstens einen an seinem grundkörperseitigen Ende angeordneten stiftartigen Fortsatz (36) aufweist, der einen Teil der Verstärkungsfasern (22a, 22b) in zwei Gruppen aufteilt, die miteinander gekreuzt sind.
  11. Faserverbundkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der wenigstens eine stiftartige Fortsatz (36) senkrecht zur Längsrichtung (L) des Grundkörpers (12) erstreckt.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkörpers (10), insbesondere einer Strebe, mit einem vorzugsweise länglichen Grundkörper (12) und wenigstens einem eine Befestigungsöffnung (16) aufweisenden Befestigungsabschnitt (14), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Wickeln eines Verstärkungsfaserbündels (18), dessen Verstärkungsfasern (22) im Bereich des Grundkörpers (12) in Längsrichtung (L) des Grundkörpers (12) verlaufen; b) Kreuzen zumindest eines Teils der Verstärkungsfasern (22a, 22b) des Verstärkungsfaserbündels (18) in einem Übergangsbereich zwischen Grundkörper (12) und Befestigungsabschnitt (14); c) Einbetten des Verstärkungsfaserbündels (18) in eine Kunststoffmatrix (20); und d) Aushärten der Kunststoffmatrix (20).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreuzungsstellen (40) der Verstärkungsfasern (22a, 22b) verpresst werden, insbesondere durch Aushärten des Faserverbundkörpers (10) in einem Werkzeug.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich des Befestigungsabschnitts (14) ein Einsatz (24) angeordnet wird, um den herum die Verstärkungsfasern (22, 22a, 22b, 22c) beim Wickeln geführt werden und mit dessen Hilfe ein Teil der Verstärkungsfasern (22a, 22b) gekreuzt wird.
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