DE1771268C3 - Verfahren zur Herstellung von gebogenem Glas - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von gebogenem GlasInfo
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Description
Die bekannten Verfahren zum Biegen von Glasscheiben zur Herstellung von beispielsweise Windschutzscheiben
werden in der Weise durchgeführt, daß das Glas bei hohen Temperaturen gebogen und dann durch
eine Wärmebehandlung, die als Härten bezeichnet wird, thermisch vorgespannt wird. Diese Behandlung muß
nach dem Biegen durchgeführt werden, da es nicht möglich ist, thermisch vorgespanntes Glas noch zu
biegen. Bei der Durchführung des thermischen Vorspannens besteht jedoch in einem beträchtlichen Ausmaße
die Gefahr, daß das Glas deformiert wird oder sich seine optischen Eigenschaften verschlechtern.
Aus der US-PS 32 87 201 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit von Glasgegenständen bekannt,
bei dessen Durchführung die Alkalimetallionen in der Oberfläche des Glases durch kleinere elektropositive
Metallionen ersetzt werden, während das Glas auf einer Temperatur oberhalb seiner unteren Entspannungstemperatur
gehalten wird, worauf die Temperatur des Glases auf einen Wert unterhalb der unteren
Entspannungstemperatur abgesenkt wird und dann die kleineren elektropositiven Metallionen durch größere
elektropositive Metallionen ersetit werdea Es wird angegeben, daß dieser Ionenaustausch zusätzlich zu
einem Biegen des Glases bei einer Temperatur oberhalb der unteren Entspannungstemperatur durchgeführt
werden kann.
Die bekannten Verfahren sind mit dem Nachteil behaftet, daß das Biegen bei hohen Temperaturen
oberhalb der unteren Entspannungstemperatur des Glases durchgeführt werden muß, so daß einerseits ein
hoher Energiebedarf erforderlich ist und andererseits die verwendeten Biegevorrichtungen aufgrund der
hohen Temperaturen einem schnellen Verschleiß unterliegen. Außerdem besteht bei höheren Temperaturen
die Gefahr, daß die Glasqualität verschlechtert wird.
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein
Verfahren zur Herstellung von gebogenem Glas zu schaffen, das in wirtschaftlicher Weise bei tieferen
Temperaturen als die bisher bekannten Glasbiegeverfahren durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Herstellung von gebogenem Glas,
insbesondere gebogenen Glasscheiben, mit bleibender Verformung durch chemisches Vorspannen und Biegen
des Glases dadurch gelöst, daß man durch chemisches Vorspannen die mechanische Festigkeit des Glases
erhitzt und dann Biegekräfte auf das Glas ausübt, wobei die Zähigkeit des Glases beim Biegen zwischen 1010 und
10" Poise liegt Das chemische Vorspannen ist die bekannte Maßnahme, Atome, Moleküle oder Ionen aus
einem Kontaktmedium in das Glas einzubringen.
Beispielsweise wird dieses chemische Vorspannen in der vorstehend erwähnten US-PS 32 87 201 beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf beliebige Glasformen, wie Glasbänder, Glasscheiben, Röhren,
■> Flaschen anwenden.
Beispielsweise wird das Biegen innerhalb eines Zähigkeitsbereiches des Glases zwischen ΙΟ1··5 und ΙΟ1«
durchgeführt
Beispielsweise bestehen die erfindungsgemäß zu
Beispielsweise bestehen die erfindungsgemäß zu
ίο biegenden Glasgegenstände aus einem Glas mit
herkömmlicher Zusammensetzung, beispielsweise aus gewöhnlichem Soda-Kalk-Glas. Der Transformationsbereich
eines derartigen Glases entspricht etwa einem Temperaturbereich von 600 bis 4000C Die Erfindung
läßt sich jedoch auch auf andere Glassorten anwenden, beispielsweise auf Lithiumsilikatgläser oder auf kompliziertere
Lithium-Silikoaluminat-Gläser, die alle che-, misch durch Ersatz von Lithiumionen durch Natrium-
und/oder Kaliumionen in den Oberflächenschichten vorgespannt werden können.
Es war nicht zu erwarten, daß anschließend an ein
chemisches Vorspannen ein Biegen bei Temperaturen möglich ist, die deutlich unterhalb der bisher zum Biegen
erforderlichen Temperatur liegen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird daher eine erhebliche
Energieersparnis erzielt Außerdem unterliegen die zu seiner Durchführung eingesetzten Vorrichtungen aufgrund
der geringeren Temperaturbelastung: einem geringeren Verschleiß, wobei außerdem nicht die
jo Gefahr besteht daß die Glasqualität durch zu hohe
Temperaturen in nachteiliger Weise beeinflußt wird.
Erfindungsgemäß kann man auf die verschiedenen bekannten chemischen Vorspannungsverfahren: zurückgreifen.
Zur Durchführung des Ionenaustauschs kann
ν·, man das Glas bei einer entsprechend hohen Temperatur
in ein Bad aus geschmolzenem Salz oder in eine Salzlösung eintauchen. Beispielsweise werden Soda-Kalksilikat-Glasscheiben
in einem Bad aus geschmolzenen Kalisalzen bei einer Temperatur in der Nähe des unteren Ende des Transformationsbereiches, zum
Beispiel bei 5000C und darunter, vorgespannt Dabei werden Natriumionen durch die wesentlich größeren
Kaliumion&n ersetzt Man kann jedoch auch die Ionen in
das Glas aus einem gasförmigen Medium diffundieren,
T> beispielsweise aus einer Wasserstoffatmosphäre oder
aus einer Atmosphäre aus überhitztem Dampf, die mit dem Glas in Berührung steht Ferner kann man auf das
Glas auf einer oder auf beiden Seiten eine Schicht aufbringen, die beispielsweise im wesentlichen aus
Kohlenstoff oder einem Metall, wie Silber, Zinn oder Blei, besteht oder ein derartiges Element enthält Ferner
kann die Schicht aus einem geschmolzenen Salz bestehen. Nach dem Diffusionsvorgang können die
Schichten an dem Glas bleiben oder entfernt werdea
Der Diffusionskoeffizient steigt mit zunehmender Temperatur an. Beispielsweise ist der Diffusionskoeffizient
von Kalium in einem Soda-Kalk-Glas bei 5O0°C zehnmal größer als bei 400°C. Es ist daher vorteilhaft
die Temperatur in der Nähe der oberen Grenze des
bo Bereichs zu halten, der für das gewählte chemische
Vorspannverfahren zulässig ist Beispielsweise steigt die
mechanische Zugfestigkeit des Soda-Kalksilikat-Glases, die anfänglich bei 5 bis 10 kg/mm2 liegt, in sehr kurzer
Zeit auf 100 bis 150 kg/mm2 an, wenn das Glas zum chemischen Vorspannen in einem Bad aus Kaliumsalzen
bei einer Temperatur von etwas unter 5000C gehalten wird. Nach einer derartigen Steigerung der Festigkeit
können innerhalb des Transformationsbereiches be-
trächtliche Biegekräfte auf das Glas einwirken, ohne
daß dieses dabei bricht
Erfindungsgemäß kann das Biegen des Glases zu jedem beliebigen Zeitpunkt vorgenommen werden,
nachdem eine Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Oberflächenschichten des Glases durch chemisches
Vorspannen erfolgt ist Ist das Glas nach dem Vorspannen abgekühlt worden, kann die Temperatur in
jeder beliebigen Weise, beispielsweise in einem Ofen oder durch Eintauchen in ein Heizbad, auf einen Wert
erhöht werden, welcher dem angegebenen Zähigkeitsbereich von 1010 bis 1015 Poise entspricht Vorzugsweise
wird jedoch das Glas möglichst schnell wieder erwärmt, um jede Möglichkeit eines Spannungsausgleiches
auszuschalten.
Das Ausmaß, bis zu welchem die mechanische Festigkeit des Glases durch chemisches Vorspannen vor
dem Biegen erhöht wird, hängt von der Größe der einwirkenden Kräfte und damit von der Dicke des zu
biegenden Glasgegenstandes und dem Ausmaß der später gewünschten Durchbiegung ab. Reich t eine durch
chemisches Vorspannen erzielte mechanische Festigkeit für die Verwendungszwecke des Glases nicht aus, dann
kann man nach dem Biegen durch weiteres chemisches Vorspannen die Festigkeit steigern. Es kann zweckmäßig
sein, eine erste Stufe des chemischen Vorspannens bei einer Temperatur in der Nähe der oberen Grenze
des für das gewählte Vorspannverfahren zulässigen Temperaturbereichs durchzuführen und die zweite
Stufe des Vorspannens nach dem Biegen des Glasgegenstandes bei einer tieferen Temperatur auszuführen.
Durch die tiefere Temperatur beim zweiten Vorspannen ist in geringerem Maße die Möglichkeit eines
Spannungsausgleichs als bei höheren Temperaturen gegeben, welche in der ersten Stufe deshalb zweckmäßig
sind, weil durch sie die mechanische Festigkeit sehr
schnell auf einen Wert erhöht wird, durch den das Biegen ermöglicht wird. Beispielsweise kann in der
ersten Stufe des Vorspannens, während welcher Ionen im Glas durch größere Ionen ersetzt werden, die
Temperatur unterhalb, jedoch in der Nähe der Temperatur gehalten werden, bei der die Zähigkeit des
Glases 1013·2 Poise beträgt, während in der zweiten Stufe
eine tiefere Temperatur eingehalten werden kann. Bei einem Soda-Kalk-Glas mit einer hohen Entspannungstemperatur von 5000C kann die erste Stufe des
Vorspannens etwas unter 500° C vorgenommen werden, während die zweite Stufe im Bereich von 45O0C
durchgeführt wird.
Das Biegen der Glasgegenstände, beispielsweise Glasscheiben, kann durch Verpressen zwischen formgebenden
Teilen erfolgen. Ferner kann man zum Verbiegen einer Glasscheibe den Rand der Scheibe
einem Druck aussetzen, während die Scheibe auf einer Form mit bestimmter Gestalt aufliegt Vorzugsweise
sollte bei der Auslegung der formgebenden Teile ein Korrekturfaktor berücksichtigt werden, der eine verzögerte
Elastizität des Glases zuläßt und abermäßig lange Behandlungszeiten vermeidet Die Auswirkung der
verzögerten Elastizität ändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur. Beispielsweise liegen die bei der
Auslegung von Formen anzuwendenden Korrekturfaktoren je nach Temperatur zwischen 5 und 10%.
Die mechanische Festigkeit wird insbesondere durch die Behandlung bei geringer Temperatur verbessert
Zusätzlich sind die niedrigen Temperaturen auch hinsichtlich der Verringerung der an die Formen zu
stellenden Anforderungen günstig. Die Werkzeuge, die zur Aufnahme von Glasscheiben während des thermischen
Vorspannens benötigt werden, sind sehr teuer. Sie müssen den hohen Temperaturen widerstehen können,
die das Glas beim thermischen Vorspannen aufweisen muß, und sie müssen bei diesen Temperaturen noch eine
hohe mechanische Festigkeit besitzen. Weiterhin ergeben sich noch beträchtliche Probleme aus der
Neigung des Glases, an den Formen anzuhaften. Es sind
bereits Versuche unternommen worden, irgendwelche
ι u Materialien zwischen Glas und Form einzulegen, um das
möglich zu verhindern, jedoch sind diese Versuche bisher unbefriedigend verlaufen.
ren gemäß der Erfindung können aus einer Vielzahl von
Materialien hergestellt sein. Im allgemeinen müssen die Formen nur Temperaturen von maximal 5000C
aushalten. Dazu können verschiedene Stähle benutzt werden. Als Beispiel sei ein austenitischer Stahl 18/8
(18% Nickel, 8% Chrom) genannt der einen geringen Kohlenstoffgehalt von beispielsweise 0,02% besitzt Es
steht jedoch außerdem noch ein weiter Bereich von Materialien zur Verfügung. Da die Auswirkungen der
Zunderung durch Oxydation beträchtlich verringert werden, wird auch die Berührung mit dem Glas
verbessert Bei den geringeren Temperaturen stellt das Anhaften kein so schwerwiegendes Problem mehr dar,
so daß auf die Zwischenlage von besonderen Materialien zwischen Glas und Form üblicherweise verzichtet
μ werden kann.
Die günstigste Temperatur, bei der das Biegen vorgenommen wird, und die Geschwindigkeit mit der
das Glas gebogen wird, sind Faktoren, die sich von Fall zu Fall ändern. Beispielsweise kann die Biegezeit
zwischen einigen Sekunden und mehreren Stunden liegen, je nach dem Ausmaß der Verformung oder der
herzustellenden Gestalt, z. B. einer Glasscheibe und
nach den Glaseigenschaften.
wieder, die die Zeiten veranschaulichen, welche zum dauerhaften Biegen einer Glasscheibe von
lmxlmx 0,004 m Größe erforderlich sind, die die im
später erläuterten Beispiel 1 angegebene Zusammensetzung aufweist und in ein Bad von K^Cr2O? eingetaucht
war. Die Biegekräfte werden durch einen Träger aufgebracht der parallel zu zwei Kanten der Scheibe
liegt die auf zwei anderen in Längsrichtung verlaufenden Trägern aufliegen.
IU Temperatur |
Biegemoment | Zeitdauer | Durchbiegung |
0C | kpm | min | % |
480 | 7,5 | 30 | 0,8 |
55 480 | 20,0 | 30 | 15,0 |
480 | 30,0 | 18 | 15,0 |
500 | 30,0 | 120 | 30,0 |
In allen diesen Fällen findet das Biegen bei einer bo verhältnismäßig niedrigen Temperatur statt, verglichen
mit den bekannten Verfahren. Einige Gläser können mit Hilfe des Verfahrens gemäß der Erfindung bei einer
sehr niedrigen Temperatur gebogen werden, z. B. schon bei etwa 250° C.
Es ist beim chemischen Vorspannen von Glas bereits bekannt, daß die besten Ergebnisse erzielt werden,
wenn die Glasoberflächen und/oder -ränder einer Vorbehandlung unterworfen werden, bei der Oberflä-
chenanrisse entfernt werden. Eine solche Behandlung kann, falls es erforderlich erscheint, vor Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgenommen werden und ist von besonderem Vorteil. Eine an sich
bekannte, geeignete Behandlung ist die mit Flußsäure.
Einige Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen, wie sie zum Durchführen des erläuterten erfindungsgemäßen
Verfahrens bei Anwendung auf Glasscheiben benutzt werden können, sind in der Zeichnung
schematisch dargestellt und werden im folgenden im einzelnen erläutert.
F i g. 1 ist eine Seitenansicht einer Biegevorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig.2 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der Vorrichtung der F i g. 1 nach der Linie H-II;
F i g. 3 zeigt die Ansicht einer weiteren Ausführungsform.
Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Einrichtung weist eine Einzellaufschiene 1 auf, an der eine Kranlaufkatze 2
auf Rollen 3 läuft Ein Kabel 4, das an der Katze angebracht ist, trägt einen Schwinghebel 5 mit Zungen
6, die eine Glascheibe 7 in einem Salzbad 8 halten, beispielsweise Kaliumnitrat, das in einem Tank 9
enthalten ist und durch elektrische Widerstände 10 aufgeheizt wird.
Nach einer geeigneten Eintauchzeit wird die Scheibe 7 aus dem Bad herausgenommen und eben auf eine
Form 11 aufgelegt, die mit Rädern 12 versehen ist,
welche auf Schienen 13 laufen. Diese Form kann mit der darauf liegenden, chemisch vorgespannten Glasscheibe
in einen Ofen 14 eingeschoben werden, in dem die Form und die Glasscheibe gestrichelt bei 11' und T angedeutet
sind.
Der Ofen 14 weist eine Ummantelung 15 auf, die mit einer Einlaßöffnung 16 und einer Auslaßöffnung 17
versehen ist Jede dieser Öffnungen kann durch ein Falltor 18 verschlossen werden, das an einem Kabel 19
hängt welches über eine an einem Rahmen 21 angebrachte Rolle 20 läuft und am anderen Ende mit
einem Gegengewicht 22 versehen ist Lager 23, die an den vier Ecken des Ofenrahmens angebracht sind,
tragen vier Gewindespindeln 24, die in Gewinde in horizontal liegenden Trägern 25 einfassen, wie es F i g. 2
zeigt Diese Träger sind als Rohre mit quadratischem Querschnitt ausgebildet und können durch Drehen der
Spindeln 24 in der einen oder anderen Richtung angehoben oder abgesenkt werden. Die Spindeln sind
durch eine Rollenkette 27 miteinander verbunden, die über Ritzel 26 auf den Spindeln geführt ist und durch ein
Schwungrad 28 betätigt wird.
Der Ofen wird durch nicht dargestellte elektrische Widerstände geheizt Selbstverständlich können auch
andere Heizeinrichtungen verwendet werden.
Zwischen den Trägern 25 werden in Querrichtung liegende Andrückelemente 29 mittels Endzapfen 30
schwenkbar gehalten. Diese Zapfen fassen in Öffnungen
in den Trägern 25 ein. Vorzugsweise ist eine Mehrzahl derartiger Öffnungen vorgesehen, um die Lage der
Andrückelemente an unterschiedliche Scheibengrößen anpassen zu können. Wenn eine Glasscheibe auf der
Form 11 in den Ofen eingebracht und auf eine geeignete
Temperatur aufgeheizt worden ist, werden die Träger 25 abgesenkt, um die Andrückelemente 29 in Anlage an
die Randzonen der Scheibe zu bringen. Dann werden die Träger 25 während einer gewissen Zeitdauer
langsam weiter abgesenkt, so daß die Andrückelemente die Enden der Scheibe nach unten drücken und dadurch
fortschreitend die Scheibe mit einer der Form entsprechenden Krümmung versehen. Die Länge der
für diesen Biegevorgang erforderlichen Zeit hängt u. a. von der Temperatur der Glasscheibe ab. Anschließend
werden die Träger 25 und die Andrückelemente wieder angehoben, und die Form wird bis zur Stellung 31
vorgeschoben. Die gebogene Glascheibe wird mittels der Laufkatze von der Form abgehoben und in ein Bad
32 eines geschmolzenen Salzes eingetaucht, das sich in einem Tank 33 befindet und zum weiteren chemischen
κι Vorspannen dient.
Die in F i g. 3 dargestellte, abgeänderte Ausführungsform weist einen Rahmen auf, der eine rechteckige
Plattform 34 mit Ständern 35 an jeder Ecke besitzt. Diese Ständer sind oben mit Ringen 36 versehen, mil
is denen die Vorrichtung über Kabel 37 an einen Kran
gehängt werden kann, der dem Kran in F i g. I entspricht
Die Plattform 34 trägt eine konkave Unterform 38. Eine damit zusammenwirkende konvexe Oberform 39
in wird von einer Platte 40 getragen, in deren Endteilen 41
men mit einem ersten Tank zum chemischen Vorspannen ähnlich dem Tank 9 in F i g. 1 benutzt Nachdem in
diesem Tank eine Glasscheibe chemisch vorgespannt worden ist wird die Scheibe eben auf die Unterform 38
aufgelegt, wie es F i g. 3 zeigt während die Oberform
jo auf der Scheibe aufliegt Über die Führungsstangen 42
werden Gewichte 43 geschoben, die auf der Platte 40 aufliegen und den erforderlichen Druck für den
und der Formen wird dann in ein Bad 44 eines geschmolzenen Salzes abgesenkt, das sich in einem
Tank 45 befindet. Das Salz wird durch elektrische Heizwiderstände 10 im geschmolzenen Zustand gehalten.
Die Formen und die Glasscheibe bleiben so lange untergetaucht in der Schmelze, bis sich die Scheibe der
Form angepaßt hat
Der Rahmen wird anschließend angehoben, und es wird in einem dritten Bad das chemische Vorspannen
fortgesetzt wobei die Scheibe zwischen den Formteilen verbleibt
Auf das erste Bad kann verzichtet werden, wenn das chemische Vorspannen im Bad 44 vor dem Biegen der
Scheibe vorgenommen wird. Zu diesem Zweck kann die Unterform mit der darauf liegenden Glasscheibe in das
so Bad abgesenkt werden, während die Oberform erst dann in ihre richtige Lage gebracht wird, wenn das
erforderliche Ausmaß an chemischer Vorspannung erreicht ist Das sich an den Biegevorgang anschließende
chemische Vorspannen kann ebenfalls im selben Bad
vorgenommen werden, wozu nur die Oberfonn
abgenommen wird, nachdem die Scheibe die Gestalt der
weitere Zeit im Bad verbleibt
dargestellt sind, können selbstverständlich auch beim
Biegen einer Glasscheibe in einem Ofen verwendet werden.
Im folgenden sollen noch einige Beispiele für Verfahren gemäß der Erfindung gegeben werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wurde zum Biegen einer Glasscheibe benutzt, deren Maße
I m χ 1 m κ 0,004 m betrugen, und die in Gewichtsteilen
die folgende Zusammensetzung aufwies:
SiO2 | 70% |
Na2O | 12% |
CaO | 10% |
MgO | 3% |
Fe2O3 | Spuren |
Al2O3 | 5% |
Die Zähigkeit eines solchen Glases beträgt bei 510",
540° und 620°C 10'5, 10" bzw. 10'° Poise. Die Glasscheibe wurde chemisch vorgespannt durch Eintauchen
in ein Bad geschmolzenen Salzes mit der Zusammensetzung 58% NaCl, 40% NaNO3 und 2%
LiNO3 (Gewichtsprozente) für eine Dauer von 15 min bei einer Temperatur von 580° C.
Nach dem Herausnehmen der Scheibe aus dem Bad durfte die Temperatur auf 520° C absinken, und es wurde
dann während einer Zeit von 5 min durch fortschreitendes Biegen der Scheibe eine bleibende Durchbiegung
von 10% erzielt. Die gleiche Biegung kann bei 450" C erhalten werden, jedoch muß in diesem Fall die Zeit,
während welcher die Biegekräfte angewandt werden müssen, auf eine halbe Stunde heraufgesetzt werden.
Eine Glasscheibe, deren Abmessungen und Zusammensetzung denen des ersten Beispiels entsprachen,
wurde in der im Beispiel 1 geschilderten Weise chemisch vorgespannt. Unmittelbar nach dem Heraus-
ι ο
ziehen der Scheibe aus dem Bad wurde bei einer Temperatur von 560° C durch fortschreitendes Biegen
während einer Zeit von 3 min der Scheibe eine bleibende Durchbiegung von 10% erteilt.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wurde zum Biegen einer Borsilikatglasscheibe mit den Maßen
0,2 m χ 0,5 m χ 0,003 m benutzt, die die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozenten aufwies:
SiO2 | 60% |
Na2O | 12% |
CaO | 10% |
MgO | 6% |
B2O3 | 6% |
F2O5 | 1% |
AI2O3 - | 5% |
Die Glasscheibe wurde chemisch vorgespannt durch Eintauchen in ein Bad geschmolzenen Salzes mit der
Zusammensetzung 40% KNO3, 30% KCl und 30% NaNO3 (Gewichtsprozente) für eine Dauer von 30 min
bei 480° C.
Nach den 30 min wurden Biegekräfte auf die Scheibe aufgebracht, die noch bei 480° C im Bad verblieb, und es
wurde durch fortschreitendes Biegen während 30 min eine Durchbiegung von 5% erzielt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Herstellung von gebogenem Glas, insbesondere gebogenen Glasscheiben, mit bleibender Verformung durch chemisches Vorspannen und Biegen des Glases, dadurch gekennzeichnet, daß man durch chemisches Vorspannen die mechanische Festigkeit des Glases erhöht und dann Biegekräfte auf das Glas ausübt, wobei die Zähigkeit des Glases beim Biegen zwischen 1010 und 1015 Poise liegt
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1967
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