DE19941924B4 - Großflächiges Flugzeugstrukturbauteil und Verfahren zur Herstellung des Flugzeugstrukturbauteils - Google Patents

Großflächiges Flugzeugstrukturbauteil und Verfahren zur Herstellung des Flugzeugstrukturbauteils Download PDF

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Abstract

Bei einem großflächigen Strukturbauteil (1) für ein Flugzeug, welches aus mindestens einem Hautfeld besteht, besteht die Erfindung darin, daß das Hautfeld (1A) aus einer Vielzahl von Blechteilen (21, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44, 45, 51, 52, 53) gebildet ist, wobei die Blechteile entsprechend den Anforderungen und Belastungen in Material und Dicke auswählbar und mittels Schweißfügeverfahren verbindbar sind. Verfahren zur Herstellung eines großflächigen Strukturbauteils sowie zur Herstellung von Profilteilen bzw. Strukturelementen sind ebenfalls angegeben. DOLLAR A Es ist nunmehr möglich, daß Hautbleche nicht mehr in den größtmöglichen Abmessungen verwendet werden, die dann mit aufwendigen Verfahren zusätzlich verstärkt bzw. Blechdicke abgetragen werden muß, um ein gewichtssparendes Strukturbauteil zu erzielen. Es können kleinere Hautbleche, die im Fertigungsverfahren einfacher zu handhaben sind, mit Stringern und Spantsegmenten zu großen Schalen zusammengefügt werden. So können insbesondere Rumpfschalen in einer Größe gefertigt werden, die mit bisherigen Fertigungsvorrichtungen noch nicht möglich sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein großflächiges Flugzeugstrukturbauteil, welches aus mindestens einem Hautfeld besteht und ein Verfahren zur Herstellung des großflächigen Flugzeugstrukturbauteils.
  • Bei der derzeitigen Fertigung von großflächigen Strukturbauteilen, insbesondere Rumpfschalen für ein Flugzeug, werden Hautbleche bzw. Hautfelder mit Abmessungen von ca. 2,5 m × 10 m verwendet. Es wird für die Herstellung der Rumpfschale die maximal mögliche Größe verwendet, um die Anzahl der Längs- und Quernähte und damit das Gewicht des Flugzeugrumpfes zu minimieren. Die Minimierung des Strukturgewichtes spielt im Flugzeugbau bezüglich des Energiebedarfes und daher für die Wirtschaftlichkeit eines Flugzeuges eine wichtige Rolle. Eine Gewichtsminimierung bedingt eine strukturmechanische Optimierung und somit sind die Hautbleche je nach Beanspruchung unterschiedlich dick ausgeführt. Beispielsweise können Αufdickungen am Hautblech im Bereich der Stringeranbindung notwendig sein. Die unterschiedlichen Dickenbereiche des Hautbleches werden derzeit üblicherweise durch eine Blech/Blech- Vernietung oder Blech/Blech-Klebung oder mechanisches Fräsen oder durch Chemisch-Abtragen erzeugt. Das Chemisch-Abtragen eines Hautblechs erfolgt durch Maskieren der Bleche, Schneiden und partielles Entfernen der Maske und chemisches Abtragen der freigelegten Fläche. Die Hautbleche werden zu sogenannte Halbschalen zusammengefügt, wobei als Fügeverfahren sowohl das Nieten als auch das Kleben eingesetzt wird. Vor dem Nietvorgang werden die Bleche und Stringer zum Oberflächenschutz anodisiert, grundiert, an den Fügeflächen mit Aktivator gereinigt und mit einer Flächendichtung versehen. Anschließend werden die Stringer angepasst und mit Heftnieten fixiert. Das Nieten erfolgt automatisch, wobei an den Fügestellen Dichtmittel austritt, die eine Dichtraupe bildet, welche per Hand zu glätten ist und durch eine Schutzschicht gegen aggressive Medien geschützt werden muss. Beim Kleben werden Hautbleche und Doppler durch Konturfräsen aus Halbzeugtafeln hergestellt. Die Stringer sind Blechprofile oder Strangpressprofile, welche abgelängt und anschließend umgeformt werden. Vor dem Klebevorgang erhalten die Einzelteile eine spezielle Klebevorbehandlung. Sie werden entfettet, gereinigt, gebeizt, in Chromsäure anodisiert und anschließend geprimert. Für das Kleben werden die Klebeflächen mit einer Klebefolie versehen, die Einzelteile zusammengelegt und mit Fixierschrauben geheftet. Im Autoklaven wird der Klebstoff unter Temperatur-, Druck- und Zeiteinfluss gehärtet. Danach muss das Bauteil gereinigt werden und als Korrosionsschutz mit einer Dichtmittelraupe und wiederum mit einer Schutzschicht versehen werden.
  • Dieser recht aufwendige Fertigungsablauf zur Herstellung einer Rumpfschalenstruktur ist näher in den VDI-Fortschrittsberichten, Reihe 2: Fertigungstechnik Nr. 326 Dissertation 07/94 von Dipl.-Ing. Peter Heider „Lasergerechte Konstruktion und lasergerechte Fertigungsmittel zum Schweißen großformatiger Strukturbauteile", S. 3 bis 5 beschrieben.
  • In dieser Druckschrift ist ebenfalls das Laserstrahlschweißverfahren zum Herstellen von großformatigen Strukturbauteilen beschrieben, wobei auf S. 42 ff. des Berichts mögliche Bauweisen eines Strukturbauteils aufgezeigt werden. Bei allen Bauweisen wird aber immer von einem vorhandenen Hautfeld ausgegangen, welches – wie bereits beschrieben – an entsprechenden Stellen aufgedickt bzw. abgetragen werden muss und die größtmöglichen Abmessungen aufweisen sollte, um die notwendigen Längs- und Querstöße und damit das Gewicht zu minimieren.
  • In US 3 023 860 ist eine Rumpfkonstruktion in hüllenartiger Form beschrieben, die aus Metallblechen aufgebaut ist. Die Metallbleche sind beispielsweise spiralförmig gewickelt und bilden eine mehrlagige Struktur, wobei vorzugsweise ein Flugzeugrumpf derartig aufgebaut sein kann. Gemäß Sp. 4, Z. 73ff. werden die Verbindungen der Metallbleche durch überlappende Kanten und ein Verschweißen dieser Überlappungen hergestellt. Das Verbinden der Überlappungsbereiche erfolgt mittels Punktschweißen. Derartig geschweißte Verbindungen sind jedoch korrosionsanfällig, da Feuchtigkeit in diesen Bereich eintreten und eine ausreichende Festigkeit über einen langen Zeitraum nicht gewährleistet werden kann. Somit sind sie für Luftfahrtstrukturen, die eine Lebensdauer von mindestens 25 Jahren erreichen müssen, nicht einsetzbar. Schweiß-Fügeverbindungen gemäß der US 3 023 860 wurden zum Herstellen von Strukturbauteilen für die Luftfahrt in der industriellen Anwendung nicht verwendet und bei der Flugzeugrumpffertigung ist die vorgenannte Niettechnologie in großem Umfang im Einsatz.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein großflächiges Flugzeugstrukturbauteil zu schaffen, welches mit einem kostengünstigen und wirtschaftlichen Fertigungsverfahren herstellbar ist, wobei Fertigungsvorrichtungen in großen Abmessungen zu vermeiden sind und das notwendige Einbringen von Verstärkungen auf das Hautblech durch Einbringen von zusätzlichen Blechlagen mittels Nieten oder Kleben bzw. das Abtragen von Blechdicken (mechanisch oder chemisch) zu minimieren sind. Das Strukturbauteil ist gewichtsoptimiert auszubilden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils ist im Anspruch 9 angegeben.
  • Dabei ist insbesondere von Vorteil, dass die Hautbleche nicht mehr in den größtmöglichen Abmessungen verwendet werden, die dann mit aufwendigen Verfahren zusätzlich verstärkt bzw. Blechdicke abgetragen werden muss, um ein gewichtssparendes Strukturbauteil, insbesondere eine Rumpfschalenstruktur zu erzielen.
  • Es können kleinere Hautbleche, die im Fertigungsverfahren auch einfacher zu handhaben sind, mit Stringern und Spantsegmenten zu großen Schalen zusammengefügt wer den. So können insbesondere Rumpfschalen in einer Größe gefertigt werden, die mit bisherigen Fertigungsvorrichtungen nicht möglich sind.
  • Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 sowie 10 bis 14 angegeben.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es wird nachstehend anhand der 1 bis 3 näher beschrieben. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigt:
  • 1 eine Darstellung des Fertigungsablaufs bei der Herstellung eines Hautbleches,
  • 1A die Entstehung des Biegemomentes bei Überlappungsverbindungen,
  • 2 eine Darstellung des Fertigungsablaufs bei der Herstellung von Profilteilen, wie Stringer, Clip und Spante und
  • 3 eine erfindungsgemäße Rumpfschalenstruktur.
  • In 1 ist schematisch der Fertigungsablauf zur Herstellung eines großflächigen Strukturbauteils 1 ersichtlich. Das Strukturbauteil 1, insbesondere eine Flugzeugrumpfschale, wird aus mehreren, durch unterschiedliche Dicke bzw. unterschiedliche Materialien gekennzeichneten Halbzeugen 2, 3, 4 und 5 zusammengesetzt. Die Halbzeuge 2, 3, 4 und 5 sind in den Figuren durch eine unterschiedliche Schraffur gekennzeichnet, um die Dicken- bzw. Materialvariationen der einzelnen Bleche darzustellen. Bei der Materialauswahl ist zu beachten, daß eine gute Schweißbarkeit des Werkstoffs gegeben sein muß, was beispielsweise bei Aluminiumlegierungen wie AlMgSiCu, AlMgLi oder AlMgSc gegeben ist. Erfindungsgemäß werden die Hautfelder des Strukturbauteils 1 nur in der Größe zugeschnitten, wie es für die jeweilige Materialdicke notwendig ist. So ist ersichtlich, daß vom Halbzeug 2, d. h. beispielsweise eine Blechrolle mit vorgegebener Breite, Dicke und Material, ein benötigtes Blechteil 21 in der entsprechenden Länge abgeschnitten wird. Ein etwas schmaleres Blechteil 22 wird vom gleichen Halbzeug 2 entnommen und auf die benötigten Maße zugeschnitten. Der Blechzuschnitt von den anderen Halbzeugen 3, 4 und 5 erfolgt in der gleichen Verfahrensweise und es enstehen vom Halbzeug 3 die Blechteile 31, 32, 33, 34, 35, 36 und 37, vom Halbzeug 4 die Blechteile 41, 42, 43, 44 und 45 und vom Halbzeug 5 die Blechteile 51, 52 und 53. Falls es erforderlich ist, können die zugeschnittenen Blechteile jetzt chemisch bzw. mechanisch vorbehandelt oder bearbeitet oder mit Oberflächenschutz versehen werden. So ist es möglich, daß bestimmte Blechteile zu diesem Zeitpunkt chemisch abgetragen werden. Dies ist beispielsweise erforderlich, wenn eine bestimmte Kontur auf einem Blechteil erreicht werden soll oder Verstärkungen für Lasteinleitungspunkte notwendig sind.
  • Vorteilhaft ist an diesem Fertigungsablauf, daß nicht das gesamte Strukturbauteil 1 behandelt bzw. bearbeitet werden muß, sondern die noch nicht zusammengefügten einzelnen Blechteile. Damit ist erreicht, daß die Vorrichtungen zum Transport der Blechteile sowie das chemische Bad nicht der Maximalgröße der Rumpfschale, sondern nur den Abmessungen des größten einzelnen Blechteils entsprechen müssen, was insbesondere die Möglichkeit eines kostengünstigen chemischen Bades sowie dessen verbesserte Auslastung eröffnet.
  • Als weiteren Verfahrensschritt werden nach dem Zuschnitt der Blechteile 21, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44,. 45, 51, 52 und 53 und einer eventuellen chemischen bzw. mechanischen Vorbehandlung die Vielzahl von Blechteilen zu einem großen Hautfeld bzw. Hautblech 1A zusammengeschweißt. Das Zusammenfügen erfolgt vorzugsweise stumpf mittels Laserstrahlschweißen, da mit diesem Verfahren eine hohe Schweißprozeßgeschwindigkeit erreicht werden kann (derzeit bis ca.10 bis 15 m/min) und fehlerarm, verzugsarm und wirtschaftlich gefertigt werden kann. Als ein weiteres Fügeverfahren zum Erzeugen von Stumpfnähten ist das Reibrührschweißen anwendbar, wie es beispielsweise in der Patentanmeldung WO 93/10935 beschrieben ist. Die Stumpfnahtschweißungen werden vorzugsweise dort vorgenommen, wo Dickensprünge aufgrund der Auslegung der Rumpfschale sowieso notwendig sind. Somit kann das Hautfeld 1A mit den notwendigen Dickenanpassungen der einzelnen Blechteile 21, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44,. 45, 51, 52 und 53 optimal den Anforderungen und Belastungsfällen der fertigen Rumpfschale bzw. des fertigen Rumpfes angepaßt werden, wobei zusätzliche Verstärkungen sowie chemisches bzw. mechanisches Abtragen von Material am Hautfeld 1 minimiert werden oder sogar ganz wegfallen können. Die Schweißnahtgeometrie und der Verlauf der Schweißnaht können am Hautfeld 1A bzw. am Strukturbauteil 1 so ausgelegt werden, daß weitere Funktionen ermöglicht werden wie der Einsatz als Rißstopper (auch Dummyschweißnaht genannt). Mit einem Rißstopper wird durch das entsprechende Schweißnahtdesign das Spannungsniveau reduziert und ein möglicher Rißfortschritt im Material wird verzögert. Weiterhin kann das Spannungsniveau von Hautfeldverbindungen positiv beeinflußt werden durch den Entfall des Biegemomentes aus der Längsnahtüberlappung. Zur Erläuterung ist in 1A die Entstehung des Zusatzmomentes bei Überlappungsverbindungen dargestellt. Aufgrund des herrschenden Innendruckes P, der auf die Rumpfschale und den beispielhaft dargestellten Hautfeldern 200 und 300 wirkt, entsteht eine auf die Hautfelder 200 und 300 wirkende Umfangskraft F. Durch die Überlappung von Bereichen der Hautfelder 200 und 300 entsteht ein Hautfeldversatz S. Um diesen Abstand S versetzt greift die Umfangskraft F am entsprechenden Hautfeld 200 bzw. 300 an und es entsteht ein Biegemoment, welches das Spannungsniveau negativ beeinflußt. Mit dem Wegfall von Überlappungsverbindungen tritt somit auch dieses Zusatzmoment mit seinen negativen Wirkungen nicht mehr auf.
  • Nach dem Herstellen des Hautfeldes 1A durch Stumpfnahtschweißungen der einzelnen Blechteile 21, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44,. 45, 51, 52 und 53 ist als letzter Schritt das Biegen bzw. Umformen des Hautbleches 1A zum sphärisch gekrümmten Strukturbauteil 1 vorgesehen. Dieser Umformprozeß ist entsprechend der zu erreichenden Krümmung mit bekannten Umformverfahren, beispielsweise durch Streckziehen und/oder Walzen durchzuführen.
  • In 2 ist schematisch und beispielhaft der Fertigungsablauf für die Herstellung von Profilteilen dargestellt.
  • Die Profilteile werden ebenfalls aus Halbzeugen 6, 7, 8 und 9 zusammengefügt. Die Halbzeuge 6, 7, 8 und 9 bestehen vorzugsweise aus unterschiedlichem Material bzw. unterschiedlichen Dicken, die bedarfsweise zugeschnitten und zusammengefügt werden können. Gezeigt ist beispielsweise ein Profilteil 10, welches aus den Zuschnitteilen 61 und 91 zusammengeschweißt wurde. Ein weiteres Profilteil 11 ist aus den Zuschnitteilen 62 und 81 zusammengefügt. Vor dem Verschweißen ist es möglich, daß die entsprechenden Zuschnitteile 61, 91, 62 und 81 umgeformt oder mechanisch bearbeitet werden. So können ganz individuell Profilteile nach Bedarf hergestellt werden, ohne daß hohe Lagerhaltungskosten für entsprechende Fertigteile entstehen. Aufgrund einer rechnergestützten Fertigung ist es möglich, die entsprechenden Profilgeometrien je nach Bedarf abzurufen und damit beispielsweise für Flugzeugfamilien, deren Profilgeometrien als Daten vorhanden sind, jeweils die benötigten Profilteile wie Spante, Clip, Stringer oder Beschläge zu fertigen. Ersichtlich sind noch weitere Profilteile 12, 13, 14 und 15, wobei erkennbar ist, daß unterschiedliche Profilformen zur Anwendung kommen können.
  • Nach Fertigstellung der Profilteile, die als Spant, Clip und Stringer ausgebildet sind, werden diese für die Herstellung eine Rumpfschale eines Flugzeuges als Verstärkung in das Strukturbauteil 1 eingebracht. Eine fertige Rumpfschale 100 ist ausschnittsweise in 3 dargestellt. Die Rumpfschale 100 weist ein Hautfeld 1C auf, welches beispielsweise aus mehreren Blechteilen gemäß des in 1 beschriebenen Fertigungsverfahrens zusammengefügt wurde. Ersichtlich sind z.B. Stumpfnähte 101 und 102. Weitere Längsstumpfnähte können durch die Anordnung von Stringern auf dem Hautfeld 1C verdeckt werden. Die gemäß dem Fertigungsverfahren nach 2 oder aber in üblicher Bauweise hergestellten Stringer 103, 104, 105 und 106 werden auf dem Hautblech 1A bzw. am Strukturbauteil 1 in Flugzeuglängsrichtung zur Versteifung des Rumpfschale angeordnet. Die Stringer 103 bis 106 werden vorzugsweise mittels Schweißverfahren angefügt. Spante 107 und 108 sind an der Rumpfschale 100 quer zur Flugzeuglängsrichtung angeordnet. Sie dienen u. a. der Lasteinleitung aus den Leitwerken, die über Beschläge an den Spanten angeordnet ist. Die Spante 107 bzw. 108 sind mittels im Flugzeugbau bekannter Spant-/Clip-Nietverbindungen an den Stringern 103 bis 106 befestigt. Es ist ebenfalls möglich, auch die Profilteile Spant bzw. Clip mit der entsprechenden Partnerstruktur mit dem Verfahren Schweißen an der Rumpfstruktur 100 anzufügen.

Claims (14)

  1. Großflächiges Flugzeugstrukturbauteil (1), welches aus mindestens einem Hautfeld (1A) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Hautfeld (1A) aus einer Vielzahl von Blechteilen (21, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44, 45, 51, 52, 53) gebildet ist, wobei die Blechteile entsprechend der Anforderungen und Belastungen in Material und Dicke auswählbar und mittels Schweißfügeverfahren verbindbar sind und die Verbindung der Blechteile (21, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44, 45, 51, 52, 53) mittels einer Schweißstumpfnaht erfolgt.
  2. Flugzeugstrukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnähte im Bereich der Dickensprünge, die sich aufgrund der Auslegung des Strukturbauteils (1) ergeben, verlaufen.
  3. Flugzeugstrukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißnahtverlauf und die Schweißnahtgeometrie der Schweißnähte so ausgebildet sind, daß die Funktion als Rißstopper am Strukturbauteil (1) erfüllt wird.
  4. Flugzeugstrukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das fertiggestellte Hautfeld (1A) sphärisch gekrümmt ausgebildet ist.
  5. Flugzeugstrukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das fertiggestellte Hautfeld (1A) zylindrisch gekrümmt ausgebildet ist.
  6. Flugzeugstrukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Profilteile (10, 11) als Stringer und/oder Spant und/oder Clip ausgebildet sind, wobei die Profilteile (10, 11) aus mehreren Zuschnitteilen (61, 91; 62, 81) bestehen, die entsprechend der Anforderungen und Belastungen in Material und Dicke auswählbar und mittels Fügeverfahren verbindbar sind.
  7. Flugzeugstrukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Profilteile (10, 11) auf das fertiggestellte Hautfeld (1A) mittels Laserstrahlschweißen aufbringbar sind.
  8. Flugzeugstrukturbauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Strukturbauteil (1) zur Herstellung einer Rumpfschafe (100) eines Flugzeuges verwendet wird.
  9. Verfahren zur Herstellung eines großflächigen Flugzeugstrukturbauteils (1) mit folgenden Schritten: von Halbzeugen (2, 3, 4, 5) werden entsprechend der Auslegungsvorgaben des Flugzeugstrukturbauteils (1) anforderungsgemäß Materialwerkstoff und Materialdicke die Blechteile (21, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44, 45, 51, 52, 53) ausgewählt, entsprechend abgelängt und zugeschnitten, die Blechteile (21, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44, 45, 51, 52, 53) werden zu einem Hautfeld (1A) mittels Schweißstumpfnähten zusammengefügt, das fertige Hautfeld (1A) wird nachbehandelt, insbesondere wird es mittels eines Umformprozesses, wie Walzen oder Streckziehen zu einem zylindrisch oder sphärisch gekrümmten Strukturbauteil (1) umgeformt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechteile (21, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44, 45, 51, 52, 53) mittels Laserstrahlschweißen oder Reibrührschweißen, zu einem Hautfeld (1A) zusammengefügt werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechteile (21, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44, 45, 51, 52, 53) vor dem Fügen chemisch oder mechanisch bearbeitet bzw. behandelt werden.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf das fertige Hautfeld (1A) bzw. auf das Strukturbauteil (1) Profilteile (10, 11) wie Stringer und/oder Spante und/oder Clips zur Verstärkung der Struktur (1) aufgebracht werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei Profilteile in folgenden Schritten hergestellt werden: von Halbzeugen (6, 7, 8, 9) werden entsprechend der vorgegebenen Profilgeometrien mit möglicher Variation von Materialwerkstoff und Materialdicke die Zuschnitteile (61, 91; 62, 81) abgelängt, zugeschnitten und bedarfsweise wärmebehandelt bzw. umgeformt, die Zuschnitteile (61, 91; 62, 81) werden mittels Schweißfügeverfahren zu Profilteilen bzw. Strukturelementen (10, 11) zusammengefügt, die Profilteile (10, 11) werden nachbearbeitet, insbesondere konturbearbeitet.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißfügeverfahren Laserstrahlschweißen verwendet wird.
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