DE20315196U1 - Laserjustierbare Halterung für Komponenten - Google Patents

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Abstract

Laserjustierbare Halterung für Komponenten, insbesondere für optische Komponenten in Laseranordnungen, mit einem Justierelement (2), das die Komponente (7) oder ein diese tragendes Element in einer Justierebene (10) aufnimmt, wobei das Justierelement (2) durch mehrere Doppelbrückenaktoren (3-6) gebildet ist, die bei geeigneter Laserbestrahlung eine Veränderung der Lage der Justierebene (10) bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass das Justierelement (2) zu einem Rohr geformt ist, wobei eine Stirnseite des Rohres die Justierebene (10) bildet.

Description

  • Technisches Anwendungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine laserjustierbare Halterung für Komponenten, insbesondere für optische Komponenten in Laseranordnungen, mit einem Justierelement, das die Komponente oder ein diese tragendes Element in einer Justierebene aufnimmt, wobei das Justierelement durch mehrere Doppelbrückenaktoren gebildet ist, die bei geeigneter Laserbestrahlung eine Veränderung der Lage der Justierebene bewirken.
  • Durch die zunehmende Miniaturisierung von der Feinwerktechnik bis hin zur Mikrosystemtechnik werden neben den Herstellungsverfahren für die Bauteile und Komponenten auch die Montageverfahren immer wichtiger. So erfordert der hohe Miniaturisierungsgrad in der Mikrosystemtechnik eine hochgenaue Positionierung der Einzelkomponenten bei der Montage. Auch in der herkömmlichen Feinwerktechnik werden die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit der Einzelkomponenten immer höher .
  • Dies betrifft auch das Gebiet der Lasertechnik, auf dem insbesondere durch den Einsatz von Diodenlasern als Pumpquelle eine Miniaturisierung von Festkörperlasern erfolgt, die steigende Anforderungen an die Positionier- bzw. Justiergenauigkeit mit sich bringt. Weiterhin besteht bei diesen Systemen auch ein Bedarf an Justagetechniken, die sich automatisiert und somit kostengünstig durchführen lassen.
  • Stand der Technik
  • Für die Laserjustage sind derzeit unterschiedliche Techniken bekannt. Zum einen werden bspw. mechanisch einstellbare Spiegelhalter eingesetzt, die über Feingewinde oder Differentialgewinde manuell oder über Piezoaktoren elektrisch gesteuert verstellt werden können. Weiterhin ist es bekannt, zunächst eine mechanische Justage mit einer externen Justiereinheit durchzuführen und die Komponenten anschließend durch Kleben oder Löten fest zu fixieren. Andere Montagetechniken zeichnen sich durch eine justagefreie Montage aus, die durch eine ultrapräzise Fertigung der mechanischen Träger, wie bspw. Grundplatten und Spiegelhalter, erreicht wird.
  • Weiterhin ist es bekannt, die Technik des Laserstrahlumformens zum Justieren von Mikrosystemkomponenten einzusetzen. So wird in der Dissertation von A. Huber, Justieren vormontierter Systeme mit dem Nd:YAG-Laser unter Einsatz von Aktoren, Bamberg: Meisenbach, 2001, Seiten 107 – 112, der Einsatz einer laserjustierbaren Halterung zur Justage einer Linse beschrieben. Die laserjustierbare Halterung besteht aus einem Träger und einem Justierelement, das am Träger befestigt ist und die Linse in einer Justierebene aufnimmt. Das Justierelement ist hierbei durch vier Doppelbrückenaktoren gebildet, die bei geeigneter Laserbestrahlung eine Veränderung der Lage der Justierebene und somit der Linse bewirken.
  • Für das thermische Umformen von Blechen durch Laserstrahlung spielen unterschiedliche Mechanismen eine Rolle, die sich hauptsächlich in der Temperaturführung während der Laserbestrahlung unterscheiden. Im Folgenden wird nur kurz auf den für den Einsatz der vorliegenden laserjustierbaren Halterung wesentlichen Stauchmechanismus eingegangen. Durch lokale Erwärmung des Bleches bei der Bestrahlung mit dem Laserstrahl entsteht durch Wärmeleitung ein über die Blechdicke annähernd homogenes Temperaturfeld. Die thermische Expansion in der Blechebene wird durch das umgebende Material behindert, so dass nur die Ausdehnungsrichtung senkrecht zur Blechebene als Freiheitsgrad erhalten bleibt. Durch die steigende Temperatur sinkt die Fließgrenze des Werkstoffs. Die thermisch induzierten Spannungen übersteigen die Fließspannung und es kommt zu einer plastischen Stauchung des Materials. Beim Abkühlen nach dem Laserpuls zieht sieh der plastisch gestauchte Bereich zusammen, wobei durch die Stauchung jedoch die Ausgangsgröße nicht mehr erreicht werden kann. Das umgebende Material verhindert gleichermaßen die Schrumpfung wie die Dehnung in der Aufheizphase. Durch die wieder sinkende Temperatur steigt auch die Fließgrenze wieder an.
  • Dieser Stauchmechanismus lässt sich bei Einsatz von Doppelbrückenaktoren, wie sie bspw. aus der vorgenannten Dissertation von A. Huber bekannt sind, für die Justage der Komponenten nutzen. Hierbei kann durch eine zeitversetzte Bestrahlung zweier direkt benachbarter Stege des Brückenaktors eine einseitige Verkürzung und somit eine Drehung der freien Seite des Aktors erreicht werden. Die aus zwei Stegen bestehende Geometrie wird als Doppelbrücke bezeichnet. Durch Einsatz mehrerer dieser Doppelbrückenaktoren als Justierelement kann auf diese Weise eine am Justierelement befestigte Komponente durch geeignete Laserbestrahlung der einzelnen Doppelbrückenaktoren in der Lage verändert und somit justiert werden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine laserjustierbare Halterung für Komponenten, insbesondere für optische Komponenten in Laseranordnungen, anzugeben, die sich einfach und kostengünstig realisieren lässt und eine genaue und automatisierbare Justage der eingesetzten Komponente ermöglicht.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird mit der laserjustierbaren Halterung gemäß Schutzanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der laserjustierbaren Halterung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
  • Die vorliegende laserjustierbare Halterung setzt sich zumindest aus einem Justierelement zusammen, das eine zu justierende Komponente oder ein diese Komponente tragendes Element in einer Justierebene aufnimmt. Das Justierelement ist durch mehrere Doppelbrückenaktoren gebildet, die bei geeigneter Laserbestrahlung eine Veränderung der Lage der Justierebene bewirken. Die vorliegende Halterung zeichnet sich dadurch aus, dass das Justierelement zu einem Rohr geformt ist, wobei eine Stirnseite des Rohres die Justierebene bildet. Vorzugsweise ist das Justierelement hierbei an einem Träger befestigt.
  • Die Doppelbrückenaktoren sind beim vorliegenden Justierelement somit ringförmig angeordnet, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, eine Ebene – die Justierebene – im Raum zu bewegen. Der grundsätzliche Aufbau von Doppelbrückenaktoren, bei denen zwei Blechbereiche jeweils durch zwei nebeneinander liegende Stege verbunden sind, kann bspw. der eingangs genannten Veröffentlichung entnommen werden. Durch geeignete Beaufschlagung der Stege mit Laserstrahlimpulsen, mit denen die beiden Stege jedes Doppelbrückenaktors zeitlich nacheinander bestrahlt werden, erfolgt eine Verkürzung dieser Stege aufgrund des Stauchmechanismus und somit eine Verringerung des Abstandes zwischen den beiden Blechbereichen. Beim vorliegenden Justierelement sind die Doppelbrückenaktoren in einem zu einem Rohr geformten Blechteil ausgebildet. Die Stege jedes Doppelbrückenaktors verlaufen dabei zumindest annähernd parallel zur Rohrachse. Auf diese Weise lässt sich – je nach Anzahl der eingesetzten Doppelbrückenaktoren – durch Laserstrahlumformen eine Verschiebung und/oder Verkippung der Justierebene und somit der darin aufgenommenen Komponente erreichen.
  • Mit dem Einsatz der vorliegenden laserjustierbaren Halterung lassen sich Komponenten, insbesondere optische Komponenten in Laseranordnungen, mit der Technik des Laserstrahlumformens justieren. So ermöglicht der Einsatz dieser Halterung bspw. die Justage von Resonatorspiegeln in Lasern mit hoher Genauigkeit. Das Umformen mittels Laserstrahlung erfüllt alle wesentlichen Anforderungen an die präzise Justage optischer Elemente, insbesondere eine sehr hohe Präzision mit Justageschrittweiten im Sub-Mikrometerbereich. Der Justageablauf lässt sich algorithmisch beschreiben, so dass das Justageverfahren bei Einsatz der erfindungsgemäßen Halterung auch automatisierbar ist und somit zu einer Kostensenkung in der Montage beiträgt. Das Justierelement der vorliegenden Halterung lässt sich verglichen mit konventionellen Justageelementen sehr leicht und kompakt ausführen und insbesondere kostengünstig, bspw. durch Laserschneiden oder Stanzen aus Rohr- oder Plattenmaterial, herstellen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Halterung ist das Justierelement durch drei Doppelbrückenaktoren gebildet. Diese Doppelbrückenaktoren sind vorzugsweise in einer gemeinsamen zumindest annähernd senkrecht zur Rohrachse liegenden Ebene angeordnet, so dass das Rohr in zwei aneinander grenzende Teilrohre unterteilt ist, die durch insgesamt drei Doppelbrücken miteinander verbunden sind. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der die drei Doppelbrücken gleichmäßig über den Umfang des Rohres verteilt, d. h. jeweils um einen Winkel von 120°C voneinander beabstandet auf dem Umfang angeordnet sind.
  • Da die Bearbeitungsseite der Doppelbrücken keinen Einfluss auf die Verformung hat, kann sowohl die Außenals auch die Innenseite des Rohres als Bearbeitungsfläche dienen. Bei einem Justierelement mit drei Doppelbrücken ermöglicht die Ausbildung einer Öffnung im Rohr, die einer der Doppelbrücken gegenüberliegt, die Bearbeitung aller drei Doppelbrücken von einer Seite des Justierelementes her. Zwei der Doppelbrücken werden dabei von außen, die verbleibende Doppelbrücke von innen mit der Laserstrahlung beaufschlagt. Selbstverständlich lassen sich zusätzliche Öffnungen auch an anderer Stelle oder bei einer anderen Anzahl von Doppelbrückenaktoren in das Rohr einbringen, um die geometrischen Möglichkeiten der Laserbestrahlung der jeweiligen Doppelbrücken zu erhöhen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Halterung wird das Justierelement durch vier Doppelbrückenaktoren gebildet, die vorzugsweise ebenfalls gleichmäßig über den Umfang des Rohres verteilt angeordnet sind, d. h. einen Winkel von jeweils 90° zueinander bilden. Die einzelnen Doppelbrückenaktoren können auch hier in einer zumindest annähernd senkrecht zur Rohrachse liegenden Ebene angeordnet sein.
  • Selbstverständlich lässt sich das vorliegende Justierelement auch mit Doppelbrückenaktoren bilden, die in unterschiedlichen Ebenen senkrecht zur Rohrachse angeordnet sind, wie bspw. in einem der nachfolgenden Ausführungsbeispiele gezeigt wird. Weiterhin ist es selbstverständlich auch möglich, je nach erwünschten Justagemöglichkeiten, lediglich zwei Doppelbrückenaktoren einzusetzen. Auch mehr als vier Doppelbrückenaktoren sind möglich, führen jedoch zu einer verringerten Steifigkeit des Justierelementes.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende laserjustierbare Halterung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 ein erstes Beispiel der vorliegenden Halterung;
  • 2 die geometrischen Verhältnisse bei dem Justierelement der 1;
  • 3 die Abhängigkeit des Kippwinkels αkipp der Justierebene für verschiedene Schrittweiten s und verschiedene Rohrdurchmesser D;
  • 4 ein zweites Beispiel für die Ausgestaltung der vorliegenden Halterung;
  • 5 zur Veranschaulichung das Justierelement der 4 in abgewickelter Form;
  • 6 ein Beispiel für die Veränderung der Justierebene des Justierelementes der 4 bei Laserbestrahlung unterschiedlicher Doppelbrücken, wie sie mit einem Messstrahl vermessen wurde; und
  • 7 ein Beispiel für die Veränderung der Justierebene des Justierelementes der
  • 1 bei Laserbestrahlung unterschiedlicher Doppelbrücken, wie sie mit einem Messstrahl vermessen wurde.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden laserjustierbaren Halterung in zwei unterschiedlichen Ansichten. Das Justierelement 2 weist drei Doppelbrückenaktoren 35 auf, die in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Rohrachse 11 angeordnet sind. Das Justierelement 2 ist hierbei als Rohr ausgeformt, wobei eine Stirnseite des Rohres an einem Träger 1 befestigt wird, der im rechten Teil der Figur schematisch angedeutet ist und die zweite Stirnseite des Rohres zur Aufnahme bzw. Befestigung einer zu justierenden Komponente oder eines eine derartige Komponente tragenden Elementes dient. So kann im vorliegenden Beispiel an die linke Stirnseite des Justierelementes 2 bspw. ein Laserspiegel 7 angebracht werden. Der Träger 1 wird in der Regel zur Montage auf einer Grundplatte fest fixiert.
  • Beim vorliegenden Justierelement wird das Rohr durch die drei Doppelbrückenaktoren 35 in zwei Teilrohre unterteilt, die über die Stege 9 der Doppelbrücken miteinander verbunden sind. Die drei Doppelbrückenaktoren 35 sind in diesem Beispiel symmetrisch über den Umfang des Rohres verteilt. Eine gleichmäßige Bearbeitung aller drei Doppelbrücken resultiert in einer Verkürzung des Justierelementes und somit in einer axialen Bewegung des Spiegels 7. Unterschiedliche Bestrahlungsparameter bzw. die Bearbeitung nur einzelner Stege 9 indes verursachen eine Verkippung der Justierebene 10. Die Drehachse der Bewegung verläuft durch die jeweils nicht bearbeiteten Stege. Die im vorliegenden Beispiel realisierte Symmetrie der drei Doppelbrückenaktoren 35 erleichtert die Entwicklung einer Bearbeitungsstrategie, ist allerdings zur Realisierung des Justierelementes nicht zwingend notwendig. Zur Verbesserung der Zugänglichkeit der einzelnen Doppelbrücken für die Laserbestrahlung kann auch eine unsymmetrische Verteilung von Vorteil sein.
  • Das in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Justierelement 2 mit lediglich drei Doppelbrücken hat den Vorteil einer einfachen Herstellbarkeit sowie einer gegenüber Ausführungsformen mit mehr als drei Doppelbrücken erhöhten Steifigkeit. Diese Ausführungsform stellt eine einfache Form zur Justage von Komponenten, insbesondere von Spiegeln und Linsen dar. Die steife Ausführung und die kompakte Anordnung der Doppelbrücken lassen die Realisierung kleinster Einheiten zu, die exakt auf den Anwendungsfall optimiert werden können.
  • In der dargestellten Ausführungsform der 1 ist weiterhin eine Öffnung 8 zu erkennen, die einem der Doppelbrückenaktoren 5 gegenüberliegt. Diese zusätzliche Öffnung 8 ermöglicht eine Bearbeitung aller drei Doppelbrücken von einer Seite. Gerade für den Einsatz in einer automatisierten Montagelinie spielt die Handhabbarkeit und Zugänglichkeit eine große Rolle. Durch die große Öffnung 8 auf der einen Seite des Justierelementes 2 kann die dritte Doppelbrücke 5 von innen bestrahlt werden. Da der Einfallswinkel und die Bestrahlungsseite keine Auswirkung auf das Ergebnis haben, ist die Umorientierung des Aktors für orthogonale Bestrahlung nicht notwendig. Lediglich eine Verschiebung und ein evtl. Ausgleich der Fokuslage des Laserstrahls müssen vorgenommen werden, damit alle drei Doppelbrücken aus der selben Richtung bearbeitet werden können.
  • 2 zeigt schematisch die geometrischen Verhältnisse, wie sie bei dem Justierelement der 1 vorliegen. Die bei geeigneter Laserbestrahlung einer Doppelbrücke 3 sich ergebende Verkippung der Justierebene 10 soll im Folgenden näher erläutert werden. Die Drehachse 12 dieser Verkippung mit dem Kippwinkel αKipp geht jeweils durch die beiden anderen Doppelbrücken 4, 5. Deshalb entspricht der Hebel der Höhe h einem gleichseitigen Dreieck. Der Umkreis des Dreiecks wird durch den Durchmesser DRohr = v + h bestimmt, wobei v die Höhe des Kreisabschnitts darstellt, wie dies in der 2 zu erkennen ist. Aus der 2 ergibt sich für die Höhe h des Dreiecks
  • Figure 00110001
  • Die Höhe v des Kreisabschnitts folgt zu
  • Figure 00110002
  • mit α= 60°.
  • Damit lässt sich die Höhe h des Dreiecks bestimmen zu
  • Figure 00110003
  • Der Kippwinkel αKipp ergibt sich durch Einsetzen zu
  • Figure 00120001
  • Für den Rohraktor mit vier Doppelbrücken lässt sich die Beziehung für den Kippwinkel αKipp in erster Näherung wie folgt darstellen:
  • Figure 00120002
  • Die 3 zeigt diesen Kippwinkel αKipp für verschiedene Durchmesser des Rohres in zwei Ausführungen mit drei Doppelbrücken (gemäß 1) und mit vier Doppelbrücken (gemäß 4). Der Kippwinkel ist hierbei in Abhängigkeit von der Schrittweite s dargestellt. Diese Schrittweite hängt von verschiedenen Faktoren ab und kann sowohl durch geometrische Vorgaben, wie die Breite der Stege 9 und die Dicke des Materials als auch durch die Laserparameter, bspw. die Laserleistung oder die Laserpulsdauer, eingestellt werden.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Justierelementes, bei dem dieses durch vier Doppelbrückenaktoren 36 gebildet wird. Der Vorteil der Ausführung mit vier Doppelbrücken liegt darin, dass die Kippachsen senkrecht zueinander stehen und somit der Justagealgorithmus vereinfacht wird. Dies wird allerdings durch eine geringere Stabilität erkauft, weil die Kippachsen der Ausgestaltung der 4 nicht in einer Ebene liegen. Die einzelnen Doppelbrückenaktoren 36 dieses in 4 gezeigten Justierelementes 2 liegen vielmehr in parallel zueinander liegenden Ebenen, die senkrecht zur Rohrachse 11 angeordnet sind. Bei dieser Ausgestaltung ist das Rohr somit in fünf Teilrohre unterteilt, die jeweils durch eine Doppelbrücke, d. h. zwei Stege 9, miteinander verbunden sind.
  • 5 zeigt zur Verdeutlichung ein derartiges Justierelement 2 in abgewickelter Form, in der die einzelnen Doppelbrückenaktoren 36 mit den jeweiligen Stegen 9 zu erkennen sind. Auch in diesem Beispiel sind die Doppelbrückenaktoren symmetrisch über den Umfang des Justierelementes 2 verteilt, so dass sich jeweils zwei Doppelbrückenaktoren gegenüber liegen.
  • Beim Einsatz eines derartigen Justierelementes für die Justage eines Spiegels kann die Veränderung der Justierebene und somit der Spiegelebene bei der Laserbestrahlung der unterschiedlichen Doppelbrückenaktoren mit einem Messstrahl vermessen werden. 6 zeigt ein Beispiel für eine derartige Vermessung bei Einsatz des Justierelementes gemäß 4. In diesem Beispiel wurden sich gegenüberliegende Doppelbrückenaktoren 3 und 5 jeweils wiederholt bearbeitet. Jeder Messpunkt stellt die Bearbeitung einer Doppelbrücke dar. Deutlich sind die seitlichen Nickbewegungen zu erkennen, die auf die Anordnung von Doppelbrücken und Gegenlager zurückzuführen sind. Die schwarzen Quadrate zeigen die Ergebnisse bei der Bearbeitung an der Doppelbrücke 3 des Justierelementes 2. Die Rückbewegung erfolgt jeweils durch Bearbeitung der gegenüberliegenden Doppelbrücke 5. Die Nickbewegungen sind vergleichbar.
  • Die Hauptbewegungsrichtungen verlaufen annähernd parallel. Der Versatz liegt darin begründet, dass die Anfangsposition aus der Überlagerung von Kipp- und Nickwinkel der ersten Bearbeitung resultiert. Des Weiteren ist ersichtlich, dass der zweite Bearbeitungspuls jeweils die doppelte Schrittweite erzielt wie der erste. Die Laserbearbeitung wurde hierbei mit einer Laserleistung von 250 W und einer Laserpulsdauer von 5 ms durchgeführt.
  • 7 zeigt ein vergleichbares Beispiel bei Einsatz des Justierelementes gemäß 1, wobei die Laserbestrahlung an allen drei Doppelbrücken 35 durchgeführt wurde. Bei diesem Beispiel wurde mit einer Laserleistung von 150 W und einer Laserpulsdauer von 5 ms gearbeitet.
  • Bezugszeichenliste
  • Figure 00150001

Claims (9)

  1. Laserjustierbare Halterung für Komponenten, insbesondere für optische Komponenten in Laseranordnungen, mit einem Justierelement (2), das die Komponente (7) oder ein diese tragendes Element in einer Justierebene (10) aufnimmt, wobei das Justierelement (2) durch mehrere Doppelbrückenaktoren (3-6) gebildet ist, die bei geeigneter Laserbestrahlung eine Veränderung der Lage der Justierebene (10) bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass das Justierelement (2) zu einem Rohr geformt ist, wobei eine Stirnseite des Rohres die Justierebene (10) bildet.
  2. Laserjustierbare Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Justierelement (2) durch drei Doppelbrückenaktoren (3-5) gebildet ist.
  3. Laserjustierbare Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Justierelement (2) durch vier Doppelbrückenaktoren (3-6) gebildet ist.
  4. Laserjustierbare Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelbrücken der Doppelbrückenaktoren (3-6) in einer gemeinsamen zumindest annähernd senkrecht zur Rohrachse (11) liegenden Ebene angeordnet sind.
  5. Laserjustierbare Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelbrücken der Doppelbrückenaktoren (3-6) gleichmäßig über den Umfang des Rohres verteilt sind.
  6. Laserjustierbare Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Rohr ein oder mehrere Öffnungen (8) für die Einkopplung von Laserstrahlung ausgebildet sind.
  7. Laserjustierbare Halterung nach Anspruch 6 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (8) gegenüber einem oder mehreren der Doppelbrückenaktoren (3-5) im Rohr ausgebildet sind.
  8. Laserjustierbare Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelbrückenaktoren (3-6) aus einem metallischen Material bestehen.
  9. Laserjustierbare Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Justierelement (2) an einem Träger (1) befestigt ist.
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