DE4419393A1 - Werkzeug für Umform- und Zerspanungsvorrichtungen und Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Werkzeugs - Google Patents
Werkzeug für Umform- und Zerspanungsvorrichtungen und Verfahren zum Herstellen eines beschichteten WerkzeugsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Werkzeuge für umformende und
zerspanende Techniken, sowie ein Verfahren zur Her
stellung eines solchen Werkzeugs. Bei Umform- und
Zerspanungsvorrichtungen kommt dem Werkzeug eine zen
trale Bedeutung zu. Es ist die kurzlebigste Komponen
te einer Produktionsanlage und sein routinemäßiges
Auswechseln verursacht Stillstandzeiten und Kosten.
Diese erhöhen sich zusätzlich bei vorzeitigem Ausfall
eines Werkzeugs. Eine Analyse der Entwicklung in der
zerspanenden Fertigung läßt erkennen, daß zunehmend
härtere Werkstoffe mit geometrisch bestimmter Schnei
de zu bearbeiten sind und aus ökonomischer Sicht müs
sen extrem hohe Schnittgeschwindigkeiten erreicht
werden. Für die Werkzeuge bedeutet dies, daß der Be
trieb an der oberen Leistungsgrenze notwendig ist,
wodurch das Risiko des Werkzeugbruchs, der auch heute
schon ein großes Problem darstellt, noch erhöht wird.
Zur exakten Einhaltung der qualitätsbestimmenden Maß-
und Formgenauigkeit ist eine genaue Kenntnis des ak
tuellen Verschleißzustandes des Werkzeugs erforder
lich.
Die Leistungsgrenze der Werkzeuge wird durch zwei
Faktoren bestimmt, nämlich einerseits durch die Warm
härte des Schneidstoffs bzw. der Beschichtung, ande
rerseits durch den Widerstand gegen abrasiven Ver
schleiß. Eine direkte Messung von den wesentlichen
Kennwerten an den exponierten Kontaktflächen der Zer
spanwerkzeuge ist bisher nicht möglich, da die in
diesen Bereichen wirkenden Kräfte eine Anwendung dis
kreter Sensorelemente verbieten. Der Stand der Tech
nik in der Prozeßüberwachung und -regelung bei spa
nenden Verfahren läßt sich dadurch beschreiben, daß
derzeit mit großem Aufwand versucht wird, durch Mes
sung der Zerspankraftkomponenten und des Körper
schallsignals Rückschlüsse auf den Verschleiß zu zie
hen. Diese Vorgehensweise stößt in der Praxis jedoch
häufig auf Probleme, da eine eindeutige Korrelation
zwischen den gemessenen Größen und dem Verschleiß oft
nur mit hohem Aufwand herzustellen ist. Darüber hin
aus muß mit jedem neuen Werkzeug ein Lernschnitt
durchgeführt werden, bei dem der Signalpegel festge
halten wird. Ein verschleißbedingter Anstieg der Si
gnalamplitude wird dann auf den Startwert bezogen.
Erreicht die Signalhöhe einen vorher festgelegten
Wert, so wird das Standzeitende erkannt. Dieses Ver
fahren hat unter anderem den Nachteil, daß die
Signalpegel nur bei identischer Bearbeitung vergli
chen werden können. Darüber hinaus muß neben dem ak
tuellen Wert stets der gelernte Kennwert zum Ver
gleich zur Verfügung stehen, was einen erheblichen
Aufwand für die Datenverwaltung erfordert.
Auch das Problem der automatischen Brucherkennung ist
bislang nicht hinreichend gelöst worden. Da auch Brü
che nur auf indirektem Weg erfaßt werden können, tre
ten in der Praxis häufig Fehlmeldungen auf, die zu
einer mangelhaften Akzeptanz der installierten Über
wachungssysteme führen.
Es ist bekannt, Werkzeuge zu beschichten, beispiels
weise werden Hartstoffschichten aus Titannitrid schon
seit längerem mit relativ gutem Erfolg als Ver
schleißschutzschicht für Zerspanwerkzeuge eingesetzt.
Zur Anwendung kommen überwiegend Schichten im Dicken
bereich von ca. 3 µm bis 7 µm und sie werden hauptsäch
lich auf Wendeschneidplatten, Bohrern, Fräsern und in
geringem Umfang auf Gewindebohrern eingesetzt. Weite
re Hartstoffsysteme sind in der Entwicklung, bei
spielsweise Hard-Coatings aus TiAlN und Chromnitrid
sowie verschiedene Nitride, Boride, Oxide und Karbide
für spezielle Anwendungen. Von besonderem Interesse
sind direkt auf die Werkzeuge aufgebrachte Diamant
schichten, allerdings nur für die Bearbeitung von
Nicht-Eisen-Metallen und Schichten aus kubischem Bor
nitrid (c-BN). Da c-BN eine mit Diamant vergleichbare
Härte aufweist und die Bearbeitung von Stahl erlaubt,
ist dieses Material gerade für den Werkzeugbau von
großer Wichtigkeit.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Werkzeug für Umform- und Zerspanungsvorrichtungen zu
schaffen, das die Möglichkeit der Messung von wichti
gen Prozeßkenngrößen in unmittelbarer Nähe der Werk
zeugoberfläche bzw. der Schneide ohne die Notwendig
keit von Lernschnitten zur Verfügung stellt, dessen
Haltbarkeit und Standzeit jedoch nicht nachteilig
beeinflußt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn
zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Dadurch, daß Sensoren zur Messung von Temperatur
und/oder des Verschleißes in Dünnschichttechnik mit
der Funktionsschicht/Verschleißschutzschicht des
Werkzeugs zu einer beschichtungstechnologisch inte
grierten Schichtfolge vereinigt werden, können bei
umformenden und zerspanenden Werkzeugen die wesentli
chen Prozeßgrößen (Temperatur, Verschleiß und Kraft)
direkt an der Werkzeugschneide gewonnen und zur Rege
lung der Umform- oder Zerspanungsprozesse verwandt
werden. Dadurch lassen sich intelligente Systeme
schaffen, indem eine Regelung von Prozeßparametern,
wie Schnittgeschwindigkeit oder Vorschub mittels wis
sensbasierter Rechnersysteme unter Zuhilfenahme bei
spielsweise von Fuzzy-Logik-Modulen durchgeführt
wird.
Ein weiterer Vorteil bietet sich bei der Verwendung
der erfindungsgemäßen Werkzeuge in der Trockenbear
beitung, da mit Hilfe der integrierten Sensoren ein
optimaler Einsatz an der thermischen Belastungsgrenze
ermöglicht wird. Dadurch würde die Verwendung von
Kühlschmierstoffen entfallen, wie infolge der zum
Teil toxilogisch sehr bedenklichen Additive mit gro
ßem Aufwand entsorgt werden müssen.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah
men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse
rungen möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich
nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be
schreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
als Drehmeißel ausgebildeten Werkzeugs
entsprechend der vorliegenden Erfin
dung,
Fig. 2 eine Aufsicht auf ein als Wende
schneidplatte ausgebildetes Werkzeug
mit Temperatur- und Verschleißsensoren
nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3a bis 3c Schnittdarstellungen des Schichtauf
baus der Wendeplatte nach Fig. 2, und
Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel einer
Wendeplatte mit Multifunktionssensor.
In Fig. 1 ist ein Drehmeißel 1 dargestellt, der einen
mit der Schneidkante versehene Schneidplatte 2 auf
weist. Schematisch ist an der Schneidplatte 2 ein
Sensor 3 dargestellt, der in Dünnschichttechnik als
Zwischenschicht aufgebracht ist und unter einer Ver
schleißschutzschicht, wie später näher beschrieben
wird, liegt. Während der Zerspanvorgangs mit einem
solchen Werkzeug treten an der Schneidplatte 2 bzw.
an ihrer Schneidkante Verschleißerscheinungen auf,
die sich je nach Belastungsart und -dauer unter
schiedlich stark ausbilden. Die Schneidplatte ver
schleißt auf der Freifläche 4 (Freiflächenverschleiß)
und auf der Spanfläche 5 (Kolkverschleiß). Daher wer
den vorzugsweise in diesem Bereich, wie angedeutet,
Sensoren entsprechend Sensor 3 vorgesehen. Der Sensor
3 ist mit Leiterbahnen 6 verbunden, die an den jewei
ligen Übergängen Kontaktierungen 7 aufweisen und mit
einer Schaltung 8 verbunden sind. Diese Schaltung
dient der Vorverarbeitung bzw. der Auswertung der
Sensorsignale und ist in der Nähe des Sensors 3 an
dem Werkzeug 1 bzw. dessen Halterung angebracht. Vor
zugsweise ist die Schaltung 8 als Mikroschaltung aus
gebildet. Die Schaltung 8 ist über Verbindungsleitun
gen mit einer Steuer- und Regelschaltung verbunden,
die abhängig von den Sensorsignalen die jeweiligen
Parameter der das Werkzeug 1 aufweisenden Maschine
steuert bzw. regelt, wobei diese Parameter beispiels
weise die Schneidgeschwindigkeit oder der Vorschub
oder dergleichen sein können.
In Fig. 2 ist eine Teilansicht an der Wendeschneid
platte 9, die bei einem Drehmeißel verwendet wird,
gezeigt. Auf dieser Wendeplatte sind Temperatursenso
ren 10 und eine Verschleißsensoranordnung 11 in Form
von Leiterbahnen bzw. Widerstandsschichten aufge
bracht. Die Temperatursensoren 10 weisen beispiels
weise einen mäanderförmigen Abschnitt 12 auf, die mit
ihren einen Anschlüssen über Verbindungsleitungen 13
jeweils mit Kontaktflächen 14 verbunden sind und mit
ihren anderen Anschlüssen an eine gemeinsame gleich
falls mit einer Kontaktfläche 14 verbundenen An
schlußleitung 15 angeschlossen sind. Die Verschleiß
sensoranordnung 11 besteht aus einer Anzahl von ne
beneinanderliegenden Leiterbahnen 16, die einerseits
jeweils an Kontaktflächen 14 liegen und andererseits
gleichfalls an die gemeinsame Anschlußleitung 15 an
geschlossen sind. Die Kontaktflächen 14 stehen mit
einer Verarbeitungsschaltung entsprechend Schaltung 8
in Fig. 1 in Verbindung. Die Temperatur an dem Ort
der Temperatursensoren 10 wird über die Änderung des
Widerstands an den mäanderförmigen Abschnitten 12
aufgrund der bei der Bearbeitung auftretenden Erwär
mung erfaßt. Der Verschleiß der Wendeschneidplatte 9
an den Schneidkanten wird über die Leiterbahnen 16
festgestellt, die unterbrochen werden, wenn der Ver
schleiß mit längerer Bearbeitungsdauer fortschreitend
zunimmt. In gleicher Weise kann ein Bruch der Platte
festgestellt werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel könnte bei
spielsweise die Kontaktierung der Kontaktflächen 14
über eine entsprechende Kontaktflächen aufweisende
Befestigungsschraube erfolgen, die mit Leiterbahnen
versehen ist, um die Signale weiterzuleiten. Es ist
auch denkbar, daß die Verarbeitungsschaltung in der
Mitte der Wendeschneidplatte als Mikrochip angeordnet
ist und direkt mit den Kontaktflächen verbunden ist.
In Fig. 3a bis 3c wird die Herstellung einer Wende
schneidplatte mit integrierten Sensoren beschrieben.
Als Substrat dient eine handelsübliche Wendeschneid
platte 17 aus einem Hartmetall oder einem Cermet, die
eine Dicke im Bereich von 3 bis 5 mm aufweist. Die
Wendeschneidplatte 17 weist eine glatte Oberfläche
auf. Vor dem Beschichten wird die Wendeschneidplatte
mit einem alkalischen Reinigungsbad entfettet und in
deionisiertem Wasser gespült und getrocknet und in
eine mechanische Maske 18 eingespannt. Die Beschich
tung erfolgt in einer bekannten Sputteranlage. Nach
dem Einbau der Substrate wird auf 10-5 mbar evakuiert,
ein Ionenätzschritt zur Vorreinigung der Substrate
durchgeführt, wobei gleichzeitig ein Freisputtern
der Targets erfolgt. Es wird zunächst eine Ti-TiOx
Gradientenschicht zur Verbesserung der Haftung mit
einer Dicke von 10 nm als Zwischenschicht 19
aufgebracht, worauf die Abscheidung einer TiO₂-Isola
tionsschicht 20 folgt. Auf die Isolationsschicht wird
eine weitere Zwischenschicht 21 aus Titan abgeschie
den. Zwischenschichten 19 und 21 und Isolations
schicht 20 weisen eine Gesamtdicke von 1,5 µm auf.
In einem nächsten Teilprozeß wird zur Herstellung
einer Leiterbahnschicht 22 eine Molybdänschicht mit
einer Dicke von 1 µm aufgestäubt. Die Ätzung der Lei
terbahnen wird unter Anwendung üblicher lithographi
scher Methoden durchgeführt, wobei die Wendeschneid
platte mit einem Photoresist mit Hilfe eines Spin
Coaters belackt, im UV-Kontaktverfahren mit Hilfe
einer Cr-Maske belichtet und in einem alkalischen
Entwickler entwickelt wird. Anschließend wird in ei
ner Ätzanlage die Mo-Schicht strukturiert.
Entsprechend Fig. 3b wird anschließend eine thermo
resistive Schicht durch Sputtern aufgebracht, die aus
einer Gradientenhaftschicht als Zwischenschicht 23
und einer Widerstandsschicht 24 aus Mo besteht, die
in einer Dicke von 100 nm aufgesputtert wird. Die
thermoresistive Schicht 24 wird wiederum mit den üb
lichen lithographischen Methoden wie oben struktu
riert, so daß die Thermosensoren die gewünschte Form
erhalten. Mit Hilfe der Mäandergeometrie und der
Bahnbreite wird ein Widerstand von ca. 100 Ω reali
siert.
Entsprechend Fig. 3 wird eine weitere Isolations
schicht aus TiO₂ 25 aufgebracht, wobei gleichfalls
eine Gradientenhaftschicht vorgesehen wird, die je
doch in Fig. 3c ebenso wie die zweite und dritte Zwi
schenschicht nicht dargestellt ist. Als letztes wird
die Verschleißschutzschicht 26 aus TiN in einer Dicke
von 5 µm aufgesputtert.
Diese beschriebene Schichtfolge wird nur als Beispiel
angegeben, selbstverständlich können zusätzliche
Schichten und eine andere Schichtfolge vorgesehen
werden und in gleicher Weise kann ein anderes Materi
al verwendet werden. Beispielsweise kann als Isola
tionsschicht ein Bornitrid Bn verwendet werden und
die Verschleißschutzschicht kann gleichfalls als cBN-
Schicht ausgebildet sein.
Ein Herstellungsprozeß für ein derartiges Ausfüh
rungsbeispiel ist wie folgt. Die Wendeschneidplatte
(wie oben) als Substrat wird gereinigt, entfettet und
in eine 4-Target-Sputteranlage eingebaut, die auf
<2×10-5 mbar evakuiert wird. Die Targets und die Sub
strate werden durch Ionenätzung bei geschlossenem
Shutter gereinigt. Anschließend wird eine Gradienten
schicht aus TiBN und eine Isolationsschicht aus BN(C)
aufgestäubt. Dies wird in einer DC-Magnetron Sputter
anlage bei 4×10-3 mbar Totaldruck durchgeführt, wobei
ein TiB2 Target (Gradientenschicht) und ein B4C-Tar
get (Isolationsschicht) reaktiv mit unterschiedlichen
N2/Ar Gasmischungen gesputtert werden. Anschließend
wird eine Leiterbahnschicht aus Mo mit einer Schicht
dicke von 1 µm hergestellt, die lithografiert und
strukturiert wird. Die thermoresistiven Sensorelemen
te werden durch Sputtern von Mo in einer Schichtdicke
von 100 nm, Fotolithografie und Strukturierung durch
reaktive Ionenätzung hergestellt. Daraufhin wird eine
Gradientenhaftschicht und eine Verschleißschutz
schicht durch Sputtern aufgebracht. Hierzu wird das
Werkzeug in eine HF-Diodensputteranlage eingebaut,
die mit einer Frequenz von 13,56 MHz betrieben wird.
Das Target besteht aus B4C. Der Substrathalter wird
ebenfalls mit einem HF-Bias betrieben. Nach einem
Freisputterprozeß für das Target und einem kurzen
Ionenätzschritt zur Substratreinigung wird eine Ar/N2
Gasmischung von 50% N2 in den Rezipienten eingeleitet
und bei einem Gasdruck von 20 × 10-3 mbar eine nano
kristalline c-BN Schicht auf das Werkzeug aufge
stäubt. Die Leistung am Target beträgt 1 KW, am Sub
strat wird eine HF-Leistung von 250 W bei einer Bias-
Spannung von 500 V angelegt. Die Beschichtungstempe
ratur beträgt ca. 300 °C. Unter diesen Bedingungen
bildet sich eine harte Verschleißschutzschicht aus,
die neben der kubischen BN-Phase nur noch geringe
Anteile von hexagonalem BN und ca. 5% Kohlenstoff
vermutlich in karbidischer oder sp3-Bindung enthält.
Der Vorteil einer Verschleißschutzschicht aus c-BN
oder Diamant besteht mit Blick auf die Integration
von Dünnschichtsensoren darin, daß gegenüber den
leitfähigen Ti-basierenden Hartschichtsystemen eine
Isolationsschicht entfallen kann.
In Fig. 4 ist eine weitere Aufsicht auf eine Wende
schneidplatte 27 dargestellt, bei der eine Kombina
tion von Temperatur- und Verschleißsensoren
("Multifunktionssensor") vorgesehen sind. Bei dieser
Ausführungsform sind die mäanderförmigen Abschnitte
12 der Temperatursensoren in die Leiterbahnen 16 der
Verschleißsensoranordnung integriert, so daß keine
zusätzlichen Leiterbahnen für die Temperatursensoren
vorgesehen werden müssen.
Selbstverständlich können weitere Sensoren in den
Werkzeugen integriert sein, die direkt als Schicht
ausgebildet sind oder an dem Werkzeug z. B. an der
Unterseite oder der Halterung vorgesehen werden. So
kann beispielsweise ein Kraft- und/oder Biegesensor
als piezoelektrische Schicht aufgebracht werden oder
als Dehnungsmeßbrücke ausgebildet werden. Auch sind
Vibrationssensoren denkbar, so daß eine Vielzahl von
Einflußgrößen erfaßt werden können.
Claims (14)
1. Werkzeug für Umform- und Zerspanungsvorrichtun
gen, das in eine Halterung eingespannt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf seine Oberfläche oder als Zwischen
schicht mindestens ein Sensor in Dünnschicht
technik aufgebracht ist, der als die Temperatur
des Werkzeugs erfassender Temperatursensor
(3, 10) und/oder als Verschleißsensoranordnung
(11) ausgebildet ist und mit einer Verarbei
tungsschaltung (8) verbindbar ist.
2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der Sensor in Form von einer Wider
standsschicht aufgebracht ist.
3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da
durch gekennzeichnet, daß die Verschleißsensor
anordnung (11) eine Mehrzahl von im Verschleiß
bereich des Werkzeugs mit Abstand zueinander
angeordnete Widerstandsbahnen (16) aufweist, die
über mindestens eine Rückführleitung (15) je
weils mit der Verarbeitungsschaltung verbindbar
sind.
4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Verschleißsensor
anordnung (11) und der mindestens eine Tempera
tursensor (10) als Widerstandsbahnen kombiniert
sind.
5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4 beste
hend aus einem Grundkörper (17) aus Hartmetall
oder Cermet, einer auf den Grundkörper aufge
brachten Isolationsschicht, mindestens einer
strukturierten Widerstandsschicht, die die Tem
peratur- und/oder Verschleißsensoren bilden,
einer weiteren Isolationsschicht und einer dar
auf aufgebrachten Verschleißschutzschicht.
6. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Isolationsschicht aus TiO₂, Al₂O₃,
h-BN oder dgl. und die Verschleißschutzschicht
aus TiN, TiAlN, TiCN, c-BN oder Diamant oder
dgl. bestehen.
7. Werkzeug nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, da
durch gekennzeichnet, daß zwischen Isolations
schicht und Grundkörper eine Gradientenschicht
z. B. aus TiOx angeordnet ist.
8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungs
schaltung als Mikrochip ausgebildet ist, die an
dem Werkzeug oder der Halterung angeordnet ist
und mit den Sensoren verbunden ist.
9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß zusätzlich Kraft-
und/oder Biegesensoren als ferroelektrische oder
piezoresistive Schichten vorgesehen sind.
10. Vorrichtung zur Regelung von Umform- und Zerspa
nungsprozessen mit einer Umform- und Zerspa
nungsvorrichtung, die ein in einer Halterung
eingespanntes Werkzeug nach einem der Ansprüche
1 bis 9 aufweist, und mit einer Steuer-Regel
schaltung, die über eine mit den Sensoren des
Werkzeugs verbundene Verarbeitungsschaltung Tem
peratur- und/oder Verschleiß- und/oder Kraftsi
gnale empfängt und abhängig von diesen Signalen
die Parameter der Umform- und Zerspanungsvor
richtung wie Geschwindigkeit, Vorschub oder der
gleichen steuert bzw. regelt.
11. Verfahren zur Herstellung eines beschichteten
Werkzeugs, gekennzeichnet durch folgende Schrit
te:
- a) Vorreinigen eines Substrats durch Ionenät zung,
- b) Aufbringen einer Gradientenschicht aus TiOx und einer ersten TiO₂-Isolationsschicht auf das Substrat durch ein Sputterverfahren,
- c) Aufbringen einer Ti, Mo oder W enthaltenden Leiterbahnschicht mit dem Sputterverfahren,
- d) Aufbringen einer Maske entsprechend den gewünschten Leiterbahnen und Kontaktflächen und Ätzen der nicht durch die Maske abge deckten Leiterbahnschicht,
- e) Aufbringen einer thermoresistiven Schicht aus Mo oder dergleichen durch Sputtern,
- f) Strukturieren der thermoresistiven Schicht entsprechend Schritt d),
- g) Aufbringen einer zweiten TiO₂-Isolations schicht entsprechend Schritt b), und
- h) Aufbringen einer Verschleißschutzschicht aus TiN durch Sputtern.
12. Verfahren zur Herstellung eines beschichteten
Werkzeugs, gekennzeichnet durch folgende Schrit
te:
- a) Vorreinigen eines Substrats durch Ionenät zung,
- b) Aufbringen einer Gradientenschicht aus TiBN und einer Isolationsschicht aus BN(C),
- c) Aufbringen einer Ti, Mo oder W enthaltenden Leiterbahnschicht,
- d) Strukturieren der Leiterbahnschicht,
- e) Sputtern einer thermoresistiven Schicht aus Mo oder dgl. Materialien,
- f) Strukturieren der thermoresistiven Schicht,
- g) Aufbringen einer Gradientenhaftschicht und einer Verschleißschutzschicht aus c-BN durch Sputtern.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Substrattempera
tur während der Schichtherstellung im Bereich
von 100°C bis 700°C liegt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen und
thermoresistive Schicht zur Stabilisierung ge
tempert werden.
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