DE60007237T2 - Verwendung von metallschäumen in panzerungssystemen - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Panzerungssysteme zum Konstruktionsschutz vor einem ballistischen Einschlag oder einer Sprengexplosion und insbesondere auf die Verwendung eines Metallschaums als Schockenergie absorbierendem Element in einem mehrschichtigen Panzerungssystem.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Mit zunehmender terroristischer Gewalt und verstärkten Militäraktionen besteht der Bedarf an einem verbesserten Konstruktionsschutz vor einem ballistischen Einschlag von Projektilen oder einem Explosionsschutz vor Sprengstoff. Solch ein Konstruktionsschutz kann in die Infrastruktur eines Gebäudes zu dessen Verstärkung oder in bestimmte Räume in einem Gebäude zum Schutz vor Angriffen eingebaut werden. Konstruktionsschutz ist auch in Fahrzeugen, beispielsweise Militärfahrzeugen wie Panzern, oder Zivilfahrzeugen prominenter Personen von Nutzen. Derzeit wird ein mehrschichtiges Panzerungssystem für bekannte Fahrzeuganwendungszwecke eingesetzt.
  • Eine typische Konfiguration eines Panzerungssystems bei Militärfahrzeugen mittleren Gewichts beispielsweise besteht aus einer hochwiderstandsfähigen Auftrefffläche (entweder einer Metall- oder einer Keramikplatte), die mit. einer Keramikkachel verklebt ist, die wiederum mit einer Trägerplatte aus Metall verklebt ist: In dieser Konfiguration zerbricht oder verformt die Keramikkachel ein auftreffendes Projektil und die Trägerplatte aus Metall „fängt" den übrig gebliebenen Eindringkörper und Keramikbruchstücke ein. Die hochwiderstandsfähige Auftreffplatte unterstützt die Keramikkachel, indem sie eine Begrenzung an der Vorderseite bildet, und kann in einigen Fällen die Keramikkachel vor Feldschaden schützen.
  • Beim Auftreffen eines Projektils mit typischen Artilleriewaffengeschwindigkeiten wird eine Druckwelle erzeugt, die sich durch die Keramikkachel fortpflanzt. Reflexionen von Begrenzungen und daraus resultierende Wechselwirkungen der Druckwellen führen zu Zugspannungszuständen und damit verbundenen mikroskopisch kleinen Rissen. Die Mikrorissbildung infolge dieser durch den Einschlag erzeugten Druckwellen schwächt die Keramikkachel und erlaubt ein einfacheres Eindringen eines Projektils. Bei Panzerungssystemkonstruktionen, die eine Auftreffplatte aus Metall auf einer Keramikkachel verwenden, können sich Druckwellen von einem Projektileinschlag auf der Auftreffplatte aus Metall weiter in die Keramikkachel fortpflanzen, so dass es vor dem Kontakt des Projektils mit der Keramikkachel zu einem Versagen kommen kann. In einem Versuch, das zuvor erwähnte Problem zu überwinden, wurde ein Dreischichtsystem vorgeschlagen, das in der DE9007336U offenbart ist. Das Dreischichtsystem schließt eine Auftreffplatte, eine Trägerplatte und eine Zwischenschicht zur Reduzierung des Risikos eines Versagens der Auftreffplatte zur Begrenzung der rückseitigen Verformung ein. Die Bereitstellung einer Zwischenschicht ist jedoch nur von begrenztem Nutzen, so dass ein Bedarf an der Bereitstellung eines Panzerungssystems mit einem verbesserten Schockabsorptionselement und insbesondere einem Schockabsorptionselement, das eine bessere Steuerung der Auswirkungen auf Material oder Personen hinter dem Ziel, wie z.B. einer rückseitigen Verformung und eines Abplatzens, ermöglicht, besteht.
  • Metallschäume mit hohem Porositätsanteil sind eine neue Klasse von Materialien, die Attribute aufweisen, die bewirken, dass sie sich für verschiedene technische Anwendungszwecke wie z.B. Schall- und Wärmedämmung, Konstruktionen in Leichtbauweise und Energieabsorption eignen. Insbesondere schließen die einzigartigen Eigenschaften eines zellförmigen Metallmaterials seine vergleichsweise hohe spezifische Festigkeit und sein charakteristisches nichtlineares Verformungsverhalten ein. Ein Beispiel für die Anwendung von Metallschäumen in einem Panzerungssystem ist in der DE2039343 offenbart, die eine Panzerwand für ein Fahrzeug mit zwei Schichten offenbart, wobei eine Schicht aus Metallschaum besteht. Ein solches zweischichtiges Panzerungssystem leidet jedoch unter demselben zuvor erwähnten Problem einer hohen Versagensrate und wenig oder gar keiner Steuerung der Auswirkungen auf Material oder Personen hinter dem Ziel, wie z.B. einer rückseitigen Verformung und eines Abplatzens.
  • Wie nachfolgend noch genauer beschrieben, nehmen bestimmte Metallschäume eine rückwärtige Verformung eines Ziels bei einem Hochgeschwindigkeitseinschlag wirksam auf und eignen sich daher für die Steuerung einer rückseitigen Verformung und eines Abplatzens. Außerdem können Metallschäume durch einen Einschlag ausgelöste Druckwellen abmildern und so eine Beschädigung der Keramikschichten in damit ausgestatteten Panzerungssystemen verzögern.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Panzerungssystem bereitzustellen, das einen Metallschaum als Schockenergie absorbierendes Element zur Verbesserung des Schutzes von Material und Personen hinter dem Ziel aufweist.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Panzerungssystem bereitzustellen, das einen Metallschaum als Schockenergie absorbierendes Element zur Steuerung der Wirkungen auf Material oder Personen hinter dem Ziel als Ergebnis einer durch den hochenergetischen Einschlag eines Projektils erzeugten rückseitigen Verformung aufweist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die zuvor genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung erzielt, die ein mehrschichtiges Panzerungssystem bereitstellt, das eine Auftreffplatte, eine verformbare Trägerplatte und eine oder mehrere dazwischen befindliche Zwischenschichten umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Zwischenschichten ein schockabsorbierendes Element einschließen, das einen Metallschaum mit darin verteilten Zellen umfasst, und das schockabsorbierende Element bei Ausübung einer Kraft auf die Auftreffplatte gezwungen wird, entsprechend einer im Wesentlichen linearen elastischen Verformung, einer Zelleinsturzverformung und einer Verdichtungsverformung in Reaktion auf die Größenordnung der auf die Auftreffplatte ausgeübten Kraft progressive Verformungsmodi zu durchlaufen.
  • In bevorzugten Ausführungsformen weist der Metallschaum eine geschlossenzellige Porenstruktur sowie einen hohen Porositätsanteil auf, der vorzugsweise bei etwa 50 bis 98 Volumenprozent liegt.
  • Für die Ausführung der vorliegenden Erfindung nützliche Metallschäume können Metallschäume aus Aluminium, Stahl, Blei, Zink, Titan, Nickel und Legierungen oder Metallmatrixverbundstoffen davon sein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Metallschäume können nach verschiedenen, für die Herstellung von Metallschäumen bekannten Verfahren wie z.B. Gießen, Pulvermetallurgie, Metallabscheidung und Sputterabscheidung hergestellt werden. Beispielhafte Verfahren zur Herstellung von Metallschäumen sind in den US-Patenten Nr. 5,151,246, 4,973,358 und 5,181,549 aufgeführt, auf deren Text hierin Bezug genommen wird.
  • Das US-Patent Nr. 5,151,246 beschreibt beispielsweise ein Pulvermetallurgieverfahren zur Herstellung aufschäumbarer Materialien mittels Metallpulvern und kleinen Mengen an Treibmitteln. In dem Verfahren wird/werden zunächst im Handel erhältliches) Metallpulver mit einer kleinen Menge eines Schaumerzeugers gemischt. Nach der gleichmäßigen Verteilung des Schaumerzeugers in dem Matrixmaterial wird das Gemisch verdichtet, so dass ein dichtes, halbfertiges Produkt ohne offene Restporosität entsteht. Das aufschäumbare Material kann durch nachfolgende Metallbearbeitungsprozesse wie Walzen, Hämmern oder Extrusion weiter geformt werden.
  • Nach den Metallbearbeitungsschritten wird das aufschäumbare Material auf Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt des/der Matrixmetalls/e erwärmt. Während der Erwärmung zerfällt der Schaumerzeuger und das entweichende Gas zwingt das verdichtete Material, sich in eine hochporöse Struktur auszudehnen. Die Dichte der Metallschäume kann durch Einstellung des Gehalts an Schaumerzeuger und verschiedenen anderen Schäumparametern wie Temperatur und Erwärmungsgeschwindigkeit gesteuert werden. Die Dichte von Aluminiumschäumen beispielsweise liegt in dem Bereich von etwa 0,5 bis 1 g/cm3.
  • Wie dem Fachmann bekannt, lassen sich Festigkeit und andere Eigenschaften von aufgeschäumten Metallen durch Einstellung des spezifischen Gewichts (oder der Porosität), der Legierungszusammensetzung, des Wärmebehandlungsverlaufes und der Porenmorphologie maßschneidern. Bei vorteilhaften Ausführungsformen besitzt der Metallschaum eine hohe mechanische Festigkeit.
  • Metallschäume werden mittels herkömmlicher Techniken wie Sägen, Bohren, Fräsen und dergleichen leicht zu jeder gewünschten Form oder Konfiguration bearbeitet. Außerdem können Metallschäume mittels bekannter Techniken wie Verleimen, Löten und Schweißen verbunden werden.
  • Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich bei dem schockabsorbierenden Element um einen geschlossenzelligen Aluminiumschaum; bei einer spezifischen beispielhaften Ausführungsform handelt es sich um einen geschlossenzelligen Aluminiumschaum mit einer Porosität von 80 Volumenprozent.
  • In Vorrichtungsausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließt ein mehrschichtiges Panzerungssystem, das sich für den Konstruktionsschutz vor einem ballistischen Einschlag oder einer Sprengexplosion eignet, z.B. ein bei gepanzerten Militärfahrzeugen verwendetes Panzerungssystem, eine oder mehrere Schichten eines Metallschaums als Schockenergie absorbierendem Element ein.
  • Der Begriff „mehrschichtiges Panzerungssystem", wie er hierin verwendet wird, bedeutet mindestens zwei bekannte oder neu entwickelte Platten aus Metall, Metallschaum, einem Keramikwerkstoff, Kunststoff und dergleichen für Verteidigungs- oder Schutzsysteme. In der vorliegenden Erfindung schließt das mehrschichtige Panzerungssystem mindestens eine Auftreffplatte oder Pufferplatte ein, die mit einem schockabsorbierenden Element, bei dem es sich um eine Metallschaumschicht handelt, verklebt oder anderweitig damit verbundenen ist.
  • Wie zuvor beschrieben, besitzt der Metallschaum vorzugsweise eine geschlossenzellige Porenstruktur sowie einen hohen Porositätsanteil. Der Metallschaum kann beispielsweise aus Aluminium, Stahl, Blei, Zink, Titan, Nickel und Legierungen oder Metallmatrixverbundstoffen davon sein, wobei die Porosität von etwa 50 bis 98 Volumenprozent reicht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Metallschaum um einen geschlossenzelligen Aluminiumschaum mit einer Porosität von 80 Volumenprozent.
  • Der Begriff „Auftreffplatte" bezieht sich auf eine hochwiderstandsfähige Metall- oder Keramikplatte, deren Vorderseite den initialen Einschlag eines Projektils oder eines Sprengschusses aufnimmt. Die Rückseite der Auftreffplatte grenzt an eine erste Fläche des schockabsorbierenden Elementes, das in der vorliegenden Erfindung eine flache Platte oder Schicht aus Metallschaum ist. Es ist davon auszugehen, dass sich der Begriff „Auftreffplatte", wie er hierin verwendet wird, auf jede. Pufferplatte aus einem hochwiderstandsfähigen Material bezieht, das einen Einschlag oder durch einen Einschlag erzeugte Druckwellen vor einem schockabsorbierenden Element aufnimmt.
  • Die Auftreffplatte kann eine flache Platte aus einem hochwiderstandsfähigen Metall, Keramikwerkstoff oder Verbundstoff auf Polymerbasis wie z.B. einem glasfaserverstärkten Polymerverbundstoff sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform schließt das erfindungsgemäße mehrschichtige Panzerungssystem weiterhin eine mit einer Vorderseite der Metallschaumschicht oder einer Schicht, die der an die Auftreffplatte angrenzenden Oberfläche gegenüber liegt oder zu ihr distal ist, verklebte oder anderweitig damit verbundene verformbare Trägerplatte ein. Die Trägerplatte ist z.B. eine flache Platte aus einem verformbaren Metall wie Titan, Aluminium oder Stahl.
  • In einer spezifischen beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mehrschichtigen Panzerungssystems befindet sich eine schockabsorbierende Schicht aus Metallschaum zwischen einer hochwiderstandsfähigen – Auftreffplatte und einer verformbaren Trägerplatte. Natürlich kann das mehrschichtige Panzerungssystem zusätzliche Elemente in einer beliebigen Reihenfolge umfassen und die hierin dargestellten Ausführungsformen dienen lediglich der Illustration der Prinzipien der Erfindung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung ist nach Durchlesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Panzerungssystems mit einem Metallschaum als Schockenergie absorbierendem Element gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine Mikrophotographie eines hochporösen, geschlossenzelligen Aluminiumschaumes ist, die die typische Mikrostruktur im Querschnitt darstellt;
  • 3 eine graphische Darstellung des typischen Verhaltens eines Metallschaumes des in 2 dargestellten Typs unter einer uniaxialen Last ist; und
  • 4 eine Mikrophotographie des Aluminiumschaumes von 2 ist, die einen Querschnitt der Mikrostruktur nach der Verformung durch einen hochenergetischen Einschlag darstellt; leichter verständlich.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 1 ist eine beispielhafte schematische Darstellung eines verbesserten Panzerungssystems 10 des Typs mit einer hochwiderstandsfähigen Auftreffplatte 11, mindestens einem Schockenergie absorbierenden Element 12 und einer Trägerplatte 13.
  • In der Ausführungsform von 1 wird ein geschlossenzelliger Metallschaum als Schockenergie absorbierendes Element 12 eingesetzt. Die hochwiderstandsfähige Auftreffplatte 11 kann eine Keramik- oder Metallplatte sein. Die Trägerplatte 13 ist typischerweise aus einem sich stark verformenden Metall wie Titan, Aluminium oder Stahl. Die Trägerplatte 13 kann jedoch eine oder mehrere Schichten aus Metall und/oder einem Keramikwerkstoff sowie Verbundstoffen auf Polymerbasis umfassen. In dem Panzerungssystem 10 nimmt der geschlossenzellige Metallschaum die rückwärtige Verformung der Auftreffplatte 11 in einer ballistischen Zielstruktur wirksam auf. Der Metallschaum kann die rückseitige Verformung über einen nachfolgend genauer diskutierten Mechanismus steuern, ohne die ballistische Wirksamkeit hinter den Zielen mit sich stark verformenden Trägerplatten zu opfern.
  • Das Schockenergie absorbierende Element 12 umfasst vorzugsweise einen geschlossenzelligen Metallschaum, der z.B. aus Aluminium, Stahl, Blei, Zink, Titan, Nickel und Legierungen oder Metallmatrixverbundstoffen davon sein kann. Bevorzugte Metallschäume besitzen einen hohen Porositätsanteil, der typischerweise von etwa 50 bis 98 Volumenprozent reicht. In einer spezifischen bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Schockenergie absorbierenden Element 12 um einen geschlossenzelligen Aluminiumschaum mit einer Porosität von 80 Volumenprozent. 2 stellt die Mikrostruktur (d.h. die Porenstruktur) dieses speziellen Aluminiumschaummaterials dar.
  • Diese Art von Porenstruktur erhöht das Steifheits-/Gewichtsverhältnis (SWR) des Materials mit einer geringen partiellen Dichte erheblich. Bei einer Verformung führt diese Mikrostruktur zu einem lokalen Zelleinsturz und einer raschen Dissipation der Verdichtungsenergie, was in einem einzigartigen Verformungsverhalten und Materialeigenschaften wie einem hohen SWR und hoher Energieabsorption in dem Material resultiert.
  • Während der Verformung weisen die Metallschäume des in 2 dargestellten Typs bei der Bewegung vom dem quasi elastischen Zustand in den plastischen Zustand das universelle Verformungsverhalten von 3 auf. 3 ist eine graphische Darstellung des Verhaltens des Metallschaums von 2 unter einer uniaxialen Last, die als „Belastungskurve" bezeichnet wird. Die vertikale Achse von 3 stellt die Spannung dar, die horizontale Achse die Verformung. Die Belastungskurve von 3 ist in drei Bereiche aufgeteilt: in den linearen elastischen Bereich 31, den Einsturzbereich 32 (bei dem die Plateauspannung relativ konstant bleibt) und den Verdichtungsbereich 33. In dem linearen elastischen Bereich 31 ist der elastische Abschnitt der Spannungs-Nerformungskurve nur teilweise reversibel. Während der Belastung findet in dem Muster bereits eine geringfügige lokale plastische Verformung statt. Diese geringfügigen plastischen Verformungen tragen ebenfalls zu der mechanischen Dämpfung von Metallschäumen bei. In dem Einsturzbereich 32 kommt es zu einer Zellwandverbeulung und der Schaum fällt bis zu dem Verdichtungsbereich 33 fortlaufend in sich zusammen. Die Verformung in dem Verdichtungsbereich 33 ist ausgesprochen lokal; ihr geht das Voranschreiten einer Verdichtungsfront von verformten zu nicht verformten Bereichen des Musters voraus. Bei für Verformungsgeschwindigkeiten unempfindlichen Materialien wie Aluminium bleibt das Verformungsverhalten bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten gleich. Die Fläche unter der Belastungskurve stellt die von dem Metallschaum absorbierte Verformungsenergie dar.
  • Metallschäume können durch Einstellen von Schaumparametern wie Legierungselementen, Dichtegrad, Zellgröße, Wandstärke und Gleichmäßigkeit so hergestellt werden, dass die Energieabsorptionsfähigkeit maximiert wird. Verbesserungen des Spannungswertes und der Plateauspannung mittels Wärmebehandlung des Metallschaums oder mittels Zugabe von Teilchen- oder Faserkristallverstärkungen zu dem Metallschaum sind zusätzliche Techniken, die die Energieabsorptionsfähigkeit bekanntermaßen erhöhen.
  • Metallschäume können die durch den Einschlag erzeugten Druckwellen von der Auftreffplatte mildern und so eine Beschädigung der darunter liegenden Schichten – dabei kann es sich in manchen Ausführungsformen um eine Keramikkachel handeln – verzögern oder verhindern. Außerdem verbessern sie den Schutz von Personen und Material hinter dem Ziel. Die durch die Stoßwucht erzeugte Verformungsenergie verdichtet zunächst den vorderen Bereich (in Richtung der Belastung) der Metallschaumschicht, die das Schockenergie absorbierende Element bildet. Die nachfolgende Verformung führt zu einem Zerreißen und Zerscheren der Zellwände, eine Wirkung der Kernscherverformung für die Energiedissipation in der Zellstruktur. Daher wird die Verformungsenergie zurückgelenkt und seitwärts dissipiert. Dies ist am besten in 4 dargestellt, einem Querschnitt der Mikrostruktur des Aluminiumschaumes von 2, der die Verformung nach einem hochenergetischen Einschlag darstellt. Diese Art Verformungsmechanismus reduziert die übertragene Verformungsenergie hinter dem Ziel in Richtung der Belastung. Die Energie der durch den Einschlag erzeugten Druckwellen wird ebenfalls effizient in dem Zellnetzwerk dissipiert. Der hohe Porositätsgrad in dem Metallschaum ist für die Absorption der Wellenenergie günstig, und das Zellnetzwerk erzeugt die Hohlraumwirkung für die Streuung der Wellenenergie in dem Netzwerk.
  • Die erfindungsgemäßen Panzerungssysteme wären als Schutzsysteme für einen ballistischen Einschlag und eine Explosion nützlich. Darüber hinaus bezieht sich die hierin dargestellte beispielhafte Ausführungsform zwar auf ein Dreielementesystem, es ist jedoch davon auszugehen, dass die Erfindung die Verwendung von geschlossenzelligen, hochwiderstandsfähigen Metallschäumen mit einem hohen Porositätsanteil als Schockenergie absorbierendem Element in jeder anderen entwickelten oder noch zu entwickelnden Konfiguration umfasst, wobei ihre Fähigkeit, eine rückwärtige Verformung bei einem Hochgeschwindigkeitseinschlag aufzunehmen, nützlich wäre.
  • Zwar wurde die Erfindung mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen und Anwendungszwecke beschrieben, doch der Fachmann kann in Anbetracht dieser Lehre zusätzliche Ausführungsformen kreieren, ohne den Umfang der Erfindung, wie er in den nachfolgenden Patentansprüchen definiert ist, zu überschreiten. Dementsprechend ist davon auszugehen, dass die Zeichnungen und die Beschreibung in dieser Offenbarung das Verständnis der Erfindung vereinfachen, ihren Umfang aber nicht einschränken sollen.

Claims (7)

  1. Mehrschichtiges Panzerungssystem, das eine Auftreffplatte, eine verformbare Trägerplatte und eine oder mehrere dazwischen befindliche Zwischenschichten umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehrere Zwischenschichten ein schockabsorbierendes Element einschließen, das einen Metallschaum mit darin verteilten Zellen umfasst, und das schockabsorbierende Element bei Ausübung einer Kraft auf die Auftreffplatte gezwungen wird, progressive Verformungsmodi zu durchlaufen, die einer im wesentlichen linearen elastischen Verformung, einer Zelleinsturzverformung und einer Verdichtungsverformung in Reaktion auf die Größenordnung der auf die Auftreffplatte ausgeübten Kraft entsprechen.
  2. Mehrschichtiges Panzerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftreffplatte aus der Gruppe bestehend aus hochwiderstandsfähigen Metallen, Keramikwerkstoffen und Verbundstoffen auf Polymerbasis ausgewählt ist.
  3. Mehrschichtiges Panzerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum ein geschlossenzelliger Metallschaum ist.
  4. Mehrschichtiges Panzerungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossenzellige Metallschaum aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Stahl, Blei, Zink, Titan, Nickel und Legierungen oder Metallmatrixverbundstoffen davon ausgewählt ist.
  5. Mehrschichtiges Panzerungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossenzellige Metallschaum eine Porosität im Bereich von etwa 50 bis 98 Volumenprozent aufweist.
  6. Mehrschichtiges Panzerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verformbare Trägerplatte ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Aluminium oder Stahl umfasst.
  7. Mehrschichtiges Panzerungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlosszellige Metallschaum aus Aluminium besteht und eine Porosität von 80 Volumenprozent aufweist.
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