DE69413135T2 - Elektropyrotechnischer Anzünder - Google Patents
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Classifications
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen pyrotechnischen Zünder mit einer pyrotechnischen Ladung, welche mittels eines erwärmbaren resistiven Elementes gezündet wird, das mit dieser Ladung in Berührung steht.
- Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren für die Herstellung eines solchen Zünders.
- Ein besonders vorteilhafter Einsatz der Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Zündung einer pyrotechnischen Kette einer Vorrichtung vom Typ "Air-bag", kann jedoch auch für Flugkörper oder Raumfahrzeuge eingesetzt werden und betrifft, ganz generell, alle Systeme für die elektrische pyrotechnische Zündung, von denen eine große Regelmäßigkeit bei der Funktion, sowie eine große Zuverlässigkeit erwartet wird.
- Im Fach ist derzeit ein solcher Zünder bekannt, bei dem das resistive Element aus einer zylindrischen Wicklung mit geringem Durchmesser besteht, welche aus einer Legierung mit hohem Widerstand hergestellt ist. Diese resistive Wicklung wird an ihren beiden Enden durch Schweißen mit zwei Stromkontakten verbunden.
- Außerdem enthalten diese im Fach bekannten Zünder eine thermosensible Substanz, welche mit dem resistiven Element in engem Kontakt steht Diese Substanz besteht entweder aus einer unter starker Verdichtung kompaktierten Pulvermasse, oder aus einem Zündholz in der sogenannten Form einer "Perle", welches mittels einer bekannten Tauchtechnik hergestellt wird.
- Innerhalb sehr kurzer Zeit nach der Einleitung des elektrischen Stroms in das resistive Element, erzeugt der durch den Joule'schen Wärmeeffekt erzeugte Temperaturanstieg dieser thermosensiblen Substanz bis zum Punkt der raschen Selbstzerstörung dieser Substanz eine Verpuffung und mittels dieser pyrotechnischen Reaktion wird ein Zuschlagpulver oder eine verstärkende pyrotechnische Verbindung im Falle eines Zünders gezündet Sie erzeugt die Detonation einer primären Ladung im Falle einer Sprengkapsel.
- Schließlich ist aus der US-A-4 729 315, welche den Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 bildet, ein Zünder bekannt, welcher eine Halterung aufweist, die ein resistives Element in Form eines flachen Streifens aufweist, welcher über zwei Leiter vom Typ eines metallischen Synchronisationsbereiches, die in Form von Konsolen auf dieser Halterung angebracht sind, an zwei Stromkontakte angeschlossen ist. Entsprechend der Offenbarung der US-A-4 729 315 hat die pyrotechnische Ladung des Zünders die Form einer kompaktierten Pulvermasse.
- Diese bekannten Zünder, welche vorstehend beschrieben worden sind, weisen jedoch eine gewisse Anzahl von Nachteilen auf:
- - erstens ist es immer schwierig, die Handhabung und das direkte Verschweißen der resistiven Wicklung mit einem Durchmesser von einigen Zehntel Mikrometern an den Stromkontakten im industriellen Maßstab durchzuführen;
- - außerdem besitzen die hergestellten Zünder einen elektrischen Widerstand, welcher aufgrund einer gezwungenermaßen ungenauen Bemessung der Nutzlänge zwischen den Schweißnähten der Wicklung relativ gestreut ist;
- - weiterhin kann es sich im Fall einer thermosensiblen Pulvermasse als schwierig erweisen, den notwendigen engen Kontakt mit der resistiven Wicklung zu gewährleisten und zu erhalten. Man ist dann gezwungen, Metallringe einzusetzen, die sehr widerstandsfähig und stark komprimiert sind. Im Falle eines Zündholzes, welches im Tauchverfahren hergestellt worden ist, sind die Form der Perle und daher ihre Masse variabel. Außerdem besteht im Falle eines Zünders das verstärkende Pulver im allgemeinen aus einem Schwarzpulver, welches für die Erreichung einer korrekten Zündung eine relativ große Masse (im Bereich von 30 mg) der thermosensiblen Substanz voraussetzt, was eine in die Fertigung integrierte Wägung erfordert.
- Folglich zeigen die im Fach bekannten Zünder im allgemeinen relativ gestreute Leistungen in Bezug auf die Reaktionsfähigkeit, die Funktionsdauer und die Intensität der pyrotechnischen Ausgangsleistung. Außerdem kann ihre Festigkeit gegen strenge Umweltbedingungen und insbesondere gegen Belastungen durch Vibrationen, welche während der Lebensdauer des Produktes auftreten können, Probleme verursachen.
- Um die Nachseile der aus dem Fach bekannten Techniken zu vermeiden, wird mit der vorliegenden Erfindung ein elektrischer pyrotechnischer Zünder vorgeschlagen, in dem das resistive Element aus einem flachen Streifen mit einer geringen Breite 1 besteht, die vorzugsweise zwischen 80 und 300 Mikrometern liegt, und eine Länge L hat, welche zwischen 0,3 und 33 mm liegt, und der mittels Photoätzung einer dünnen Folie aus einer resistiven metallischen Legierung mit einer Dicke zwischen 1 und 15 um hergestellt wird, welche vorher auf eine Halterung einer gedruckten Schaltung aufgeklebt worden ist, wobei dieses resistive Element an seinen beiden Enden über zwei breite Leitflächen an Stromkontakte angeschlossen ist, und bei dem die pyrotechnische Ladung aus einer thermosensiblen Masse besteht, welche in Form eines explosiven Lackes aufgetragen wird, mit dem das resistive Element beschichtet wird.
- Die Abmessungen des resistiven Elementes, welche durch Berechnung und eine große Anzahl von praktischen Versuchen festgestellt worden sind, werden dank der bekannten Techniken der Photolithographie und der Verwendung von verstärkenden Verbindungen von reduktiven Oxydatoren mit großer Präzision hergestellt, welche statt des Schwarzpulvers eingesetzt werden, und erlauben eine sehr zuverlässige Zündung, und zwar selbst mit einer stark reduzierten Masse der thermosensiblen Substanz in Form einer dünnen Schicht aus einem explosiven Lack. Das Verfahren für die Auftragung dieses Lackes und die entsprechende Kontrolle werden bei einer industriellen Produktion vereinfacht.
- Ein solcher Zünder wird in einfacher Weise entsprechend der Technik der Anfertigung von gedruckten Schaltungen hergestellt, mit welchen der Fachmann gut vertraut ist. Seine Form kann den gewünschten Eigenschaften angepaßt werden, und sie ist in der Serienfertigung extrem genau und präzise reproduzierbar. Außerdem enthält der erfindungsgemäße Zünder breite Leitflächen für elektrischen Strom, welche einerseits an die Enden des resistiven Elementes angeschlossen sind, und es andererseits erlauben, sie leicht mittels dem Fachmann gut bekannten Techniken an die Stromkontakte anzuschließen, wie zum Beispiel durch Schweißen, Löten oder Quetschverbindungen.
- Daher ist entsprechend der vorliegenden Erfindung der elektrische pyrotechnische Zünder sehr robust, unempfindlich gegen äußere Einflüsse und besitzt eine längere Lebensdauer. Seine Eigenschaften in Bezug auf die Reaktionsfähigkeit sind zuverlässig und die Dauer seiner Funktion ist kurz und regelmäßig, wodurch es möglich ist, ihn zum Beispiel als Zünder für Air-Bags der neuen Generation einzusetzen.
- Die nachfolgende Beschreibung, welche in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen durchgeführt wird, die als nicht einschränkendes Beispiel gelten sollen, erklärt, woraus die vorliegende Erfindung besteht und wie sie verwirklicht werden kann.
- Die Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht des Längsschnittes eines Systems, welches einen erfindungsgemäßen Zünder aufweist;
- Die Fig. 2 zeigt eine schematische Teilansicht der Oberseite einer gedruckten Schaltung, aus welcher der erfindungsgemäße Zünder besteht;
- Die Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A der in der Fig. 2 dargestellten gedruckten Schaltung;
- Die Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt entlang der Linie B-B der in der Fig. 2 dargestellten gedruckten Schaltung.
- In der Fig. 1 ist ein Zündersystem dargestellt, welches eine Abdeckung 10 aufweist, die entweder aus einem Kunststoff oder einem Metall besteht, und in deren oberen Teil ein Behälter 11 eingebracht ist. Dieser Behälter 11 enthält eine verstärkende Verbindung, wie zum Beispiel eine Zündverbindung, oder ein Pulver, oder aber auch einen primären Sprengstoff. Die Abdeckung 10 ist fest an einem elektrischen pyrotechnischen Zünder 100 so befestigt, daß dieser Zünder 100 genau unter dem Boden des Behälters 11 in der Nähe der verstärkenden Verbindung angeordnet ist. Dieser Zünder 100 ist dafür vorgesehen, die verstärkende Verbindung, welche in dem Behälter 11 angeordnet ist, zu zünden.
- Wie man in der Fig. 1 und insbesondere in den Fig. 2, 3 und 4 erkennen kann, enthält der Zünder 100 eine Halterung für eine gedruckte Schaltung 101, die im Inneren der Abdeckung 10 angeordnet ist. Diese Halterung der gedruckten Schaltung 101 ist hier aus einem Verbundwerkstoff aus Kunststoff hergestellt, wie zum Beispiel aus einem mit Glasfasern versetzten Epoxidharz. Außerdem besitzt die Halterung der gedruckten Schaltung 101 auf ihrer dem Boden des Behälters 11 gegenüberliegenden oberen Fläche einen flachen Streifen 110, welcher aus einer resistiven Metallegierung besteht und hier eine parallelepipedische Form hat. Um in einer Serienfertigung die absolut notwendige Präzision dieses resistiven Streifens zu gewährleisten, wird er zum Beispiel nach der klassischen Methode der Photoätzung von gedruckten Schaltungen hergestellt, die als "Dünnschichtmethode" bezeichnet wird, und darin besteht, daß eine dünne Folie aus einer resistiven Legierung, wie zum Beispiel einer Nickel-Chrom- Legierung, welche auf die Halterung der gedruckten Schaltung 101 geklebt und vorher in geeigneter Weise nach einem gewünschten Muster abgedeckt worden ist, durch Photoätzung graviert wird.
- Außerdem besitzt der elektrische pyrotechnische Zünder 100 zwei breite stromleitende Flächen 121, 122, die an den Schmalseiten des flachen Streifens 110 angeordnet sind und die im Vergleich zu diesem Streifen große Abmessungen haben. Diese stromleitenden Flächen 121, 122 werden durch Photoätzung so hergestellt, daß zwei an dem Streifen 110 liegende leitende Bereiche erscheinen, und die vorher geätzte Folie mit einem Metall überdeckt wird, wie zum Beispiel einem Kupferelektrolyt, und anschließend eventuell mittels einer Zinnschicht 124 geschützt wird.
- Wie man in den Fig. 1 und 2 erkennen kann, besitzt der elektrische pyrotechnische Zünder 100 hier parallele Stromkontakte 102, 103, welche an die breiten leitenden Flächen 121, 122 angeschlossen sind und sich zu diesen rechtwinklig über die Halterung 101 erstrecken und sie durchqueren. Die feste Verbindung der Stromkontakte 102, 103 mit den beiden großen Flächen 121, 122 wird mit Hilfe von dem Fachmann bekannten klassischen Techniken durchgeführt, wie zum Beispiel durch mechanische Verpressung, Löten oder Schweißen mit oder ohne Zusatzwerkstoff. Diese Kontakte erlauben es, den Strom über die leitenden Flächen an den resistiven Streifen zu leiten, wobei sich beim Durchgang des elektrischen Stroms nur der resistive Streifen durch den Joule'schen Wärmeeffekt erwärmt.
- In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die Abmessungen des resistiven Streifens und der stromleitenden Flächen 121, 122 experimentell im Rahmen einer großen Anzahl von Versuchen ermittelt worden sind, um dadurch sicherzustellen, daß der Zünder gute Eigenschaften in Bezug auf die Reaktionsfähigkeit und eine ausreichende Funktionsdauer nach dem Beginn der Stromeinleitung zeigt.
- Daher hat der resistive Streifen 110 vorzugsweise eine Breite 1 zwischen 80 und 300 Mikrometern, eine Länge L zwischen 0,3 und 3 Millimetern und einen rechteckigen Querschnitt der Dicke e zwischen etwa 1 und 15 Mikrometer.
- Außerdem haben die leitenden Flächen 121, 122 vorzugsweise eine Form sowie Abmessungen, die so beschaffen sind, daß sie die Unabhängigkeit ihrer Kontakte mit dem resistiven Element gewährleisten.
- Weiterhin enthält der Zünder 100 eine thermosensible Substanz 104, welche durch den resistiven Streifen gezündet wird, der sich durch den Joule'schen Wärmeeffekt erwärmt. Diese thermosensible Substanz hat die Form einer dünnen Schicht aus einem explosiven Lack mit einer geringen Masse, welche unter 15% der Gesamtmasse der pyrotechnischen Ladung des Zünders liegt. Sie besteht aus einem primären Sprengstoff oder einem thermosensiblen reduktiven Oxydator, dem 2 bis 15 % eines filmbildenden Binders beigemischt sind. Der explosive Lack wird dadurch hergestellt, daß man den filmbildenden Binder, welcher vorher in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst worden ist, mit den explosiven Substanzen vermischt Dieses Gemisch wird mittels einer klassischen volumetrischen Waage auf den flachen resistiven Streifen 110 der gedruckten Schaltung aufgetragen, welche einen Teil des Zündkopfes bildet. Anschließend wird das Lösungsmittel des Lackes so ausgedampft, daß eine dünne harte und gut haftende explosive Schicht entsteht.
- Hierbei ist zu bemerken, daß die Art des explosiven Gemisches, welches in Form eines Lackes aufgetragen wird, so definiert wird, daß es sowohl die Härte und die Haftung des Lackes, als auch die thermische Reaktionsfähigkeit gewährleistet, die erforderlich ist, damit der Zündkopf mit größter Wahrscheinlichkeit innerhalb einer kurzen Zeit nach dem Durchlauf des elektrischen Stroms in dem resistiven Element 110 reagiert Außerdem wird dieses Gemisch so definiert, daß es einen guten Einsatz der Verbindung gewährleistet, die in dem Behälter 11 der Abdeckung 10 enthalten ist, wobei diese Verbindung im allgemeinen beigemischt wird, um den pyrotechnischen Zündeffekt oder die Detonation des Zünders zu verstärken.
- Im Falle eines Zünders ist die gewählte Verbindung von der Art eines reduktiven Oxydators und sie besteht zum Beispiel aus einem Gemisch aus Bor und Kaliumnitrat, oder einem Gemisch aus Titanhydrid und Kaliumperchlorat oder aus einer äquivalenten Mischung. Es hat sich gezeigt, daß eine solche Verbindung auch dann leicht gezündet werden kann, wenn man nur eine Menge von 5 bis 10 mg des explosiven Lackes verwendet.
- Der bevorzugt verwendete filmbildende Binder muß folgende Eigenschaften besitzen:
- - eine ausgezeichnete Haftfähigkeit auf der gedruckten Schaltung bei einem Trockengehalt von höchstens 10% der Masse des explosiven Lackes;
- - eine vollkommene Kompatibilität mit der thermosensiblen Substanz und insbesondere mit den primären Sprengstoffen vom Typ Bleistyphnat, die hier im allgemeinen verwendet werden;
- - eine Beeinträchtigung der Zündung durch die verstärkende Verbindung, die so gering wie möglich ist.
- Diese verschiedenen Forderungen haben dazu geführt, daß als Binder, ohne daß dies als Einschränkung gelten sollte, Harze von Typ Nitrat oder Zelluloseazetat, Polymere oder Copolymere des Acryl und Polyvinylazetate bevorzugt eingesetzt werden.
- Nachstehend wird ein Beispiel eines Zünders beschrieben, welches nicht einschränkend eine Ausführungsart der vorliegenden Erfindung zeigt. Man wird feststellen, daß der explosive Lack eine Masse hat, die es erlaubt, bei jeder gewünschten Temperatur die Zündung der verstärkenden Verbindung zu erreichen, ohne daß sie einen zu großen Anteil an der Gesamtladung des Zünders hätte, um so eine ausgezeichnete Regelmäßigkeit der Zündstärke an der Auslaßseite zu gewährleisten.
- Nach diesem Beispiel enthält der Zünder eine gedruckte Schaltung, deren resistives Element aus einem Nichromstreifen mit einer Dicke von 5 Mikrometern, einer Breite von 100 Mikrometern und einer Länge von 0,9 Millimetern besteht. Dieser resistive Streifen wird auf eine Halterung aus Epoxyglas mit einer Dicke von 0,4 Millimetern aufgetragen und an die Stromkontakte angeschlossen. Der auf die gedruckte Schaltung aufgetragene explosive Lack hat nach dem Trocknen eine Masse von 10 mg und die folgende Gewichtszusammensetzung:
- - 95% Bleitrinitroresorzinat
- - 5% eines filmbildenden Polymers aus der Familie der Zelluloseester.
- Der so erhaltene Zünder wird von einer Abdeckung überdeckt, deren Behälter 80 mg einer körnigen Zündverbindung enthält, die aus 24% Bor und 70% Kaliumnitrat besteht, wonach der Zusammenbau mit geeigneten Mitteln eventuell gegenüber der Umgebung abgedichtet wird.
- Der so hergestellte Zünder, welcher nach für solche Bauteile bekannten Verfahren erprobt worden ist, besitzt die in der nachstehenden Tabelle I dargestellten Eigenschaften.
- Widerstand zwischen den Stromkontakten 2 Ω ± 0,2 Ω
- Stromstärke der Funktion bei - 35ºC (Impuls von 2 ms) Wahrscheinlichkeit der Funktion: 99, 99% 1,3 A
- Funktionsdauer bei Umgebungstemperatur (Impuls 1,5 A/2 ms < 1,5 ms
- Stromstärke bei Nichtfeuerung bei 85ºC (Impuls 10 s) Wahrscheinlichkeit der Funktion: 99,9% 0,2 A
- Maximaler Bombendruck 5 ml 40 Bar in < 3 ms
- Der vorstehend beschriebene Zünder wird der folgenden kumulierten Anzahl von Erprobungen unter erschwerten Umgebungsbedingungen unterzogen:
- - 10 sukzessiven brutalen Wärmebelastungen von -40ºC + 105ºC;
- - 20 mechanischen Belastungen (in vier senkrechten Richtungen), welche Beschleunigungen von 5000 g (5000 · die Beschleunigung der Schwerkraft) erzeugen, und zwar jeweils:
- - eine Stunde Stoßbelastungen nach der Norm MIL-STD-331B ("Jolt-test") in allen vier Richtungen;
- - zwei Stunden sinusförmige Vibrationen mit drei unterschiedlichen Frequenzen in allen vier Richtungen (das heißt, insgesamt über 24 Stunden),
- im Vergleich zu Zündern aus dem Stand der Technik. Anschließend wird der elektrische Widerstand von zwei Familien von Zündern gemessen und sie werden einem Versuch in einer geschlossenen Bombe mit einem Volumen von 5 Kubikzentimetern unterzogen. Es handelt sich hier um eine Bombe, welche mit einem piezoelektrischen Meßgeber und einer Meßkette für die Bestimmung des Druckes in Abhängigkeit von der Zeit ausgestattet ist. Hierbei wurden die folgenden Ergebnisse erzielt: ABWEICHUNGEN VOR UND NACH DEN VERSUCHEN
- Nach Prüfung dieser Zusammenfassung der wesentlichen Eigenschaften kann man also feststellen, daß der erfindungsgemäße Zünder erfolgreich die unter Umgebungsbedingungen durchgeführten Versuche aushalten kann, während dies bei einem Zünder aus dem Stand der Technik nicht der Fall ist.
Claims (7)
1. Elektropyrotechnischer Zünder (100), der eine pyrotechnischen Substanz
(104) enthält, welche mittels eines heizenden resistiven Elementes
gezündet wird, das mit dieser Substanz kontaktiert wird, und der
insbesondere dafür bestimmt ist, die pyrotechnische Kette einer
Vorrichtung vom Typ Air-bag" zu zünden,
dadurch gekennzeichnet, daß
das resistive Element einen flachen Streifen (110) mit einer geringen Breite
I aufweist, die vorzugsweise zwischen 80 und 300 mu Liegt, und der eine
Länge L zwischen 0,3 und 3 mm besitzt, welcher mittels Photoätzung einer
dünnen Folie aus einer resistiven metallischen Legierung mit einer Dicke
zwischen 1 und 15 mu hergestellt wird, die vorher auf den Träger einer
gedruckten Schaltung (101) aufgeklebt worden ist, wobei das resistive
Element über zwei stromleitende Flächen (121, 122) an zwei
Stromanschlüsse (102, 103) angeschlossen ist, und dadurch, daß die
pyrotechnische Substanz (104) eine thermosensible Substanz ist, die in
Form eines explosiven Lackes auf das resistive Element aufgetragen wird.
2. Zünder nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der flache resistive Streifen (110) aus einer dünnen Schicht einer resistiven
Legierung besteht, wie zum Beispiel einer Nickelchromschicht, die an dem
Träger (101) haftet.
3. Zünder nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der flache resistive Streifen (110) zwei Endabschnitte besitzt, welche
jeweils mit zwei stromleitenden Flächen (121, 122) in Kontakt stehen, die
aus einer dünnen leitenden Metallschicht bestehen, wie zum Beispiel einer
Kupferschicht, wobei jede der leitenden Flächen (121, 122) eine Form hat
und Abmessungen aufweist, die ihre Unabhängigkeit gegenüber dem
flachen resistiven Streifen (110) gewährleisten.
4. Zünder nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
der die Zündmasse bildende Lack eine feine haftende Schicht ist, die eine
Masse von weniger als 15% der Gesamtmasse der pyrotechnischen
Substanz hat und aus einem primären Sprengstoff oder einem Gemisch
eines thermosensiblen oxidierenden Reduktionsmittels besteht, dem 2 bis
15% eines filmbildenden Binders beigemischt worden sind.
5. Zünder nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger der gedruckten Schaltung (101) aus einem plastischen
Verbundmaterial hergestellt ist.
6. Verfahren für die Herstellung eines elektropyrotechnischen Zünders (100)
nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
dieses Verfahren in den folgenden sukzessiven Schritten durchgeführt
wird:
- Aufkleben auf den Träger der gedruckten Schaltung (101) einer aus
einer resistiven metallischen Legierung bestehenden dünnen Folie;
- Photoätzung des flachen Streifens (110) in die aus einer Legierung
bestehende dünne Folie, welche entsprechend dem gewünschten
Muster abgedeckt worden ist;
- Überdecken der beiden Bereiche mit einer dünnen Schicht aus einem
stromleitenden Metall, wie zum Beispiel einer elektrolytischem
Kupferschicht, um zwei erweiterte stromleitende Flächen (121, 122) zu
bilden:
- Befestigung von jeweils zwei Stromanschlüssen (102, 103) auf diesen
stromleitenden Flächen (121, 122);
- Beimengung eines vorher in einem geeigneten Lösungsmittel gelösten
filmbildenden Binders zu den explosiven Substanzen;
- Auftrag des in Form eines Lackes hergestellten Gemisches auf den
flachen resistiven Streifen (110) der vorher hergestellten gedruckten
Schaltung; und
- Ausdampfen des Lösungsmittels aus dem Lack, um eine harte explosive
Schicht herzustellen, die an dem resistiven Streifen (110) haftet.
7. Zündsystem,
dadurch gekennzeichnet, daß
es einen elektropyrotechnischen Zünder (100) nach einem der Ansprüche
1 bis 5, sowie eine Abdeckung (10) aufweist, in der ein Behälter (11)
angeordnet ist, der eine die Zündung oder die Detonation verstärkende
Verbindung aufweist und den Zünder (100) in fester Weise überdeckt.
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