ES2380225T3 - Dispositivo de transformación de materiales que utiliza un calentamiento por inducción - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de transformación por calentamiento, especialmente por el moldeo, de materiales, en particular de materiales compuestos de matriz termoplástica o termoendurecible, que comprende: - dos cuerpos de molde (10, 20), móviles uno con respecto al otro, realizados en un material eléctricamente conductor y que comprenden, cada uno, una zona moldeante (12, 22) destinada a estar en contacto con el material que hay que transformar, y - medios inductores (30) para generar un campo magnético de frecuencias F que envuelve a los cuerpos de molde, estando caracterizado el dispositivo porque las caras de al menos uno de los dos cuerpo de molde (10, 20) situadas enfrentadas a los medios inductores, con excepción de las zonas moldeantes (12, 22), están recubiertas de una capa de blindaje (14, 24) de un material magnético que impide la penetración del campo magnético en los cuerpos de molde (10, 20), y porque los cuerpos de molde están aislados eléctricamente uno con respecto al otro durante la fase de moldeo, con el fin de que las caras enfrentadas de los dos cuerpos de molde delimiten un entrehierro (42) en el cual circula el campo magnético que induce corrientes en la superficie de la zona moldeante (12, 22) de cada cuerpo de molde (10, 20), permitiendo, así localizar el calentamiento de la interfaz zona moldeante/material que hay que transformar.

Description

Dispositivo de transformación de materiales que utiliza un calentamiento por inducción.
La invención se refiere a un dispositivo y a un procedimiento que utiliza un calentamiento por inducción, especialmente con el objetivo de realizar la transformación o el moldeo de materiales, en particular de materiales compuestos de matriz termoplástica o termoendurecible.
Para realizar el moldeo de piezas plásticas o de materiales compuestos, los procedimientos conocidos de calentamiento por inducción presentan el inconveniente de calentar una parte importante de un cuerpo de molde. Así, por el documento JP-A-57193340, se conoce un dispositivo para la vulcanización de caucho que comprende dos cuerpos de molde metálicos alrededor de los cuales está enrollada una bobina de calentamiento por inducción.
La invención permite limitar el calentamiento por inducción en una superficie, con el fin de localizar el calentamiento en la interfaz molde/material, lo que permite limitar el consumo de energía y, por tanto, mejorar el rendimiento energético del dispositivo. La productividad aumenta igualmente con menos tiempos de calentamiento y de enfriamiento, porque una fracción muy pequeña del volumen es sometida al calentamiento por inducción.
La invención tiene por objetivo también reducir el coste del utillaje.
La invención se refiere, así, a un dispositivo de transformación, especialmente por moldeo, de materiales, en particular de materiales compuestos de matriz termoplástica o termoendurecible, que comprende:
-
dos cuerpos de molde móviles uno con respecto al otro, realizados en un material eléctricamente conductor y que comprenden, cada uno, una zona moldeante destinada a estar en contacto con el material que hay que transformar, y
-
medios inductores para generar un campo magnético de frecuencia F que envuelva a los cuerpos de molde,
-
estando recubiertas las caras de al menos uno de los dos cuerpos de molde situadas enfrente de los medios inductores, con excepción de la zona moldeante, de una capa de blindaje de un material amagnético que impida la penetración del campo magnético en el cuerpo de molde,
quedando los cuerpos de molde aislados eléctricamente uno con respecto al otro durante una fase de moldeo, con el fin de que las caras enfrentadas de los dos cuerpos de molde delimiten un entrehierro en el cual circule el campo magnético que induce corrientes en la superficie de la zona moldeante de cada cuerpo de molde, permitiendo, así, localizar el calentamiento en la interfaz zona moldeante/material que hay que transformar.
De acuerdo con una realización, los dos cuerpos de molde están recubiertos con una capa de blindaje.
De acuerdo con una realización, los cuerpos de molde comprenden un compuesto magnético, preferentemente de permeabilidad magnética relativa y de resistividad elevadas, por ejemplo un acero a base de níquel, de cromo y/o de titanio.
De acuerdo con una realización, un solo cuerpo de molde está recubierto de una capa de blindaje, comprendiendo el otro cuerpo de molde un material amagnético, preferentemente débilmente resistivo, como por ejemplo aluminio.
De acuerdo con una realización, el cuerpo de molde recubierto de una capa de blindaje comprende un compuesto magnético, preferentemente de resistividad y de permeabilidad magnética relativa elevadas, por ejemplo un acero a base de níquel, de cromo y/o de titanio.
De acuerdo con una realización, la capa de blindaje recubre igualmente una parte, que no constituye una zona moldeante, de al menos una de las dos caras enfrentadas de los cuerpos de molde.
De acuerdo con una realización, la capa de blindaje comprende una chapa metálica fijada al cuerpo de molde magnético, estando ésta por ejemplo soldada o atornillada.
De acuerdo con una realización, la capa de blindaje comprende un depósito de material, especialmente un depósito electrolítico.
De acuerdo con una realización, el espesor e de la capa de blindaje es al menos igual a:
e = 50*(p/F) ½
siendo p la resistividad del material amagnético, y F la frecuencia del campo magnético.
De acuerdo con una realización, la frecuencia F es al menos igual a 25 KHz y preferentemente como mucho igual a 100 KHz.
De acuerdo con una realización, la capa de blindaje comprende un material amagnético de baja resistividad eléctrica, por ejemplo cobre o aluminio.
De acuerdo con una realización, se aplica una capa eléctricamente aislante a la zona moldeante de al menos un cuerpo de molde para perfeccionar el aislamiento eléctrico de estos últimos, especialmente cuando el material que hay que transformar es conductor.
De acuerdo con una realización, los medios inductores comprenden dos partes, cada una solidaria de uno de los cuerpos de molde, para permitir la apertura del dispositivo, y desplazables con el cuerpo de molde respectivo.
De acuerdo con una realización, las dos partes de los medios inductores están unidas eléctricamente por medio de al menos un contactor eléctrico que permite mantener el contacto durante el desplazamiento relativo de un cuerpo de molde con respecto al otro durante la fase de transformación.
La invención se refiere igualmente a un procedimiento de fabricación de piezas, especialmente en gran serie, que recurre al dispositivo definido anteriormente.
Otras características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto con la descripción hecha en lo que sigue, efectuándose esta última a título de ejemplo no limitativo refiriéndose a los dibujos que siguen, en los cuales:
-
la figura 1 representa un dispositivo de acuerdo con la invención,
-
la figura 2 muestra el dispositivo de la figura 1 en curso de transformación de un material,
-
las figuras 3a y 3b muestran disposiciones diferentes de los inductores para el dispositivo mostrado en la figura 1, correspondiendo estas figuras a vistas según la línea 3-3 de la figura 2,
-
la figura 4 muestra una variante del dispositivo, y
-
la figura 5 muestra una segunda variante.
El dispositivo de moldeo representado en las figuras 1 y 2 comprende dos cuerpos de molde 10, 20, móviles uno con respecto al otro. Los cuerpos de molde 10, 20 están realizados en un material magnético, del cual una parte constituye una zona moldeante, respectivamente 12 para el cuerpo de molde 10, y 22 para el cuerpo de molde 20. Las zonas moldeantes 12, 22 están situadas en dos caras enfrentadas de los cuerpos de molde.
Alrededor de los cuerpos de molde está dispuesta una red de inductores 30, unidos eléctricamente en paralelo o en serie a un generador de corriente. Cada inductor 30 comprende una espira conductora y comprende dos partes 32, 34 separables, de las cuales cada una es solidaria de un cuerpo de molde, respectivamente 10, 20.
Una parte de la superficie exterior de cada cuerpo de molde 10, 20, con excepción de las zonas moldeantes 12, 22, está recubierta de una capa de blindaje 14, 24. En el ejemplo, el blindaje recubre las caras exteriores de los cuerpos de molde situadas enfrente de los inductores 30, y una parte de las caras enfrentadas de los dos cuerpos de molde. En cambio, no es necesario que las caras exteriores de los cuerpos de molde que no están enfrentadas a un inductor (es decir, las caras paralelas al plano de la figura 1) estén recubiertas de una capa de blindaje, porque el campo magnético generado tiene una influencia muy limitada en estas caras.
La figura 1 muestra los dos cuerpos de molde alejados uno del otro antes del moldeo, y la figura 2 es análoga a la de la figura 1 y muestra los dos cuerpos de molde durante la operación de moldeo.
Durante la transformación de un material 40, como se representa en la figura 2, éste queda encerrado y mantenido a presión entre las zonas moldeantes 12, 22 de los dos cuerpos de molde. El material asegura entonces el aislamiento eléctrico entre estos dos cuerpos de molde 10, 20. Gracias a este aislamiento eléctrico, el espacio delimitado por las superficies enfrentadas de los dos cuerpos de molde constituye un entrehierro 42, que permite la circulación de un campo magnético en este espacio.
Cuando los medios inductores que comprenden espiras conductoras 30 son recorridos por corrientes eléctricas Ii alternas de frecuencia F, comprendida por ejemplo entre 25 kilohercios y 100 kilohercios, los inductores generan un campo magnético que envuelve a los cuerpos de molde 10, 20.
El campo magnético así generado atraviesa los cuerpos de molde, y circula igualmente en el entrehierro, es decir entre los cuerpos de molde.
El campo magnético induce corrientes de sentido opuesto a los sentidos de las corrientes Ii, y la presencia del entrehierro permite generar corrientes inducidas Ic1 e lc2 que circulan en la superficie de cada uno de los dos cuerpos de molde.
La capa de blindaje impide que el campo magnético llegue a los cuerpos de molde, con excepción de las zonas moldeantes. Estas corrientes inducidas Ic1 e Ic2 tienen, por tanto, una acción térmica principalmente en la superficie de la zona moldeante que, por tanto, es la zona principal calentada por la acción de los inductores. Siendo el blindaje amagnético, éste se calienta muy poco por inducción.
Para que el dispositivo funcione de manera eficaz, es necesario que la capa de blindaje sea de un espesor superior a la profundidad de penetración del campo magnético (espesor de piel). Se impide, así, que el campo magnético llegue al cuerpo de molde y caliente a éste en otros lugares distintos de la zona moldeante.
Para determinar el espesor requerido de la capa de blindaje, se utiliza la fórmula siguiente: e = 50*(p/F.Wr)1/2 donde p es la resistividad del material amagnético, Wr la permeabilidad magnética relativa del material y F la frecuencia de las corrientes inductoras. Para un material amagnético, se toma Wr=1, y la fórmula pasa a ser: e = 50*(p/F)1/2. Así pues, para que el blindaje magnético sea efectivo, el espesor de la capa de material amagnético debe ser superior al espesor de la piel, con las frecuencias mencionadas anteriormente comprendidas entre 25 KHz y 100 KHz los espesores de piel son inferiores al milímetro.
El dispositivo de acuerdo con la invención es tanto más eficaz cuanto que la presencia del entrehierro 42 tenga por efecto concentrar el flujo magnético en su seno, lo que aumenta todavía la acción del campo magnético a nivel de las zonas moldeantes, y por tanto la energía inductiva aportada a la superficie de las zonas moldeantes.
Así pues, un dispositivo de acuerdo con la invención presenta la ventaja de calentar localmente la zona moldeante, directamente en la interfaz zona moldeante/material, y no en el espesor del cuerpo de molde, lo que representa una economía de energía importante. Un dispositivo de este tipo presenta igualmente la ventaja de ser simple y poco costoso de fabricar.
El entrehierro tiene por efecto igualmente limitar la influencia de la geometría y/o la repartición de los inductores sobre el calentamiento resultante porque el entrehierro 42 (véanse las figuras 3a y 3b) “alisa” la energía aportada por los inductores. Así, las espiras inductoras 30’1 a 30’4 (véase la fig. 3b) repartidas regularmente en la longitud del molde tienen prácticamente el mismo efecto que el mismo número de espiras inductoras 301 a 304 (véase la fig. 3a) repartidas en una longitud más corta. Esta disposición permite elegir a voluntad la repartición de las espiras inductoras.
La fijación de la capa de material amagnético al cuerpo de molde puede ser efectuada de diversas maneras, por ejemplo por la fijación de una chapa o por depósito de material, por ejemplo un depósito electrolítico.
El material amagnético utilizado para constituir el blindaje tiene, preferentemente, una baja resistividad con el fin de limitar las pérdidas energéticas, como por ejemplo el cobre o el aluminio.
El material magnético utilizado para el cuerpo de molde es un compuesto magnético que puede presentar una temperatura de Curie, así como una resistividad eléctrica mayor que la del cobre, como por ejemplo aleaciones de acero a base de níquel, de cromo y/o de titanio. Una resistividad eléctrica importante del cuerpo de molde constituye una ventaja porque ésta permite un calentamiento por inducción más eficaz. Sin embargo, debe observarse que la permeabilidad magnética del material que constituye el cuerpo de molde influye igualmente en el rendimiento del calentamiento por inducción. En efecto, si se refiere a la fórmula citada anteriormente, una permeabilidad magnética relativa elevada conduce a una profundidad de penetración del campo magnético más pequeña, se distribuye, por tanto, una misma cantidad de energía en una zona más restringida, y resulta de esto un calentamiento más importante.
Cuando el material presenta un punto de Curie, a una temperatura próxima a este punto de Curie, el material del cuerpo de molde pierde sus propiedades magnéticas y el calentamiento por inducción disminuye de modo importante, lo que permite regular la temperatura de calentamiento alrededor del punto de Curie.
El dispositivo representado en las figuras 1 y 2 está provisto de un sistema de enfriamiento para permitir la realización o la transformación de piezas por calentamiento a cadencia elevada, siendo puesto en práctica el enfriamiento entre dos tratamientos. A tal efecto, en cada cuerpo de molde se prevé una red de canales 18, 28 que permite hacer circular un líquido de enfriamiento en la proximidad de las superficies moldeantes 12, 22. El enfriamiento así obtenido es muy rentable, por una parte, porque el cuerpo de molde metálico es térmicamente muy conductor y, por otra, porque los canales pueden estar dispuestos lo más cerca posible de las zonas moldeantes 12,
22.
En el caso del moldeo de un material compuesto, después de un ciclo de calentamiento y de la puesta en forma, el enfriamiento permite fijar el material compuesto en su forma definitiva.
A diferencia de los sistemas conocidos, el dispositivo de acuerdo con la invención permite concentrar la acción del campo magnético y los efectos térmicos en la proximidad de las zonas moldeantes. En consecuencia, siendo el calentamiento más localizado, hay menos energía térmica que hay que disipar durante el enfriamiento, que por tanto es más rápido. Se reduce así el tiempo de ciclo del dispositivo y por tanto se aumenta de manera significativa la productividad.
En la figura 1 se ha indicado la frontera f entre cada cuerpo de molde 10, 20 y la capa de material amagnético que le recubre. La posición de esta frontera f con respecto a la zona moldeante 12, 22 tiene una influencia sobre la calidad del calentamiento y por tanto del moldeo. Con el dispositivo de acuerdo con la invención, es fácil, por adición o eliminación de material, modificar la posición de la frontera f, lo que proporciona una gran flexibilidad en la concepción del utillaje; en efecto, se hace posible ajustar la posición de la frontera después de ensayos de tratamiento, especialmente de moldeo, en las condiciones reales.
Siendo los inductores en dos partes 32, 34 separables y solidarias del molde, la separación de los dos cuerpos de molde es fácil, lo que permite una extracción rápida de la pieza 40 después del moldeo, y por tanto contribuye a una fabricación a cadencia elevada. Durante la transformación de un material, la continuidad eléctrica entre las dos partes 32, 34 de la red de inductores queda asegurada por contactores eléctricos 36. Este contactor permite un desplazamiento relativo de las dos partes 32, 34 de la red de inductores, porque la transformación de los materiales se hace generalmente a presión constante, pero ésta ocasiona una disminución de espesor del material, y por tanto una disminución de la distancia entre los dos cuerpos de molde 10, 20.
La transformación de materiales compuestos eléctricamente conductores necesita utilizar una variante del dispositivo. En efecto, con materiales conductores, como por ejemplo materiales a base de fibras de carbono, el aislamiento eléctrico entre los dos cuerpos de molde no queda siempre perfectamente asegurado, y pueden producirse localmente cortocircuitos, que generan arcos eléctricos que pueden afectar a la superficie del material que hay que transformar y/o la superficie de las zonas moldeantes. Para perfeccionar el aislamiento eléctrico y así evitar cualquier riesgo de cortocircuito, se deposita una capa de aislante eléctrico sobre al menos una de las zonas moldeantes 12, 22. Una capa de este tipo comprende por ejemplo materiales a base de teflón, de carbono amorfo, de fibra de vidrio o también de cerámica… Esta capa debe tener una resistencia a la temperatura y una resistencia mecánica adaptadas, con un espesor del orden de la micra.
De modo clásico, están previstos igualmente medios mecánicos (no representados) de eyección de la pieza fabricada.
El procedimiento de fabricación así puesto en práctica comprende, por tanto, principalmente cuatro fases:
-
puesta en posición del material o de los materiales de la pieza que hay que tratar sobre el cuerpo de molde inferior del dispositivo,
-
calentamiento de las dos zonas moldeantes, y puesta a presión del material entre las dos zona moldeantes durante un tiempo dado,
-
puesta en práctica del enfriamiento de los cuerpos de molde, con el fin de enfriar la pieza,
-
nuevo levantamiento del cuerpo de molde superior y eyección/retirada de la pieza.
El procedimiento así puesto en práctica se beneficia ampliamente de las ventajas aportadas por el dispositivo de acuerdo con la invención, especialmente en términos de productividad: el calentamiento local asociado a la zona moldeante permite minimizar el tiempo de los ciclos.
El ajuste fácil de la zona calentada por adición o retirada de porciones de la capa de blindaje proporciona una gran flexibilidad: se puede modificar fácilmente el utillaje en función de los resultados obtenidos durante primeros ensayos.
Finalmente, el utillaje es económico de producir, porque la capa de blindaje 14, 24 no necesita fabricación compleja
o costosa.
Una variante, representada en la figura 4, del dispositivo de acuerdo con la invención permite realizar un utillaje más simple, en particular en el marco de la transformación de piezas muy finas, especialmente de piezas de espesor inferior al milímetro. En efecto, tales espesores permiten limitar el calentamiento en una sola cara de la pieza. Se utiliza un dispositivo en el cual uno de los dos cuerpos de molde no está recubierto de una capa de blindaje, comprendiendo este cuerpo de molde (70) un material amagnético. Así, este cuerpo de molde (70), no transparente al campo magnético, permite siempre disponer de un entrehierro en el cual circula el campo magnético creado por la red de inductores (74). El calentamiento por inducción se realiza, por tanto, principalmente a nivel de la zona moldeante del cuerpo de molde 72 que está recubierto de una capa de blindaje. Un dispositivo de este tipo es menos costoso de realizar, porque el cuerpo de molde (70) no comprende capa de blindaje. En el ejemplo de la figura 4, el cuerpo de molde 70 está desprovisto de circuito de enfriamiento.
En otra variante (véase la figura 5) se prevé un solo cuerpo de molde 50 alrededor del cual están dispuestas las espiras inductoras 52. En esta configuración, la capa de blindaje que rodea al cuerpo de molde permite localizar el calentamiento en la zona moldeante 60, sin presencia de entrehierro. La ausencia de este entrehierro hace a dicho dispositivo más sensible a la geometría de la red de inductores, pero el calentamiento se mantiene principalmente localizado en la superficie de la zona moldeante gracias a la capa de blindaje.

Claims (15)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo de transformación por calentamiento, especialmente por el moldeo, de materiales, en particular de materiales compuestos de matriz termoplástica o termoendurecible, que comprende:
    -
    dos cuerpos de molde (10, 20), móviles uno con respecto al otro, realizados en un material eléctricamente conductor y que comprenden, cada uno, una zona moldeante (12, 22) destinada a estar en contacto con el material que hay que transformar, y
    -
    medios inductores (30) para generar un campo magnético de frecuencias F que envuelve a los cuerpos de molde,
    estando caracterizado el dispositivo porque las caras de al menos uno de los dos cuerpo de molde (10, 20) situadas enfrentadas a los medios inductores, con excepción de las zonas moldeantes (12, 22), están recubiertas de una capa de blindaje (14, 24) de un material magnético que impide la penetración del campo magnético en los cuerpos de molde (10, 20),
    y porque los cuerpos de molde están aislados eléctricamente uno con respecto al otro durante la fase de moldeo, con el fin de que las caras enfrentadas de los dos cuerpos de molde delimiten un entrehierro (42) en el cual circula el campo magnético que induce corrientes en la superficie de la zona moldeante (12, 22) de cada cuerpo de molde (10, 20), permitiendo, así localizar el calentamiento de la interfaz zona moldeante/material que hay que transformar.
  2. 2.
    Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los dos cuerpos de molde (10, 20) están recubiertos de una capa de blindaje (14, 24).
  3. 3.
    Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2, en el cual los cuerpos de molde (10, 20) comprenden un compuesto magnético, preferentemente de permeabilidad magnética relativa y de resistividad elevadas, por ejemplo un acero a base de níquel, de cromo y/o de titanio.
  4. 4.
    Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual un solo cuerpo de molde (72) está recubierto de una capa de blindaje, comprendiendo el otro cuerpo de molde (70) un material amagnético, preferentemente débilmente resistivo, como por ejemplo el aluminio.
  5. 5.
    Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual el cuerpo de molde (72) recubierto de una capa de blindaje comprende un compuesto magnético, preferentemente de resistividad y de permeabilidad magnética relativa elevadas, por ejemplo un acero a base de níquel, de cromo y/o de titanio.
  6. 6.
    Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual la capa de blindaje (14, 24) recubre una parte, que no constituye una zona moldeante, de al menos una de las dos caras enfrentadas de los dos cuerpos de molde.
  7. 7.
    Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual la capa de blindaje (14, 24) comprende una chapa metálica fijada al cuerpo de molde, estando ésta por ejemplo soldada o atornillada.
  8. 8.
    Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, en el cual la capa de blindaje (14, 24) comprende un depósito de material, especialmente un depósito electrolítico.
  9. 9.
    Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el espesor e de la capa de blindaje (14, 24) es al menos igual a un valor tal que:
    e = 50*(p/F) ½
    donde p es la resistividad del material amagnético, y F la frecuencia del campo magnético.
  10. 10.
    Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual la frecuencia F es al menos igual a 25 KHz y preferentemente como mucho igual a 100 KHz.
  11. 11.
    Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual la capa de blindaje (14, 24) comprende un material amagnético de baja resistividad eléctrica, por ejemplo cobre o aluminio.
  12. 12.
    Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual se aplica una capa aislante sobre una zona moldeante de al menos un cuerpo de molde para perfeccionar el aislamiento eléctrico entre los cuerpos de molde, especialmente cuando el material que hay que transformar es conductor.
  13. 13.
    Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual los medios inductores (30) comprenden dos partes (32, 34), cada una solidaria de uno de los cuerpos de molde y desplazables con el cuerpo de molde respectivo.
  14. 14.
    Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 13, en el cual las dos partes (32, 34) de los medios inductores están unidas eléctricamente por medio de al menos un contactor eléctrico (36) que permite mantener el contacto durante el desplazamiento relativo de un cuerpo de molde (10, 20) con respecto al otro durante la fase de transformación.
  15. 15. Procedimiento de fabricación de piezas, especialmente en gran serie, que recurre a un dispositivo de acuerdo 5 con una de las reivindicaciones precedentes, y que comprende las etapas siguientes:
    -
    puesta en posición del material o de los materiales (40) de la pieza que hay que tratar sobre el cuerpo de molde inferior (10) del dispositivo,
    -
    calentamiento de las dos zonas moldeantes (12, 22) y puesta a presión del material (40) entre las dos zonas moldeantes durante un tiempo dado.
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