FR2583676A1 - Procede et appareils d'extrusion de structures alveolaires en matiere thermoplastique et structures ainsi obtenues - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA FABRICATION PAR EXTRUSION A TRAVERS UNE FILIERE DE STRUCTURES ALVEOLAIRES EN MATIERE THERMOPLASTIQUE. SUIVANT L'INVENTION, LESDITES STRUCTURES SONT SOUMISES, IMMEDIATEMENT A LA SORTIE DE LA FILIERE, A UNE OPERATION DE TREMPE DE PREFERENCE ACCOMPAGNEE PREALABLEMENT D'UN ETIRAGE ET D'UN LAMINAGE. APPLICATION NOTAMMENT A LA FABRICATION DE STRUCTURES EN NID D'ABEILLES SOUS FORME DE POUTRES, POUTRELLES OU PLAQUES.

Description

La présente invention concerne un procédé de réalisation de structures alvéolaires en matière thermoplastique, par extrusion, ainsi que les appareils mettant en oeuvre ce procédé et les structures ainsi obtenues.

Il existe plusieurs procédés permettant de réaliser des structures alvéolaires en matière thermoplastique, par exemple le thermoformage à partir d'une feuille ou le moulage en moule fermé.

Ces deux procédés présentent, entre autres inconvénients, celui de ne pas pouvoir être mis en oeuvre de façon continue ainsi que celui d'être très limités en ce qui concerne la longueur des structures qu'ils permettent d'obtenir.

Il existe aussi des procédés utilisant l'extrusion à travers une filière dont le profil correspond à celui de la structure alvéolaire désirée. Ils présentent l'inconvénient de nécessiter des moyens complexes pour maintenir cette structure sans déformation à sa sortie de la filière jusqu'à ce qu'elle se tienne d'elle-même après refroidissement suffisant.

Parmi ces procédés, celui objet du brevet français n0 80-23188 propose des moyens simplifiés consistant essentiellement en un refroidissement simultané de tous les alvéoles au fur et à mesure de leur extrusion, ce qui permet d'extruder des structures de section plus large que si le refroidissement était exclusivement périphérique. De plus, la filière est réalisée en un matériau très isolant comme le polytétrafluoréthylène, ce qui permet d'obtenir un refroidissement assez rapide des structures extrudées.

S'il est vrai que le refroidissement de la matière thermoplastique constituant la structure extrudée est relativement rapide, il n'en reste pas moins qu a sa sortie de la filière, cette structure est encore à l'état ramolli et risque donc de se déformer, ce qui obligerait alors à un calandrage.

Dans l'exemple de réalisation présenté, l'extrusion se fait à la verticale et les moyens utilisés pour éviter cette déformation sont doubles. D'une part, on exerce, sur la structure extrudée, une traction avec des organes de traction se déplaçant sensiblement à la vitesse d'extrusion. D'autre part, chaque alvéole subit de chaque côté, dès sa sortie de la filière, une pression constante fonction de la colonne de liquide de refroidissement qui est la même dans tous les alvéoles.

Mais la disposition verticale de l'extrudeuse présente l'inconvénient de nécessiter une installation très complexe dans le cas où l'on désire des éléments de structures alvéolaires de grande longueur. En effet, tant que la structure extrudée est maintenue dans le liquide de refroidissement, chaque paroi interne de la structure est maintenue par la pression du liquide contenu dans les alvéoles voisins, et chaque paroi externe est maintenue par la pression du liquide de refroidissement à lçextérieur de la structure et par la pression du liquide de refroidissement i l'intérieur de l'alvéole voisin.Mais il est évident qu'on ne peut pas allonger indéfiniment sans problèmes, la hauteur du bac de refroidissement, et si on limitait cette hauteur par rapport à la longueur de la structure désirée, le poids du liquide de refroidissement contenu dans les alvéoles déformerait les parois extérieures de la structure.

La présente invention conserve les avantages de ce procédé, notamment en ce qui concerne l'inutilité d'un calibrage postérieur à la sortie de la filière, et permet d'en éviter les inconvénients.

Sens nécessiter de moyens complexes pour éviter la déformation de la structure extrudée à la sortie de la filière, elle assure par ailleurs, eu égard aux autres procédés d'extrusion, une rigidité accrue du produit final et elle permet une extrusion sans contraintes particulières concernant les longueurs de structures que lton peut obtenir.

Elle a pour objet un procédé d'extrusion d'une structure alvéolaire en matière thermoplastique, à travers une filière correspondant au profil de la structure alvéolaire désirée, caractérisé en ce que ladite structure est soumise à une opération de trempe sur la plupart de ses différentes faces, dès sa sortie de la filière.

Ainsi la structure extrudée est, dès sa sortie de la filière, suffisamment rigidifiée pour se tenir d'elle-m8me tout de suite, ce qui, non seulement rend inutile un calibrage postérieur, mais permet de la manutentionner sans besoin de précautions particulières.

Suivant une autre caractéristique de l'invention, la structure en cours d'extrusion est soumise, immédiatement avant l'opération de trempe qu'elle subit à la sortie de la filière, à une traction qui en assure l'étirage, cet étirage ayant pour résultat une orientation moléculaire qui, fixée aussitht par l'opération de trempe, va augmenter les propriétés mécaniques de la structure extrudée.

Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'étirage de la structure en extrusion est précédé d'un laminage, de manière a' provoquer le début d'orientation moléculaire qui sera ensuite accentuéepar l'étirage.

Un tel procédé peut être mis en oeuvre avec l'appareillage décrit dans le brevet français 80-23188 cité plus haut ou des appareillages analogues
Dans une réalisation intéressante de l'invention, la filière reçoit la matière thermoplastique à former > d'une chambre d'alimentation à au moins deux compartiments successifs, séparés par une plaque perforée destinée à aider à une homogénéisation et à une répartition régulière de la matière thermoplastique sur toute la section de la filière.

Dans une version particulièrement intéressante de cette réalisation, chaque plaque perforée est munie de moyens de chauffage de manière à participer au maintien en température de la matière thermoplastique.

Dans le cas où les éléments constituant la filière sont portés par des corps parallèles dont chacun contient un conduit qui lui est axial, en est isolé thermiquement et amène un liquide de refroidissement immédiatement en aval de la filière, chaque plaque perforée peut avantageusement constituer une entretoise desdits corps et permettre ainsi la réalisation d'une chambre d'alimentation monobloc.

Suivant une autre réalisation intéressante de l'invention, le circuit du liquide de refroidissement est relié à un circuit d'air comprimé destiné à remplacer ce liquide dans certaines conditions} de manière à assurer plus économiquement l'étanchéité entre le circuit d'extrusion et le circuit de refroidissement.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'une réalisation de l'invention donnée à titre purement indicatif et nullement limitatif.

La figure 1 montre schématiquement une installation pour la mise en oeuvre de l'invention.

La figure 2 montre un détail de la chambre d'alimentation de la filière de 11 installation de la figure 1.

La figure 3 est une vue, partiellement en coupe, suivant la ligne
III-III, de la figure 2.

Sur la figure 1, on a une extrudeuse 1 avec une trémie d'alimentation 2 et une tuyauterie de sortie 3 thermiquement isolée, qui alimente une filière 4 par l'intermédiaire d'une chambre d'alimentation 6.

Cette filière 4 comprend (voir figures 2 et 3) un certain nombre d'éléments hexagonaux 36 dont le montage sera expliqué plus loin.

La chambre d'alimentation 6 est séparée par un fond 13 et une cloison 15 d'un compartiment 7 qui lui est voisin et sur lequel est fixée une tuyauterie 8, reliée à une tuyauterie d'eau 9 portant un dispositif régulateur de température 5 et un robinet d'arrêt 11 et à une tuyauterie d'air comprimé 10 portant un robinet d'arrêt 12.

Des tuyauteries 14 sont piquées sur le fond 15 et traversent la cloison intérieure 13 sur laquelle sont soudés des cylindres 16.

Chaque cylindre 16 est concentrique à l'une des tuyauteries 14 et porte à son extrémité libre une pièce 17 dont la fonction est double servir d'entretoise entre le cylindre 16 qui la porte et la tuyauterie 14 concentrique audit cylindre, etconstituer assise pour les éléments 36.

Ces éléments 36, qui ont une forme hexagonale parce que le profil désiré pour le produit à extruder est un profil en nid d'abeilles, sont en matériau isolant tel que le polytétrafluoréthylène et sont maintenus sur les pièces 17 par des écrous 19 qui se vissent sur les tuyauteries 14 grâce aux fentes 20 qu'ils comportent.

Ils sont écartés de telle manière que leurs lèvres 18 réalisent un rétrécissement de la section de passage de la matière thermoplastique.

La chambre d'alimentation 6 est partagée en trois compartiments 28, 29 et 30 par deux plaques perforées 21 et 22 maintenues en place par des entretoises 23, 24 et 25 disposées autour des cylindres 16.

Les entretoises 23 maintiennent l'écartement de la plaque perforée 21 par rapport au fond 13. Les entretoises 24 maintiennent 1'écar- tombent des deux plaques perforées 21 et 22 entre elles. Les entretoises 25 maintiennent l'écartement de la plaque perforée 22 par rapport aux pièces i7 et donc également par rapport aux éléments 36 constituant la filière.

La plaque perforée 22 a des perforations plus petites que la plaque perforée 21 conte il apparaît sur la figure 3.

Les deux plaques perforées. 21 et 22 sont en matériau permettant de les chauffer par effet Joule et sont intégrées dans un système de chauffage électrique non figuré.

Un bac 26 fait suite à la filière. Il est équipé d'un banc de traction des structures extrudées constitué par deux courroies sans fin 27 et 34 dont le dispositif de commande, non représenté, comporte un variateur de vitesse.

Le bac 26 se termine par un plan incliné 31 et comporte, entre ce plan incliné et les courroies 27 et 34 du banc de traction, un dispositif de coupe classique 32, mobile sur des rails 33 pour permettre la coupe des structures extrudées 37, 38, sans avoir besoin d'arrenter leur mouvement de translation vers le plan incliné 31.

Dans ces conditions, le fonctionnement s'établit comme décrit ci-après.

En marche normale, la matière thermoplastique réchauffée et fluidifiée dans ltextrudeuse 1 passe, par la tuyauterie 3, dans la chambre d'alimentation 6, où elle arrive dans le compartiment 28, avant d'être repoussée à travers la plaque perforée 21 dans le compartiment 29, puis, à travers la plaque perforée 22, dans le compartiment 30 qui précède im médiatement la filière 4 à travers laquelle elle va recevoir son profil alvéolaire.

Lorsqu'elle arrive à l'entrée de la chambre d'alimentation 6, la matière thermoplastique est à une température suffisante pour être fluente. Mais au passage de la filière, cette température doit être rigoureusement constante dans le temps et dans tous les points de la filière pour obtenir une structure régulière.

Le passage de la matière thermoplastique à travers la plaque perforée 21 réalise une première étape de l'homogénéisation du chauffage puisque chaque veine de matière passant par les perforations est réchauffée au contact de la plaque perforée.

Le passage à travers les deux plaques perforées 21 et 22 donne un autre résultat, à savoir l'équilibrage de la pression de la matière dans tout l'intérieur du compartiment 30, et donc une distribution régulière à travers toute la section de la filière.

Grâce à la réalisation de la filière 4 avec les éléments 36 en polytétrafluoréthylène et grâce aussi au mouvement de la matière vers l'extérieur, la température du liquide de refroidissement qui arrive dans les alvéoles à la sortie de la filière, est sans incidence sur la température de la matière en amont de ladite filière et, dès lors, l'extrusion peut s'effectuer normalement.

Quant aux tuyauteries 14 qui amènent le liquide de refroidissement, elles sont isolées thermiquement des plaques perforées chauffantes 21 et 22. Cette isolation est obtenue par l'air immobile présent entre les tuyauteries 14 et les cylindres 16.

Du fait de cette isolation, les entretoises 23, 24 et 25 peuvent éventuellement être munies de moyens de chauffage pour aider au maintien à une température constante de la matière thermoplastique contenue dans la chambre d'alimentation.

On notera que les fentes hexagonales réalisées par les lèvres 18 des éléments 36, fentes à travers lesquelles la structure va recevoir sa forme alvéolaire, sont plus étroites que l'écartement entre deux ensembles cylindre 16 et entretoises 23, 24, 25 voisins. Le profil des pièces 17 et la traction opérée sur la structure en extrusion par les courroies 27 et 34 provoquent une double action sur cette structure, à savoir un étirage précédé et/ou accompagné d'un laminage, ces deux actions ayant pour résultat de réaliser une orientation moléculaire.

En effet,dans un premier temps, la matière thermoplastique est laminée au passage entre deux pièces 17 voisines et entre deux lèvres 18 voisines, grâce à la réduction de section qu'elle subit. Puis, dans un deuxième temps, elle fait l'objet d'un étirage dû à la traction opérée par les courroies 27 et 34, étirage qui dure encore au moment où la matière extrudée est soumise, dès qu'elle a dépassé les éléments 36, à un refroidissement assez brutal pour provoquer une trempe.

Ce refroidissement est obtenu par la distribution, à travers les tuyauteries 14, d'un liquide de refroidissement amené à une température ad hoc par le dispositif régulateur de température 5.

Par exemple, pour une extrusion suivant l'invention de polypropylène chauffé à environ 2400 Celsius dans la chambre d'alimentation de la filière, on peut utiliser comme liquide de refroidissement, de l'eau à une température de 50 Celsius environ et en tout cas inférieure à 100 Celsius.

La structure ainsi extrudée obtient sa forme définitive sans qu'il soit besoin de la calibrer à nouveau.

De plus, elle se tient d'elle-même suffisamment pour ne pas nécessiter de dispositions particulières pour sa manutention, d'autant plus que chaque paroi de chaque alvéole est soumise simultanément à la même action par le même liquide de refrâidissement.

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Enfin, le produit final obtenu est mécaniquement plus résistant que s'il avait été extrudé par les méthodes habituelles, grâce, d'une part, à l'effet de trempe, mais grâce aussi à ce que cette trempe est intervenue sur une matière thermoplastique dans laquelle un laminage et un étirage avaient réalisé une orientation moléculaire.

A la sortie de la filière, la structure obtenue 37 avance dans le bac 26 grâce à la traction opéxée par les courroies 27 et 34, et aussi, mais dans une moindre mesure, à la poussée venant de l'extrudeuse.

Il est d'ailleurs nécessaire qutil y ait un équilibre entre ces deux actions pour obtenir un produit constant, tant en dimensions qu'en qualités mécaniques. C'est pourquoi les courroies 27 et 34 sont équipées d'un variateur de vitesse qui permet d'adapter celle-ci aux conditions d'extrusion désirées. En effet, pour une poussée constante de l'extrudeuse, un ralentissement du banc de traction provoquerait un épaississement des parois, voire des boursouflures, tandis qu'une accélération provoquerait leur amaigrissement, voire un manque de matière par places.

On découpe, à la demande et suivant la longueur désirée, la structure extrudée, en utilisant le dispositif de coupe 32, et le tronçon coupé 38 continue d'avancer, poussé par le tronçon 37 suivant entraîné par les courroies 27 et 34, jusqu'à ce que ledit tronçon coupé atteigne le plan incliné 31 qui lui fait quitter le bac en assurant simultanément le vidage dans le bac, du liquide de refroidissement contenu dans les alvéoles.

Pour arrêter l'installation, on opère de deux manières différentes, suivant que l'arret doit n'être que momentané ou doit durer un laps de temps un peu long.

Pour arrêter l'installation momentanément, par exemple si on souhaite ne pas avoir à faire réchauffer toute la matière première thermoplastique contenue dans ltextrudeuse 1 et dans la chambre d'alimentation 6, ce qui peut demander quelques heures, on arrête simultanément ltextrudeuse 1 et les courroies 27. et 34 ce qui supprime la poussée en amont de la filière et la traction en aval sur la structure en extrusion, on coupe par un moyen quelconque la structure extrudée à une très courte distance de la filière, par exemple à 20 centimètres, en vue de faciliter lere-démarrage et on place alors le système de chauffage sur la position minimum désirée à la fois pour l'extrudeuse 1 et pour la chambre d'alimentation 6.

Mais le chauffage, même minimum, dans la chambre d'alimentation, risquerait de faire couler de la matière thermoplastique à travers la tête de filière et de venir obturer certaines des tuyauteries 14 sinon toutes, et elles ne pourraient plus alors fournir normalement le liquide de refroidissement nécessaire en fonctionnement d'extrusion.

Il est vrai que pour éviter cet inconvénient, on pourrait laisser couler le liquide de refroidissement pendant tout l'arrêt de l'installation. Mais cela serait onéreux.

C'est pourquoi l'invention propose de remplacer le liquide de refroidissement par de l'air comprimé. Pour cela, on forme progressivement le robinet 11 du liquide de refroidissement, en ouvrant progressivement le robinet 12 situé sur la tuyauterie 10 d'air comprimé. Celui-ci passe, en les vidant de leur liquide de refroidissement, dans la tuyauterie 8 et dans le compartiment 7, et sort par les tuyauteries 14 qu'il maintient ouvertes en s'opposant à une entrée intempestive de la matière thermoplastique qui s'écoulerait de la chambre d'alimentation 6, le long de la filière.

Pour re-démarrer l'installation, on met en route le chauffage normal de l'extrudeuse et de la chambre d'alimentation 6 et lorsque la température est atteinte, on substitue le liquide de refroidissement à l'air comprimé dans les tuyauteries 14 en fermant progressivement le robinet 12 et en ouvrant progressivement le robinet 11 et on met en route l'extru- deuse puis le banc de traction.

Pour arrêter l'installation pour un temps assez long, on arrête en premier lieu l'extrudeuse et son système de chauffage, puis le système de chauffage de la chambre d'alimentation 6 et les courroies 27 et 34 formant le banc de traction. On attend que la matière thermoplastique ne soit plus fluente dans la chambre d'alimentation 6 et on ferme le robinet d'arrêt 11 du liquide de refroidissement. Comme dans le cas précédent, il est recommandé dola couper à une petite distance de la filière 4, en vue de faciliter le re-démarrage.

Pour opérer celui-ci, on met d'abord en route les systèmes de chauffage de l'extrudeuse 1 et de la chambre d'alimentation 6 et on ouvre le robinet 12 d'air comprimé pour empêcher la matière thermoplastique devenant fluente d'obturer les tuyauteries 14.

Lorsque la matière thermoplastique atteint la température d'extrusion, on remplace l'air comprimé par le liquide de refroidissement en ouvrant progressivement le robinet 11 et en fermant progressivement le robinet 12 et on met en route l'extrudeuse 1 et le banc de traction 27-34.

Il est entendu que l'on peut, sans sortir de l'invention,modifier des détails de construction et/ou de fonctionnement en vue d'obtenir les mêmes résultats.

Par exemple, les plaques perforées 21 et 22 qui sont disposées dans la chambre d'alimentation 6, pourraient, au lieu d'être chauffées directement, être chauffées indirectement, par exemple, par L'intermédiaire de cordons de résistance qui pourraient être enroulés autour des cylindres 16.

Le profil hexagonal des alvéoles pourrait être remplacé par tout autre profil cylindrique, notamment triangulaire, permettant la réalisation de poutrelles résistant à la flexion.

Le bac 26 peut être équipé d'une vanne disposée,par exemple, à 50 centimètres de la filière. Cette vanne,dessinée en pointillé rep.35 sur la fig.l, est ouverte en fonctionnement d'extrusion et fermée à l'arrêt de la filière. Elle permet un remplissage instantané de la partie du bac entre vanne et filière, au moment de la remise en route, ce qui représente un gain de temps pour effectuer cette remise en route
Pour assurer le libre passage des tuyauteries 14, on pourrait remplacer l'air comprimé par un circuit fermé de liquide de refroidissement qui s'alimenterait dans la partie du bac fermée par la vanne 35 et reviendrait en tête de la chambre d'alimentation 6, en amont ou en aval du dispositif régulateur de température 5.

On pourrait également, dans le but de limiter la sortie de la matière thermoplastique à travers la filière lorsque l'extrudeusevest arrêtée mais avec un certain chauffage dans la chambre d'alimentation 6, aquiper celleci d'une soupape réglable de manière à assurer l'évacuation d'un éventuel surplus de volume de matière dû à une gazéification du fait de la chaleur, et à éviter ainsi que ce surplus ne traverse la filière.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1) Procédé d'extrusion d'une structure alvéolaire en matière thermoplastiquet à travers une filière correspondant au profil de la structure alvéolaire désirée, caractérisé en ce que ladite structure est soumise à une opération de trempe sur la plupart de ses différentes faces, immédiatement à sa sortie de la filière (4).

2) Procédé d'extrusion suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque alvéole reçoit, au fur et à mesure qu'il sort de la filière (4), une quantité suffisante d'agent de refroidissement pour provoquer un effet de trempe sur toutes les faces dudit alvéole.

3) Procédé d'extrusion suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'agent de refroidissement qui reçoit chaque alvéole dès sa formation à la sortie de la filière (4), est à une température inférieure à 100 Celsius.

4) Procédé d'extrusion suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure en cours d'extrusion est soumise, immédiatement avant l'opération de trempe, à une traction en assurant l'étirage.

5) Procédé d'extrusion suivant la revendication.4, caractérisé en ce que l'opération d'étirage de la structure en cours d'extrusion est précédée d'une opération de laminage.

6) Procédé d'extrusion suivant l'une des revendications précédentes à travers une filière assurant une extrusion dans une direction sensiblement horizontale, caractérisé en ce que l'agent de refroidissement étant un liquide, la structure (37,38) sortant de la filière (4) est reçue dans un bac (2G) qui contient du liquide de refroidissmont jusqu'à un niveau situé au dessus de ladite structure.

7) Filière pour l'extrusion d'une structure alvéolaire en matière thermoplastique avec, en amont,une série de corps parallèles creux (16) espacés, comportant en leur intérieur un conduit axial (14) relié à un circuit de refroidissement (8) et débouchant dans les alvéoles dès leur sortie de la filière (4), caractérisée en ce que les lèvres (18) des éléments (36) qu'elle comporte réalisent un rétrécissement qui provoque un effet de laminage de la matière thermoplastique à son passage dans la filière (4).

8) Filière suivant la revendication 7, accolée à une chambre (6) l'alimentant en matière thermoplastique, caractérisée en ce que cette chambre comprend au moins deux compartiments successifs (28,29,30), séparés par une plaque perforée (21, 22).

9) Filière suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la plaque perforée (21, 22), séparant les deux compartiments successifs (28-29, 29-30), est munie de moyens de chauffage.

10) Filière suivant l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que au moins une plaque perforée (21, 22) constitue une entretoise de corps parallèles creux (16) traversant la chambre d'alimentation (6) et dont chacun posséde, à l'intérieur, un conduit (14) isolé thermiquement et débouchant, à travers la filière (4), dans un alvéole de la structure alvéolaire extrudée.

11) Filière suivant l'une des revendications 7 à 10, comportant au moins deux plaques perforées (21, 22), caractérisée en ce que la plaque perforée (22) la plus proche de la filière (4) posséde des perforations identiques et que ces perforations sont les plus petites de l'ensemble des plaques perforées (21, 22).

12) Appareil de fabrication de structures alvéolaires pour la réalisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérise en ce qu'il comprend une filière (4) selon l'une des revendications 7 à 11 et un bac (26) recevant le liquide de refroidissement de la structure extrudée.

13) Appareil suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (27, 34) aidant à l'extraction du produit extrudé (37, 38) en l'entraSnant, dans le sens de ltextrusion, à une vitesse assurant un étirage de la structure alvéolaire extrudée.

14j Appareil suivant la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que les conduits (14) amenant l'agent de refroidissement dans les alvéoles à leur sortie de la filière (4) sont reliés à une tuyauterie (8) comportant un robinet (11) de liaison au circuit (9, 5) d'agent de refroi dissemant et un robinet #12) de liaison à un circuit (10) d'air comprimé.

15) Produits obtenus par le procédé suivant l'une des revendications 1 à 6.

16) Produits obtenus à partir d'une filière suivant l'une des revendications 7 à 11.

17) Produits obtenus dans un appareil suivant l'une des revendications 12 à 14.