JP2008111739A - Tool for thickness-wise shear test on sheet-like material and thickness-wise shear test machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シート状材料の厚さ方向せん断試験機において使用される厚さ方向せん断試験用治具、およびそれを備えた厚さ方向せん断試験機に関する。 The present invention relates to a jig for a thickness direction shear test used in a thickness direction shear test machine for a sheet-like material, and a thickness direction shear test machine including the jig.
紙等のシート状材料やシート状材料からなる製品が実際に使用される状況では、それらの材料および製品に厚さ方向せん断応力を受けることが少なくない。従って、工学的見地から、紙あるいは紙製品などの設計の最適化を図る場合、紙の厚さ方向せん断特性を定量的に把握しておく必要がある。さらに、シート状材料が弾性域を越えて、塑性域以降も荷重を受ける場合には、弾性特性のみならず、塑性特性をも考慮に入れる必要がある。そのため、シート状材料に厚さ方向せん断変形を生じさせながら、厚さ方向せん断応力−厚さ方向ひずみ曲線を測定することが考えられている。 In a situation where a sheet-like material such as paper or a product made of a sheet-like material is actually used, the material and the product often receive shear stress in the thickness direction. Therefore, when optimizing the design of paper or paper products from an engineering standpoint, it is necessary to quantitatively grasp the shear characteristics in the thickness direction of the paper. Furthermore, when the sheet material exceeds the elastic region and receives a load after the plastic region, it is necessary to take into account not only the elastic properties but also the plastic properties. Therefore, it is considered to measure a thickness direction shear stress-thickness direction strain curve while causing a thickness direction shear deformation of the sheet material.
しかしながら、一般に、試験領域内に純せん断応力状態を作り出すことが困難である上、特にシート状材料は平面方向に沿って表裏それぞれから保持することが困難であることから、規格化されている試験法が少ないのが現状である。紙の分野では、矩形試験片の表裏それぞれを金属ブロックと接着し、これら金属ブロックを試験片の平面方向に沿って逆方向の平行力を作用させる方法が行われている(非特許文献1、2)。図7に非特許文献2に記載されているシート状材料の厚さ方向せん断試験用治具を示す。
However, in general, it is difficult to create a pure shear stress state in the test area, and in particular, it is difficult to hold a sheet-like material from the front and back along the plane direction. There are currently few laws. In the field of paper, there is a method in which the front and back sides of a rectangular test piece are bonded to a metal block, and a parallel force in the opposite direction is applied to the metal block along the plane direction of the test piece (Non-Patent
しかしながら、非特許文献1、2に示す冶具は、矩形の試験片の厚さ方向せん断変形に伴って、それぞれの金属ブロックの向きおよび試験片に作用する平行力の方向が変化するため、厚さ方向せん断の変形量および厚さ方向せん断力の測定が困難になるという問題がある。
本発明は、上述のような従来技術に着目してなされたもので、紙やフィルムなどのシート状材料の厚さ方向せん断特性を正確かつ簡便に測定することができる、シート状材料の厚さ方向せん断測定用治具、およびそれを用いた面内せん断試験機の提供を目的とする。
However, since the jigs shown in
The present invention has been made by paying attention to the above-described prior art, and is capable of accurately and simply measuring the thickness direction shear characteristics of a sheet-like material such as paper or film. An object of the present invention is to provide a directional shear measurement jig and an in-plane shear test machine using the same.
本発明の第1の形態は、シート状材料の厚さ方向せん断試験用冶具であって、前記シート材料からなる試験片を平面方向に沿って表裏それぞれから保持する第1、第2の保持部材を有し、前記第1の保持部材と第2の保持部材とを前記所定の平面方向に沿って相対的に平行移動させることにより、前記試験片に対して逆方向に平行力を作用させてシート状材料を厚さ方向にせん断変形させると共に、前記平行力の方向が厚さ方向せん断変形の前後で一定であることを特徴とする。 1st form of this invention is the jig for thickness direction shearing tests of a sheet-like material, Comprising: The 1st, 2nd holding member which hold | maintains the test piece which consists of the said sheet material from each front and back along a plane direction And by causing the first holding member and the second holding member to relatively translate along the predetermined plane direction, a parallel force is applied to the test piece in the opposite direction. The sheet material is subjected to shear deformation in the thickness direction, and the direction of the parallel force is constant before and after the thickness direction shear deformation.
本発明の第2の形態は、前記第1の保持部材は第1の治具本体に、前記第2の保持部材は第2の治具本体にそれぞれ保持され、前記各治具本体は、前記所定の平面方向に沿って互いに平行に移動することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, the first holding member is held by a first jig body, the second holding member is held by a second jig body, and each jig body is It is characterized by moving parallel to each other along a predetermined plane direction.
本発明の第3の形態は、前記第1、第2の治具本体には、第1、第2のガイドバーがそれぞれ固定され、第1の治具本体は第2のガイドバーに、第2の治具本体は第1のガイドバーにそれぞれガイドされつつ、前記所定の平面方向に沿って互いに平行移動可能であることを特徴とする。 In the third aspect of the present invention, the first and second guide bars are respectively fixed to the first and second jig bodies, and the first jig body is attached to the second guide bar. The two jig bodies can be translated in parallel with each other along the predetermined plane direction while being guided by the first guide bars.
本発明の第4の形態は、前記第1、第2の治具本体またはそれらと共に移動する部材のそれぞれに、前記第1の保持部材と前記第2の保持部材との前記所定の平面方向における相対的な変位量を測定するための変位測定用部材を設けたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the first holding member and the second holding member in the predetermined plane direction are respectively attached to the first and second jig bodies or the members that move together with the jig body. A displacement measuring member for measuring a relative displacement amount is provided.
本発明の第5の形態は、請求項1ないし4のいずれかに記載したシート状材料の厚さ方向せん断試験用治具を備え、前記治具によって保持された前記試験材料の厚さ方向せん断試験を行う厚さ方向せん断試験機であって、
前記第1の保持部材と第2の保持部材とを相対的に平行移動させる方向に荷重を与える荷重手段と、前記荷重手段によって前記試験片に与えられる荷重を時間経過に伴って測定する荷重測定手段と、前記第1の保持部材と第2の保持部材の前記所定の平面方向における相対的な変位量を時間経過に伴って測定する変位量測定手段と、を備えたことを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the thickness direction shear test jig for the sheet-like material according to any one of
A load means for applying a load in a direction in which the first holding member and the second holding member are relatively translated, and a load measurement for measuring the load applied to the test piece by the load means with time. And a displacement amount measuring means for measuring a relative displacement amount of the first holding member and the second holding member in the predetermined plane direction as time elapses.
本発明に係わるシート状材料の厚さ方向せん断測定治具およびそれを用いた厚さ方向せん断測定機では、第1、第2の保持部材によって試験片に加えられる逆方向の平行力が厚さ方向せん断変形の前後で変化しないため、シート状材料の変形量および厚さ方向せん断力などの厚さ方向せん断特性を容易かつ正確に測定することが可能になる。さらに、厚さ方向せん断治具は、汎用の材料試験機などに取り付けて利用することができるため、専用機を設ける場合に比べて設備コストを抑えることができる。 In the thickness direction shear measuring jig and the thickness direction shear measuring machine using the same according to the present invention, the reverse parallel force applied to the test piece by the first and second holding members is the thickness. Since there is no change before and after the directional shear deformation, it becomes possible to easily and accurately measure the thickness direction shear characteristics such as the deformation amount and the thickness direction shear force of the sheet-like material. Furthermore, since the thickness direction shearing jig can be used by being attached to a general-purpose material testing machine or the like, the equipment cost can be reduced as compared with the case where a dedicated machine is provided.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明の実施形態における厚さ方向せん断試験用治具を、図1ないし図4に基づき説明する。なお、図1は本発明の実施形態における厚さ方向せん断試験用治具を分解して示す正面図、図2は図1に示したものを組み合わせてなる厚さ方向せん断試験用治具の全体構成を示す図で、(a)は正面図、(b)は側面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, a thickness direction shear test jig according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is an exploded front view of the thickness direction shear test jig according to the embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an overall view of the thickness direction shear test jig formed by combining those shown in FIG. It is a figure which shows a structure, (a) is a front view, (b) is a side view.
本実施形態は、シート材料からなる試験片を平面方向に沿って表裏それぞれから保持する第1、第2の保持部材として、JAPAN TAPPI NO.18−1で規格化されている紙および板紙の内部結合強さ試験方法(Z軸方向引張試験法)に基づく金属製ブロック(図3に示す)を使用している。本発明はこれに限定されるものではないが、本発明における第1、第2の保持部材として、JAPAN TAPPI NO.18−1で規格化されている紙および板紙の内部結合強さ試験方法に基づく金属製ブロックと同一のものを用いることにより、シート状材料の厚さ方向せん断試験と前記内部結合強さ試験における保持部材を共用することができる。これにより、二つの試験に用いる試験片をまとめてサンプリングするなどして、二つの試験を連続して又は同時に実施し易いという効果もある。 In this embodiment, as a first and second holding member for holding a test piece made of a sheet material from the front and back sides along the plane direction, JAPAN TAPPI NO. A metal block (shown in FIG. 3) based on the internal bond strength test method (Z-axis direction tensile test method) of paper and paperboard standardized in 18-1. Although the present invention is not limited to this, as the first and second holding members in the present invention, JAPAN TAPPI NO. By using the same metal block based on the internal bond strength test method of paper and paperboard standardized in 18-1, in the thickness direction shear test of the sheet-like material and the internal bond strength test The holding member can be shared. Accordingly, there is an effect that it is easy to perform the two tests continuously or simultaneously by sampling the test pieces used for the two tests together.
図1および図2に示すように、本実施形態における治具1は、移動側治具10と固定側治具20とから構成される。移動側治具10は、主として、移動側治具本体11、シート材料からなる矩形試験片の表面を保持する移動側保持部材12、移動側保持部材12を狭持する移動側狭持部材13、移動側治具本体11に一端部が固定された移動側ガイドバー14、および移動側治具本体11を後述の材料試験機などに取り付けるためのジョイント15などを備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
また、移動側保持部材12を挟持する移動側狭持部材13は、図4に示すように、移動側狭持部材13を貫通する押しピン41を先端テーパネジ42により下方に移動するように位置決めする構造であり、押しピン41によって移動側保持部材12を固定することができる。尚、図4は固定側挟持部材23の構造を示しているが、固定側挟持部材23を移動側狭持部材13に置き換えれは、上下が逆になるのみで、同一構造である。
Further, as shown in FIG. 4, the moving
一方、固定側治具20は、移動側治具10と同様に、固定側治具本体21、固定側保持部材22、固定側狭持部材23、固定側ガイドバー24、およびジョイント25などを備え、移動側治具10に対して180度回転させた位置に配置されている。
On the other hand, the fixed-
また、移動側治具10の移動側治具本体11には、ガイドバー24を挿通させるためのガイド孔11aが形成されている。また、固定側治具20の固定側治具本体21には、ガイドバー14を挿通させるためのガイド孔21aが形成されている。そして、移動側治具10のガイドバー14を固定側治具20のガイド孔21aに、固定側治具20のガイドバー24を固定側治具10のガイド孔11aにそれぞれ挿通させることにより、図2に示すように、移動側治具10と固定側治具20は、互いに平行する2本のガイドバー14、24に沿って互いに直線移動可能に組み合わされる。
Further, a
このように、移動側治具10と固定側治具20は、ガイドバー14、24に沿って移動するため、両治具10、20はねじれを生じることなく同一平面上で移動する。また、本実施形態において、両ガイドバー14、24は、いずれも円形の横断面形状を有し、それらガイドバー14、24を挿通させるガイド孔21a、11aはいずれも転がり軸受けによって構成されているため、ガイドバー14、24とガイド孔21a、11aとの間の摩擦抵抗は、試験時の荷重に対して無視し得る程度の小さな値に抑えられている。
Thus, since the movement side jig |
図3はシート材料からなる試験片を平面方向に沿って表裏それぞれから保持する第1、第2の保持部材として使用される、JAPAN TAPPI NO.18−1で規格化されている紙および板紙の内部結合強さ試験方法(Z軸方向引張試験法)に基づく金属製ブロックを示す図で、(a)は正面図、(b)は側面図である。 FIG. 3 shows a JAPAN TAPPI NO. Used as first and second holding members for holding a test piece made of a sheet material from the front and back sides in a plane direction. It is a figure which shows the metal block based on the internal bond strength test method (Z-axis direction tensile test method) of the paper and paperboard which are standardized by 18-1, (a) is a front view, (b) is a side view. It is.
図6は、移動側治具10と固定側治具20との相対変位の変化を検出するための変位測定部32を示す図である。この変位測定部32は、移動側治具10の狭持部材13に突設したピン(変位測定部材)16と、固定側治具20の固定側治具本体21に突設したピン(変位測定部材)26とからなる。治具に引張力を作用させて試験する場合には、移動側治具10と固定側治具20とが図2および図4に示すように組み合わされた初期状態において、両ピン16と26との間には所定の間隔が設定され、移動側治具10が固定側治具20から離間するに伴って両ピン16と26との間隔は増大する。この間隔を後述の厚さ方向せん断試験機に設けられたセンサによって検出することにより、移動側治具10と固定側治具20との相対変位が検出される。
FIG. 6 is a diagram illustrating a
以上のように構成した厚さ方向せん断試験用治具1には、シート状材料を矩形に切断した試験片Tを用いる。面内せん断試験用治具1における移動側保持部材12および固定側保持部材22に試験片Tを保持させるには、両面粘着テープあるいは接着剤を用いる。シート状材料の厚さ方向せん断変形量を正確に測定する必要がある場合には、接着剤を用いるのが望ましい。
A test piece T obtained by cutting a sheet material into a rectangle is used for the thickness direction
上記のようにして試験片Tを固定した後、移動側ジョイント15と固定側ジョイント25が離間する方向に荷重を加えると、両保持部材12、22に固定された試験片Tには相対的に逆方向の平行力(負荷)が加わり、試験片Tは厚さ方向せん断変形する。この際、両保持部12、22は同一平面内をねじれを生ずることなく平行に移動するため、試験片Tの試験領域が平面からずれたり、両保持部材12、22が回転して試験片Tにモーメントが発生することもなく、純せん断応力に近い厚さ方向せん断応力を発生させることができる。
After the test piece T is fixed as described above, when a load is applied in a direction in which the moving
また、両ジョイント15、25に加える荷重方向に対し、試験片Tに加わる平行力の方向が常に一定で変化しないため、厚さ方向せん断応力とひずみを両保持部材12、22の変位量によって容易に算出することができる。
In addition, since the direction of the parallel force applied to the test piece T is always constant with respect to the load direction applied to both the
さらに、本実施形態における厚さ方向せん断試験用治具1は、引張、圧縮などに使用される一般的な材料試験機に装着することで、シート状材料の厚さ方向せん断試験における負荷(平行力)を与えることができる。従って、厚さ方向せん断試験用治具1を取り外せば、試験機本体31をシート状材料以外の引張、圧縮試験にも共用でき、シート状材料の厚さ方向せん断試験専用の試験機を設備する場合に比べて大幅に設備コストを低減することができる。
Furthermore, the thickness direction
(厚さ方向せん断応力試験機)
次に、上記厚さ方向せん断試験用治具1を用いた厚さ方向せん断試験機の一実施形態を図5、図6に基づき説明する。
(Thickness direction shear stress tester)
Next, an embodiment of a thickness direction shear test machine using the thickness direction
図5に示す厚さ方向せん断試験機30には、試験機本体31の両側部に設けられた不図示の昇降機構(図示せず)によって昇降する可動部33が設けられている。可動部33の中央部には、ロードセル34が設けられている。このロードセル34には、前記治具1の移動側ジョイント15が連結され、試験機本体31の底部35には、治具1の固定側ジョイント25が連結されている。ロードセル34は、可動部33に加わる荷重を時間の経過に伴って検出する。
The thickness
図5に示す試験機本体30における昇降機構、可動部33およびロードセル34などの構成は、一般的な材料試験機と同様である。但し、試験対象であるシート状材料の厚さ方向せん断変位は非常に微小なものであり、精度良く測定することが要求される。そこで、本実施形態における厚さ方向せん断試験機では、固定側治具20に対する移動側治具10の相対変位量を試験片の変位量とし、図4に示すように、移動側治具10と固定側治具20とに取り付けられた2本のピン16と26の距離間隔を時間の経過に伴って非接触型の変位センサー38により測定するようになっている。これに対し、通常の材料試験機は、「移動速度×時間」の計算式により試験片の変位を測定しているので精度が悪いため、本実施形態のような変位センサ38を用いて測定することが好ましい。
The structure of the raising / lowering mechanism, the
この変位センサ38は、光(レーザ光等)を発する発光部39と、この発光部39から発せられた光(レーザ光等)を受光する受光部40とを有し、いずれも試験機本体31の底部35に取り付けた支持台36上に固定されている。発光部39から受光部40に至る内には、治具1に設けられた2本のピン16、26(図6参照)によって遮断される位置、すなわち、受光部40による非受光位置を検出し、その非受光位置の距離間隔を検出することによってピン16、26の距離間隔の検出を行う。なお、本実施形態では、変位センサとして、(株)キーエンス製高速・高精度デジタル寸法測定器LS−7010を使用している。
The
次に、本実施形態の厚さ方向せん断試験機30によるシート状材料の厚さ方向せん断試験方法およびその結果について述べる。
本試験機30を用いた厚さ方向せん断試験では、図5に示すように試験機本体31に装着された治具1に、矩形の試験片Tを、図3と共に説明した手順で固定し、試験機本体31の可動部33に対して昇降機構によって上昇方向の荷重(引張力)を与えることにより、試験片Tに厚さ方向せん断変形を発生させた。また、試験機本体31の可動部33に設けられたロードセル34によって、試験片Tに加わる厚さ方向せん断負荷の時間に伴う変化を検出した。さらに、試験片Tの変位は、前述の変位センサ((株)キーエンス製高速・高精度デジタル寸法測定器LS−7010)を用いて測定した。
Next, the thickness direction shear test method of the sheet-like material by the thickness
In the thickness direction shear test using the
図8は、この厚さ方向せん断試験機30を使用して測定した厚さ方向せん断荷重データおよび厚さ方向せん断変位データを、時間に対してプロットして得られる曲線の一例を示している。ここで、引張速度は2mm/分とし、試験片は白板紙である。
FIG. 8 shows an example of a curve obtained by plotting the thickness direction shear load data and the thickness direction shear displacement data measured using the thickness
また、図9は、図8の厚さ方向せん断荷重データおよび厚さ方向せん断変位データから求めた厚さ方向せん断応力−厚さ方向ひずみ曲線の一例である。図9において、縦軸が厚さ方向せん断応力(MPa)、横軸が厚さ方向せん断ひずみであり、厚さ方向せん断応力、厚さ方向せん断ひずみはそれぞれ次式で与えられる。
厚さ方向せん断応力=厚さ方向せん断荷重/試験片の面積
厚さ方向せん断ひずみ=厚さ方向せん断変位/試験片の厚さ
FIG. 9 is an example of a thickness direction shear stress-thickness direction strain curve obtained from the thickness direction shear load data and the thickness direction shear displacement data of FIG. In FIG. 9, the vertical axis represents the thickness direction shear stress (MPa), and the horizontal axis represents the thickness direction shear strain. The thickness direction shear stress and the thickness direction shear strain are given by the following equations, respectively.
Thickness direction shear stress = Thickness direction shear load / Test piece area Thickness direction shear strain = Thickness direction shear displacement / Specimen thickness
以上説明したように、本実施形態による厚さ方向せん断測定治具1およびそれを用いた厚さ方向せん断試験機30では、シート状材料からなる試験片Tの両面を固定保持部材と移動保持部材により保持し、それぞれの保持部材に沿って互いに向きの異なる平行力を作用させることにより、試験片Tを厚さ方向せん断変形させ、試験片Tに生じる荷重と変位の時間変化を測定する。この際、試験片Tの厚さ方向せん断変形の前後で、前記平行力の方向が変化しないので、平行力の作用する方向の変位と力を容易に測定することが可能であり、従来技術では簡便に測定することのできなかった試験片Tの正確な厚さ方向せん断応力−厚さ方向ひずみ特性を得ることができる。
As described above, in the thickness direction
また、本実施形態の試験機によって得られた厚さ方向せん断応力−厚さ方向ひずみ特性は、紙などのシート状材料あるいはシート状材料からなる製品の設計最適化について有限要素法などの数値解析手法に基づいて検討する場合等に、材料特性値として用いることができ、極めて有用である。 Further, the thickness direction shear stress-thickness direction strain characteristic obtained by the testing machine of this embodiment is a numerical analysis such as a finite element method for design optimization of a sheet-like material such as paper or a product made of a sheet-like material. It can be used as a material characteristic value when considering based on a technique, and is extremely useful.
なお、上記実施形態においては、厚さ方向せん断試験用治具1を移動側治具10(第1の保持部材)と固定側治具20(第2の保持部材)とにより構成し、試験において、移動側治具10のみを移動させるものとしたが、第1の保持部材を固定とし、第2の保持部材を移動させるようにすることも可能である。また、上記厚さ方向せん断試験機30は、可動部33を昇降させる縦型の構成をとるものとしたが、可動部を水平方向に移動させて厚さ方向せん断試験用治具1に荷重をかける横型の構成をとることも可能である。
In the above embodiment, the thickness direction
さらに、上記実施形態における厚さ方向せん断試験機30では、第1の保持部材と第2の保持部材の直線方向における相対的な変位量を測定する変位量測定手段として、光(レーザ光等)の投受光部を備えた変位センサを用いたが、第1の保持部材と第2の保持部材の変位を高精度に検出し得るものであれば、その他の変位センサを用いてもよい。
Further, in the thickness
1 治具
10 移動側治具
11 移動側治具本体
12 移動側保持部材
13 移動側狭持部材
14 移動側ガイドバー
15 移動側ジョイント
16 ピン
20 固定側治具
21 固定側治具本体
22 固定側保持部材
23 固定側狭持部材
24 固定側ガイドバー
25 固定側ジョイント
26 ピン
30 厚さ方向せん断試験機
31 試験機本体
32 変位測定部
33 可動部
34 ロードセル
35 試験機本体の底部
36 投光部及び受光部取付台
38 変位センサ
39 投光部
40 受光部
41 押しピン
42 先端テーパネジ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記シート材料からなる試験片を平面方向に沿って表裏それぞれから保持する第1、第2の保持部材を有し、
前記第1の保持部材と第2の保持部材とを前記所定の平面方向に沿って相対的に平行移動させることにより、前記試験片に対して逆方向に平行力を作用させてシート状材料を厚さ方向にせん断変形させると共に、前記平行力の方向が厚さ方向せん断変形の前後で一定であることを特徴とするシート状材料の厚さ方向せん断試験用治具。 A jig for shear test in the thickness direction of a sheet material,
Having first and second holding members for holding the test piece made of the sheet material from the front and back sides along the plane direction;
By causing the first holding member and the second holding member to relatively translate along the predetermined plane direction, a parallel force is applied to the test piece in the opposite direction to thereby change the sheet-like material. A jig for thickness direction shear test of a sheet-like material, wherein the jig is subjected to shear deformation in the thickness direction, and the direction of the parallel force is constant before and after the thickness direction shear deformation.
前記第1の保持部材と第2の保持部材とを相対的に平行移動させる方向に荷重を与える荷重手段と、
前記荷重手段によって前記試験片に与えられる荷重を時間経過に伴って測定する荷重測定手段と、
前記第1の保持部材と第2の保持部材の前記所定の平面方向における相対的な変位量を時間経過に伴って測定する変位量測定手段と、を備えたことを特徴とするシート状料の厚さ方向せん断試験機。 A thickness direction shear tester comprising the thickness direction shear test jig for a sheet-like material according to any one of claims 1 to 4, wherein the thickness direction shear test is performed on the test material held by the jig. Because
A load means for applying a load in a direction to relatively translate the first holding member and the second holding member;
Load measuring means for measuring the load applied to the test piece by the load means as time passes;
Displacement amount measuring means for measuring the relative displacement amount of the first holding member and the second holding member in the predetermined plane direction with the passage of time. Thickness direction shear tester.
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