JP4041737B2 - 予備成形物の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、可溶の固着糸を用いた予備成形物の製造方法、特に任意の厚みを有し、妨げとなる中間層が無い予備成形物の製造方法に関する。
【０００２】
ＴＦＰ構造物（Tailored-Fiber-Placement）が、素地上に補強繊維を縫い付けることによって生まれることは周知である。しかしながらすでに形成された構造物に補強繊維をさらに縫い付けると、その前に縫い付けた繊維を痛めてしまうので、個々のＴＦＰ構造物の厚みは約５ｍｍに制限される。さらにこれまで補強繊維を固着するために使用した縫い糸は縫合素地と同様残ったままであり、ＴＦＰ構造物中の支持材料の裏面に集積した下糸を含む。それ故２層以上の単独ＴＦＰ構造物から成る多層ＴＦＰ構造物を製造する場合には、固着糸の他にこの固着糸豊富な層の少なくとも１つがこの構造物内部に存在する。
【０００３】
中間層無しの予備成形物は、これまでは最大２つのＴＦＰ構造物から形成されており、その際この２つの単独ＴＦＰ構造物は、素地と下糸の集積物が各々形成された構造物の外側に置かれるように互いに接合されている。このことは同時に、２つの単独ＴＦＰ構造物から形成されたこのような予備成形物が最大約１０ｍｍの厚みをもつことを意味する。しかしながらここでも縫い糸は浸透および硬化の後にも繊維接合部分に含まれ、材料内の不純物となる。固着糸によって引き起こされる補強繊維の締め付けとずれ、および固着糸の母材への大抵劣悪な接合が、材料の機械的性質に不利な影響を及ぼす。
【０００４】
欧州特許出願ＥＰ０５６７８４５Ａ１から例えば可塑性の多軸補強構造物が周知であり、その場合補強糸を刺繍技術を用いて各々任意の方向に、応力に適合して位置付けることが可能である。その際成形が完成するまで接合内部の補強糸が確実に固着するようにするために、刺繍糸のガラス転移温度（ないし軟化温度）は接合材料の軟化温度以上にある。
【０００５】
ドイツ特許出願ＤＥ１９６２８３８８Ａ１はさらに、少なくとも領域ごとにＺ軸補強した、力流に適合した多軸の多層繊維予備成形物とその製造方法が記載されている。その際少なくとも領域ごとのＺ軸補強糸が、Ｚ軸方向の力流を受け入れるために刺繍で刺しこまれる。
【０００６】
それ故本発明は、任意の厚みをもち、固着糸や中間層による妨げの無い予備成形物を容易に製造できる方法を完成させるという課題に基づくものである。
【０００７】
この課題は、特許請求項１の特徴を有する方法によって解決される。本発明のその他の有利な形態は、従属請求項から判明する。
【０００８】
その際中心的考えは、化学的か又は熱的に可溶な固着糸を使用して補強繊維を素地に縫い付けて、補強繊維構造物を形成することであり、その際固着糸はまず補強繊維を素地に固着するために用いられ、続いて溶融するので、固着糸は補強繊維の予備固着のもとで溶解し、補強繊維構造物の機械的性質に影響を及ぼさない。
【０００９】
このような固着糸を使用することで、例えば繊維に縫い付けることによって引き起こされる締め付けとずれが溶融後に再び解除されるので、固着糸が構造物の機械的性質の妨げとなる影響を及ぼさないという利点がある。さらに締め付けとずれが解除されることで、繊維の波形が小さくなり、それによって繊維をより良く利用できるようになる。さらに糸が部分的か又は完全に溶解するので、初期の裂け目の原因となる境界が生じない。
【００１０】
縫い付けに使用された固着糸のその他の長所は、溶融した固着糸の接着作用から判明する。それによって補強繊維構造物の予備接着が達せられるので、この補強構造物は次の加工のための十分な安定性を得ることになる。このことに結びつく長所は、とりわけ第２および第３実施形態との関連で判るであろう。
【００１１】
第１実施形態に従って多層ＴＦＰ予備成形物は、可溶固着糸を用いて縫い付けた少なくとも２つの補強繊維構造物を多層積層構造物に積み重ねることによって製造される。続いて固着糸が溶融するので、該糸は完全に積層構造物内に溶解する。この積層構造物を浸透および硬化させた後に固着糸無しの多層ＴＦＰ粗地が得られる。
【００１２】
その際固着糸は目的に応じて、各々使用した糸の種類によって様々に溶解する。固着糸は例えば、多層ＴＦＰ予備成形物を浸透および硬化するために使用される樹脂との化学反応によって溶ける。その際固着糸は浸透用に使用した母材内で化学的に溶解するので、完成した硬化ＴＦＰ予備成形物中にはもはや存在せず、それによって締め付けとずれによって機械的性質へ妨害作用を及ぼすことがない。この措置法は合理的で、出来る限り少ないプロセス工程でＴＦＰ予備成形物を製造しようとする場合には、浸透および硬化工程中に自動的に溶解が起こるので特に好ましい。
【００１３】
この溶融方法は、縫合素地から成る中間層を有する多層ＴＦＰ構造物を製造する場合のみならず、ただ１つか又は２つの単独の、サンドウィッチ状に組み合わさって、各々その外側へ向いた素地が浸透ないし硬化工程後に溶解可能な補強繊維構造物から成る中間層無しのＴＦＰ予備成形物を製造する場合にも使用が見出される。
【００１４】
代替として固着糸を外部の加熱によって溶融させることが可能である。その際固着糸は、その融点以上の温度に加熱される。外部の加熱による固着糸の溶融は、とりわけ固着糸がすでに浸透および硬化工程前に溶解していることが望まれる場合に好ましい。それによってすでに積層された構造物を、続く浸透および硬化工程前に修正することが可能となる。従ってこの加熱ないし溶融方法でフレキシブルな処理が可能となる。
【００１５】
外部の熱源を使用する他に、浸透および硬化工程中の加熱を利用することも可能である。則ち固着糸を、浸透ないし硬化工程中に作用する熱により溶かすのである。この場合にも溶融と浸透／硬化が一作業工程で起こる。
【００１６】
第２実施形態に従って固着糸は、補強繊維を素地に縫い付けた後すぐに外部の加熱によって溶融する。このような複数の補強繊維構造物を、続いて多層積層構造物へ積み重ね、それから浸透および硬化する。ここでは固着糸が溶融する以外に、熱で溶融した固着糸の接着作用によって補強繊維の予備接着が達せられ、このことが補強繊維構造に糸のもつれのない十分な安定性を与えることが有利である。言い換えると固着糸を、複数の補強構造物を積層した後に溶融させることが可能であるのみならず、積層前に予め溶融させることも可能である。
【００１７】
このようにして中間層を有する厚い多層ＴＦＰ予備成形物を製造することができるだけではなく、サンドウィッチ状に接合した２つの補強繊維構造物から成る中間層の無いＴＦＰ予備成形物も製造することが可能で、その際第１実施形態による二層ＴＦＰ予備成形物と同様に、素地は各々外側を向いていて、固着糸溶融後に容易に剥がすだけで除去することができる。
【００１８】
第３実施形態に従って、前例の場合のようにまず熱可溶固着糸を使用して補強繊維を素地に縫い付け、補強繊維構造物を作ることによって、素地と固着糸から成る妨げとなる中間層の無い、任意の厚みの多層ＴＦＰ予備成形物が製造される。次にこの固着糸を外部熱作用を用いて、その融点以上の温度に加熱する。固着糸は溶融し、この溶融した固着糸の接着作用に基づいて補強繊維が予備接着される。このことは好ましくは、続いて素地をそのように形成された補強繊維構造物から剥がすことができ、予備接着した補強繊維が十分な安定性をもつようになるので、これを多層構造物に積層することができるようにする。それによって生じた構造物は、素地と集積した固着糸から成る妨げとなる中間層を含まないという長所をもつ。
【００１９】
縫い付けに使用した固着糸は、目的に応じて熱可塑性糸ないし溶融接着糸である。その融点以上に加熱することによって溶解する溶融接着糸は、例えばコポリアミド多繊維溶融接着糸（グリロンＫ８５ １１０dtex）である。この糸によって溶解並びに接着作用に基づく補強繊維構造物の十分な予備接着が保証される。さらに脆い樹脂は通常熱可塑性物質を添加することで耐衝撃性に修正可能であるので、熱可塑性糸の使用は機械的性質に関して有利である。
【００２０】
その他の長所は、補強繊維を力流の向きで素地に配置するので、各々目的に応じて補強繊維を所望の主応力で素地に配することである。故に本発明の考察によってこの力流に適合した繊維積層物を任意の厚みの多層ＴＦＰ予備成形物に転用することも可能である。その他に類似の方法で準等方構造物を構成することも可能である。
【００２１】
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
【００２２】
図１は、支持材料２への補強繊維１の装着を説明するための略図を示す。まず補強繊維１を所望の主応力方向で素地２に載せ、続いて固着糸３で該素地２に縫い付ける。この縫い付けは周知の方法を用いて行い、その際補強繊維１は、例えばジグザグ縫いで縫い素地２に固定される。素地２はここでは、面積密度≦１００ｇ/ｍ^２の所謂剥離布ないしガラス繊維布であるか又はその他の適合する材料である。補強繊維１は通常ガラス繊維と炭素繊維から成る粗糸である。
【００２３】
図１には補強繊維の第１層のみを示し、その際この補強繊維は一方向に配置される。追加の補強繊維層を同じ方法で、すでに形成された構造に縫い付けることが可能である。その際この補強繊維の方向付けは、第１層に対応する方向角か、それぞれ利用目的に応じて第１補強繊維層に対する別の方向角も受け入れられる。即ち用途に応じて補強繊維は主応力方向で一方向か又は所望の力流方向に応じて縫い付けられる。
【００２４】
しかしながら新しい補強繊維層を縫い付ける際、固着糸を導く針（示していない）が、すでに縫い付けられた補強繊維を貫通するので、このことですでに縫い付けられた繊維が傷んだり、締め付けられたり、ずれたりすることが考えられるので、補強繊維の重なり合う層は制限される。さらに構造の厚みが増えることで、すでに縫い付けられた繊維を突き刺す場合に、下方の層内の繊維の損傷を引き起こす危険が生じる。このことから、補強繊維から成る層構造物の厚みは約５ｍｍに制限される。
【００２５】
図２は、複数の重なり合って配置された補強繊維から成る構造物の断面略図を示す。素地２に縫い付けられている３層の補強繊維層１ａ、１ｂ、１ｃを示す。図２の固着糸は、ただ下糸集積物として支持材料２の底側に略図で破線４によって示される。補強繊維層１ａ、１ｂ、１ｃ、素地２および下糸集積物４から成るこの構造を、以下では補強繊維構造物５ａと名付ける。
【００２６】
図２に略図で示したこのような補強繊維構造物５ａからＴＦＰ予備成形物を製造しようとする場合には、これは従来の技術によって、図３ａと３ｂに略図で示すように複数の単独補強繊維構造物５ａを任意に重ね合わせるか、又は２つの単独補強繊維構造物５ａをサンドウィッチ状に組み合わせることで製造され、その際集積した下糸４を有する素地２は、各々外側を向いている（図３ｃ参照）。続いてそのようにして形成された積層構造物６ａを、周知の方法で浸透および硬化させる。しかしながらこのことは、図３ａないし３ｂに図示した周知のＴＦＰ予備成形物は、単独補強繊維層の間にあり、支持材料２と集積した下糸４から成る層を有することを意味する。さらに図３ｃに示した従来の技術による中間層無しの予備成形物は、最大約１０ｍｍの厚みに制限される。これに加えて周知の構造には固着糸が含まれており（示していない）、この固着糸は縫合工程の際もたらされる締め付けとずれのために、構造物の機械的性質にマイナスの影響を及ぼし得る。
【００２７】
補強繊維１を素地２に固着させる通常の糸材の代わりに、本発明によって所謂可溶固着糸が使用される。この固着糸は特に、これが浸透のために使用した物質（通常樹脂系）との化学反応によっても、外部の加熱によっても完全に溶解することを特徴とする。それによって一方では、この場合糸は通常固着に用いられるので、縫い付けの際に素地への十分な接着が達せられ、他方ではこの固着糸は溶解するので、縫い付けの際に引き起こされる締め付けが再び解除され、固着糸は完成した、則ち浸透および硬化したＴＦＰ予備成形物の機械的性質の妨げとなる影響を及ぼさない。
【００２８】
一層のＴＦＰ予備成形物を製造するために化学的に溶解する糸を使用することに加えて、この糸は２又は複数の補強繊維構造物から成るＴＦＰ予備成形物（図３ａ-３ｃ参照）を製造するためにも使用される。補強繊維１は、固着糸を用いて素地２に縫い付けられるので、図２に示した補強繊維構造物５ａが生じる。次の工程では、例えば２つの補強繊維構造物５ａが、図３ｃの配置に従って素地２が各々外側を向くようにサンドウィッチ状に組み合わせられる。続いてそのように形成された二層のサンドウィッチ構造物を樹脂系を用いて浸透および硬化させる。浸透および硬化工程後には、固着糸が化学的に溶解されるため、完成ＴＦＰ予備成形物には固着糸３又は下糸４は含まれないので、さらに単純に剥ぎ取るか又は剥離することによって素地２を除去することができる。
【００２９】
同様に、素地から成る中間層が妨げとならず、複数の補強繊維構造物５ａを任意の方法で、図３ａと３ｂに例示したように所望の厚みまで積層する場合に利用できる。前述の場合のように、続いて形成された構造物を、固着糸を化学的に溶解させて浸透および硬化させる。
【００３０】
化学的に可溶な固着糸の代わりに、補強繊維を縫い付けるために、低い融点をもつ熱的に可溶な固着糸を使用することもできる。そのような固着糸は例えば、およそ８５℃の溶融温度をもつＥＭＳヒェミー社の溶融接着糸グリロンＫ８５ １１０dtxである。さらに上述の、化学反応により溶融する固着糸の融点は明らかに、より高いことに気づくであろう。もちろん上述のＴＦＰ予備成形物は、熱的に可溶な固着糸を使用して製造することも可能である。その際固着糸は、以下に個別に詳しく説明される加熱によって溶融する。
【００３１】
さらに多くの使用に関して、素地から成る中間層は望まれないか妨げとなるので、これを適当な方法で除去しなければならない。この目的のために補強繊維１を、低い融点をもつ熱的に可溶な固着糸を使用して素地２に縫い付ける。そのような可溶な固着糸を使用することによって、また一方では繊維１の素地２への十分な接着が保証され、他方では加熱により糸３を溶解させることによってその接着性から補強繊維層の十分な安定性と強度が得られるので、任意の方法で補強繊維の層構造物にマイナスに影響することなく続いて素地２を補強繊維１から容易に剥がすことができる。図４に符号５ｂで表した素地の無い補強繊維構造物が生じる。さらに図４に、素地５ｂの無い複数の補強繊維構造物から成る積層構造物６ｂを示す。浸透と硬化の後にそのようにして容易に、中間層無しの任意の厚みの多層ＴＦＰ予備成形物が得られる。
【００３２】
固着糸を溶解ないし溶融するために必要な加熱は、それぞれ使用目的によって又は所望の構造物に依存して様々に行うことができる。固着糸は、例えば浸透ないし硬化工程中の温度作用のために溶融し得る。固着糸３を用いて素地２に縫い付けられた補強繊維１を、例えば高温硬化樹脂系（例えばヘキセルＲＴＭ６；浸透温度約１２０℃；硬化温度約１６０〜１８０℃）を用いて浸透および引き続き硬化する。浸透ないし硬化段階中の高い温度のために固着糸は溶融し、樹脂系に溶解する。このようにして固着糸が消えてしまうので、硬化後素地は引き剥がすことによって容易に積層物から分離できる。さらに縫合工程の際引き起こされる繊維内の締め付けとずれは再び解除される。結果として補強繊維と母材（溶解した糸を含む樹脂）のみから成る積層物が生じる。
【００３３】
図２に示したＴＦＰ構造物の１つか又は多くて２つだけから成るＴＦＰ予備成形物を形成しようとする場合に、浸透ないし硬化工程中の温度作用を固着糸溶融のために利用することは特に有利である。この場合固着糸の溶解と浸透ないし硬化が互いに合理的に結びついているので、追加の分離した加熱工程を省略することができる。
【００３４】
中間層の無い、任意の厚みの多層ＴＦＰ予備成形物を製造するためには、加熱は補強繊維の浸透ないし硬化前の別の工程で実施される。この目的のために図２に示した構造物を、圧力下で固着糸の融点以上の温度に加熱する。これは例えば加熱可能な加圧機、外部加熱装置又はその他の適当な構造物加熱手段を用いて行うことができる。追加により又は代わりに補強繊維構造物５ａを裏側からも配分して加熱できるので、裏側の縫い糸が溶融し、素地２を自由にする。則ち固着糸は溶融し、冷却後には縫合工程の際生じた糸の絡みによってではなく、その接着作用によって補強繊維を固着しているのである。固着糸の溶融は同時に、縫合工程で引き起こされた補強繊維の締め付けとずれが解除されるように作用し、このことで繊維の波形が小さくなり、それによって繊維をより良く利用できるようになる。補強繊維の状態を変えることなくこの予備接着繊維構造物から剥離布を容易に剥がすことができる。このようにして補強繊維５ｂから予備接着構造物が生じ、これは固着糸を含まず、総じてＴＦＰ予備成形物へさらに加工するために十分な強度ないし安定性をもつものである（図４参照）。
【００３５】
次の処理工程ではそのようにして予備接着した補強繊維５ｂを積み重ねて、続いて周知の方法を用いて完成ＴＦＰ構造物へ浸透および硬化する。補強繊維だけから成り、縫合した固着糸に基づく補強繊維の締め付け又はずれが無い積層物が生じる。そのような中間層が無く、補強繊維から成る積層した層構造物を、図４に略図で示す。
【００３６】
【実施例】
ＣＮＣ縫合装置で、炭素繊維粗糸（テナックスＨＴＳ５３３１-２４Ｋ）を支持材料（ガラス繊維-亜麻布８０ｇ/ｍ^２）に接着するために、異なる糸を有する一方向ＴＦＰ予備成形物を製造した。縫い糸として使用した糸は、通常８５℃の融点をもつ可溶コポリアミド多繊維溶融糸（グリロンＫ８５ １１０dtex）、並びにポリアミド単繊維糸（トランスフィル５６dtex）、ポリアミド多繊維撚糸（セラフィル１００dtex）、および通常多軸束の製造に使用されるポリエステル多繊維糸（紡糸ＰＳＥ７６dtex）であった。最後に挙げた糸は、最初に挙げた糸とは対照的に、次の処理の際に生じる温度では溶けない。その他のバリエーションとして、グリロンＫ８５ １１０dtexを有する補強繊維を剥離布「スーパー・リリース・ブルー」に縫い付けた。炭素繊維粗糸を３.３７５ｍｍの間隔で互いに平行に置き、４ｍｍの上方ステッチと２ｍｍのステッチ幅でジグザグ縫いで支持材料に固定し、合計４枚の一方向層を重ねる。これらの補強繊維構造物ないしＴＦＰ中間材料の２つを、それから支持材料と共に外側に向けて、膜支持ＲＩ法でヘキセルＲＴＭ６を用いて浸透および硬化させた。この積層板から繊維方向で試料を取り出し、これに機能を発揮しなくなるまで引張り試験と圧縮試験で負荷をかけた。図５はそのような試料の一部を示し、その際固着糸グリロンＫ８５を使用して補強繊維を剥離布テナックスＨＴＳ５３３１-２４Ｋに縫い付けた。
【００３７】
積層板中の実際に達せられた炭素繊維容積率は、全積層物を各々等しい樹脂量で共にオートクレーブサイクルで製造するという同一製造条件にもかかわらず激しく異なることが判った。最低値は、トランスフィルとセラフィルを用いて達せられる（約５０〜５２％）。紡糸ポリエステル糸を用いると、約５８〜６０％の明らかに高い値が得られる。その理由は、紡績（縮れ）に基づく非常に高い弾性と柔軟性にあるはずであり、このことがより均一な繊維分布ないし樹脂の豊富な位置の減少を招く。繊維容積率のさらなる上昇（約６２％）は、溶融糸によって達せられ、この糸は浸透の際炭素繊維粗糸を自由にし、実際に母材へ移行させる。支持材料を除去することによって、図５ないし６に示したバリエーションの場合、この値は約６５〜６７％に上昇する。異なる試料の引張り強さを比較すると、グリロンを使用することによって明らかな上昇が達せられることが判る。ここでは３つの標準糸と比較して１０〜３０％の改良が達せられた。グリロン試料の圧縮強さは平均的であり、これについてはセラフィルで最良値が達せられる。他方グリロン試料はむしろ平均以下の剛性を有する。まとめると標準糸を用いたそれぞれ最も有利な値に対して、引張り強さで３０％、圧縮強さで２３％、引張り率で８％、圧縮率で２６％上昇することが判明した。
【図面の簡単な説明】
【図１】 支持材料上への補強繊維の装着を説明した図である。
【図２】 図２に示した配置の断面図である。
【図３】 図３ａ〜図３ｃは従来の技術による素地と下糸集積から成る中間層を有する多層ＴＦＰ予備成形物を示した図である。
【図４】 中間層の無い任意の厚みのＴＦＰ予備成形物の本発明による多層構造物を示した略図である。
【図５】 本発明によって製造されたＴＦＰ予備成形物から取り出された試料を示した断面図である。
【図６】 本発明によって製造されたＴＦＰ予備成形物から取り出された試料を、異なる規模で示した断面図である。

Claims (11)

1. 少なくとも２つの補強繊維構造物から製造される予備成形物の製造方法であって、
   化学的又は熱的に可溶な固着糸（３）を使用して補強繊維（１）を素地（２）に縫い付け、補強繊維構造物（５ａ）を形成し、この際に固着糸（３）は補強繊維（１）を素地（２）に固着するために用いられ、
   固着糸（３）を溶融して補強繊維（１）を予備接着し、補強繊維構造物（５ａ）の機械的性質には影響しないようにし、
   固着糸（３）が溶融された後、素地（２）を引き剥がすか又は剥離することによって除去し、前記予備成形物を素地無しの補強繊維構造物によって構成することを特徴とする予備成形物の製造方法。
2. 少なくとも２つの補強繊維構造物（５ａ）を積層して多層積層構造物（６ａ）を形成し、該積層構造物（６ａ）を浸透および硬化させることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 積層構造物（６ａ）の浸透および硬化工程中に、浸透に用いられる物質と化学反応を行うことによって固着糸（３）が溶融することを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
4. 前記固着糸（３）を外部加熱により溶融し、その際固着糸（３）がその融点以上の温度に加熱されることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
5. 浸透および硬化工程中の加熱を、固着糸（３）を溶融するために利用することを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
6. 補強繊維（１）を素地（２）に縫い付けた後で外部加熱によって固着糸（３）を溶融することによって補強繊維（１）を溶融した固着糸（３）の接着作用によって予備接着して補強繊維構造物（５ａ）が十分な安定性を備えるようにし、
   複数の補強繊維構造物（５ａ）を積層して多層積層構造物（６ａ）を形成し、
   該積層構造物（６ａ）を浸透および硬化させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
7. 形成された積層構造物（６ａ）の外側を向いた素地（２）を除去することを特徴とする請求項２ないし６のいずれか一項に記載の製造方法。
8. 補強繊維（１）を素地（２）に縫い付けた後で外部加熱により固着糸（３）を溶融することによって補強繊維（１）を溶融した固着糸（３）の接着作用によって予備接着して補強繊維構造物（５ａ）が十分な安定性を備えるようにし、
   素地（２）を補強繊維構造物（５ａ）から引き剥がすか又は剥離することで素地無しの補強繊維構造物（５ｂ）を生じさせ、
   複数の素地無しの補強繊維構造物（５ｂ）を積層して多層積層構造物（６ｂ）を形成し、
   該積層構造物（６ｂ）を浸透および硬化させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
9. 化学的又は熱的に可溶な固着糸（３）が、熱可塑性糸か又は熱溶着糸であることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の製造方法。
10. 熱的に可溶な固着糸（３）がコポリアミド多繊維溶融接着糸であることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
11. 補強繊維（１）が所望の主応力方向に又は擬似等方的に配置されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の製造方法。

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