JP4956029B2 - 摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法に関するものである。

近年、接合時の熱影響による歪みや変形の少ない接合技術として、摩擦攪拌接合技術が広く適用されてきている。摩擦攪拌接合とは、２つの被接合材の当接部分（接合部）に対し、回転ツールを回転させながら押圧することで挿入し、回転ツールの回転力によって当接部分の周辺を塑性流動させて、被接合材同士を接合する技術である。

摩擦攪拌接合装置としては、例えば、以下のものが知られている（特許文献１参照）。
特許文献１に記載された摩擦攪拌接合装置は、相対向する位置に、接合ツールと受け台が固定されたＣ字形状の保持アームを有している。この摩擦攪拌接合装置は、保持アームが多関節ロボットのアーム（以下、「ロボットアーム」という。）の先端に取り付けられており、ロボットアームを介して、三次元的に移動可能になっている。一方、被接合材は、下面に送りローラが取り付けられたワークテーブル上にセットされている。摩擦攪拌接合装置は、受け台の上面を送りローラに当接させて反力を受けられるように調整した後、回転ツールを回転させながら被接合材に挿入し、この状態で被接合材の接合線に沿って移動させられることで、被接合材同士を接合する。
特開２００２−１０３０６１号公報（段落００２７〜００３３）

しかしながら、従来技術に係る摩擦攪拌接合装置では、受け台がワークテーブルの送りローラで送られる構成を採用しているため、接合作業時には、送りローラの送り方向にしか移動することができなかった。そのため、被接合材の接合方向を変えるときは、その都度、被接合材の向きを変えてワークテーブルにセットし直す作業が必要であり、少量生産時の効率を上げることができないという問題があった。

また、回転ツールが多関節ロボット側に取り付けられていることで、回転ツールにより発生する反力をロボットアーム自体の剛性で受けるとなると、多関節ロボットに大きな負荷が掛かるという問題があった。さらに、保持アームの受け台で被接合材の下側からの反力を出す場合、長い距離を接合するには充分な反力が得られないという問題があった。

そこで、本発明は、少量生産時の効率を向上させるとともに、回転ツールからの反力に充分に耐えることができる摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、先端にプローブを有する回転ツールと、この回転ツールを保持する保持装置と、前記回転ツールに対向するように前記保持装置に取り付けられ、前記回転ツールの回転軸と平行な回転軸周りに回転する軸部本体と、前記軸部本体の前記回転ツール側の端部に取り付けられたローラホルダと、前記ローラホルダに回転自在に支持されるローラと、接合される２つの被接合材が固定され、前記回転ツールと前記ローラとの間に配置されるワーク台と、を備える摩擦攪拌接合装置であって、前記ワーク台は、多関節ロボットに取り付けられ、前記保持装置に対して独立して移動可能に構成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、接合される２つの被接合材が固定されたワーク台を多関節ロボットで移動させ、ワーク台を回転ツールとローラとの間に配置させる。そして、ワーク台の下面にローラを当接させて、ワーク台の下面をローラで支持した状態で、回転ツールを回転させながら被接合材に押圧し、挿入する。そして、回転ツールが被接合材の接合線に沿うように、ワーク台を多関節ロボットにより移動させる。このようにワーク台が多関節ロボットにより移動可能に構成されていることで、予め定められた（プログラミングされた）接合線に沿って２つの被接合材を接合することができる。また、ワーク台を多関節ロボットに取り付けることで移動可能に構成し、回転ツールからの反力は、多関節ロボットではなく保持装置が受ける構成としたので、回転ツールからの反力については保持装置で充分耐えることができる。

請求項２に係る発明は、先端にプローブを有する回転ツールと、この回転ツールを保持する保持装置と、前記回転ツールに対向するように前記保持装置に取り付けられ、前記回転ツールの回転軸と平行な回転軸周りに回転する軸部本体と、前記軸部本体の前記回転ツール側の端部に取り付けられたローラホルダと、前記ローラホルダに回転自在に支持されるローラと、前記回転ツールと前記ローラとの間に配置されるワーク台とを備えた摩擦攪拌接合装置を用いて２つの被接合材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記ローラが接合方向に回転するように前記軸部本体を回転させて前記ローラの向きを調整する調整工程と、２つの前記被接合材が固定された前記ワーク台を前記回転ツールと前記保持装置の間に配置する配置工程と、前記ワーク台の下面を前記ローラで支持した状態で、前記被接合材に対し前記回転ツールを回転させながら押圧挿入する挿入工程と、前記回転ツールの回転により発生する摩擦熱によって前記被接合材における前記回転ツールの周辺を塑性流動させる流動工程と、前記回転ツールが前記被接合材の接合線に沿うように、前記ワーク台を多関節ロボットにより移動させて２つの前記被接合材を接合する接合工程と、を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、回転ツールが被接合材の接合線に沿うように、ワーク台を多関節ロボットにより移動させることで、予め定められた（プログラミングされた）接合線に沿って２つの被接合材を接合することができる。また、ワーク台を多関節ロボットに取り付けることで移動可能に構成し、回転ツールからの反力は、多関節ロボットではなく保持装置が受ける構成としたので、回転ツールからの反力については保持装置で充分耐えることができる。

本発明に係る摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法によれば、多関節ロボットによってワーク台を移動させることで、任意の方向に２つの被接合材を移動させて接合することができるため、少量生産時の効率を向上させることができる。また、回転ツールは保持装置により保持されているため、回転ツールからの反力は保持装置で充分に耐えることができる。

次に、本発明の実施の形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の斜視図である。

［摩擦攪拌接合装置］
図１に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、多関節ロボット１０に把持されるワーク台Ｔと、多関節ロボット１０の近傍に配置される保持装置２０と、この保持装置２０に取り付けられる回転ツール３０と、この回転ツール３０を駆動する駆動部４０と、保持装置２０に取り付けられるローラ部材５０と、制御部６０（図２参照）とから構成される。
以下、説明の便宜上、保持装置２０、回転ツール３０、駆動部４０、およびローラ部材５０を合わせて、装置本体Ｅと称する場合がある。

多関節ロボット１０は、ワーク台Ｔを三次元的に移動させるための移動装置であり、ターンテーブル１１と、このターンテーブル１１側から先端部に向かって相互に連結された第１アーム１２と、第２アーム１３と、第３アーム１４（ロボットアーム）と、を備えている。

ターンテーブル１１は、設置面に設置された基台１５に対して略垂直な軸周りに回転可能に構成されている。第１アーム１２は、ターンテーブル１１に枢支された関節１６ａを介して、ターンテーブル１１に取り付けられており、関節１６ａ周りに回動自在になっている。第２アーム１３は、第１アーム１２に枢支された関節１６ｂを介して取り付けられており、関節１６ｂ周りに回動自在になっている。また、第３アーム１４は、関節１６ｃを介して第２アーム１３に取り付けられており、関節１６ｃ周りに回動自在になっているとともに、関節１６ｃに対して略垂直な軸周りに自転可能になっている。そして、第３アーム１４の先端には、ワーク台Ｔが取り付けられている。

ワーク台Ｔは、被接合材Ｗ１，Ｗ２が固定される板状の台である。ワーク台Ｔは、例えば、ハイス鋼などの剛性の高い部材で形成されており、後記する回転ツール３０の押圧力に充分に耐えられるようになっている。ワーク台Ｔに被接合材Ｗ１，Ｗ２を固定する固定手段は、図示は省略するが、公知の固定手段を適用することができる。例えば、被接合材Ｗ１，Ｗ２の長手方向両端部を高剛性部材で覆い、この高剛性部材をワーク台Ｔにボルト止めして固定する手段等が挙げられる。

このようにワーク台Ｔが取り付けられた多関節ロボット１０では、周知の多関節ロボットと同様に、図示しない油圧系統による関節１６ａ，関節１６ｂ，関節１６ｃ、およびターンテーブル１１の駆動によって、各アーム１２〜１４が動作し、第３アーム１４の先端に取り付けられたワーク台Ｔが、三次元的に移動可能になっている。つまり、ワーク台Ｔは、後記する保持装置２０に対して独立して移動可能に構成されている。

図２は、本実施形態に係る装置本体および制御部の図である。なお、本実施形態においては、図２の状態を基準に上下方向を定めて、以下説明する。

図２に示すように、装置本体Ｅは、保持装置２０と、この保持装置２０に取り付けられる回転ツール３０と、この回転ツール３０を駆動する駆動部４０と、保持装置２０に取り付けられるローラ部材５０と、から構成される。

保持装置２０は、正面視略コ字状に形成された基台であり、例えば、ハイス鋼等の剛性の高い材質で形成される。保持装置２０には、上側に回転ツール３０、下側にローラ部材５０が配置されており、回転ツール３０とローラ部材５０とは相対向するようになっている。

回転ツール３０は、被接合材Ｗ１，Ｗ２を接合する工具であり、円柱状の胴部３１と、この胴部３１の先端に同軸上に突出したプローブ３２とから構成される。胴部３１は、後記する駆動部４０と結合している。プローブ３２は、胴部３１よりも小径のピン状部材であり、その外周面にはネジが切られている。プローブ３２の長さは、被接合材Ｗ２の厚みと略同程度である。胴部３１とプローブ３２とは、被接合材Ｗ１，Ｗ２よりも硬質で、かつ、接合時に発生する摩擦熱に耐えうる耐熱性を有する材質から形成される。

駆動部４０は、保持装置２０の上部内側に配置されており、回転ツール３０を被接合材Ｗ１，Ｗ２に向けて進退移動させる加圧駆動部４１と、回転ツール３０を回転させる回転駆動部４２とから構成される。

加圧駆動部４１は、保持装置２０の上部に固定されたマウントブラケットＢ１に取り付けられており、サーボモータ４１ａと、ボールネジ４１ｂと、スライドガイドレール４１ｃと、スライドテーブル４１ｄとを備えている。

サーボモータ４１ａは、駆動ベルトＶを介して、ボールネジ４１ｂに回転力を伝達するようになっている。ボールネジ４１ｂは、サーボモータ４１ａからの回転力を直動力に変換し、スライドテーブル４１ｄに伝達する機構である。スライドガイドレール４１ｃは、スライドテーブル４１ｄを案内するレールであり、マウントブラケットＢ１と支持部Ｂ２の間にボールネジ４１ｂと平行に取り付けられている。スライドテーブル４１ｄは、ボールネジ４１ｂに螺合する図示しないナットを介して支持されているとともに、ボールネジ４１ｂとスライドガイドレール４１ｃに跨って取り付けられている。このスライドテーブル４１ｄには、回転駆動部４２を介して、前記した回転ツール３０が取り付けられている。

加圧駆動部４１では、サーボモータ４１ａを駆動することで、ボールネジ４１ｂが回転し、この回転力が直動力としてスライドテーブル４１ｄに伝達されて、スライドテーブル４１ｄがスライドガイドレール４１ｃに沿って一方向に移動するようになっている。また、ボールネジ４１ｂを逆回転させることで、スライドテーブル４１ｄは反対向きに移動するようになっている。これにより、回転ツール３０を被接合材Ｗ１，Ｗ２に向けて進退移動させることができる。

回転駆動部４２は、サーボモータで構成され、スライドテーブル４１ｄに取り付けられている。回転駆動部４２であるサーボモータの回転軸は、回転ツール３０に結合されており、回転駆動部４２を駆動することで、回転ツール３０を回転させることができる。

ローラ部材５０は、接合作業時、被接合材Ｗ１，Ｗ２を押圧する回転ツール３０による荷重を、ワーク台Ｔの下面側から支持するとともに、その移動を案内するものである。ローラ部材５０は、いわゆるキャスタであり、回転軸部材５１と、この回転軸部材５１に取り付けられるキャスターローラ５２とを有している。

回転軸部材５１は、軸部本体５１ａと、この軸部本体５１ａの上部に設けられるローラホルダ５１ｂとを有する。軸部本体５１ａは、回転ツール３０の回転軸と同一軸上に（軸方向に一致した向きに）、かつ、回転自在に保持装置２０に取り付けられている。回転軸部材５１は、回転ツールの軸方向に一致していることで、回転ツール３０による荷重を直線的に受けることができる。また、回転軸部材５１を回転させることで、キャスターローラ５２をあらゆる方向に向けることができる。ローラホルダ５１ｂは、Ｕ字状の部材であり、その内側でキャスターローラ５２を支持するようになっている。

キャスターローラ５２は、回転軸部材５１に直交するローラ軸５２ａと、このローラ軸５２ａと一体に形成されるローラ本体５２ｂとを有している。ローラ軸５２ａは、その両端部をローラホルダ５１ｂに支持されている。ローラ本体５２ｂは、ローラ面が回転ツール３０に対向する円筒状の部材であり、その中心をローラ軸５２ａが貫通している。ローラ本体５２ｂは、ローラ軸５２ａの軸周りに回転し、ワーク台Ｔの移動を案内する。このローラ本体５２ｂの幅は、回転ツール３０による荷重に応じて、適宜設計するとよい。

制御部６０は、ロボット制御部６１と、ツール回転制御部６２と、加圧制御部６３と、主制御部６４とで主に構成されている。なお、この制御部６０は、装置本体Ｅとは別構成とする。

ロボット制御部６１は、主制御部６４からの指令によって、ワーク台Ｔの移動を制御するため、多関節ロボット１０の関節１６ａ、関節１６ｂ、および関節１６ｃ、ならびにターンテーブル１１を駆動する油圧系統（図示せず）の油圧に対する制御を行う。

ツール回転制御部６２は、主制御部６４からの指令によって、回転駆動部４２におけるサーボモータの回転速度、回転方向等の回転条件を設定するものである。この回転条件は、プローブ３２の送り速度や、被接合材Ｗ２の材質、厚み等に応じて設定される。ちなみに、ツール回転制御部６２によるサーボモータの回転は、図示しないインバータ等を介して行われる。

加圧制御部６３は、主制御部６４からの指令によって、加圧駆動部４１のサーボモータ４１ａの回転速度、回転方向等の回転条件を設定するものである。この回転条件は、被接合材Ｗ２内へのプローブ３２の押し込み量、被接合材Ｗ２にプローブ３２が接近または離反する際の速度等に応じて設定される。ちなみに、加圧制御部６３によるサーボモータ４１ａの回転は、図示しないインバータ等を介して行われる。

主制御部６４は、摩擦攪拌接合装置１が起動した際に、予め設定されたタイミングで回転駆動部４２と加圧駆動部４１の各サーボモータが所定の回転条件で回転するように、ツール回転制御部６２と加圧制御部６３に指令信号を出力するように構成されている。また、主制御部６４は、予め定められた接合線Ｌ１（図４参照）に沿って、回転ツール３０が被接合材Ｗ１，Ｗ２に対し相対移動するように、換言すると、ワーク台Ｔが所定の動きとなるように、ロボット制御部６１に指令信号を出力するように構成されている。

［被接合材Ｗ１，Ｗ２］
次に、ワークである被接合材Ｗ１，Ｗ２について説明する。被接合材Ｗ１，Ｗ２は、例えば、それぞれアルミニウム合金からなる部材である。被接合材Ｗ１は、断面台形状、かつ、長尺状に形成された部材であり、被接合材Ｗ２は、被接合材Ｗ１の上面を覆う形状にプレス加工された薄板状の部材である。これら被接合材Ｗ１，Ｗ２は、重ね合わされた状態で、ワーク台Ｔの上にセット（固定）され、装置本体Ｅによって接合される。

［摩擦攪拌接合装置の動作］
次に、摩擦攪拌接合装置１の動作について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図３は、摩擦攪拌接合装置の正面図であり、（ａ）は接合作業開始直後の摩擦攪拌接合装置、（ｂ）は接合作業中の摩擦攪拌接合装置を示す図である。また、図４は、接合作業中の摩擦攪拌接合装置の要部拡大斜視図である。以下、図４に示す接合線Ｌ１に沿って、被接合材Ｗ１，Ｗ２を接合する場合について説明する。なお、制御部６０においては、ワーク台Ｔが所定の動きとなるように、被接合材Ｗ１，Ｗ２の形状に基づいて、多関節ロボット１０に動きが予めティーチングされている。

まず、多関節ロボット１０（図１参照）を操作し、ワーク台Ｔを移動させる。具体的には、図３（ａ）に示すように、ワーク台Ｔの上にセットされた被接合材Ｗ１，Ｗ２を、回転ツール３０とローラ部材５０の間に挟み込むようにワーク台Ｔを位置決めする。そして、ローラ部材５０のローラ本体５２ｂを、ワーク台Ｔの下面側に当接させる。この際、ローラ本体５２ｂの向きを接合方向に回転するように合わせておく。

そして、回転駆動部４２を駆動して、回転ツール３０を回転させながら、加圧駆動部４１を駆動する。これにより、図３（ａ）に示すように、回転ツール３０は回転しながら下降し、プローブ３２で、被接合材Ｗ１，Ｗ２を押圧する。被接合材Ｗ１，Ｗ２は、回転ツール３０の回転により発生する摩擦熱で軟化し、回転ツール３０のプローブ３２が、上側に配置された被接合材Ｗ２内に徐々に挿入され、被接合材Ｗ１との当接部分近傍に到達する（図４参照）。この際、ワーク台Ｔは、その下側に配置されたローラ部材５０で支持される。このように、ローラ部材５０で支持されることで、下側からの充分な反力が得られる。なお、この摩擦攪拌接合装置１では、被接合材Ｗ１，Ｗ２の表面に対する回転ツール３０の負荷が増大したとしても、加圧駆動部４１で反力が調整されるように構成されている。

そして、図３（ｂ）に示すように、回転ツール３０のプローブ３２を被接合材Ｗ２内に挿入した状態で、ワーク台Ｔを移動させる。具体的には、接合線Ｌ１（図４参照）に沿ってプローブ３２が相対移動するように、ワーク台Ｔが取り付けられた多関節ロボット１０を動作させる。この際、被接合材Ｗ１，Ｗ２の当接部分は常に垂直荷重を受けることができるように、多関節ロボット１０を介してワーク台Ｔの傾きを調整する。また、被接合材Ｗ２に対するプローブ３２の挿入量を一定量に保つように、加圧駆動部４１を介して回転ツール３０の上下の移動量も調整する。

このように、プローブ３２が回転しながらワーク台Ｔに対して相対移動することで、ワーク台Ｔに固定された被接合材Ｗ１，Ｗ２の互いの当接部分近傍は摩擦熱によって塑性流動化し、接合線Ｌ１に沿って接合される。なお、被接合材Ｗ１，Ｗ２に対する回転ツール３０の加圧力は、例えば、圧力センサで回転ツール３０に作用する反力を検出し、この検出値に基づきサーボモータ４１ａを制御する。

以上によれば、本実施形態において以下の効果を得ることができる。
本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１では、回転ツール３０が被接合材Ｗ１，Ｗ２の接合線Ｌ１に沿うように、ワーク台Ｔを多関節ロボット１０で移動させる。このようにワーク台Ｔが多関節ロボット１０により移動可能に構成されていることで、予め定められた（プログラミングされた）接合線Ｌ１に沿って２つの被接合材Ｗ１，Ｗ２を接合することができる。

また、ワーク台Ｔを多関節ロボット１０に把持させることで移動可能に構成し、回転ツール３０からの反力は、多関節ロボットではなく保持装置２０が受ける構成としたので、回転ツール３０からの反力については保持装置２０で充分耐えることができる。

また、ワーク台Ｔは、保持装置２０に対して任意の方向に移動可能であるため、この摩擦攪拌接合装置１では、被接合材Ｗ１，Ｗ２の向きをセットし直すことなく、三次元方向のあらゆる接合方向（二以上の接合方向）に容易に対応することができる。これにより、少量生産時の効率を向上させることができる。

以上、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。

図５は、変形例に係る装置本体の図である。
前記実施形態では、ローラ部材５０の回転軸部材５１を回転ツール３０の回転軸の同一軸線上に設けたが（図２参照）、回転ツール３０のツール中心線Ａ１とキャスターローラ５２のローラ中心線Ａ２をオフセットさせてもよい。具体的には、回転軸部材５１のローラホルダ５１ｃにおいて、前記実施形態よりもローラ軸５２ａを保持装置２０の内側で保持するようにしてもよい。これによれば、ローラ部材５０が進行方向に常に追従することができる。これにより、複雑な形状でも、接合を高品質に行うことができる。

前記実施形態では、被接合材Ｗ１，Ｗ２を同一種類の材料でアルミニウム合金としたが、アルミニウム合金以外の同一材料や、互いに異種の材料を接合する場合にも、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１を適用することができる。

前記実施形態では、被接合材Ｗ１，Ｗ２を重ね合わせて接合する場合について説明したが、被接合材の端面を突き合わせて接合する場合にも、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１を適用することができる。

前記実施形態では、ローラ部材５０として、回転体であるローラ本体５２ｂを軸支したものを用いたが、図６に示す参考例のように、ボールベアリングタイプのローラ部材５３を用いることもできる。

図１は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の斜視図である。 本実施形態に係る装置本体および制御部の図である。 摩擦攪拌接合装置の正面図であり、（ａ）は接合作業開始直後の摩擦攪拌接合装置、（ｂ）は接合作業中の摩擦攪拌接合装置を示す図である。 接合作業中の摩擦攪拌接合装置の要部拡大斜視図である。 変形例に係る装置本体の図である。 参考例に係るローラ部材の図である。

符号の説明

１ 摩擦攪拌接合装置
Ｗ１ 被接合材
Ｗ２ 被接合材
１０ 多関節ロボット
１１ ターンテーブル
１２ 第１アーム
１３ 第２アーム
１４ 第３アーム
１５ 基台
２０ 保持装置
３０ 回転ツール
３１ 胴部
３２ プローブ
４０ 駆動部
５０ ローラ部材
６０ 制御部
６１ ロボット制御部
６２ ツール回転制御部
６３ 加圧制御部
６４ 主制御部
Ｅ 装置本体
Ｔ ワーク台

Claims (2)

1. 先端にプローブを有する回転ツールと、
   この回転ツールを保持する保持装置と、
   前記回転ツールに対向するように前記保持装置に取り付けられ、前記回転ツールの回転軸と平行な回転軸周りに回転する軸部本体と、
   前記軸部本体の前記回転ツール側の端部に取り付けられたローラホルダと、
   前記ローラホルダに回転自在に支持されるローラと、
   接合される２つの被接合材が固定され、前記回転ツールと前記ローラとの間に配置されるワーク台と、
   を備える摩擦攪拌接合装置であって、
   前記ワーク台は、多関節ロボットに取り付けられ、前記保持装置に対して独立して移動可能に構成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 先端にプローブを有する回転ツールと、この回転ツールを保持する保持装置と、前記回転ツールに対向するように前記保持装置に取り付けられ、前記回転ツールの回転軸と平行な回転軸周りに回転する軸部本体と、前記軸部本体の前記回転ツール側の端部に取り付けられたローラホルダと、前記ローラホルダに回転自在に支持されるローラと、前記回転ツールと前記ローラとの間に配置されるワーク台とを備えた摩擦攪拌接合装置を用いて２つの被接合材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記ローラが接合方向に回転するように前記軸部本体を回転させて前記ローラの向きを調整する調整工程と、
   ２つの前記被接合材が固定された前記ワーク台を前記回転ツールと前記保持装置の間に配置する配置工程と、
   前記ワーク台の下面を前記ローラで支持した状態で、前記被接合材に対し前記回転ツールを回転させながら押圧挿入する挿入工程と、
   前記回転ツールの回転により発生する摩擦熱によって前記被接合材における前記回転ツールの周辺を塑性流動させる流動工程と、
   前記回転ツールが前記被接合材の接合線に沿うように、前記ワーク台を多関節ロボットにより移動させて２つの前記被接合材を接合する接合工程と、
   を備えることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

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