JP5563430B2 - 脆性材料を切断する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスまたはセラミック材料などの脆性材料に切り目を入れる(score)および／または脆性材料を分割する方法に関する。

脆性材料を切断するある方法は、脆性材料の表面に機械的な切り目を形成する工程を含む。この切り目は、この材料の表面に対して実質的に垂直に延在する小さな亀裂を生じることができ、ときには、ベント亀裂(vent crack)または単にベントと称されることもある。引張応力が切り目線(score line)（およびその結果として、ベント亀裂）に亘り生成されるように、切り目線に応力が印加されると、そのベントが、材料の全厚に亘り延在するように成長し、それによって、材料がいくつかの小片に分割される。この応力は、例えば、材料を曲げることによって印加してよく、それゆえ、その技法にしばしば使用される用語は、「スコア・アンド・スナップ(score and snap)」である。

切り目が硬質スコアリング・ホイールまたはスクライビングの機械的適用によって生成される、機械的なスコア・アンド・スナップ法には、表面に、また脆性材料中にある意義のある深さまで、実質的な損傷が生じ、よって分割された小片の縁が、小さな亀裂またはスコアリング中に生成された切り屑の存在により弱化するという欠点がある。

この損傷を緩和するために、切り目線の形成にレーザビームを使用し、その後、ここでも応力が印加される、レーザ・スコアリング技法が開発された。この技法によれば、脆性材料の表面はレーザビームによって加熱される。次いで、加熱されたガラスに冷却流体が施され、それに伴う高応力により、脆性材料の表面に裂け目を生じ、ベント亀裂を形成することができた。それに続いて曲げ応力を印加した後に、分割が行われた。この技法の変種は、切り目線を最初に形成する代わりに、脆性材料の全厚に亘り延在するベントを、後で曲げ応力を印加せずに、生成するのに十分な加熱と冷却を行う、いわゆる完全(full body)分割を含む。

レーザ・スコアリングは機械的スコアリングより優れていると実証されているが、この技法では、大半は冷却段階の結果としての、一貫性のなさを被る。

ガラス板などの脆性材料を分割する方法が開示されている。この方法では、所定の経路に沿って脆性材料を加熱するためにレーザを用い、その後、加熱された所定の経路を冷却する、ノズルにより生成される冷却流体、例えば、水の流れが続く。このノズルは、少なくとも約３０ｍｍ、好ましくは５０ｍｍを超えて実質的に円柱状（すなわち、実質的にシリンダ状）である流れを生成することができる。その流れの円柱状部分の長さは、流れのコヒーレンス長と称される。その流れのコヒーレント部分が、加熱された所定の経路に沿って脆性材料と接触すれば、切り目または切断部の真っ直ぐな場合のような、分割プロセスの一貫性、ベント深さの均一性およびプロセス全体の再現性を相当増加させられることが分かった。

ある実施の形態において、脆性材料にベント亀裂を形成する方法は、脆性材料の表面を所定の経路に沿ってレーザで加熱する工程、および脆性材料の加熱された表面を、ノズルにより分配された冷却液のコヒーレント流で冷却する工程であって、このコヒーレント流が、５０ｍｍ以上のコヒーレント長および約７０マイクロメートルから約１５０マイクロメートルまでの範囲の直径を有するものである工程を有してなり、ノズルの開口と脆性材料の表面との間の作業距離がコヒーレント流のコヒーレント長より短い。

冷却液のコヒーレント流が、円対称の開口を有する収束ノズルよって形成されることが好ましい。他の実施の形態において、冷却液のコヒーレント流は、円対称の開口を有する真っ直ぐな壁の孔を備えたノズルによって形成される。ノズルの開口と脆性材料の表面との間の作業距離は５ｍｍより長く、ある場合には、５０ｍｍを超えても差し支えない。

脆性材料は、ガラスであってよく、ある実施の形態において、フュージョン・ダウンドロー法において形成されるような、ガラスの連続リボンである。

脆性材料を機械的応力の印加によって分割すべき場合、ベント亀裂は切り目（切り目線）を含んでもよい。この場合には、引張応力を曲げによって切り目線に沿って生成してもよく、または引張応力を材料に線形力(linear force)を印加すること（例えば、引張力を印加すること）によって生成してもよい。

他の場合には、ベント亀裂が、脆性材料が分割されるように、冷却後に脆性材料の全厚に亘り延在しても差し支えない。

この方法のある用途は、３００℃を超える温度を有するガラスリボンを分割する工程を含む。そのリボンは非平面状であってよく、その場合、コヒーレント流の長い作業距離（例えば、長いコヒーレント長）により、リボンの表面に対してノズルの位置を調節せずに、切断および／または切り目入れを行うことができる。すなわ、ノズルの開口と脆性材料の表面との間の距離は、所定の経路に沿って変動するが、形成されたベント亀裂の性質には実質的な影響はない。

ノズル内の冷却液の圧力は、約０．３５ｋｇ／ｃｍ²（約３４．３ｋＰａ）および約０．７０ｋｇ／ｃｍ²（約６８．７ｋＰａ）の間の範囲にある。

別の実施の形態において、ガラスリボンの縁を分離する方法であって、粘性領域と弾性領域を含むガラスの連続リボンを形成する工程、および弾性領域においてガラスの連続リボンの表面を所定の経路に沿ってレーザで加熱する工程を有してなる方法が開示されている。次いで、加熱された所定の経路は、ノズルによって分配された冷却液のコヒーレント流により冷却され、このコヒーレント流は、ガラスの連続リボンから縁を分割するために、５０ｍｍ以上のコヒーレント長および約７０マイクロメートルから約１５０マイクロメートルの範囲の直径を含む。ノズルの開口とガラスの連続リボンの表面との間の作業距離は、コヒーレント流のコヒーレント長より短い。

ある場合には、加熱する前の弾性領域におけるガラスの連続リボンの温度は約３００℃より高い。ノズルの開口とガラスの連続リボンの表面との間の作業距離が約５ｍｍより長いことが好ましい。ノズル内の冷却液の圧力が、約０．３５ｋｇ／ｃｍ²（約３４．３ｋＰａ）および約０．７０ｋｇ／ｃｍ²（約６８．７ｋＰａ）の間の範囲にあることが好ましい。ノズルが、末広の円対称の孔または真っ直ぐな壁の円対称の孔を含むことが好ましい。

ある実施の形態において、弾性領域におけるガラスの連続リボンは非平面である。

添付の図面を参照すれば、本発明はより容易に理解され、本発明の他の目的、特徴、詳細および利点が、決して制限せずに与えられた以下の説明の記載を読む過程でより明白に理解されるであろう。そのような追加のシステム、方法、特徴および利点の全ては、この説明に含まれ、本発明の範囲内であり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。

レーザ・スコアリングおよび／または切断装置の斜視図 コヒーレント部分および非コヒーレント部分を示す、真っ直ぐな壁のノズルから排出された水の流れの側面図 末広ノズルを示す断面図 真っ直ぐな壁のノズルを示す断面図 収束ノズルを示す断面図 真っ直ぐな壁の円筒孔を有する例示のノズルのコヒーレント長対圧力をプロットしたグラフ 例示のフュージョン・ダウンドロー装置により形成された連続ガラスリボンから縁を分割するための、レーザおよび冷却ノズルを備えた、ガラス板を製造するための装置の正面図

以下の詳細な説明において、制限ではなく説明を目的として、本発明を完全に理解できるように、特定の詳細を開示した例示の実施の形態が示されている。しかしながら、本開示の恩恵を受けた当業者には、本発明は、ここに開示された特定の詳細から逸脱する他の実施の形態で実施してもよいことが明らかであろう。さらに、よく知られたデバイス、方法および材料の説明は、本発明の説明を分かりにくくしないように省かれている。最後に、適用できるところはどこでも、同様の参照番号は同様の要素を参照している。

脆性材料を所定の線に沿って最初に加熱するためにレーザを使用し、脆性材料の加熱された区域を冷却流体によって直ちに冷却するレーザ・スコアリング技法がよく知られている。しかしながら、レーザ・スコアリング技法は、得られる縁の強度に関しては機械的スコアリング技法より優れているが、ベントのふらつき（脆性材料の表面でのベントの伝搬方向における望ましくない変化）および表面に対して垂直な方向におけるベントの伝搬の変動をもたらし得る、ベント亀裂の形成における一貫性のなさを被るであろう。より簡単に言えば、ベント亀裂の深さは変動し得、最終的に分割された個々の小片の縁表面の品質にばらつきが生じてしまう。この一貫性のなさは、冷却の性質に遡ることができる。

図１には、ガラス、ガラスセラミックまたはセラミック製の板などの脆性材料の板１２に切り目を入れるまたはそれを切断する（例えば、完全に切断する）のに使用される例示のレーザ・スコアリングおよび／または切断装置１０であって、この板の一部分を所定の経路１８に沿って照射し、加熱する電磁エネルギーのビーム（光）１６を生成するレーザ１４を備えた装置が示されている。ある実施の形態において、所定の経路は、板の縁に形成された既存の割れ目２０から始まる。板の加熱された部分は、その後、ノズル２４により放出された冷却流体の密接に追従する流れ２２によって冷却される。直後に急冷を伴う加熱によって、既存の割れ目によって生じるものなどの亀裂２６を所定の経路に沿って板に伝搬させる高応力を板に生じさせる。

単純なノズルの開口により生じる冷却流体の流れ２２は、図２に示された少なくともいくつかの段階を経る。円形開口であると仮定すると、その流れは、距離Ｌに亘って、乱流または表面の変化（例えば、孤立した液滴または表面の波紋などを生じさせる流れの表面での崩壊）がほとんどなく、空洞または気泡の混入が最小である、実質的に円柱状の流れ２８として始まる。

単純なノズルにより意味されるものは、１つの円対称の孔である。３種類の単純な孔が図３Ａ〜３Ｃに示されている。図３Ａは末広ノズル２４を示しており、ノズルの開口３０を出た液体は、円錐の形態で急に広がる孔３２を直ちに通る。図３Ｂは真っ直ぐな壁のノズル２４を示しており、孔３２の壁は実質的に平行である。最後に、図３Ｃは収束ノズル２４を示しており、液体は、ノズルの開口３０に入る前に、孔３２の収束する円錐形部分を最初に通る。混乱をなくす目的のために、ここに用いたように、ノズルは、流れを形成する部材の構造全体を称し、孔は、開口に直ちに隣接するノズルの部分（点線３２により示される）を記述し、開口３０は、孔の最も狭い部分として一般に選択され、直径Ｄで示される、液体がノズルから出る出口孔の平面の幾何学形状を称する。図３Ａ〜３Ｃのノズルの各々が円形開口を含むのが分かる。図３Ａおよび３Ｃは円錐孔を示しているのに対し、図３Ｂは円筒開口を示している。真っ直ぐな壁のノズルに関して、孔と開口は同じである。

図２に戻ると、第２段階において、流れの円柱特性は、液滴の乱れて分離した流れ、手短に言えば、参照番号３４により示された非コヒーレント流（例えば、霧状）に変質する。流れ２２の霧部分が脆性材料の表面に入射すれば、一貫しない冷却が生じ、意図したスコアリングおよび／または切断経路からの逸れおよび最終的に分割された小片の弱化した縁などの、不満足なスコアリング性能をもたらすかもしれない。いくつかの要因により、流れ２２の円柱状、またはコヒーレント部分２８の品質と程度の両方：開口の内側の縁の品質および流れの円柱部分の長さＬが影響を受ける。以後に使用するように、コヒーレントまたはコヒーレンスという用語は、流れの表面から始まる液体の別々の（孤立したまたは同伴する）液滴の生成および／または著しい表面の乱れなく、ノズルからの液体の実質的に円柱状の流れを描写するために使用される。より簡単に言えば、コヒーレント流は、液体の実質的にシリンダ流であり、この領域の長さＬはコヒーレント長と称する。冷却液のコヒーレント流を使用すると、従来の逸脱性能が半分になり、従来のレーザ・スコアリング／切断技法により生じる典型的に±２０マイクロメートルに対して、約±１１マイクロメートル未満の偏差で、スコアリングおよび／または切断経路を生成できる。

図４は、約２００マイクロメートルの直径Ｄを有する開口を有する真っ直ぐな壁の円筒孔を備えたノズルによって生成した水流に関する圧力に対するコヒーレント長のグラフを示している。このグラフから明らかなように、この流れのコヒーレント長は、液体を駆動する圧力に応じて、５０ｍｍを超え得る。所定の圧力より高いと、コヒーレント長は急激に劣化し、使用可能な作業距離が短くなってしまう。図４は、水（加圧空気などにより）を約０．３５ｋｇ／ｃｍ²（約３４．３ｋＰａ）および約０．７０ｋｇ／ｃｍ²（約６８．７ｋＰａ）の間の圧力に加圧すると、約５１ｍｍおよび約５３ｍｍの間のコヒーレント長が生じることを示している。約０．３５ｋｇ／ｃｍ²（約３４．３ｋＰａ）および約１ｋｇ／ｃｍ²（約９８．１ｋＰａ）の間の圧力でも、まだ、約３０ｍｍより長い相当なコヒーレント長が供給される。

例えば、不均一な表面を有する脆性材料をスコアリングおよび／または切断する場合、長いコヒーレント長が有用である。長いコヒーレント長を有する流れを使用することによって、ノズルの開口と作業小片（脆性材料）との間の作業距離を長くすることができ、表面のトポロジーが変動するときのノズルの動作が不必要になり、スコアリングおよび／または切断速度をより速くするのが促進される。例えば、約１０ｍｍと５０ｍｍの間の範囲、２０ｍｍと５０ｍｍの間、３０ｍｍと５０ｍｍの間、または４０ｍｍと５０ｍｍの間の作業距離などの、５ｍｍを超えた作業距離を使用してよい。

ある実施の形態によれば、脆性材料の表面が、レーザによって発せられるレーザビームにより所定の経路に沿って照射され、加熱され、その後、ノズルにより放出される液体の流れによって急冷される。ノズルは、例えば、円対称の開口および孔を有する簡単な末広のまたは真っ直ぐな壁のノズルであってよい。この流れのコヒーレント長は５０ｍｍ以上であり、ノズルの開口と脆性材料の表面との間の距離は、この流れのコヒーレント長より短い。コヒーレント流の直径は７０マイクロメートルと１５０マイクロメートルの範囲にある。

冷却液のコヒーレント流を使用することによって、高温のガラスリボンが成形装置から延伸されるときにこのリボンから縁を分離することなどの、高温での脆性材料の正確なスコアリングおよび／または切断も容易になる。ガラスリボンの延伸は当該技術分野においてよく知られており、詳しくは記載しないが、そのような方法は、フロート法、フュージョン・ダウンドロー法およびスロット・ドロー法を含むダウンドロー法、およびアップドロー法を含む。

図５に示される、例示のフュージョン・ダウンドロー法において、溶融ガラスが、一般に根元(root)と呼ばれる成形体の底部で線３８に沿って出会う収束成形表面３６上を流される。この根元で、収束成形表面から来る溶融ガラスの別々の流れが接合、または融合して、１つのガラスリボン４０が形成される。ガラスリボン４０は、粘性領域、粘弾性領域および弾性領域を含む。ガラスリボン４０は、粘性および／または粘弾性領域においてリボンの縁４４を把持し、その特定の機能に応じて、ガラスリボンを案内または牽引する様々なエッジ・ロール４２と接触する。エッジ・ロール４２と縁４４との間の接触により、縁が傷付き、ガラスが販売には向かなくなる。その結果、リボンの縁は除去しなければならない。縁の除去は、個別のガラス板が延伸区域の底部でリボンから除去された後に行うことができるが、リボンから縁を直接除去したほうが、製造効率がよくなる。本実施の形態によれば、リボンからのリボン縁部分のレーザ切断は、上述した冷却液のコヒーレント流を使用したレーザ切断法を採用することによって、容易にできる。レーザビーム１６が、リボンの弾性領域においてリボン４０の側縁に対して略平行な所定の経路１８に沿ってガラスリボンを照射する。次に、冷却液（例えば、水）のコヒーレント流２２を所定の経路に沿って方向付けて、縁をリボンから分離する。コヒーレント流のコヒーレント長は５０ｍｍ以上であり、ノズルの開口とリボンの表面との間の距離はこのコヒーレント長よりも短い。コヒーレント流の直径は、７０マイクロメートルと２００マイクロメートルの間の範囲、好ましくは７０マイクロメートルと１５０マイクロメートルの間の範囲にある。この技法は、リボンの弾性領域において３００℃を超える温度であり、２０ｍｍまでの反り（平坦からの逸脱）を有する非平坦ガラスリボンにうまく実証された。

例示の非限定的実施の形態には以下のものがある。

Ｃ１． 脆性材料にベント亀裂を形成する方法であって、
前記脆性材料の表面を所定の経路に沿ってレーザで加熱する工程、および、
前記脆性材料の加熱された表面を、ノズルにより分配された冷却液のコヒーレント流で冷却する工程であって、該コヒーレント流が、５０ｍｍ以上のコヒーレント長および約７０マイクロメートルから約２００マイクロメートルまでの範囲の直径を有するものである工程、
を有してなり、
前記ノズルの開口と前記脆性材料の表面との間の作業距離が前記コヒーレント流のコヒーレント長より短いことを特徴とする方法。

Ｃ２． 前記冷却液のコヒーレント流が、円対称の開口を有する末広ノズルにより形成されることを特徴とするＣ１記載の方法。

Ｃ３． 前記冷却液のコヒーレント流が、真っ直ぐな壁の円筒の孔を有するノズルにより形成されることを特徴とするＣ１記載の方法。

Ｃ４． 前記作業距離が５ｍｍより長いことを特徴とするＣ１〜Ｃ３いずれか１つに記載の方法。

Ｃ５． 前記脆性材料がガラスであることを特徴とするＣ１〜Ｃ４いずれか１つに記載の方法。

Ｃ６． 前記脆性材料がガラスの連続リボンであることを特徴とするＣ５記載の方法。

Ｃ７． 前記リボンがフュージョン・ダウンドロー法で製造されることを特徴とするＣ６記載の方法。

Ｃ８． 前記ベント亀裂が切り目を含むことを特徴とするＣ１〜Ｃ７いずれか１つに記載の方法。

Ｃ９． 前記ベント亀裂が、前記脆性材料が複数のセグメントに分割されるように、冷却後に該脆性材料の全厚に亘り延在することを特徴とするＣ１〜Ｃ８いずれか１つに記載の方法。

Ｃ１０． 前記ガラスの温度が３００℃を超えることを特徴とするＣ６記載の方法。

Ｃ１１． 前記リボンが非平坦であることを特徴とするＣ６記載の方法。

Ｃ１２． 前記ノズルの開口と前記脆性材料の表面との間の距離が前記所定の経路に沿って変動することを特徴とするＣ１〜Ｃ１１いずれか１つに記載の方法。

Ｃ１３． 前記ノズルの中の前記冷却液の圧力が約０．３５ｋｇ／ｃｍ²（約３４．３ｋＰａ）および約０．７０ｋｇ／ｃｍ²（約６８．７ｋＰａ）の間の範囲にあることを特徴とするＣ１〜Ｃ１２いずれか１つに記載の方法。

Ｃ１４． ガラスリボンの縁を分離する方法であって、
粘性領域と弾性領域を含むガラスの連続リボンを形成する工程、
前記弾性領域において前記ガラスの連続リボンの表面を所定の経路に沿ってレーザで加熱する工程、および
前記ガラスの連続リボンの加熱された表面を、ノズルにより分配された冷却液のコヒーレント流で冷却する工程であって、該コヒーレント流が、５０ｍｍ以上のコヒーレント長および約７０マイクロメートルから約１５０マイクロメートルまでの範囲の直径を有するものである工程、
を有してなり、
前記ノズルの開口と前記ガラスの連続リボンの表面との間の作業距離は、前記コヒーレント流のコヒーレント長より短いことを特徴とする方法。

Ｃ１５． 前記加熱工程前の前記弾性領域における前記ガラスの温度が約３００℃より高いことを特徴とするＣ１４記載の方法。

Ｃ１６． 前記ノズルの開口と前記ガラスの連続リボンの表面との間の作業距離が約５ｍｍより長いことを特徴とするＣ１４またはＣ１５記載の方法。

Ｃ１７． 前記ノズルの中の前記冷却液の圧力が約０．３５ｋｇ／ｃｍ²（約３４．３ｋＰａ）および約０．７０ｋｇ／ｃｍ²（約６８．７ｋＰａ）の間の範囲にあることを特徴とするＣ１４〜Ｃ１６いずれか１つに記載の方法。

Ｃ１８． 前記弾性領域における前記ガラスの連続リボンが非平坦であることを特徴とするＣ１４〜Ｃ１７いずれか１つに記載の方法。

Ｃ１９． 前記ノズルが末広の円対称の孔を備えることを特徴とするＣ１４〜Ｃ１８いずれか１つに記載の方法。

Ｃ２０． 前記ノズルが、真っ直ぐな壁の円対称の孔を備えることを特徴とするＣ１４〜Ｃ１９いずれか１つに記載の方法。

本発明の上述した実施の形態、特に任意の「好ましい」実施の形態は、単に考えられる実施例であり、本発明の原理を明白に理解するために単に述べられたものであることを強調しておく。本発明の精神および原理から実質的に逸脱せずに、本発明の上述した実施の形態に多くの変更および改変を行ってもよい。そのような変更と改変の全ては、この開示と本発明の範囲内に含まれ、以下の特許請求の範囲により保護されることが意図されている。

１０ レーザ・スコアリングおよび／または切断装置
１２ 脆性材料の板
１４ レーザ
１６ 電磁エネルギービーム（光）
１８ 所定の経路
２０ 既存の割れ目
２２ 冷却液の流れ
２４ ノズル
２６ 亀裂
２８ 円柱流
３０ ノズルの開口
３２ 孔
４０ ガラスリボン
４２ エッジ・ロール
４４ 縁

Claims (10)

1. 脆性材料にベント亀裂を形成する方法であって、
   前記脆性材料の表面を所定の経路に沿ってレーザで加熱する工程、および、
   前記脆性材料の加熱された表面を、ノズルにより分配された冷却液のコヒーレント流で冷却する工程であって、該冷却液のコヒーレント流が、５０ｍｍ以上のコヒーレント長を有し、前記冷却液のコヒーレント流の直径が７０マイクロメートルから２００マイクロメートルまでの範囲である工程、
   を有してなり、
   前記ノズルの開口と前記脆性材料の表面との間の作業距離が前記冷却液のコヒーレント流のコヒーレント長より短いことを特徴とする方法。
2. 前記冷却液のコヒーレント流が、円対称の開口を有する末広ノズルにより形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記冷却液のコヒーレント流が、真っ直ぐな壁の円筒の孔を有するノズルにより形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記作業距離が５ｍｍより長いことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記脆性材料の温度が３００℃を超えることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記ノズルの開口と前記脆性材料の加熱された表面との間の距離が前記所定の経路に沿って変動することを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記ノズルの中の前記冷却液の圧力が０．３５ｋｇ／ｃｍ² （３４．３ｋＰａ）および０．７０ｋｇ／ｃｍ² （６８．７ｋＰａ）の間の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. ガラスリボンの縁を分離する方法であって、
   ガラスの連続リボンを形成する工程であって、該ガラスの連続リボンが粘性領域および弾性領域を含む工程、
   前記ガラスの連続リボンの表面を前記弾性領域で所定の経路に沿ってレーザで加熱する工程、および、
   前記ガラスの連続リボンの加熱された表面を、ノズルにより分配された水を含む冷却液のコヒーレント流で冷却する工程であって、該冷却液のコヒーレント流が、５０ｍｍ以上のコヒーレント長および７０マイクロメートルから１５０マイクロメートルまでの範囲の直径を有し、前記ガラスの連続リボンから縁を分離する工程、
   を有してなり、
   前記ノズルの開口と前記ガラスの連続リボンの加熱された表面との間の作業距離が前記冷却液のコヒーレント流のコヒーレント長より短いことを特徴とする方法。
9. 前記ノズルの開口と前記ガラスの連続リボンの加熱された表面との間の作業距離が約５ｍｍより長いことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記ノズルの中の前記冷却液の圧力が０．３５ｋｇ／ｃｍ² （３４．３ｋＰａ）および０．７０ｋｇ／ｃｍ² （６８．７ｋＰａ）の間の範囲にあることを特徴とする請求項８記載の方法。

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