JP6636341B2 - 三次元造形物の製造方法 - Google Patents
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Description
また、本発明に係る三次元造形装置は、造形物が載置される造形ステージと、前記造形ステージに対し少なくとも垂直方向に移動可能な昇降部と、前記昇降部に搭載され材料が異なる複数種類の樹脂材料の供給を受ける造形ヘッドと、前記昇降部及び前記造形ヘッドを制御する制御部とを備える。前記制御部は、第1の層において、前記複数種類の樹脂材料のうちの第1の樹脂材料が第1の方向に連続的に形成され且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて配列されると共に、前記複数種類の樹脂材料のうちの前記第1の樹脂材料以外の第2の樹脂材料が、前記第1方向に連続的に形成され且つ前記隙間に配列されるように前記造形ヘッドを制御する。前記制御部は更に、前記第1の層の上部の第2の層において、前記第1の樹脂材料が、前記第1方向とは交差する第3の方向に連続的に形成され且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて配列されると共に、前記第2の樹脂材料が、前記第3方向に連続的に形成され且つ前記隙間に配列されるように前記造形ヘッドを制御する。これにより前記第1の層に形成された前記第1の樹脂材料と、前記第2の層に形成された前記第1の樹脂材料とが上下方向で接合する。更に前記第1の層に形成された前記第2の樹脂材料と、前記第2の層に形成された前記第2の樹脂材料とが上下方向で接合する。
また、本発明に係る造形物は、複数種類の樹脂材料を含む造形物であって、第1の層と第2の層とを含む。その第1の層は、複数種類の樹脂材料のうちの第1の樹脂材料が第1の方向に連続的に形成され且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて配列されると共に、前記複数種類の樹脂材料のうちの前記第1の樹脂材料以外の第2の樹脂材料が、前記第1方向に連続的に形成され且つ前記隙間に配列された部分を含む。また、前記第1の層の上部の第2の層は、前記第1の樹脂材料が、前記第1方向とは交差する第3の方向に連続的に形成され且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて配列されると共に、前記複数種類の樹脂材料のうちの前記第2の樹脂材料が、前記第3方向に連続的に形成され且つ前記隙間に配列され、これにより、前記第1の層に形成された前記第1の樹脂材料と、前記第2の層に形成された前記第1の樹脂材料とが上下方向で接合し、且つ更に前記第1の層に形成された前記第2の樹脂材料と、前記第2の層に形成された前記第2の樹脂材料とが上下方向で接合されている部分を含む。
また、本発明に係る三次元造形装置の制御方法は、造形ヘッドを備えた三次元造形装置の制御方法である。この方法では、第1の層において、複数種類の樹脂材料のうちの第1の樹脂材料が第1の方向に連続的に形成され且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて配列されると共に、前記複数種類の樹脂材料のうちの前記第1の樹脂材料以外の第2の樹脂材料が、前記第1方向に連続的に形成され且つ前記隙間に配列されるように前記造形ヘッドを制御する。次に、前記第1の層の上部の第2の層において、前記第1の樹脂材料が、前記第1方向とは交差する第3の方向に連続的に形成され且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて配列されると共に、前記第2の樹脂材料が、前記第3方向に連続的に形成され且つ前記隙間に配列されるように前記造形ヘッドを制御する。これにより、前記第1の層に形成された前記第1の樹脂材料と、前記第2の層に形成された前記第1の樹脂材料とが上下方向で接合し、且つ更に前記第1の層に形成された前記第2の樹脂材料と、前記第2の層に形成された前記第2の樹脂材料とが上下方向で接合されている。
(全体構成)
図1は、第1の実施の形態で用いる3Dプリンタ100の概略構成を示す斜視図である。3Dプリンタ100は、フレーム11と、XYステージ12と、造形ステージ13と、昇降テーブル14と、ガイドシャフト15とを備えている。
フレーム11は、図1に示すように、例えば直方体の外形を有し、アルミニウム等の金属材料の枠組を備えている。このフレーム11の4つの角部に、例えば4本のガイドシャフト15が、図1のZ方向、すなわち造形ステージ10の平面に対し垂直な方向に延びるように形成されている。ガイドシャフト15は、後述するように昇降テーブル14を上下方向に移動させる方向を規定する直線状の部材である。ガイドシャフト15の本数は4本には限られず、昇降テーブル14を安定的に維持・移動させることができる本数に設定される。
造形ステージ13は、造形物Sが載置される台であり、後述する造形ヘッドから吐出される熱可塑性樹脂が堆積される台である。
昇降テーブル14は、図1及び図2に示すように、その4つの角部においてガイドシャフト15を貫通させており、ガイドシャフト15の長手方向(Z方向)に沿って移動可能に構成されている。昇降テーブル14は、ガイドシャフト15と接触するローラ34,35を備えている。ローラ34,35は昇降テーブル14の2つの角部に形成されたアーム部33において回動可能に設置されている。このローラ34,35がガイドシャフト15上と接触しつつ回動することで、昇降テーブル14はZ方向にスムーズに移動することが可能とされている。また、昇降テーブル14は、図2に示すように、モータMzの駆動力をタイミングベルト、ワイヤ、プーリ等からなる動力伝達機構により伝達することにより、上下方向に所定間隔(例えば0.1mmピッチ)で移動する。モータMzは、例えば、サーボモータ、ステッピングモータなどが好適である。なお、実際の昇降テーブル14の高さ方向の位置を連続的又は間欠的にリアルタイムで、図示しない位置センサを用いて測定し、適宜補正をかけることによって、昇降テーブル14の位置精度を高めるようにしてもよい。後述する造形ヘッド25A、25Bについても同様である。
XYステージ12は、この昇降テーブル14の上面に載置されている。図3は、このXYステージ12の概略構成を示す斜視図である。XYステージ12は、枠体21と、Xガイドレール22と、Yガイドレール23と、リール24A、24Bと、造形ヘッド25A、25Bと、造形ヘッドホルダHを備えている。Xガイドレール22は、その両端がYガイドレール23に嵌め込まれ、Y方向に摺動自在に保持されている。リール24A、24Bは、造形ヘッドホルダHに固定されており、造形ヘッドホルダHによって保持された造形ヘッド25A、25Bの動きに追従してXY方向を移動する。造形物Sの材料となる熱可塑性樹脂は、径が3〜1.75mm程度の紐状の樹脂(フィラメント38A、38B)であり、通常リール24A,24Bに捲かれた状態で保持されているが、造形時には後述する造形ヘッド25A,25Bに設けられたモータ(エクストルーダ)によって造形ヘッド25A,25B内に送り込まれる。
なお、図1〜図3では、造形ヘッド25Aは、フィラメント38Aを溶融・吐出するよう構成され、造形ヘッド25Bは、フィラメント38Bを溶融し吐出するよう構成され、異なるフィラメントのためにそれぞれ独立の造形ヘッドが用意されている。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、単一の造形ヘッドのみを用意し、単一の造形ヘッドにより複数種類のフィラメント(樹脂材料)を選択的に溶融・吐出させるような構成も採用することができる。
次に、図4のブロック図を参照してドライバ300の構造の詳細について説明する。ドライバ300は、CPU301、フィラメント送り装置302、ヘッド制御装置303、電流スイッチ304、及びモータドライバ306を含んでいる。
(i)1つの造形ユニットUpのサイズ
(ii)複数の造形ユニットUpの造形順序
(iii)造形ユニットUp内で使用される複数種類の樹脂材料の種類
(iv)造形ユニットUp内での異なる種類の樹脂材料の配合比率(配合比)
(v)造形ユニットUp内での同種の樹脂材料を連続的に形成する方向(以下、「造形方向」という)
なお、造形指示部204は、キーボードやマウス等の入力デバイスから指示データの入力を受けるものであってもよいし、造形内容を記憶した記憶装置から指示データを提供されるものであってもよい。
なお、図6、図7では、1つの層において樹脂材料R1、R2が隙間なく接触する構造を図示しているが、造形物Sの構造はこれに限定されるものではない。1つの層において横方向に隣接する樹脂材料間には、隙間が生じていても良い。
樹脂材料R1の例としては、ナイロン、ポリカーボネート、そしてポリブチレンテレフタレート(PBT)、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂(ABS)などがあり、樹脂材料R2の例としては、シリコン樹脂、エラストマーと呼ばれるゴム弾性を有する樹脂などがあり、これらの組み合わせが造形物Sの中で使用され得る。これら樹脂材料R1と樹脂材料R2の組み合わせにより、弾性と柔軟性を持ち合わせた堅牢な樹脂構造体を構成することができる。すなわち樹脂材料R1が屈曲に弱い硬い弾性体や、破断までの伸び量が小さい弾性体であっても、樹脂材料R2に柔軟性に富む材料を用い、柔軟性を付与することで、屈曲耐性や破断伸びが改善された堅牢な樹脂構造体を構成することができる。
続いて、図8(b)に示すように、樹脂材料R1の間隔を埋めるように、樹脂材料R2を、同様に略1:1の配列ピッチで形成する。このとき、樹脂材料R2は、樹脂材料R1の外周形状に沿って、2つの樹脂材料R1の間隔を埋めるように形成することができる。このようにすることで、樹脂材料R1とR2の間の接合を強固にすることができる。
続いて、図8(d)に示すように、樹脂材料R2の間隔を埋めるように、樹脂材料R1を、同様に1:1の配列ピッチで形成する。このとき、樹脂材料R1は、樹脂材料R2の外周形状に沿って、2つの樹脂材料R2の間隔を埋めるように形成することができる。このようにすることで、樹脂材料R1とR2の間の接合を強固にすることができる。
上述の図8(a)〜(d)に示した手順を繰り返すことにより、上述の井桁構造の造形物Sが出来上がる。
なお、図8(c)、(d)では、第2の層において、樹脂材料R2を先に所定の配列ピッチで形成し、その後樹脂材料R1を樹脂材料R2の隙間に埋め込むようにし、第1の層と第2の層とで樹脂材料R1、R2の形成順序を異ならせていた。これに変えて、いずれの層においても、特定の樹脂材料(例えば樹脂材料R1)を先に形成し、その後別の樹脂材料(例えば樹脂材料R2)をその隙間に埋め込むようにしてもよい。ただし、層ごとに樹脂材料R1、R2の形成手順を変えた方が、上下方向の樹脂材料の接合をより強固にすることができ好ましい。
図6及び図7では、樹脂材料R1及びR2の配合比が略1:1である造形物Sを例示したが、本実施形態で製造される造形物Sがこれに限定されるものではないことは言うまでもない。例えば、配合比は1:1には限られず、その他の所望の比率を設定することが可能である。例えば、図9及び図10は、樹脂材料R1とR2の配合比が2:1である場合を示している。更に配合比は積層方向、及び/又は水平方向(同一層内)において段階的又は連続的に変化させることも可能である。
このとき、造形ユニットUpの1つの層においては、一方向(例えばX方向)を長手方向として樹脂材料R1、R2が所定の配列ピッチで互いに隣り合うように形成されるが、隣接する造形ユニットUp’では、同じ層においては異なる方向(例えばY方向)を長手方向として樹脂材料R1、R2が連続的に形成される。これが各層において繰り返されることにより、例えば図6、図7に示すような構造が形成される。
なお、複数の層の積層は、図15に示すように、各層をZ方向に平行に積層させていくこともできるが、これに代えて、例えば図16に示すように、XY方向にずれる形での積層であってもよい(図16は、X方向、Y方向にそれぞれ半ピッチずつずれる場合を例示している)。
図17〜図19は、造形物Sの変形例を示す。
図6及び図7の造形物Sは、1つの層においては樹脂材料R1、R2は一方向(X方向又はY方向)に沿って延びる直線形状を有し、その1つ上の層においては、樹脂材料R1、R2はこれと直交(交差角90度)する方向に延びる直線形状を有している。しかし、これに代えて、例えば図17に示すように、上下の層における樹脂材料R1、R2の交差角度を90°以外の角度に設定することもできる。この構造の場合、上下層における同一の樹脂材料間の接合面積が90°の場合に比べ大きくなり、図6及び図7の場合に比べ造形物Sの強度を大きくすることができる。
また、図6、及び図7の例では、各層における樹脂材料R1、R2はある一方向を長手方向とする直線形状を有しているが、これに代えて、例えば図18に示すように、各樹脂材料R1、R2は、その軸方向が一方向を長手方向としている(換言すれば、全体として一方向に連続的に形成されている)波線形状を有していても良い。
また、図18の波線形状の樹脂材料R1、R2は、その中心線又は包絡線は直線形状であるが、図19に示すように、その中心線又は包絡線自体が波線形状であってもよい。この図19の樹脂材料R1、R2も、全体としては一の方向を長手方向として延びるように形成されている。要するに、本実施の形態の造形物Sは、上下の層において同一の樹脂材料が互いに交差するように形成され、その交差部において接合する形状を有していればよい。
マスタ3Dデータには、造形物Sの各構成点における座標(X,Y,Z)と、その構成点における樹脂材料R1、R2の配合比を示すデータ(Da、Db)が含まれる。以下では、各構成点のデータをDs(X、Y、Z、Da、Db)のように標記する。なお、使用する樹脂材料が3種類以上である場合、データDa、Dbに加えて、当該樹脂材料の配合比を示すータDc、Dd・・・が構成点データDsに追加される。
次に、空間フィルタ処理部201では、マスタ3Dデータが示す造形空間を、指示された造形ユニットサイズSuに基づいて複数の造形ユニットUpに分割する(S13)。造形ユニットUpは、図21に示すように、XYZ方向において造形物Sの造形空間を分割した矩形状の空間である。
以上説明したように、本実施の形態の三次元造形装置によれば、第1の層においては、複数種類の樹脂材料が第1の方向に沿って形成され、且つ第1の方向と交差する第2の方向において複数種類の樹脂材料が並ぶように造形ヘッド24A、24Bが制御される。そして、第1の層の上部の第2の層においては、複数種類の樹脂材料が、第1の方向と交差する第3の方向に沿って形成され、且つ第3方向とは交差する第4の方向において複数種類の樹脂材料が並ぶように造形ヘッド25A、25Bが制御される。これにより、造形物の中において、複数種類の樹脂材料がいわゆる井桁構造に組み込まれ、複数材料を複合的に用いた造形物を生成する場合においても、高さ方向に同一の材料が接する点が存在するので、異なる複数の材料の間の接合を総合的に強固にすることができる。
また、複数種類の樹脂材料を1つの造形物において使用することにより、複数種類の樹脂材料の長所を併せ持った造形物を提供することが可能になる。例えば、材料は一般的に強度と柔軟性は相反する特性を持ち、両者を兼ね備えた材料の開発、生産は工業的に極めて難しいとされる。しかしながら本発明の造形装置によれば、例えば強度の高い樹脂材料R1と、柔軟性の高い樹脂材料R2を用いて井桁構造を構成することにより、強度が高く、且つ柔軟性の高い樹脂材料を実現することができる。
また樹脂材料R1と樹脂材料R2の構成比を可変させることにより、強度と柔軟性特性を自在に可変することもできる。
また従来技術では離散的な値しか実現できなかった材料の密度が、連続した値の材料密度を実現することができる。
また従来は宇宙空間のような無重力状態でしか実現できなかった比重が大きく異なる材料同士の混合材料も、この造形装置により実現することができる。
次に、本発明の第2の実施の形態に係る三次元造形装置を、図22及び図23を参照して説明する。第2の実施の形態の三次元造形装置は、その全体構成、及び基本的な動作並びに形成され得る造形物Sは第1の実施の形態と同様であるので、以下では重複する説明は省略する。
この第2の実施の形態は、造形ヘッド25A、25Bの構造が第1の実施の形態とは異なっている。
同様に、造形ヘッド25Bも、それぞれ造形方向と直交する方向に一列に並ぶ複数(図示の例では4個)の吐出孔NB1〜NB4を備えている。なお、吐出孔NA1〜NA4、NB1〜NB4は、決定された造形方向に従い、それと直交する方向に並ぶよう制御される。
このような造形ヘッドを用いることにより、造形効率を第1の実施の形態に比べ向上させることができる。
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、上記の実施の形態では、3Dプリンタ100の移動機構は、造形ステージ13に対し垂直に延びるガイドシャフト15、ガイドシャフト15に沿って移動する昇降テーブル14、及びXYテーブル12を備えているが、本発明の3Dプリンタ100の移動機構は、これに限定されるものではない。例えば造形ヘッド25A、25Bを搭載するXYテーブル12を固定とし、造形ステージ13を昇降可能とする移動機構としてもよい。また、例えば、図23に示すように、3Dプリンタ100の移動機構は、フレーム11の底面に固定端を有する多軸アーム41を備えることができる。そして、この多軸アーム41の移動端(昇降部)に、前述の実施の形態と同様の造形ヘッド25A、25Bを搭載することができる。
そして、このようにして積層された多数の樹脂板上に、再度加圧板42及び加熱板43を載置し、この積層された樹脂板に対し加圧をしつつ所定の温度まで加熱する。これにより、上記実施の形態と同様の造形物Sが完成する。
なお樹脂材料R1、R2が安定的に保持できるのであれば、固定具41は省略することも可能である。
なお第1の実施の形態、第2の実施の形態、図24A〜Dの実施の形態のいずれも場合も、接着剤(接着性樹脂)や密着剤(表面処理剤、表面改質剤、カップリング剤)を、外部から散布しながら造形を行ってもよい。ここで接着剤(接着性樹脂)の例としては、樹脂材料R1とR2の界面に入り込んで隙間を埋める機能を有する材料である。また密着剤(表面処理剤、表面改質剤、カップリング剤)の例としては、樹脂材料R1またはR2またはR1、R2双方の表面が官能基を有するように表面を活性化させる機能を有する材料である。このようにすると、樹脂材料R1とR2が互いに親和性の低い関係にある樹脂の場合でも、樹脂材料R1とR2は互いに親和性が増し、強固に結びつくので、破壊強度が必要な用途に適用することができる。
本実施の形態に従って生成される造形物Sの各種具体例(用途)について、以下に説明する。本実施の形態の造形物Sは、以下に説明するように、様々な用途に使用され得る。
造形物Sの第1の具体例を図25に示す。この第1の具体例は、造形物Sを電子回路用のプリント基板の材料として適用したものである。
プリント基板の材料には、一般的には熱硬化性樹脂とガラス繊維を組み合わせたガラスエポキシ樹脂が用いられる。しかし、ガラス繊維の誘電率は6.13程度と非常に大きい。このため、プリント基板が搭載される回路においてガラスエポキシ樹脂が寄生容量として作用し、特に高周波回路において伝送損失や伝送遅延が大きくなり、エラーが発生する虞がある。なおここで熱可塑性樹脂の混合により、全体の誘電率を下げることは可能だが、実使用にて140℃前後の耐熱性はプリント基板として必要なことから、一概に熱可塑性樹脂の混合量を増やすことはできない。
なお、樹脂材料R1、R2の材料、及びその配合比等は、求められるプリント基板の特性に従って任意に選択することができる。
次に、造形物Sの第2の具体例を図26に示す。この第2の具体例は、造形物Sを電磁波制御素子として適用したものである。
なお、この第2の具体例において、メインフレーム材料R0を省略し、樹脂材料R1及びR2のみにより造形物S(電磁波制御素子)を形成することも可能である。
次に、造形物Sの第3の具体例を図27に示す。この第3の具体例は、造形物Sを音波吸収素子の材料に適用したものである。
この図26の造形物Sも、同様に樹脂材料R1とR2を井桁構造に積層させて形成され得る。なお、第2の具体例と同様に、樹脂材料R1とR2に加え、造形物Sの骨組となるメインフレーム材料R0を追加することも可能である。
次に、造形物Sの第4の具体例を図28に示す。この第4の具体例は、造形物Sを衝撃吸収素子の材料に適用したものである。衝撃吸収素子としては、従来は柔軟性の高い発泡材や、ゲル化された材料を使用することが多い。しかし、発砲材やゲル化材料は通気性に劣るという問題がある。この第4の具体例の造形物Sは、次の特徴を有することにより、上記の通気性の問題を解消した衝撃吸収素子を提供することを可能にしている。
次に、造形物Sの第5の具体例を図29に示す。この第5の具体例は、造形物Sを耐熱温度改善に適用したものである。
一般的な工業製品に広く用いられている材料にポリエチレンがある。これは塩酸や硫酸などの強酸に対して優れた耐性を持つと同時に、強度があり、なおかつ安価な材料である。しかし耐熱性が乏しく、80℃前後で軟化を始め、溶融温度(130℃前後)ではまったく形状を保てなくなるという問題がある。
図29の第5の具体例の造形物Sは、ポリエチレンが持つこの問題を解決する構成であり、他と同様にポリエチレンからなる樹脂材料R1と別の材料からなる樹脂材料R2を井桁構造に積層させて形成され得る。この場合、樹脂材料R2としては溶融温度の高い材料が選択される。一例として、樹脂材料R1としては溶融温度の低いポリエチレンを用い、樹脂材料R2としては溶融温度の高いポリカーボネートを補強材として用いることができる。ポリカーボネートの溶融温度は、グレードにもよるが150〜250℃である。このような樹脂材料R1、R2の組み合わせ構造を有する造形物Sは、ポリエチレンが周囲をポリカーボネートで抱え込まれているため、ポリエチレンの溶融温度を超えても一気に液相にはならない。ポリエチレンの溶融温度以上の温度においても造形物Sは粘弾性特性を維持し続け、ポリカーボネートの溶融温度までは形状を保つことができる。このように安価な汎用樹脂であっても、このような造形物Sを構成することによって、見かけ上の耐熱温度を改善することができ、商業的にも低コストな構造体を構成することができる。
また、図示は省略するが、同様な技術思想で、造形物Sに難燃性を付与する事ができる。樹脂材料R1、R2の組み合わせとして、樹脂材料R1として可燃性の汎用材料を用い、樹脂材料R2として自己消火性を持つ材料を用いることにより、造形物Sの難燃性を向上させることが可能になる。例えば、樹脂材料R1をナイロン、R2をフェノール樹脂や液晶ポリマー等の自己消火性を持つ樹脂との組み合わせによって、難燃性構造体とすることができる。
Claims (3)
- 第1の層において、複数種類の樹脂材料のうちの第1の樹脂材料を第1の方向に連続的に形成し且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて配列すると共に、前記複数種類の樹脂材料のうちの前記第1の樹脂材料以外の樹脂材料を、前記第1方向に連続的に形成し且つ前記隙間に配列するステップと、
前記第1の層の上部の第2の層において、前記第1の樹脂材料を、前記第1方向とは交差する第3の方向に連続的に形成し且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて配列すると共に、前記第1の樹脂材料以外の樹脂材料を、前記第3方向に連続的に形成し且つ前記隙間に配列し、これにより、前記第1の層に形成された前記第1の樹脂材料と、前記第2の層に形成された前記第1の樹脂材料とを上下方向で接合させ、且つ更に前記第1の層に形成された前記第1の樹脂材料以外の樹脂材料と、前記第2の層に形成された前記第1の樹脂材料以外の樹脂材料とを上下方向で接合させるステップと
を備えたことを特徴とする、三次元造形物の製造方法。 - 座標データ、及び前記座標データが示す位置における前記複数種類の樹脂材料の配合比率を表す配合比データを含む造形物データを受信し、この造形物データに従って、前記複数種類の樹脂材料を配列する
ことを特徴とする請求項1記載の三次元造形物の製造方法。 - 前記造形物が形成される領域を複数の造形ユニットに分割するステップと、
前記複数の造形ユニットの各々に、対応する前記造形物データに対応するプロパティデータを付与するステップと、
前記プロパティデータに従って、前記造形ユニットの各々において前記複数種類の各々の密度変調及び造形方向を決定するステップと
を更に備えたことを特徴とする、請求項1記載の三次元造形物の製造方法。
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