JPH0671472A - 中空金属加工物をレーザ切削する方法と装置 - Google Patents

中空金属加工物をレーザ切削する方法と装置

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JPH0671472A
JPH0671472A JP3294715A JP29471591A JPH0671472A JP H0671472 A JPH0671472 A JP H0671472A JP 3294715 A JP3294715 A JP 3294715A JP 29471591 A JP29471591 A JP 29471591A JP H0671472 A JPH0671472 A JP H0671472A
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coolant
workpiece
laser cutting
rotary table
dross
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JP3294715A
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Jeff M Tessier
ジェフ・エム・テシアー
Woodward G Brown
ウッドワード・ジー・ブラウン
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Synthes USA LLC
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SHINSESU USA
Synthes USA LLC
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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    • B23K26/146—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing a liquid
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    • B23K26/703—Cooling arrangements

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 管などの中空金属加工物の壁を貫通して、レ
ーザ切削するとき、金属加工物の内周にかすが付着する
のを最少にするか無くし、費用の多くかからない方法と
装置を提供することである。 【構成】 冷却材がこの装置を通ってポンプ送りされ、
レーザ切削の前及び間に加工物の内側部分に接触する。
切削中に形成されるかすが冷却材の中に落ちて固まり、
冷却材とともに加工物から洗い出される。次に冷却材と
かすは、といによって集められ、冷却材タンクに集め、
かすがタンクの中でフイルタによって除去されて冷却材
が再循環させられる。好ましい実施例では、マイクロプ
ロセッサがレーザ切削動作及び冷却材流れ動作を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的にいえば、中空
金属加工物の内壁に残留物が付着するのを最小限にする
か無くすように中空金属加工物を精密に切削する改良レ
ーザ切削方法及び装置に関する。残留物又はかすの付着
を最小限にするか無くすことは、ステンレス鋼の体内固
定装置のレーザ切断などの用途に特に重要である。
【０００２】
【従来の技術】管溶接の分野において金属製品の内部に
入る溶融金属の柱を集めて凝結させる種々の方法が公知
である。たとえば、米国特許第１，８１２，４０９号、
第２，１８９，３３１号及び第２，１８９，３３９号な
どを参照されたい。
【０００３】米国特許第４．８９３，９７２号は、金属
管の内面にはねをくっつけることなく溶接後に付着した
アップセットを金属管の内側から取除く切削工具を記載
している。アップセット除去台が管の内面に接触してア
ップセットを取除き、流体が管の内面に向かって半径方
向にかつローラ装置の上流に導入される。流体は、下流
のローラによってはねが管の内面に延ばされるのを最少
にするための障壁を形成する。
【０００４】レーザ切削のとき残留物の付着を最少のす
る一つの試みは、金属加工物を硝酸ホウ素などの溶液で
被覆すること又は、油をしみ込ませて表面を非接着性に
することを含んでいた。この試みは、いくらかの残留物
がなお、加工物に付着し、除去の後処理を必要とするの
で、完全にうまくいたのではない。
【０００５】もう一つの方法は、エポキシ材料を管の内
面に焼付けるか又は、箔、プラスチック管材料、又はワ
ックスなどの他の犠牲材料を管の内側に詰めることを必
要とする。レーザ切削の間、溶融残留物は、あとで取除
かれて捨てられる付加材料に食い込むか付着する。この
方法は、費用と時間がかかることが分った。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、管な
どの中空金属加工物の壁を貫通してレーザ切削すると
き、金属加工物の内周にかすが付着するのを最少にする
か無くし、費用の多くかからない方法と装置を提供する
ことである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】現在の好適実施例には、
回転テーブル装置と、機械テーブルに取付けられた末尾
押え装置がある。金属管が回転テーブル装置と末尾押え
装置との間に軽く圧力を受けて縦に保持されている。機
械テーブルの下にある冷却材タンクと関連のポンプがホ
ースによって回転テーブルに接続されている。マイクロ
プロセッサで制御されるのが好ましい、切削レーザが管
加工物の上方に置かれている。最後に、冷却材を再循環
させるとい又はタンクが機械テーブルの下に置かれてい
る。
【０００８】本発明の装置と方法を利用する一つの用途
において、所定の模様がステンレス鋼管移植装置の一つ
の壁を貫いて切削される。模様の寸法、レーザ位置決め
要求条件、およびその他の関係ある情報をプロセスのす
べての面を制御するマイクロプロセッサの中へプログラ
ムされる。レーザは、ｘ、ｙ及びｚ平面内で動くように
制御され、回転テーブル装置は、所望の模様を切削する
ための要求に応じて管を回転するように制御される。切
削の前及び間は、この回転テーブル装置は管に冷却材を
通す。主に水からなる冷却材は回転テーブル装置を通っ
て流れ、管の内周に接触する。レーザは、それが切削す
るとき管の金属を加熱し、溶融ステンレス鋼の残留物又
はかすが流れている冷却材中に落ちるようにする。かす
は冷却材と接触すると固まり、冷却材によって洗い出さ
れる。冷却材とかすは、管を出て機械テーブルの上にゆ
き、とい又はタンクによって集められる。かすは、次
に、ろ過されて冷却材はポンプに環流される。したがっ
て本発明は管の内周へかすが付着するのを最少にするか
無くす。
【０００９】
【実施例】図１は、本発明の１実施例によるレーザ切削
装置１を示している。レーザ切削装置１には、回転テー
ブル装置２０と末尾押え装置５０が取付けられる、標準
構成のものであるのが好ましい機械テーブル３がある。
中空加工物５が回転テーブル装置２０と末尾押え装置５
０の間に縦に置かれてレーザ７によって切削される。液
体冷却材１２を含むポンプ９と冷却材タンク１０が回転
テーブル装置２０へプラスチックで作られるのが好まし
い導管又はホース１４によって接続されている。冷却材
を冷却材タンクへ戻すためにとい又はタンク１５が機械
テーブル３の下に置かれる。２５．４ｍｍ（１インチ）
の１０００分の５（０．００５）以下のメッシュ寸法で
あるのが好ましいフイルタ１６がとい又はタンク１５と
ポンプ９の間に置かれる。
【００１０】図１の実施例にはまた、レーザ切削動作及
び冷却流れ動作を制御するたのマイクロプロセッサ（図
示なし）がある。プロセスのすべての面を制御するため
に普通は、計算機数値制御（ＣＮＣ）プログラムが用い
られる。ＣＮＣプログラムは、工作機械分野ではありふ
れて周知のものであり、その分野では、最終使用者が機
械に所望の機能を行うことを指令するためのプログラム
を書く。レーザ切削装置は、マイクロプロセッサによっ
て制御されるのが好ましいが、レーザ切削動作及び冷却
材ポンピング動作を手動で開始して実行できると理解す
べきである。
【００１１】次に、レーザ切削装置１の総合動作を簡単
に説明する。例示のための切除部分「ｘ」を一緒に示さ
れた中空加工物５が操作者によって回転テーブル装置２
０と末尾押え装置５０の間に位置決めされる。加工物５
に切込まれる模様は、予め定められて切削の間レーザ７
と回転テーブル装置２０を制御するマイクロプロセッサ
（図示なし）にプログラムされる。望むなら、マイクロ
プロセッサはまた、末尾押え装置５０の動作とポンプ９
の冷却材の流れ動作をも制御できる。
【００１２】加工物５が一たん所定の位置に置かれる
と、液体冷却材がレーザ切削装置１を矢印「Ａ」の方向
に通ってポンプ送りされる。冷却材は回転テーブル装置
２０と加工物５を通って流れ、外へ出る前に加工物の内
周に接触する。次に、レーザ７と加工物５が切削を開始
するために正しい位置に誘導される。所望の模様を切削
するために、レーザ７はコヒーレント光線を加工物５の
表面に集束させ、その光線が加工物を加熱して溶けたス
テンレス鋼の残留物又はかす８を図１の切除部分「ｘ」
に示されているように加工物の中へ落とす。かす８の粒
子は、普通は、２５．４ｍｍ（１インチ）の１０００分
の１０か又はそれよりわずかに小さい大きさである。溶
けたかす８は、流動する冷却材に接触すると凝固し、末
尾押え装置５０に接触する加工物５の端から洗い流され
る。冷却材とかす８は、加工物５を出て機械テーブル３
の上に落ち、次にとい又はタンク１５によって集められ
冷却材タンク１０の中へつぎ込まれ、冷却材タンクにお
いてフイルタ１６が冷却材を再循環させる前にかすを除
去する。
【００１３】図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ１．３ｍｍ
（．０５１２２インチ）の厚さの壁を有する代表的ステ
ンレス鋼加工物５（この例では管）の側面図及び断面図
である。図２Ａに示される模様６は、管５の片側を貫通
してレーザによって作成できるカットの形成を例示して
いる。
【００１４】図２Ｃは、管５に切り込まれる模様６をさ
らによく例示するために図２Ａの詳細部「Ｂ」の領域を
示している。この例では、所望の模様は、ほんの．３
±．０５ｍｍ（．０１１８２±．００１９７インチ）幅
であり、１．３ｍｍの厚さのステンレス鋼管の片側を貫
通して切られる。子のような管の片側を貫通してこのよ
うな精密な模様を適当に機械で切削することは不可能な
ので、レーザを使用しなければならない。一つの適当な
金属切削レーザは、米国ミシガン州レボニアのルモニッ
クス・コーポレーション（Ｌｕｍｏｎｉｃｓ Ｃｏｐｏ
ｒａｔｉｏｎ）にって作られ販売されているイットリウ
ム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）レーザであ
る。しかし、金属を切削できる他の形式の市販のレーザ
も使用できるであろう。
【００１５】図３Ａは、図１の回転テーブル装置２０の
詳細図である。回転テーブル装置２０は、回転テーブル
２１、基部センタ固定具２２、及びホース継手取付け手
段３５を備えている。回転テーブル２１は図１に示され
た機械テーブル３に固定され、レーザ切削中冷却材ホー
ス１４を独立に回転できるようにしながら加工物を回転
するように作動できる。
【００１６】基部センタ固定具２２は、中空室３２を有
する基部センタボデイ２８及び押えねじ２４によって回
転テーブル２１に接続されたベース板２３を備えてい
る。止めナット３１が基部センタボデイ２８をベース板
２３に接続する。位置決めスリーブ２５と圧力ばね２７
が加工物を受け入れて保持する。基部センタ２９は、ス
リーブ耳２６（図３Ｂに示されている）及び止めピン３
０とともに中空加工物の一端を受けるように設計されて
いる。穴３３が基部センタ２９に最も近い中空室３２の
端にある。基部センタ固定具２２の好ましい実施例は、
約９ｍｍから約１８ｍｍの直径を有する加工物に適応で
きるが、当業者には容易に明らかになるようにより大き
いか小さい直径の加工物を受入れるように改変できるで
あろう。
【００１７】ホース継手取付け手段３５は、中空室４２
を有する自由に回転できるボデイ３６、ホース継手３７
及び押えねじ３９によって回転自在なホデイ３６に接続
された止め板３８を備えている。ホース締め具４０がホ
ース１４をホース継手３７にしっかり接続する。ホース
継手３７とホース１４は、ボデイ３６の回りに回転で
き、したがって冷却材がホース１４をねじれさせるあら
ゆる傾向を軽減できるのが好ましい。ホース継手取付け
手段３５の中空室４２は、基部センタ固定具２２の中空
室３２の中に通じている。
【００１８】図３Ｂは、回転テーブル２１、ベース板２
３、押えねじ２４、スリーブ耳２６及び穴３３を示して
いる回転テーブル装置２０の正面図である。
【００１９】図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ図１の末尾
押え装置５０の詳細正面図及び詳細側面図である。油圧
原動機が末尾押えボデイ５１の中にあり、シリンダヘッ
ド５３を指令に基づいて油圧ホース５４の作動によって
出し入れるように作動できる。シリンダヘッド５３は、
先端が円錐形であり、中空加工物の一端に係合してそれ
を支持するために末尾押えセンタ５５及びノーズ５６を
備えている。末尾押えボデイ５１は末尾押えセンタ５５
が図１に示されているように、回転テーブル装置２０の
基部センタ２９と一直線に並ぶうに機械テーブル３に固
定されている。約９ｍｍから約１８ｍｍまでの直径を有
する加工物をシリンダヘツド５３の好ましい実施例によ
って適応できるが、シリンダヘッドをより大きいか小さ
い直径の加工物を受入れるように改変できるであろう。
同様に、異なる長さの中空加工物を、末尾押え装置５０
を回転テーブル装置２０に近づけるか遠ざけることによ
って本発明の装置によって取扱いできる。
【００２０】本発明の方法及び装置の総合運用を次に１
例として図２Ａのステンレス鋼管を用いて詳細に説明す
る。操作者が図３Ａの回転テーブル装置２０と図４Ｂの
末尾押え装置５０との間にステンレス鋼管を置く。次
に、末尾押えボデイ５１に入っている油圧原動機を作動
させてシリンダヘッド５３を伸ばして管の一端に接触さ
せ、一方、管の他端を回転テーブル装置２０の位置決め
スリーブ２５、スリーブ耳及び基部センタ２９に接触す
るように位置決めする。管は、軽い圧力を受けて適所に
保持され、スリーブ耳２６は、切削が始まるべき場所を
マイクロプロセッサが決めることができるように管の位
置に定めるように作用する。基部センタ固定具２２はレ
ーザ切削中ステンレス鋼管を回転して正しい位置にする
ようにマイクロプロセッサによって制御される。
【００２１】切削を始める前に、冷却材をポンプ送り
し、ホース１４を通して回転テーブル装置２０の中空室
４２と３２に入れて穴３３から出す。次に冷却材は、管
５の一端に入り、内壁に接触し、末尾センタ押え装置５
０のところにある他端から出てゆく、シリンダヘッド５
３は、冷却材を下の方へ向けるノーズ５６を含み、下部
で冷却材を機械テーブル３の下にあるとい１５によって
集めて、再循環させる。ホース継手取付け手段３５は、
冷却材ホース１４がねじれても自由に回転でき、それに
よって冷却材の定常流れを与える。
【００２２】本発明において用いられる冷却材は体積で
約９０％の水と約１０％の合成油の混合物であることが
好ましいが、約９０％の水と１０％の油から約５０％の
水と約５０％の油までの範囲の混合物も使用できる。こ
れらの混合物は溶けたかすが凝固するのを助けるととも
に、レーザ切削装置の金属部品を被覆して腐食を防止す
る。本発明のレーザ切削装置において用いるのに適当な
一つの合成油は、「トリムスオイル」という商品名の油
として市販されている。
【００２３】金属を突き切ることのできるレーザが図２
Ｃに示された模様６を切るようにプログラムされたマイ
クロプロセッサによって制御される。図１についていえ
ば、レーザ７は、付勢されて、冷却材１２が管加工物５
の内周を通って連続して流れて該内周に接触し、凝固か
す８の粒子を洗い流すと切削し始める。冷却材１２の管
を通る流量は、切削の間にできるかす８を適当に洗い流
すために少なくとも１分当り０．０１１４ｍ３であるの
が好ましい。切削が進むにつれて、若干の冷却材が管の
最近切削された場所で管からしみ出たり又は、管に予め
切削された他の穴からしみ出ることがある。このしみ出
しは、このようにして漏れる冷却材もとい又はタンク１
５を介して集められ、ろ過されて再循環されるから、問
題にならない。
【００２４】本発明の装置と方法は、予め定めた模様を
金属管に精密レーザ切削を行い、しかも残留物又はかす
が管の内周面に付着するのを最少限にするかなくす。こ
の特性は、そのようなかすの付着を許容できない用途、
たとえば、体内固定装置のレーザ切削において非常に望
ましい。
【００２５】図１に示された装置は、本発明のほんの一
つの可能な構成にすぎず、他の構成を発明の範囲から外
れることなく使用できると理解されるべきである。さら
に、レーザ工作機械を用いるとき用いられるべき種々の
電源又は安全装置を図示又は、説明する試みをしなかっ
たが、レーザ工作機械の技術に普通に通じている者は、
そのような装置を用いる必要のあることを理解し、本明
細書で行なわれた開示に基づいた本発明を実施するため
に記載された装置を構成して方法を用いることができる
であろう。
【００２６】
【発明の効果】本発明は切削を行なうと同時に残留物を
除去し管をきれいにするという利点を有し、装置は処理
後直ちに安全に取扱うことができる。
【００２７】さらに、本発明の利点は、切削が進むと同
時に、加工物を冷却できることである。作業者が切削完
了後直ちに保護衣類を着用しないで加工物を取扱いでき
る。本発明の方法と装置は、ステンレス鋼の体内固定装
置のレーザ切削の分野において特別の用途を見出し、中
空鋼タービン羽根をレーザ切削するとき、おそらく適用
できる。体内固定装置が外科的に人体内に挿し込まれる
ので、これらの装置は、挿し込んだ後で移転して体内組
織を傷つける可能性のある異物を含まないことを確実に
する注意をしなければならない。同様にして、ジエット
エンジンに用いられる中空タービン羽根は、エンジンが
作動している間に移転する可能性のある異物を含んでい
てはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のレーザ切削装置の側面図である。
【図２】 Ａ及びＢは、それぞれ本発明の方法と装置を
用いて切削できる形式のステンレス鋼管の側面図及び端
面図であり、Ｃは管に切り込みできる模様を例示する図
２Ａの詳細部Ｂの領域を示す。
【図３】 Ａ及びＢは、それぞれ回転テーブル装置の詳
細側面図及び正面図である。
【図４】 Ａ及びＢは、それぞれ末尾押え装置の詳細正
面図及び側面図である。
【符号の説明】
１ レーザ切削装置 ３ 機械テーブル ５ 中空加工物 ７ レーザ ９ ポンプ １０ 冷却材タンク １２ 冷却材 １４ ホース １５ とい ２０ 回転テーブル装置 ２１ 回転テーブル ５０ 末尾押え装置

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 予め定めた模様を中空金属加工物の壁を
    通してレーザ切削する方法において、 前記模様をレーザ切削手段で切削しながら加工物取付け
    手段と前記金属加工物を通して液体冷却材をポンプ送り
    し、前記冷却材が前記金属加工物の内面の少なくとも一
    部分を通して流れて接触し、切削の間に形成されるかす
    を洗い流して、かすが前記加工物の内面に付着するのを
    最少にするか又はなくすことを含む、レーザ切削する方
    法。
  2. 【請求項２】 マイクロプロセッサが前記レーザ切削手
    段、加工物回転手段及び冷却材ポンプ送り手段を制御す
    る請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 計算機数値制御プログラムがレーザ切削
    手段、加工物回転手段及び冷却材ポンプ送り手段の動作
    を指示する請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記加工物を出てゆく冷却材がかすを取
    除くためにろ過され、次に再循環される請求項１に記載
    の方法。
  5. 【請求項５】 前記冷却材が１分当り約０．０１１４ｍ
    ３の最低流量で前記加工物を貫流する請求項１に記載の
    方法。
  6. 【請求項６】 前記冷却材が体積で水約５０部対油約５
    ０部から水約９０部対油約１０の範囲の水と油の混合物
    からなる請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 中空金属加工物の壁を通して模様をレー
    ザ切削する装置であって、該装置が金属を切削できるレ
    ーザ装置と、 機械テーブルと、 前記機械テーブルに固定された回転テーブル装置と、 前記機械テーブルに前記回転テーブル装置からある距離
    で固定されている末尾センタ押え装置と、 液体冷却材を前記回転テーブル装置及び前記中空金属加
    工物を通して連続的に流すためのポンプ及び関連の冷却
    材タンクと、 前記中空金属加工物を出てゆく液体冷却材を集めて再循
    環させる水盤装置とを備え、 前記回転テーブル装置の一端が冷却材をポンプ送りする
    ホースを受けるホース継手装置を備え、他端が中空金属
    加工物の一端を受けるように設計され、レーザ切削の間
    加工物を回転するように作動できる基部センタ取付け装
    置を備え、 前記末尾センタ押え装置の一端が前記基部センタ取付け
    装置と一直線に並べられ、前記中空金属加工物の反対端
    を受けるように設計されているシリンダヘッドを備えて
    いることを特徴とするレーザ切削装置。
  8. 【請求項８】 前記基部センタ取付け装置が位置決めス
    リーブ、スリーブ耳、基部センタ及び押えばねを加工物
    を支えて位置決めするために備えている請求項７に記載
    の装置。
  9. 【請求項９】 油圧原動機が前記シリンダヘッドを加工
    物の一端に接触させるように動かし、加工物の他端を回
    転テーブル装置の基部センタ取付け装置に接触させるよ
    うに作動する請求項７に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記シリンダヘッドが冷却材を下向き
    方向に向けるように設計されたノーズを有する円錐形受
    け端を有する請求項７に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記基部センタ取付け装置及び前記シ
    リンダヘッドが約９ｍｍと１８ｍｍの間の直径を有する
    加工物を受け入れるように設計されている請求項７に記
    載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記ホース継手装置が前記ホースのく
    びれを防止するために前記基部センタ取付け装置と独立
    に回転できる請求項７に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記冷却材が体積で水約５０部対油約
    ５０部から水約９０部対油約１０部の範囲の水と油の混
    合物からなる請求項７に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 メッシユ寸法が０．０１２７ｍｍ
    （０．００５インチ）以下の冷却材フイルタをさらに備
    えている請求項７に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 マイクロプロセッサをさらに備えてい
    る請求項７に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記マイクロプロセッサが計算機数値
    プログラムの制御に従って制御する請求項１５に記載の
    装置。
JP3294715A 1991-02-21 1991-11-12 中空金属加工物をレーザ切削する方法と装置 Pending JPH0671472A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/658,551 US5073694A (en) 1991-02-21 1991-02-21 Method and apparatus for laser cutting a hollow metal workpiece
US07/658551 1991-02-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0671472A true JPH0671472A (ja) 1994-03-15

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ID=24641720

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3294715A Pending JPH0671472A (ja) 1991-02-21 1991-11-12 中空金属加工物をレーザ切削する方法と装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US5073694A (ja)
JP (1) JPH0671472A (ja)
DE (1) DE4133350A1 (ja)
FR (1) FR2673132A1 (ja)
GB (1) GB2252933B (ja)

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