JPWO2011077832A1 - 繊維強化樹脂の切断装置 - Google Patents

Abstract

加工コストの増加を抑制するとともに、切断面の品質低下を抑制することができる繊維強化樹脂の切断装置を提供する。切断対象である繊維強化樹脂（２）に対して照射するレーザ光をパルス状に出射するレーザ発信部（１０）と、レーザ発信部（１０）から出射されたレーザ光を繊維強化樹脂（２）に対して出射する切断ヘッド（３０）と、が設けられ、レーザ光におけるパルス幅が１ｆｓ以上９９９ｐｓ以下であり、繊維強化樹脂（２）に対する切断ヘッド（３０）の相対移動速度が約１．５ｍ／ｍｉｎ以上である。

Description

本発明は、炭素繊維強化樹脂などの繊維強化樹脂の切断に用いて好適な切断装置に関する。

一般に、金属材料や石材などのセラミックや繊維強化樹脂（以下「ＦＲＰ」と表記する。）材などの幅広い材料の切断を行う場合に、レーザ切断やウォータジェット切断やなどの切断方法が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、航空機や船舶などに用いられている炭素繊維強化樹脂（以下、「ＣＦＲＰ」と表記する。）を加工する場合には、ウォータジェット切断や、機械加工による切断が一般的に用いられている。

特許第４０３８７４１号公報

上述のようにＣＦＲＰに対して機械加工を行う場合には、炭素繊維が硬いため刃具などの工具の寿命が短くなることから加工コストが高くなるという問題があった。さらに、加工面において炭素繊維の毛羽立ちが発生するため、毛羽立ちを取り除く研磨工程を追加する必要があるなどの問題もあった。

その一方でウォータジェット切断を行う場合には、ウォータジェットノズルの寿命が短いことから加工コストが高くなるという問題があった。さらに、切断に用いる高圧水を供給する高圧ポンプなどを駆動する必要があるため、騒音が非常に大きくなり周辺環境に配慮する必要があるという問題があった。

レーザ光を利用した切断（レーザ切断）によるＦＲＰの加工も可能であるが、加工コストが高くなるという問題があった。つまり、レーザ切断ではレーザ光による熱の影響が大きいため、ＦＲＰの切断面に炭化層や熱影響層が形成され、品質の良い切断面が得られない。そこで切断面に対して炭化層や熱影響層を取り除く等の処理を行う必要が発生し、加工コストが非常に高くなるという問題があった。

ＣＯ_２レーザ光を用いてケブラー繊維強化樹脂（以下、「ＫＦＲＰ」と表記する。）を切断し、ＫＦＰＲの切断面に形成された炭化層をエキシマレーザ光により除去する方法も提案されているが、熱影響層までは除去できないという問題があった。さらに、切断が可能なＫＦＲＰの板厚の限度が低く（例えば１ｍｍ程度。）、板厚の厚いＫＦＲＰの切断が困難であるという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、加工コストの増加を抑制するとともに、切断面の品質低下を抑制することができる繊維強化樹脂の切断装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の繊維強化樹脂の切断装置は、切断対象である繊維強化樹脂に対して照射するレーザ光をパルス状に出射するレーザ発信部と、該レーザ発信部から出射されたレーザ光を前記繊維強化樹脂に対して出射する切断ヘッドと、が設けられ、前記レーザ光におけるパルス幅が１ｆｓ以上９９９ｐｓ以下であり、前記繊維強化樹脂に対する前記切断ヘッドの相対移動速度が約１．５ｍ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光のパルス幅を短く（ｆｓからｐｓ単位の長さに）することにより、繊維強化樹脂の切断面における熱影響を小さくすることができる。具体的には、繊維強化樹脂に照射されるレーザ光におけるエネルギ密度を高くすることにより、レーザ光が照射された繊維強化樹脂に加えられた熱が周囲に伝達する前に、当該繊維強化樹脂が除去される。そのため、繊維強化樹脂の切断面に炭化層が形成されず、熱影響を受ける領域を小さくすることができる。

さらに、繊維強化樹脂に対する切断ヘッドの相対移動速度、言い換えると繊維強化樹脂の切断速度を約１．５ｍ／ｍｉｎとすることにより、繊維強化樹脂の切断面における熱影響を更に小さくすることができる。具体的には、繊維強化樹脂におけるレーザ光が照射されている領域が移動する速度を速くすることにより、繊維強化樹脂における切断方向に対して交差する方向へ熱伝達する距離が短くなる。これにより、繊維強化樹脂の切断面における熱影響を更に小さくなる。

上記発明においては、圧力を高めた液体を前記切断ヘッドに供給する供給部がさらに設けられ、前記切断ヘッドには、前記供給部から供給された前記液体を前記繊維強化樹脂に対して噴出させるとともに、内部を前記レーザ光が導光されるノズル部が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、繊維強化樹脂におけるレーザ光が照射された領域、つまり切断面に液体が噴射される。すると繊維強化樹脂における切断面の近傍領域は、噴射された液体により冷却されるため、繊維強化樹脂の切断面における熱影響を小さくすることができる。

圧力が高められた液体と、レーザ光とがノズル部によって同軸に噴出または照射されるため、繊維強化樹脂の切断面における形状精度を高めることができる。つまり、圧力が高められた液体と、レーザ光とが異なる方向から噴出または照射される場合と比較して、繊維強化樹脂を切断する幅や、切断面の角度の精度をより高めることができる。

その一方で、圧力を高めた液体をレーザ光が照射された領域に噴射するため、高圧の液体による繊維強化樹脂の除去作用も加わる。そのため、圧力を高めた液体を噴射しない場合と比較して、繊維強化樹脂の切断効率を高めることができる。

例えば、繊維強化樹脂の板厚が比較的薄い場合には、レーザ光および圧力が高められた液体の両者を用いて繊維強化樹脂を切断するため、圧力が高められた液体のみで切断する場合（ウォータジェット切断の場合）と比較して、より低い圧力の液体を用いることができる。その結果、液体の圧力を高める供給部の能力を下げることができ、かつ、供給部が発する騒音を遮蔽する防音設備を設ける必要がなくなる。言い換えると、繊維強化樹脂の切断に要するコストを下げることができる。

圧力が高められた液体のみで切断する場合（ウォータジェット切断の場合）と同様の圧力の液体を用いるときには、圧力が高められた液体と、レーザ光とによる切断効果により、どちらか一方を用いた切断方法よりも板厚の厚い繊維強化樹脂を切断することができる。

本発明の繊維強化樹脂の切断装置によれば、レーザ光のレーザ平均出力を約４００Ｗ以上、パルス幅を１ｆｓ以上９９９ｐｓ以下とし、切断速度を約１．５ｍ／ｍｉｎ以上とすることにより、加工コストの増加を抑制するとともに、切断面の品質低下を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る切断装置の概略を説明する模式図である。 ＣＦＲＰにおける切断後の状態を説明する模式図である。 ＣＦＲＰに照射されるレーザ光のレーザ平均出力と、ＣＦＲＰの切断速度との関係を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る切断装置の概略を説明する模式図である。 図４の切断ヘッドの構成を説明する模式図である。 粗加工を施す場合のイメージ図である。 粗加工を施す場合のイメージ図である。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る切断装置ついて図１から図３を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る切断装置の概略を説明する模式図である。
本実施形態の切断装置１は、航空機や船舶等の材料として用いられるＣＦＲＰ（繊維強化樹脂）２の切断に用いられるものである。
切断装置１には、図１に示すように、レーザ発信装置（レーザ発信部）１０と、導光部２０と、切断ヘッド３０と、が主に設けられている。

レーザ発信装置１０はＣＦＲＰ２に照射されるレーザ光をパルス状に出射するものである。
本実施形態ではレーザ発信装置１０におけるレーザ平均出力は約４００Ｗ以上であり、レーザ発信装置１０から出射されるレーザ光のパルス幅はｆｓからｐｓ単位の長さであり、好ましくは１ｆｓ以上９９９ｐｓ以下の長さ、より好ましくは１００ｆｓ以上９００ｆｓ以下の長さであることが望ましい。

レーザ発信装置１０には、図１に示すように、導光部２０がレーザ光の伝搬が可能に接続されている。
レーザ発信装置１０としては公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。

導光部２０はレーザ発信装置１０から出射されたレーザ光を切断ヘッド３０に導くものである。導光部２０の一方の端部はレーザ発信装置１０に接続され、他方の端部は切断ヘッド３０に接続されている。
導光部２０としてはレーザ光を導く光ファイバ等の公知の伝送路を用いることができ、特に限定するものではない。

切断ヘッド３０はＣＦＲＰ２に対してレーザ光を出射させるものであって、ＣＦＲＰ２に対して相対移動するものである。切断ヘッド３０には導光部２０がレーザ光の伝搬が可能に接続されている。
さらに本実施形態では、切断ヘッド３０がＣＦＲＰ２に対して移動可能に構成されている。例えば切断ヘッド３０をＣＦＲＰ２に対して約１．５ｍ／ｍｉｎ以上の速さで移動させる移動機構（図示せず）が設けられている。

切断ヘッド３０の構成としては、レーザ光を出射させる公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
さらに、切断ヘッド３０とＣＦＲＰ２とは相対移動が可能であればよく、本実施形態とは逆にＣＦＲＰ２が切断ヘッド３０に対して移動可能に構成されていてもよく、特に限定するものではない。

次に、上記の構成からなる切断装置１によるＣＦＲＰ２の切断について説明する。ここでは厚さが約５ｍｍのＣＦＲＰ２を切断する場合に適用して説明する。
切断装置１を用いてＣＦＲＰ２を切断する場合には、レーザ発信装置１０からレーザ平均出力が約４００Ｗ以上で、かつ、パルス幅がｆｓからｐｓ単位のパルス状のレーザ光が出射される。

パルス状のレーザ光は導光部２０に入射して、導光部２０によって切断ヘッド３０に導かれる。切断ヘッド３０に導かれたパルス状のレーザ光は、切断ヘッド３０からＣＦＲＰ２における切断領域に照射される。これと同時に切断ヘッド３０はＣＦＲＰ２に対して約１．５ｍ／ｍｉｎの速度で、切断方向に沿って移動される。

図２は、ＣＦＲＰにおける切断後の状態を説明する模式図である。
パルス状のレーザ光が照射された領域のＣＦＲＰ２はレーザ光により除去される。その一方で、レーザ光が照射された領域と隣接する部分のＣＦＲＰ２に伝わる熱量は、レーザ光のパルス幅が短いため少なく炭化層は形成されず、図２に示すように、熱影響を受ける熱影響層３の厚さは約０．１ｍｍ以下に抑えられる。

図３は、ＣＦＲＰに照射されるレーザ光のレーザ平均出力と、ＣＦＲＰの切断速度との関係を説明する図である。
上述のように、厚さが約５ｍｍのＣＦＲＰ２における切断面に炭化層が形成されず、熱影響層３の厚さが約０．１ｍｍ以下に抑えるには、図３に示すように、照射されるレーザ光のレーザ平均出力が約４００Ｗ以上であり、かつ、切断速度が約１．５ｍ／ｍｉｎ以上であることが必要となる。

例えば、切断速度が約１．５ｍ／ｍｉｎよりも遅くなると、ＣＦＲＰ２におけるレーザ光が照射されている領域が移動する速度が遅くなる。すると、ＣＦＲＰ２における切断方向に対して交差する方向へ熱伝達する距離が長くなり、熱影響層３の厚さが厚くなる。さらには炭化層が形成される可能性がある。
その一方で、レーザ光のレーザ平均出力が約４００Ｗ未満となると、レーザ光のＣＦＲＰ２を除去する能力が低下し、ＣＦＲＰ２を切断できなくなる可能性がある。

上記の構成によれば、レーザ光のパルス幅を短く（ｆｓからｐｓ単位の長さに）することにより、ＣＦＲＰ２の切断面における熱影響を小さくすることができる。具体的には、ＣＦＲＰ２に照射されるレーザ光におけるエネルギ密度を高くすることにより、レーザ光が照射されたＣＦＲＰ２に加えられた熱が周囲に伝達する前に、当該ＣＦＲＰ２が除去される。そのため、ＣＦＲＰ２の切断面に炭化層が形成されず、熱影響を受ける領域である熱影響層３を小さくすることができる。

言い換えると、切断面における炭化層の除去を行う必要がないことから、加工コストの増加を抑制することができ、熱影響層３を小さくすることができることから切断面の品質低下を抑制することができる。

さらに、ＣＦＲＰ２に対する切断ヘッド３０の相対移動速度、言い換えるとＣＦＲＰ２の切断速度を約１．５ｍ／ｍｉｎ以上とすることにより、ＣＦＲＰ２の切断面における熱影響層３を更に小さくすることができる。具体的には、ＣＦＲＰ２におけるレーザ光が照射されている領域が移動する速度を速くすることにより、ＣＦＲＰ２における切断方向に対して交差する方向へ熱伝達する距離が短くなる。これにより、ＣＦＲＰ２の切断面における熱影響層３が更に小さくなり、加工コストの増加を抑制するとともに、切断面の品質低下を抑制することができる。

本実施形態において、レーザ照射装置による切断・穴あけ加工の範囲が広い場合、熱影響を受けても良い部分を粗加工する工程を備えていても良い。図６及び図７に、粗加工を施す場合のイメージ図を示す。同図に本実施形態に係る切断・穴あけ加工方法で加工した精密加工領域１４と、粗加工した粗加工領域１５を示す。図６は穴あけ加工、図７は切断加工を実施した場合である。
粗加工は、単回照射でＣＦＲＰ２を切断・穴あけ加工できる粗加工用レーザ光１６の加工速度及び出力の条件（従来法の出力レベル及び加工速度）で実施する。熱影響を受けても良い部分とは、粗加工によって発生する熱影響部が最終加工面に到達しない程度に最終加工面から離れた位置にあるＣＦＲＰ２を意味する。そうすることによって、切断されたＣＦＲＰ２を加工部から除去しやすくなる。また、熱影響を考慮した切断領域を小さくすることができ、加工時間を短縮することが可能となる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図４および図５を参照して説明する。
本実施形態の切断装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、レーザ光だけでなく昇圧された水も切断に用いられる点が異なっている。よって、本実施形態においては、図４および図５を用いてレーザ光および昇圧された水を用いた切断に係る構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図４は、本実施形態に係る切断装置の概略を説明する模式図である。図５は、図４の切断ヘッドの構成を説明する模式図である。
第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

切断装置１０１には、図４に示すように、レーザ発信装置１０と、導光部２０と、高圧水供給装置（供給部）１４０と、水供給路１５０と、切断ヘッド１３０と、が主に設けられている。

高圧水供給装置１４０は切断ヘッド１３０に対して昇圧した水（液体）を供給するものである。高圧水供給装置１４０には、水供給路１５０が昇圧された高圧の水が流通可能に接続されている。
本実施形態では高圧水供給装置１４０を、数ＭＰａから数百ＭＰａまでの範囲の圧力に昇圧した水を供給するものに適用して説明する。
高圧水供給装置１４０としては、水を昇圧させるポンプ等の公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。

水供給路１５０は高圧水供給装置１４０により昇圧された水を切断ヘッド１３０に導くものである。水供給路１５０の一方の端部は高圧水供給装置１４０に高圧の水の流通が可能に接続され、他方の端部は切断ヘッド１３０のノズル部１３２に高圧の水の流通が可能に接続されている。
水供給路１５０としては耐圧ホースなどの公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。

切断ヘッド１３０はＣＦＲＰ２に対してレーザ光を出射させるとともに、高圧の水を噴出させるものである。さらに切断ヘッド１３０は、第１の実施形態における切断ヘッド３０と同様に、ＣＦＲＰ２に対して相対移動が可能に構成されたものである。
切断ヘッド１３０には、図５に示すように、レンズ収納部１３１と、ノズル部１３２と、が主に設けられている。

レンズ収納部１３１はノズル部１３２とともに切断ヘッド１３０を構成するものである。
レンズ収納部１３１は一方の端部が塞がれた略円筒状に形成された部材であって、開口側の端部には、レーザ光が入射されるようにノズル部１３２が接続されている。その一方で、レンズ収納部１３１における塞がれた端部には、導光部２０がレンズ収納部１３１の内部にレーザ光を入射させるように接続されている。

レンズ収納部１３１の内部には、導光部２０から入射されたレーザ光をノズル部１３２におけるノズル孔１３４に集光させるレンズ系１３３が設けられている。
本実施形態では導光部２０から出射されたレーザ光を平行光に変換する第１レンズ１３３Ａと、平行光に変換されたレーザ光をノズル孔１３４に集光させる第２レンズ１３３Ｂとからレンズ系１３３が構成されている例に適用して説明する。

ノズル部１３２はレンズ収納部１３１から入射されたレーザ光をＣＦＲＰ２に照射するとともに、高圧の水をＣＦＲＰ２に対して噴出させるものである。
ノズル部１３２には、ノズル孔１３４と、流入部１３５と、導光窓１３６と、が主に設けられている。

ノズル孔１３４はレーザ光および高圧の水をＣＦＲＰ２に向かって導くものである。ノズル孔１３４はノズル部１３２の内部に形成された貫通孔であって、一方の端部はノズル部１３２の端部に開口し、他方の端部は流入部１３５に開口するものである。
ノズル部１３２に内周面には金のコーティングが施されている。

流入部１３５は水供給路１５０から供給された高圧の水が流入する空間であるとともに、高圧の水をノズル孔１３４に導く空間である。さらに流入部１３５はレンズ収納部１３１から入射されたレーザ光がノズル孔１３４に入射する際に通過する光路でもある。

流入部１３５には水供給路１５０およびノズル孔１３４と高圧の水が流通可能に接続されているとともに、導光窓１３６が隣接して配置されている。具体的には、レーザ光の光軸に沿って、かつ、レーザ光が照射される方向に向かって順に導光窓１３６、流入部１３５およびノズル孔１３４が配置されている。水供給路１５０はレーザ光の光軸に対して交差する方向から接続されている。

導光窓１３６はレーザ光がレンズ収納部１３１から入射されるものであるとともに、流入部１３５の空間を形成するものである。
導光窓１３６はレーザ光を透過する材料であって、高圧の水による圧力に耐えられる強度を有する材料から形成された板状の部材である。さらに導光窓１３６における一方の面は、ノズル部１３２におけるレンズ収納部１３１と隣接する面の一部を構成し、他方の面は流入部１３５の内面の一部を構成している。

次に、上記の構成からなる切断装置１０１によるＣＦＲＰ２の切断について説明する。
切断装置１０１を用いてＣＦＲＰ２を切断する場合には、図４に示すように、レーザ発信装置１０から第１の実施形態の場合と同様にパルス状のレーザ光が出射される。

パルス状のレーザ光は、図５に示すように、導光部２０を介して切断ヘッド１３０のレンズ収納部１３１に入射される。レーザ光は導光部２０の端部から拡散しながら出射され、第１レンズ１３３Ａに入射する。第１レンズ１３３Ａによりレーザ光は平行光に変換されて出射され、第２レンズ１３３Ｂに入射する。第２レンズ１３３Ｂによりレーザ光はノズル孔１３４に向かって集光される。

第２レンズ１３３Ｂから出射されたレーザ光は、導光窓１３６および流入部１３５を通過してノズル孔１３４に入射される。ノズル孔１３４に入射されたレーザ光は金コーティングされたノズル孔１３４の内周面を反射しながらＣＦＲＰ２に向かって導光される。ノズル孔１３４の内部を導光されたレーザ光は、ノズル孔１３４におけるＣＦＲＰ２側の端部からＣＦＲＰ２に向かって照射される。

その一方で、図４および図５に示すように、高圧水供給装置１４０によって水が数ＭＰａから数百ＭＰａまでの範囲の圧力に昇圧され、昇圧された高圧の水は水供給路１５０を介して切断ヘッド１３０のノズル部１３２に供給される。

高圧の水はノズル部１３２における流入部１３５に流入し、流入部１３５からノズル孔１３４に流入する。ノズル孔１３４に流入した高圧の水はノズル孔１３４によってＣＦＲＰ２に向かって導かれ、ＣＦＲＰ２に対して噴出される。
流入部１３５からノズル部１３２までの間では、レーザ光と高圧の水は同一の経路を介して、言い換えると同軸上でＣＦＲＰ２に向かって導かれる。

ノズル孔１３４から噴出された高圧の水は、ＣＦＲＰ２に形成された切断孔４に流入する。このとき、ノズル部１３２をＣＦＲＰ２に接近して配置することにより、噴出された高圧水の飛散が抑制される。高圧の水の飛散が抑制されると、ＣＦＲＰ２に対して照射されたレーザ光の散乱が防止され、切断孔４の内面にレーザ光を確実に照射することができる。

上記の構成によれば、ＣＦＲＰ２におけるレーザ光が照射された領域、つまり切断孔４に高圧の水が噴射される。するとＣＦＲＰ２における切断孔４の近傍領域は、噴射された高圧の水により冷却されるため、ＣＦＲＰ２の切断面における熱影響を小さくすることができる。

高圧の水と、レーザ光とがノズル部１３２によって同軸に噴出または照射されるため、ＣＦＲＰ２の切断面における形状精度を高めることができる。つまり、高圧の水と、レーザ光とが異なる方向から噴出または照射される場合と比較して、ＣＦＲＰ２を切断する幅や、切断面の角度の精度をより高めることができる。

その一方で、高圧の水をレーザ光が照射された領域に噴射するため、高圧の水によるＣＦＲＰ２の除去作用も加わる。そのため、高圧の水を噴射しない場合と比較して、ＣＦＲＰ２の切断効率を高めることができる。

例えば、ＣＦＲＰ２の板厚が比較的薄い場合には、レーザ光および高圧の水の両者を用いてＣＦＲＰ２を切断するため、高圧の水のみで切断する場合（ウォータジェット切断の場合）と比較して、より低い圧力の水を用いることができる。その結果、水の圧力を高める高圧水供給装置１４０の能力を下げることができ、かつ、高圧水供給装置１４０が発する騒音を遮蔽する防音設備を設ける必要がなくなる。言い換えると、ＣＦＲＰ２の切断に要するコストを下げることができる。

高圧の水のみで切断する場合（ウォータジェット切断の場合）と同様の圧力の水を用いるときには、高圧の水と、レーザ光とによる切断効果により、どちらか一方を用いた切断方法よりも板厚の厚いＣＦＲＰ２を切断することができる。

本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、この発明をＣＦＲＰ２を切断する切断装置１に適用して説明したが、ＣＦＲＰ２を切断する切断装置１に限られることなく、ＫＦＲＰなどのその他各種のＦＲＰを切断するものに適用してもよく、特に限定するものではない。

１，１０１ 切断装置
２ ＣＦＲＰ（繊維強化樹脂）
１０ レーザ発信装置（レーザ発信部）
３０，１３０ 切断ヘッド
１４０ 高圧水供給装置（供給部）

Claims (2)

1. 切断対象である繊維強化樹脂に対して照射するレーザ光をパルス状に出射するレーザ発信部と、
   該レーザ発信部から出射されたレーザ光を前記繊維強化樹脂に対して出射する切断ヘッドと、が設けられ、
   前記レーザ光におけるパルス幅が１ｆｓ以上９９９ｐｓ以下であり、
   前記繊維強化樹脂に対する前記切断ヘッドの相対移動速度が約１．５ｍ／ｍｉｎ以上である繊維強化樹脂の切断装置。
2. 圧力を高めた液体を前記切断ヘッドに供給する供給部がさらに設けられ、
   前記切断ヘッドには、前記供給部から供給された前記液体を前記繊維強化樹脂に対して噴出させるとともに、内部を前記レーザ光が導光されるノズル部が設けられている請求項１記載の繊維強化樹脂の切断装置。

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