KR102354945B1 - 가요성 튜브와 프리프레그를 이용한 복합재 다관절 중공 구조물을 성형하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 내부 금형으로 기능하는 가요성 튜브를 이용하여 복합재 프리프레그 중공관을 성형하는 방법은, 형상 변경이 가능한 플렉서블한 실리콘 튜브를 이용하여 연통된 복수의 분기관로를 갖는 다관절 가요성 튜브를 준비하는 단계; 상기 다관절 가요성 튜브의 외부 표면 상에 이형제를 도포하는 단계; 복합재 프리프레그를 상기 다관절 가요성 튜브 상에 적층 공급하는 단계; 상기 복합재 프리프레그가 적층된 다관절 가요성 튜브를 금형 조립체를 이루는 하부 금형 상에 안착시키는 단계; 상기 금형 조립체를 이루는 상부 금형을 상기 하부 금형 상에 형폐하여, 상기 금형 조립체 내에 상기 복합재 프리프레그가 적층된 다관절 가요성 튜브를 위치하게 한 상태에서 고온 고압 상태로 제품 성형을 실시하여 상기 복합재 프리프레그를 경화시키는 단계; 및 상기 금형 조립체를 형개한 상태에서, 상기 경화된 복합재 프리프레그 내에 위치한 상기 가요성 튜브를 제거하는 단계;를 포함하고, 이를 통해 다관절을 갖는 중공 상태의 복합재 구조물을 성형한다.

Description

가요성 튜브와 프리프레그를 이용한 복합재 다관절 중공 구조물을 성형하는 방법{Method for forming composite multi-joint hollow structure using flexible tube and prepreg}

본 발명은 외부 금형의 내부 상에 내부 금형으로 기능하는 가요성 튜브를 배치한 상태에서 복합재 프리프레그를 상기 가요성 튜브와 외부 금형 간에 위치하게 한 상태에서 상기 프리프레그에 대한 가압을 통해 복합재 다관절 중공 구조물을 성형하는 방법에 관한 것이다.

프리프레그(prepreg)는 결합제를 강화섬유에 미리 함침시킨 시트 형태의 제품으로 복합재료 제품의 중간 재료로서 일방향으로 평행한 탄소섬유와 같은 강화섬유 및 에폭시수지와 같은 열경화성 수지를 갖는 아라미드 섬유를 포화시키므로서 얻어지는데 반경화 상태의 수지를 가공한 것은 판스프링과 벌집모양 구조물과 같은 공업용 재료, 낚시대 및 골프채와 같은 스포츠 레져용품, 보다 최근에는 비행기, 자동차, 선박 등의 부품으로서 광범위하게 사용되어지고 있다.

강화 섬유는 상기와 같이 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등이 이용되고 있으며, 결합제로는 에폭시 수지, 폴리에스테르수지, 열가소성수지 등이 사용되고 있다. 그리고, 프리프레그는 섬유의 종류, 섬유의 배열형태, 사용된 결합제의 종류에 따라 다양한 제품군을 형성하며, 프리프레그를 이용하여 생산된 복합재로는 타 재료에 비해 강도, 강성도, 내식성, 피로수명, 내충격성 등의 다양한 특성을 개선할 수 있게 한다.

프리프레그를 성형하기 위한 방법은 금속의 금형을 위한 압축성형, 내압용기(autoclave)를 이용한 내압용기성형, 필라멘트 와인딩 성형법, ,열팽창 몰딩법, 진공백 성형 및 굴대 주위에 프리프레그를 층층히 감고 경화 후에 그 위로 플라스틱 필름 테이프를 씌우는 쉬이트 래프 성형법(sheet lap molding) 등이 있다.

오토클레이브 성형법은 프리프레그를 여러 겹 몰드에 적층한 후 진공백으로 제품 표면을 포장하여 외부와 차단시킨 다음, 진공백 외부에서는 기체의 압력이 가해지고 내부에서는 외부 진공 펌프에 의해 진공상태를 유지시켜, 제품의 내부에 함침되어 있는 수지에서 발생되는 휘발성분을 제거하여 프리프레그 각 층간의 틈이 없어지고 접합을 완전하게 할 수 있도록 하는 것이다.

필라멘트 와인딩 성형법은 섬유강화재를 수지혼합물에 통과시킨 후 젖은 상태로 회전하는 원통형의 맨드렐에 연속적으로 감음으로써 성형이 진행되는 방법으로, 파이프나 실린더 같이 속이 빈 형태의 제품을 만들 때 사용되며, 6m 직경의 저장탱크로부터 2.5m 직경의 모터 등에 이르기까지 다양한 크기의 제품에 적용이 가능하고, 필라멘트운동 방식과 감기는 각도, 맨드렐의 좌우, 회전운동이 잘 조절되어야 하고, 균일한 두께의 제품과 대량 생산이 가능하며, 섬유를 성형한 다음 오토클레이브나 Hot press를 이용하여 모형을 성형하는 것이다.

열팽창 몰딩법은 프리프레그를 금형 사이에 배치시키고 수지의 변형 온도 이상에서 실리콘 블록을 팽창시켜 압축 성형되도록 하는 방법으로, 수지를 미리 예열된 일정한 형태의 금형에 투입하고 고온, 고압으로 압축하여 제품을 생산하는 공정으로 짧은 시간에 복잡한 형상의 제품을 만들게 한다.

일반적으로 유체를 이송하는 배관에 있어서 주배관의 유체이송경로를 두갈래로 분기할 때에는 외주 중앙부에 수직으로 분기유출부가 마련되는 티(T)형 배관을 사용하게 되는 바, 종래에 있어서 티형 배관과 같은 다관절 중공관은 주 배관 상에 보조 배관을 별도로 성형하여 주 배관에 용접하거나 용융 접합 등을 통해 결합하는 것이 일반적이었다. 한편, 복수의 분기구멍을 갖는 Y자 배관 상에 결합 클램프 내지 접합 등의 방법을 이용하여 제작을 가능하게 할 수도 있다.

한편, 종래와 같이 별도로 제작한 보조 배관을 주 배관과 용접이나 용융 접합 등으로 조립하는 경우에는 별도로 제작하여 관리하는 데에 비용이 많이 들게 될 뿐 아니라 작업이 번거롭고 시간이 많이 걸리게 됨은 물론 작업인력과 작업비용이 많이 들게 되는 문제가 있게 되며, 아울러 조립 부위의 강성이 취약하게 되는 등의 문제가 있게 된다

한편, 기존에 금형 상에 복합재료 프리프레그를 공급한 상태에서 티형 배관과 같은 다관절 중공관을 생산한다는 것이 용이하지 않은 측면과 더불어, 상하부 금형으로 이루어진 외부금형 내에 금속 성분을 갖는 내부 금형을 배치한다는 것이 기술적으로 용이하진 않은 측면이 있다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 외부 금형의 내부 상에 내부 금형으로 기능하는 가요성 튜브를 배치한 상태에서 프리프레그를 상기 가요성 튜브와 외부 금형 간에 위치하게 한 상태에서 상기 복합재 프리프레그에 대한 가압을 통해 복합재 다관절 중공 구조물을 성형하는 방법에 관한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 내부 금형으로 기능하는 가요성 튜브를 이용하여 복합재 다관절 중공 구조물을 성형하는 방법은, 형상 변경이 가능한 플렉서블한 실리콘 튜브를 이용하여 연통된 복수의 분기관로를 갖는 다관절 가요성 튜브를 준비하는 단계; 상기 다관절 가요성 튜브의 외부 표면 상에 이형제를 도포하는 단계; 복합재 프리프레그를 상기 다관절 가요성 튜브 상에 적층 공급하는 단계; 상기 복합재 프리프레그가 적층된 다관절 가요성 튜브를 금형 조립체를 이루는 하부 금형 상에 안착시키는 단계; 상기 금형 조립체를 이루는 상부 금형을 상기 하부 금형 상에 형폐하여, 상기 금형 조립체 내에 상기 복합재 프리프레그가 적층된 다관절 가요성 튜브를 위치하게 한 상태에서 제품 성형을 실시하여 상기 복합재 프리프레그를 경화시키는 단계; 및 상기 금형 조립체를 형개한 상태에서, 상기 경화된 복합재 프리프레그 내에 위치한 상기 가요성 튜브를 제거하는 단계;를 포함하고, 이를 통해 다관절을 갖는 중공 상태의 복합재 구조물을 성형하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 복합재 프리프레그의 경화 단계는 오토클레이브 공법으로 행해지는 것이 바람직할 수 있다.

상기 금형 조립체를 이루는 상부 금형을 상기 하부 금형 상에 형폐한 후에, 상기 금형 조립체를 전체적으로 감싸도록 배깅(bagging)을 실시하는 한편, 상기 금형 조립체의 외부 상에 노출된 가요성 튜브와 상기 금형 조립체 사이에 부속 자재를 배치하여, 상기 금형 조립체에 진공압이 형성되는 경우에도 상기 가요성 튜브의 내측으로는 진공압의 영향을 배제하게 하는 것이 바람직할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따라 내부 금형으로 기능하는 가요성 튜브를 이용하여 중공 상태의 복합재 구조물인 복합재 프리프레그 중공관을 성형하는 방법은 자유로운 형상 변경이 가능한 플렉서블한 실리콘 튜브를 내부 금형으로 기능하도록 배치한 상태에서, 상기 실리콘 튜브를 덮도록 프리프레그를 적층한 상태에서 가압 공정을 행하는 과정을 통해 다관절 복합재 프리프레그 중공관을 제작하는 것을 가능하게 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 내부 금형으로 기능하는 가요성 튜브를 이용하여 다관절 복합재 프리프레그 중공관을 성형하는 과정을 보인다.
도 2 내지 도 7은 도 1의 S10 내지 S80 단계에 대한 구체적인 공정을 보인다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 내부 금형으로 기능하는 가요성 튜브를 이용하여 다관절 복합재 프리프레그 중공관을 성형하는 과정을 보인다. 도 2 내지 도 7은 도 1의 S10 내지 S80 단계에 대한 구체적인 공정을 보인다.

본 발명에 따른 다관절 복합재 프리프레그 중공관을 성형하는 방법은 플렉서블한 가요성 재질을 갖는 실리콘 튜브를 이용하여 복수의 분기관 내지 분기유로를 갖는 다관절 실리콘 튜브를 성형하고, 상기 다관절 실리콘 튜브를 이용하여 금형 조립체 내에 내부 금형으로 배치한 상태에서, 상기 다관절 실리콘 튜브 상에 적층된 복합재 프리프레그에 대해 오토클레이브 성형과 같은 진공압 성형을 통해 복합재 프리프레그 상에 함침된 수지를 경화하여 강건한 상태의 다관절 복합재 프리프레그 중공관을 성형하는 방안을 제공한다.

본 발명은 복수의 분기관로를 갖는 다방향(multi-way) 구조의 프리프레그 중공관을 제작하기 위한 것으로서, 이하에서는 다관절 복합재 프레프레그 중공관을 연통된 복수의 분기관을 갖는 다방향 복합재 프리프레그 중공관을 의미하는 것으로 한다. 즉, 다관절 중공관은 2개 이상의 분기유로를 갖는 다방향 중공관을 의미하는 것이다.

복합재 다관절 프리프레그 중공관을 성형하는 과정을 보면 다음과 같다.

먼저, 도 2와 같이 형상 변경이 가능한 플렉서블한 실리콘 튜브를 이용하여 연통된 복수의 분기관로를 갖는 다관절 가요성 튜브를 준비한다.(S10)

가요성 튜브로는 연결관으로 쓰이는 일반 실리콘 튜브를 사용할 수 있는데, 실리콘은 꺾임이 적어 유연한 곡율반경을 가지며, 고무 노화로 인한 끈적임이 없다는 특징이 있게 된다. 본 발명에서는 다관절 가요성 튜브의 제작하는 일 방법으로서 다관절 배관 구조가 형성된 목형 상에 실리콘 유액을 분사하여 굳히는 방안을 통해서 일체형으로 다관절 가요성 튜브의 제작을 가능하게 할 수 있다.

한편으로는, 다관절 가요성 튜브의 제작하는 다른 방법으로서 일방향 유로를 갖는 제1 가요성 튜브를 기본으로 한 상태에서 제2 가요성 튜브를 상기 제1 가요성 튜브의 측부 상에 접합하는 과정을 통해서 복수의 분기관을 갖는 다관절성 가요성 튜브를 제작하게 할 수 있다. 상기 제작 방법 외에도 다관절 가요성 튜브를 일체적으로 제작하는 방안을 제한 없이 적용할 수 있다.

다음으로, 다관절성 가요성 튜브의 외부 표면 상에 이형제를 처리한다.(S20)

즉, 다관절성 가요성 튜브를 덮도록 공급되는 복합재 프리프레그 간에 향후에 원활한 분리를 위해서 이형제를 처리한다.

다음으로, 도 3을 참조하면 복합재 프리프레그를 다관절 가요성 튜브 상에 적층 공급한다.(S30)

복합재 프리프레그는 고강도 복합재료의 중간재로 시트(SHEET) 형태의 제품으로서, 강화재인 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 등에 특수하게 혼합된 에폭시 수지를 함침시켜 만든 성형 재료다. 프리프레그 몰딩 컴파운드(Prepreg Molding Compound)는 알루미늄 수준 이상의 물성 구현이 가능하며, 압축성형 (Compression Molding) 공정을 통한 고생산성 CFRP 부품 제조를 위한 복합재 성형용 중간재이다.

프리프레그는 pre-impregnated material(미리 함침된 재료)의 약어로서 강화섬유 상에 미리 수지를 함침시킨 것이다. 프리프레그는 약 42%정도의 수지함유량을 갖는 것으로서, 수지의 손실이 없는 상태로 경화되면 복합재료는 약 60% 정도의 섬유를 포함하게 된다. 한편, 경화 과정에서 약 10% 정도의 수지가 빠져나오는바 일반적으로 복합재료의 섬유 함유량은 부피로 70% 정도가 된다. 한편, 최근의 경향은 거의 여유 수지를 갖지 않는 상태로서 무게로 약 34% 정도의 프리프레그가 사용되는데 상기 프리프레그는 성형 과정에서 무게로 약 1~2%만의 수지 손실을 갖게 된다.

상기 복합재 프리프레그는 경화 전에는 플렉서브한 상태를 갖는 것으로서, 다관절 가요성 튜브를 감싸는 방식으로 연속적으로 형성된다. 즉, 다수의 분기관 상에 끊어짐이 없는 상태로 복합재 프리프레그 소재 직물을 연속적으로 둘러싸는 방식으로 공급한다. 예를 들어 도 4와 같이, 카본 복합재 프리프레그 직물을 연속 섬유 형상으로 실리콘 튜브 상에 연속적으로 배치되도록 적층을 실시한다.

다음으로, 도 4의 좌측 도면과 같이 복합재 프리프레그가 적층된 실리콘 튜브를 금형 조립체를 이루는 하부 금형 상에 안착하게 한다(S40). 하부 금형의 내면 상에는 다관절 가요성 튜브의 형상에 부합하도록 제품 성형홈이 형성된다. 즉, 제품 성형홈은 복수의 분기 유로를 갖는 다관절 유로 제작을 위한 기능을 한다.

본 발명 상에서는 복합재 프리프레그가 적층된 상태의 실리콘 튜브를 하부 금형 상에 배치하는 것이 가능할 수 있지만, 한편으로는 하부 금형의 제품 성형홈 상에 복합재 프리프레그를 먼저 배치하고, 실리콘 튜브를 제품 성형홈의 복합재 프리프레그 상에 안착한 다음에 다시 실리콘 튜브 상에 복합재 프리프레그를 추가적으로 적층하는 방식으로도 가능할 수 있다.

이후, 도 4의 우측 도면과 같이 하부 금형 상에 상부 금형을 조립한다.(S50)

도 5와 같이 금형 조립체를 이루는 하부 금형 상에 상부 금형을 형합한 상태에서, 제품 성형홈 내에 안착된 실리콘 튜브는 금형 조립체의 외부로 연장된 상태를 갖는다. 상기 상태에서, 외부에 노출된 실리콘 튜브와 금형 조립체 사이에는 부자재를 셋팅해야 한다(S60).

이는 금형 조립체에 대해 진공압을 이용해서 고온 성형을 실시하게 해야 하는바, 상기 금형 조립체를 전체적으로 덮는 상태로 배깅(bagging)을 실시하는 과정에서 금형 조립체의 외부에 노출된 실리콘 튜브의 내부 측으로는 진공압이 걸리지 않게 단속 작업을 실시하게 한다. 즉, 실리콘 튜브의 내부 영역은 금형 조립체에 대한 진공 성형을 실시하는 과정에서의 영향을 받지 않게 된다.

상기 배깅 과정을 보면, 금형 조립체를 진공백으로 감싸는 과정에서 노출된 실리콘 튜브의 외주면과 금형 조립체 간의 공백을 부자재를 이용하여 실링하는 작업을 한다.

도 6과 같이, 진공 백을 이용하여 진공 bagging 을 실시한 금형 조립체에 대하여 Autoclave 제품 성형을 실시한다(S70). 오토클레이브 성형은 프리프레그 여러 겹을 원하는 형상의 몰드에 적층한 상태에서, 진공백(Vaccum bag)으로 금형 조립체를 포장하여 외부로부터 차단시킨 후에, 진공백을 통해서는 진공펌프를 통해 부압을 걸리도록 설정함으로써 상기 진공백의 내부에 있는 금형 조립체 상에는 1기압 미만의 진공 상태를 유지하게 하는 한편, 실리콘 튜브의 내부를 통해서는 정상적인 대기압을 유지하게 한다. 여기에서, 금형 조립체 내에 배치된 실리콘 튜브와 프리프레그 사이에도 진공이 형성되어지는데, 상기 상태에서 실리콘 튜브의 내부에 조성된 대기압을 통해서 상기 실리콘 튜브와 프리프레그 사이는 자연적으로 압력이 가해짐으로써, 실리콘 튜브를 둘러싸는 프리프레그는 금형의 내면 상에 밀착을 유지함으로써 전체적으로는 프리프레그 중공관 형상을 유지하는 동시에 프리프레그에 함침된 수지의 누설을 최소화한 상태에서 경화를 가능하게 한다.

즉, 진공백으로 금형 조립체를 전체적으로 덮는 상태를 유지하고 외부 진공 펌프를 통해 금형 조립체 내부는 진공을 유지하게 한다. 한편, 오토클레이브 성형 과정에서 금형 조립체 내에 배치된 실리콘 튜브의 내부는 형상 유지를 위해 소정의 압력을 유지함으로써 복합재 프리프레그의 다관절 튜브 형상을 유지하게 한다.

오토클레이브 성형으로 인해서 복합재 프리프레그에 있는 수지로부터 발생되는 휘발 성분이 제거되고, 적층된 프리프레그 층들 간의 틈이 없어짐으로 인해 접합을 완전하게 할 수 있어서 기계적 성질이 우수하게 한다.

다음으로는, 도 7과 같이 금형 조립체의 금형 개방을 통하여 제품 탈형 및 복합재 프리프레그 내에서 실리콘 튜브를 제거한다(S80).

금형 조립체를 이루는 상부 금형을 하부 금형으로부터 탈거함으로써 하부 금형에 안착된 상태로 있는 실리콘 튜브가 내장된 복합재 다관절 프리프레그를 분리한다. 상기 상태에서 복합재 프리프레그는 수지가 경화되어 단단해진 상태의 다관절 튜브 상태인 복합재 다관절 중공 구조물을 갖게 된다.

경화된 복합재 프리프레그 내에서 플렉서블한 상태의 실리콘 튜브를 제거한다. 즉, 상기 실리콘 튜브는 복합재 프리프레그를 경화시키는 과정에서 상기 복합재 프리프레그의 내부 형상을 안정적인 상태로 유지시키는 내부 금형 기능을 하는 것이다.

본 발명에 따라서 내부 금형으로 기능하는 가요성 튜브를 이용하여 복합재 프리프레그 중공관을 성형하는 방법은 자유로운 형상 변경이 가능한 플렉서블한 실리콘 튜브를 내부 금형으로 기능하도록 배치한 상태에서, 상기 실리콘 튜브를 덮도록 프리프레그를 적층한 상태에서 가압 공정을 행하는 과정을 통해 다관절 복합재 프리프레그 중공관을 제작하는 것을 가능하게 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (3)

1. 내부 금형으로 기능하는 가요성 튜브를 이용하여 복합재 다관절 중공 구조물을 성형하는 방법에 있어서,
   형상 변경이 가능한 플렉서블한 실리콘 튜브를 이용하여 연통된 복수의 분기관로를 갖는 다관절 가요성 튜브를 준비하는 단계;
   상기 다관절 가요성 튜브의 외부 표면 상에 이형제를 도포하는 단계;
   복합재 프리프레그를 이형제가 도포된 상기 다관절 가요성 튜브 상에 적층 공급하는 단계;
   상기 복합재 프리프레그가 적층된 다관절 가요성 튜브를 금형 조립체를 이루는 하부 금형 상에 안착시키는 단계;
   상기 금형 조립체를 이루는 상부 금형을 상기 하부 금형 상에 형폐하여, 상기 금형 조립체 내에 상기 복합재 프리프레그가 적층된 다관절 가요성 튜브를 위치하게 한 상태에서 고온 상태로 제품 성형을 실시하여 상기 복합재 프리프레그를 경화시키는 단계; 및
   상기 금형 조립체를 형개한 상태에서, 상기 경화된 복합재 프리프레그 내에 위치한 상기 가요성 튜브를 제거하는 단계;를 포함하고,
   상기 복합재 프리프레그를 다관절 가요성 튜브 상에 적층 공급하는 단계는 상기 복합재 프리프레그 소재 직물을 실리콘 튜브 상에 연속적으로 둘러싸는 방식으로 공급하며,
   상기 금형 조립체를 이루는 상부 금형을 상기 하부 금형 상에 형폐한 후에,
   상기 금형 조립체의 외부 상에 노출된 가요성 튜브와 상기 금형 조립체 사이에 배치된 부속 자재는 금형 조립체를 전체적으로 덮는 상태로 배깅을 실시하는 과정에서, 노출된 실리콘 튜브의 외주면과 금형 조립체 간의 공백을 실링하며, 이를 통해 상기 금형 조립체의 외부에 노출된 실리콘 튜브의 내부 측으로는 진공압이 걸리지 않게 단속 작업을 실시하고, 상기 실리콘 튜브의 내부 영역은 금형 조립체에 대한 진공 성형을 실시하는 과정에서의 영향을 받지 않으며,
   이를 통해 다관절을 갖는 중공 상태의 복합재 프리프레그를 성형하는 것을 특징으로 하는, 가요성 튜브를 이용한 복합재 프리프레그 중공관의 성형 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복합재 프리프레그의 경화 단계는 오토클레이브 공법으로 행해지는 것을 특징으로 하는, 가요성 튜브를 이용한 복합재 프리프레그 중공관의 성형 방법.
   
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