KR20160019176A - 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기 - Google Patents

온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기를 개시한 것으로, 이러한 본 발명은 레이저 용착시의 융착 온도를 실시간 측정한 후 그 측정온도를 기준이 되는 설정온도와 비교하여, 측정온도와 설정온도의 편차 여부에 따라 레이저 용착의 출력레벨이 조절되도록 구성한 것이며, 이에따라 제품에 대한 레이저 용착시 용착 제품의 품질을 규일하게 유지할 수 있도록 함은 물론, 종래와 같이 용착하고자 하는 제품 자체의 불량요소를 확인하기 위한 방사선(X-ray)을 사용하지 않고 온도 그래프의 확인으로부터 용착하고자 하는 제품의 품질을 보다 용이하게 판단할 수 있도록 하면서 제품 만족도를 높일 수 있도록 한 것이다.

Description

온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기{Laser welding machine having a temperature control function}
본 발명은 레이저 용착기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 용착시의 융착 온도를 실시간 측정한 후 그 측정온도를 기준이 되는 설정온도와 비교하여, 측정온도와 설정온도의 편차 여부에 따라 레이저 용착의 출력레벨을 조절할 수 있도록 하는 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저 용착기는 레이저를 이용한 플라스틱을 용접할 수 있도록 한 것으로, 이는 일정한 파장을 가지는 레이저 빔의 플라스틱 재질에 대한 투과성과 흡수성을 이용하는 것이다.
즉, 첨부된 도 1,2에서와 같이, 레이저 용착기는 제 1 구간(A)으로서 투과성을 가지는 제 1 모재(S1)를 레이저 빔이 투과하고, 제 2 구간(B)으로서 흡수성을 가지는 제 2 모재(S2)에서 레이저 빔에 의해 활성화된 분자들(S3)의 진동하여 운동에너지로 변환될 때, 이는 다시 열을 발생시키게 되고, 제 3 구간(C)으로서 상기 열에 의하여 흡수성을 가지는 제 2 모재(S2)가 용융하면서 동시에 투과성을 가지는 제 1 모재(S1)가 제 2 모재(S2)로부터 열전달을 받아 용융하면서, 상기 제 1,2 모재(S1)(S2)의 레이저 용착이 이루어지는 것으며, 제 4 구간(D)으로서 냉각과정을 거쳐 상기 제 1,2 모재(S1)(S2)의 용착이 완료될 수 있도록 한 것이며, 이러한 레이저 용착기는 공개특허공보 제 10-2006-0045335 호(공개일 2006.05.17)와 공개특허공보 제 10-2011-0002415 호(공개일 2011.01.07)에 개시되어 있다.
이때, 상기 선행기술들로부터 개시되는 레이저 용착기는 첨부된 도 3에서와 같이 통상적으로, 레이저 발진기(Laser Controller)(100), 레이저 다이오드(LD_Optics)(200), 냉각장치(300), 그리과 광섬유 케이블(Fiber Optic Cable)(400)과 레이저 헤드(Temperature)(500)를 포함하게 된다.
상기 레이저 발진기(100)는 상기 레이저 다이오드(200)에 전기적 에너지를 일정하게 공급하는 것이고, 상기 레이저 다이오드(200)는 공급받은 전기적 에너지를 레이저 빔 에너지로 변환하는 것이며, 상기 냉각장치(300)는 수냉식으로서 상기 레이저 다이오드(200)에서 전기적 에너지를 레이저 빔 에너지로 변환시킬 때 발생하는 열을 냉각시켜 상기 레이저 다이오드(200)의 동작온도를 일정하게 유지시키도록 구성하여둔 것이다.
그리고, 상기 광섬유 케이블(400)은 상기 레이저 다이오드(200)에서 발생하는 레이저 빔 에너지를 상기 레이저 헤드(500)에 전달하는 것이고, 상기 레이저 헤드(500)는 상기 광섬유 케이블(400)로부터 전달받은 레이저 빔(LB)의 초점을 모은 후 이를 이용하여 모재들의 용착 결합이 이루어질 수 있도록 구성하여둔 것이다.
이때, 상기 레이저 헤드(500)는 첨부된 도 4에서와 같이, 광섬유 케이블(400)에서 들어오는 병렬 빔을 조준렌즈(501)를 거쳐 레이저 빔으로 변환하고, 초점렌즈(502)를 통해 용착하고자 하는 제품에 레이저 빔(LB)을 집중하여 용융이 이루어질 수 있도록 하는 구조로 설계되어 있는 것이다.
한편, 상기와 같은 레이저 용착기는 용착 제품에 맞는 출력레벨을 정한 상태에서 이를 출력시키는 고정방식이며, 일예로, 플라스틱을 용착하기 위한 출력레벨이 40와트(Watt)인 경우 일정한 속도를 유지하면서 40와트의 출력으로 레이저 빔을 조사하도록 한 것이다.
그러나, 상기와 같이 제품에 맞는 출력레벨이 정해져 있는 상태에서, 제품 자체에 불량요소(예; 균열, 제품 굴곡, 제품 파손)가 존재하는 경우, 종래에는 레이저 용착 작업이 종료되었을 때, 상기 제품 자체의 불량요소를 확인하지 못하는 문제가 있었으며, 이에 종래에는 제품 자체의 불량요소를 확인하기 위해 방사선(X-ray)으로 확인할 수 밖에 없는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 레이저 용착시의 융착 온도를 실시간 측정한 후 그 측정온도를 기준이 되는 설정온도와 비교하여, 측정온도와 설정온도의 편차 여부에 따라 레이저 용착의 출력레벨이 조절되도록 구성함으로써, 제품에 대한 레이저 용착시 용착 제품의 품질을 규일하게 유지할 수 있도록 함은 물론, 종래와 같이 용착하고자 하는 제품 자체의 불량요소를 확인하기 위한 방사선(X-ray)을 사용하지 않고 온도 그래프의 확인으로부터 용착하고자 하는 제품의 품질을 보다 용이하게 판단할 수 있도록 하는 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기를 제공함에 그 목적이 있는 것이다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기는, 전기적 에너지를 공급하는 레이저 발진기; 상기 레이저 발진기로부터 공급되는 전기적 에너지를 레이저 빔 에너지로 변환 출력하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드에서 전기적 에너지를 레이저 빔 에너지로 변환시 발생하는 열을 냉각시키는 냉각장치; 상기 레이저 다이오드와 광섬유 케이블로 연결되고, 상기 레이저 다이오드에서 변환 출력된 레이저 빔 에너지의 초점을 모은 후 이를 레이저 용착을 위한 모재에 조사하도록 조준렌즈와 초점렌즈를 포함하는 레이저 헤드; 를 구성하되, 상기 레이저 헤드에는 레이저 빔 조사로 모재의 레이저 용착이 이루어질 때 그 레이저 용착이 진행되는 부분의 온도를 실시간 측정하는 온도측정부를 연결 구성하고, 상기 레이저 발진기는 측정라인으로 상기 온도측정부와 연결 구성하되, 상기 온도측정부의 측정온도를 입력받은 후 이를 기준온도와 비교하여, 측정온도가 기준온도보다 낮거나 같으면 상기 레이저 발진기의 출력레벨을 높이고, 측정온도가 기준온도보다 높으면 상기 레이저 발진기의 출력레벨을 낮추면서 용착하고자 하는 레이저 용착하고자 하는 모재의 불량여부를 판단하는 제어프로그램을 탑재 구성한 것이다.
또한, 상기 온도측정부는, 상기 레이저 헤드의 조준렌즈와 초점렌즈의 사이에 배열되고, 상기 초점렌즈를 통해 모재의 용착부위에서 방사되는 레이저의 방사빔을 반사시키는 반사렌즈; 상기 반사렌즈로부터 반사되는 방사빔 중 특정파장대의 레이저 방사빔만을 통과시킨 후 레이저 방사빔의 파장대를 검출하는 빔 검출부; 및, 상기 빔 검출부로부터 검출된 아날로그의 레이저 방사빔 파장대를 디지털로 변환한 후 이를 측정라인을 통해 레이저 발진기에 전달하는 데이터 변환부; 를 포함하여 구성한 것이다.
또한, 상기 빔 검출부는, 상기 반사렌즈로부터 반사되는 레이저 방사빔에서 특정파장대의 레이저 방사빔만을 통과시키는 필터렌즈; 상기 필터렌즈로부터 필터링된 레이저 방사빔의 초점을 맞춰 굴절시키는 제 1 초점렌즈; 상기 제 1 초점렌즈로부터 굴절되는 레이저 방사빔의 파장대를 검출한 후 그 검출된 아날로그의 레이저 방사빔을 데이터 변환부로 출력하는 검출기; 를 포함하여 구성한 것이다.
또한, 상기 반사렌즈는 조준렌즈에서 초점렌즈로의 방향으로 레이저 빔이 조사시 그 레이저 빔은 통과시키고, 상기 초점렌즈에서 조준렌즈의 방향으로 레이저의 방사빔이 방사시 그 레이저 방사빔은 빔 검출부로 반사시키는 전반사 거울인 것이다.
이와 같이 본 발명은 레이저 용착시의 융착 온도를 실시간 측정한 후 그 측정온도를 기준이 되는 설정온도와 비교하여, 측정온도와 설정온도의 편차 여부에 따라 레이저 용착의 출력레벨이 조절되도록 구성한 것으로, 이를 통해 제품에 대한 레이저 용착시 용착 제품의 품질을 규일하게 유지할 수 있도록 함은 물론, 종래와 같이 용착하고자 하는 제품 자체의 불량요소를 확인하기 위한 방사선(X-ray)을 사용하지 않고 온도 그래프의 확인으로부터 용착하고자 하는 제품의 품질을 보다 용이하게 판단하면서 제품 만족도를 높이는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
도 1, 2는 레이저 용착기의 원리도.
도 3은 종래 레이저 용착기의 구조도.
도 4는 종래 레이저 헤드의 구조를 보인 단면 개략도.
도 5는 본 발명의 실시예로 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기의 구조도.
도 6은 본 발명의 실시예로 레이저 헤드와 온도 측정부의 결합상태를 보인 단면 개략도.
도 7은 본 발명의 실시예로 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기의 동작 흐름도.
도 8은 본 발명의 실시예로 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기의 레이저 용착이 정상적인 제품에서 이루어질 때의 온도 측정 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예로 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기의 레이저 용착이 비정상적인 제품에서 이루어질 때의 온도 측정 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예로 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기의 구조도이고, 도 6은 본 발명의 실시예로 레이저 헤드와 온도 측정부의 결합상태를 보인 단면 개략도를 도시한 것이다.
첨부된 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기는, 전기적 에너지를 공급하는 레이저 발진기(100)와, 상기 레이저 발진기(100)로부터 공급되는 전기적 에너지를 레이저 빔 에너지로 변환 출력하는 레이저 다이오드(200)와, 상기 레이저 다이오드(200)에서 전기적 에너지를 레이저 빔 에너지로 변환시 발생하는 열을 냉각시키는 냉각장치(300)와, 상기 레이저 다이오드(200)와 광섬유 케이블(400)로 연결되고 상기 레이저 다이오드(200)에서 변환 출력된 레이저 빔 에너지의 초점을 모은 후 이를 레이저 용착을 위한 모재에 조사하도록 조준렌즈(501)와 초점렌즈(502)를 포함하는 레이저 헤드(500)를 포함하되, 상기 레이저 헤드(500)에 온도측정부(10)를 연결 구성하여둔 것이다.
상기 온도측정부(10)는 상기 레이저 헤드(500)에서 레이저 빔(LB) 조사로 모재의 레이저 용착이 이루어질 때 그 레이저 용착이 진행되는 부분의 온도를 실시간 측정하는 것으로, 반사렌즈(11)와 빔 검출부(12) 및 데이터 변환부(13)를 포함하여 구성한 것이다.
상기 반사렌즈(11)는 상기 레이저 헤드(500)의 조준렌즈(501)와 초점렌즈(502)의 사이에 배열되는 것으로, 상기 초점렌즈(502)를 통해 모재의 용착부위에서 방사되는 레이저의 방사빔(TB)을 상기 빔 검출부(12)로 반사시키도록 구성하여둔 것이다.
이에따라, 상기 반사렌즈(11)는 상기 조준렌즈(501)에서 초점렌즈(502)로의 방향으로 레이저 빔(LB)이 조사시 그 레이저 빔(LB)은 통과시키고, 상기 초점렌즈(502)에서 조준렌즈(501)의 방향으로 레이저의 방사빔(TB)이 방사시 그 레이저 방사빔(TB)은 상기 빔 검출부(12)로 반사시키게 되는 전반사 거울로 구성하여둔 것이다.
상기 빔 검출부(12)는 상기 반사렌즈(11)로부터 반사되는 방사빔(TB) 중 특정파장대의 레이저 방사빔만을 통과시킨 후 레이저 방사빔(TB)의 파장대를 검출한 후 이를 상기 데이터 변환부(13)에 출력하는 것으로, 필터렌즈(121), 제 1 초점렌즈(122), 검출기(123)를 포함하여 구성한 것이다.
상기 필터렌즈(121)는 상기 반사렌즈(11)로부터 반사되는 레이저 방사빔(TB)에서 특정파장대의 레이저 방사빔(TB)만을 상기 제 1 초점렌즈(122)로 통과시키도록 구성하여둔 것이다.
상기 제 1 초점렌즈(122)는 상기 필터렌즈(121)로부터 필터링된 레이저 방사빔(TB)의 초점을 맞춰 굴절시키도록 구성하여둔 것이다.
상기 검출기(123)는 상기 제 1 초점렌즈(122)로부터 굴절되는 레이저 방사빔(TB)의 파장대를 검출한 후 그 검출된 아날로그의 레이저 방사빔(TB)의 파장대값을 상기 데이터 변환부(13)로 출력하도록 구성하여둔 것이다.
상기 데이터 변환부(13)는 상기 빔 검출부(12)에 포함되는 검출기(123)로부터 검출된 아날로그의 레이저 방사빔(TB)을 디지털로 변환한 후 이를 측정라인(L1)을 통해 상기 레이저 발진기(100)에 전달하도록 구성하여둔 것이다.
이때, 상기 레이저 발진기(100)는 측정라인(L1)을 통해 상기 온도측정부(10)의 데이터 변환부(13)와 연결 구성되며, 상기 레이저 발진기(100)에는 상기 온도측정부(10)의 측정온도를 입력받은 후 이를 기준온도와 비교하여, 측정온도가 기준온도보다 낮거나 같으면 상기 레이저 발진기(100)의 출력레벨을 높이고, 측정온도가 기준온도보다 높으면 상기 레이저 발진기의 출력레벨을 낮추면서 제품에 대한 불량여부를 확인하는 제어프로그램을 탑재 구성하여둔 것이다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기는 첨부된 도 5 내지 도 9에서와 같이, 우선 레이저 발진기(100)에서 전기적 에너지를 레이저 다이오드(200)에 공급하면, 상기 레이저 다이오드(200)는 진기적 에너지를 레이저 빔 에너지로 변환한 후 이를 광섬유 케이블(400)을 통해 레이저 헤드(500)에 전달하게 된다.
그러면, 상기 레이저 헤드(500)내의 조준렌즈(501)는 병렬 빔을 거쳐 하나의 레이저 빔으로 변환한 후 이를 초점렌즈(502)로 가이드하고, 상기 초점렌즈(502)는 용착하고자 하는 모재에 레이저 빔(LB)을 집중시켜, 상기 모재에 대한 레이저 용착이 이루어질 수 있는 것이다.
이때, 상기 모재에 대한 레이저 용착이 이루어질 때, 상기 모재로부터 레이저의 방사빔(TB)이 방사되는데, 이렇게 방사되는 레이저 방사빔(TB)은 레이저 헤드(500)의 조준렌즈(501)와 초점렌즈(502)의 사이에 위치하는 온도측정부(10)에 포함되는 전반사거울인 반사렌즈(11)를 통해 빔 검출부(12)의 방향으로 반사된다.
그러면, 상기 빔 검출부(12)에 포함되는 필터렌즈(121)는 상기 반사렌즈(11)로부터 반사되는 레이저 방사빔(TB)에서 특정파장대의 레이저 방사빔(TB)만을 통과시키고, 상기 빔 검출부(12)에 포함되는 제 1 초점렌즈(122)는 상기 필터렌즈(121)로부터 필터링된 레이저 방사빔(TB)의 초점을 맞춰 굴절시키게 되며, 상기 빔 검출부(12)에 포함되는 검출기(123)는 상기 제 1 초점렌즈(122)로부터 굴절되는 레이저 방사빔(TB)의 파장대를 검출한 후 그 검출된 아날로그의 레이저 방사빔(TB)의 파장대값을 데이터 변환부(13)로 출력하게 된다.
이때, 상기 데이터 변환부(13)는 상기 빔 검출부(12)에 포함되는 검출기(123)로부터 검출된 아날로그의 레이저 방사빔(TB)을 디지털로 변환한 후 이를 측정라인(L1)을 통해 레이저 발진기(100)에 전달하게 되는 바,
상기 레이저 발진기(100)에 탑재된 제어프로그램에서는 상기 온도측정부(10)의 측정온도를 입력받은 후 이를 기준온도와 비교하여, 측정온도가 기준온도보다 낮거나 같으면 상기 레이저 발진기(100)의 출력레벨을 높이고, 측정온도가 기준온도보다 높으면 상기 레이저 발진기의 출력레벨을 낮추면서 용착하고자 하는 모재의 불량여부를 확인할 수 있는 것이다.
일예로, 상기 레이저 발진기(100)에 설정된 기준온도(T1)가 200℃인 경우, 모재에 대한 레이저 용착을 진행하면서 상기 온도측정부(10)에 의해 측정된 용착의 측정온도(T2)가 170℃로 측정되면, 상기 레이저 발진기(100)의 제어프로그램에서는 정상적인 레이저 빔(LB)의 출력온도가 설정된 기준온도(T1)인 200℃가 되도록 전기적 에너지의 출력레벨을 높여 모재에 대한 용착시의 품질상태를 균일하게 유지시키는 한편, 첨부된 도 8의 측정그래프에서와 같이 모재가 정상인 것을 손쉽게 판단할 수 있는 것이다.
반면, 상기 레이저 발진기(100)에 설정된 기준온도(T1)가 200℃인 경우, 모재에 불량요소(예; 균열, 제품 굴곡, 제품 파손)가 존재하여 상기 모재에 대한 레이저 용착을 진행시 첨부된 도 9에서와 같이, 상기 온도측정부(10)에 의해 측정된 용착의 측정온도(T2)가 불규칙한 곡선을 나타내면, 상기 레이저 발진기(100)의 제어프로그램에서는 모재에 불량요소(예; 균열, 제품 굴곡, 제품 파손)가 존재한 것으로 손쉽게 판단할 수 있게 되는 것이다.
이상에서 본 발명 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기에 대한 기술사상을 첨부도면과 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
10; 온도측정부 11; 반사렌즈
12; 빔 검출부 121; 필터렌즈
122; 제 1 초점렌즈 123; 검출기
13; 데이터 변환부 100; 레이저 발진기
200; 레이저 다이오드 300; 냉각장치
400; 광섬유 케이블 500; 레이저 헤드
501; 조준렌즈 502; 초점렌즈

Claims (4)

  1. 전기적 에너지를 공급하는 레이저 발진기; 상기 레이저 발진기로부터 공급되는 전기적 에너지를 레이저 빔 에너지로 변환 출력하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드에서 전기적 에너지를 레이저 빔 에너지로 변환시 발생하는 열을 냉각시키는 냉각장치; 상기 레이저 다이오드와 광섬유 케이블로 연결되고, 상기 레이저 다이오드에서 변환 출력된 레이저 빔 에너지의 초점을 모은 후 이를 레이저 용착을 위한 모재에 조사하도록 조준렌즈와 초점렌즈를 포함하는 레이저 헤드; 를 구성하되,
    상기 레이저 헤드에는 레이저 빔 조사로 모재의 레이저 용착이 이루어질 때 그 레이저 용착이 진행되는 부분의 온도를 실시간 측정하는 온도측정부를 연결 구성하고,
    상기 레이저 발진기는 측정라인으로 상기 온도측정부와 연결 구성하되, 상기 온도측정부의 측정온도를 입력받은 후 이를 기준온도와 비교하여, 측정온도가 기준온도보다 낮거나 같으면 상기 레이저 발진기의 출력레벨을 높이고, 측정온도가 기준온도보다 높으면 상기 레이저 발진기의 출력레벨을 낮추면서 용착하고자 하는 레이저 용착하고자 하는 모재의 불량여부를 판단하는 제어프로그램을 탑재 구성하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 온도측정부는,
    상기 레이저 헤드의 조준렌즈와 초점렌즈의 사이에 배열되고, 상기 초점렌즈를 통해 모재의 용착부위에서 방사되는 레이저의 방사빔을 반사시키는 반사렌즈;
    상기 반사렌즈로부터 반사되는 방사빔 중 특정파장대의 레이저 방사빔만을 통과시킨 후 레이저 방사빔의 파장대를 검출하는 빔 검출부; 및,
    상기 빔 검출부로부터 검출된 아날로그의 레이저 방사빔 파장대를 디지털로 변환한 후 이를 측정라인을 통해 레이저 발진기에 전달하는 데이터 변환부; 를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 빔 검출부는,
    상기 반사렌즈로부터 반사되는 레이저 방사빔에서 특정파장대의 레이저 방사빔만을 통과시키는 필터렌즈;
    상기 필터렌즈로부터 필터링된 레이저 방사빔의 초점을 맞춰 굴절시키는 제 1 초점렌즈; 및,
    상기 제 1 초점렌즈로부터 굴절되는 레이저 방사빔의 파장대를 검출한 후 그 검출된 아날로그의 레이저 방사빔을 데이터 변환부로 출력하는 검출기; 를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 반사렌즈는 조준렌즈에서 초점렌즈로의 방향으로 레이저 빔이 조사시 그 레이저 빔은 통과시키고, 상기 초점렌즈에서 조준렌즈의 방향으로 레이저의 방사빔이 방사시 그 레이저 방사빔은 빔 검출부로 반사시키는 전반사 거울인 것을 특징으로 하는 온도 제어 기능을 가지는 레이저 용착기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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