KR20170007046A - 핫프레스 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

핫프레스 장치가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 압착대상을 설정된 온도에서 압착하는 핫프레스장치는 상기 압착대상이 설정된 간격을 두고 배치되는 롤이 감기는 롤러, 상기 롤러에서 공급되는 롤과 대응하여 상기 압착대상의 일면과 마주하도록 배치되는 핫플레이트, 상기 핫플레이트를 상기 압착대상으로 누르도록 배치되는 프레스부, 및 상기 압착대상 사이의 거리에 따라서 상기 핫플레이트를 상기 롤의 이동방향 또는 이동 반대방향으로 움직이는 피치가변부를 포함할 수 있다.

Description

핫프레스 장치 및 그 방법{HOT PRESS DEVICE AND THE METHOD THEREOF}
본 발명의 실시예는 전해질막, 전극, 및 서브가스켓을 포함하는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 핫프레싱 하기 위한 핫프레스 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료전지(Fuel Cell)는 수소 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의하여 전기를 생산한다. 이러한 연료전지는 별도의 충전 과정 없이도 외부에서 화학 반응물을 공급받아 지속적인 발전이 가능하다는 특징이 있다.
연료전지는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(분리판 또는 바이폴라 플레이트)를 배치하여 구성될 수 있다.
여기서, 막-전극 어셈블리는 전해질막을 사이에 두고 그 전해질막의 일면에 애노드 전극층을 형성하며, 다른 일면에 캐소드 전극층을 형성하고 있다. 그리고, 막-전극 어셈블리는 애노드 전극층 및 캐소드 전극층을 각각 개방하고, 전해질막의 양면 가장자리 부분에 접합되는 서브 가스켓을 구비하고 있다.
한편, 종래 기술에서는 롤 형태로 만들어진 막-전극 어셈블리의 접합 공정 및 핀칭공정까지의 전 공정을 자동으로 구현하는 자동화 시스템을 개시하고 있으며, 막-전극 어셈블리를 접합 프레스에 투입하고, 그 접합 프레스에서 전해질막과 전극을 고온/고압으로 접합한다.
한편, 막전극어셈블리가 하나의 긴 롤 상태로 핫프레스 공정을 거치게 되는데, 하나의 롤 위에서 막전극어셈블리 사이의 거리가 다르게 분포되어, 핫프레스 공정의 정밀도가 저하될 수 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 목적은 MEA롤에 배열되는 막전극어셈블리 사이의 거리가 다른 상태에서 핫프레스 공정을 보다 정밀하게 수행하여 연료전지의 상품성을 향상시킬 수 있는 핫프레스 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 압착대상을 설정된 온도에서 압착하는 핫프레스장치는 상기 압착대상이 설정된 간격을 두고 배치되는 롤이 감기는 롤러, 상기 롤러에서 공급되는 롤과 대응하여 상기 압착대상의 일면과 마주하도록 배치되는 핫플레이트, 상기 핫플레이트를 상기 압착대상으로 누르도록 배치되는 프레스부, 및 상기 압착대상 사이의 거리에 따라서 상기 핫플레이트를 상기 롤의 이동방향 또는 이동 반대방향으로 움직이는 피치가변부를 포함할 수 있다.
상기 압착대상은 막전극어셈블리이고, 상기 롤은 MEA롤일 수 있다
상기 핫플레이트는 상기 막전극어셈블리가 배열된 방향으로 설정된 간격을 두고 배치되는 제1,2,3핫플레이트를 포함하고, 상기 피치가변부는 상기 제1,2,3핫플레이트 중 적어도 하나를 앞쪽 또는 뒤쪽으로 움직일 수 있다.
상기 피치가변부는, 상기 제2핫플레이트를 기준으로 상기 제1핫플레이트를 앞쪽으로 또는 뒤쪽으로 움직일 수 있다.
상기 피치가변부는, 상기 제2핫플레이트를 기준으로 상기 제3핫플레이트를 앞쪽으로 또는 뒤쪽으로 움직일 수 있다.
상기 제2핫플레이트는 고정되고, 상기 제1,3핫플레이트가 앞쪽 또는 뒤쪽으로 움직이도록 배치될 수 있다.
상기 제1,2,3핫플레이트는 각각 상기 막전극어셈블리의 양면에 대응하여 상하 양측에 배치될 수 있다.
상기 피치가변부는, 상기 서보모터, 상기 서보모터에 의해서 회전하도록 배치되는 스크류, 상기 스크류와 체결되고, 상기 스크류의 회전방향에 따라서 양방향으로 움직이도록 배치되는 이동블럭을 포함하고, 상기 제1,2,3핫플레이트 중 적어도 하나는 상기 이동블럭과 함께 양방향으로 움직이도록 배치될 수 있다.
상기 MEA롤에 배치되는 상기 막전극어셈블리 사이의 피치를 감지하는 피치감지부, 및 상기 피치감지부에서 감지된 상기 막전극어셈블리 사이의 피치에 따라서 상기 피치가변부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
감겨진 상기 MEA롤을 상기 핫프레스장치로 공급하도록 회전하는 언와인더롤러, 및 상기 핫프레스장치로부터 상기 MEA롤을 배출하도록 상기 MEA롤을 감도록 회전하는 리와인더롤러를 포함할 수 있다.
상기 제1,2,3핫플레이트 중 적어도 하나의 일면에는 상기 막전극어셈블리와 마주하여 소프트필름이 고정되어 배치되고, 상기 소프트필름은 상기 막전극어셈블리의 형태와 대응하여 돌출부가 형성될 수 있다.
상기 프레싱부는, 상기 MEA롤의 일측면에 마주하여 배치되는 이동프레임, 및 상기 이동프레임을 상기 막전극어셈블리 측으로 누르는 실린더를 포함하고, 상기 이동블럭은 상기 이동프레임에 슬라이딩되도록 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 다른 핫프레스 방법은 압착대상을 설정온도에서 프레싱하는 핫플레이트의 위치를 상기 압착대상의 간격에 따라서 보정하는 단계, 상기 핫플레이트를 상기 압착대상의 양측면에 설정된 힘으로 밀착시키는 단계, 및 상기 압착대상에 밀착된 상기 핫플레이트를 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 압착대상은 롤에 설정된 간격을 두고 배열되고, 상기 롤을 상기 핫플레이트 사이로 로딩될 수 있다.
상기 압착대상은 막전극어셈블리이고, 상기 롤은 MEA롤일 수 있다.
상기 핫플레이트는 상기 막전극어셈블리가 배열된 방향으로 설정된 간격을 두고 배치되는 제1,2,3핫플레이트를 포함하고, 상기 보정하는 단계에서, 상기 제1,2,3핫플레이트 중 적어도 하나를 앞쪽 또는 뒤쪽으로 움직일 수 있다.
상기 보정하는 단계에서, 상기 제2핫플레이트는 고정되고, 상기 제1,3핫플레이트가 앞쪽 또는 뒤쪽으로 움직일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, MEA롤에 배치되는 막전극어셈블리의 피치에 따라서 핫플레이트의 위치를 보정함으로써, 핫플레이트를 이용하여 보다 정밀하게 상기 막전극어셈블리를 핫 프레싱할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명과 관련된 연료전지 스택 부품 제조장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 부품 제조장치의 일부 일부 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 부품 제조장치의 일부 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫프레스 방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핫프레스 방법에서 피치가변부의 구조를 보여주는 일부 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명과 관련된 연료전지 스택 부품 제조장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 스택 부품 제조장치는 언와인더롤러(100), MEA롤(102), 막전극어셈블리(105), 보호필름(115), 보호필름롤러(110), 제1핫플레이트(120), 제2핫플레이트(122), 프레스부(130), 실린더(132), 프레싱프레임(140), 제3핫플레이트(124), 및 리와인더롤러(101)를 포함한다.
상기 MEA롤(102)에는 설정된 간격을 두고 상기 막전극어셈블리(105)가 배치되고, 상기 막전극어셈블리(105) 사이에는 각각 제1피치(P1)와 제2피치(P2)가 형성된다.
상기 MEA롤(102)은 상기 언와인더롤러(100)에 감겨있고, 상기 언와인더롤러(100)에 감긴 상기 MEA롤(102)은 풀려서 상기 리와인더롤러(101)에 다시 감기는 구조를 갖는다.
상기 제1,2,3핫플레이트(120, 122, 124)는 상기 MEA롤(102)의 상부와 하부에 각각 마주하게 배치되고, 상기 프레싱프레임(140)에 의해서 상기 제1,2,3핫플레이트(120, 122, 124)가 상하로 움직여서, 상기 막전극어셈블리(105)를 핫프레싱하는 구조를 갖는다.
아울러, 상기 언와인더롤러(100)에서 상기 리와인더롤러(101)로 이동하는 상기 MEA롤(102)은 상기 제1핫플레이트(120), 상기 제2핫플레이트(122), 및 상기 제3핫플레이트(124)를 지나는 구조를 갖는다.
상기 프레싱프레임(140)은 프레스부(130)에 의해서 상하로 움직이는 구조를 가지며, 상기 프레스부(130)는 실질적으로 상기 프레싱프레임(140)을 상하로 움직이는 실린더(132)를 포함하고, 상기 실린더(132)는 유압에 의해서 구동될 수 있다.
상기 MEA롤(102)의 상부에 배치되는 상기 제1,2,3핫플레이트(120, 122, 124)와 상기 MEA롤(102) 사이에는 보호필름(115)이 공급되고, 상기 MEA롤(102)의 하부에 배치되는 상기 제1,2,3핫플레이트(120, 122, 124)와 상기 MEA롤(102) 사이에 보호필름(115)이 상기 보호필름롤러(110)로부터 공급된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 부품 제조장치의 일부 일부 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 상기 제1핫플레이트(120), 상기 제2핫플레이트(122), 및 상기 제3핫플레이트(124)는 각각 상하로 배치되고, 상기 제1,2,3핫플레이트(120, 122, 124) 사이로 상기 MEA롤(102)이 지나고, 상기 제1,2,3핫플레이트(120, 122, 124)가 각각 상기 막전극어셈블리(105)를 핫프레싱하도록 상기 프레싱프레임(140)에 배치된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1,3핫플레이트(120, 124) 사이에 배치되는 상기 제2핫플레이트(122)는 상기 프레싱프레임(140)에 고정되고, 상기 제1,3핫플레이트(120, 124)는 상기 MEA롤(102)의 이송 방향으로 설정거리 이동 가능하게 배치된다.
아울러, 상기 제1피치가변서보모터(200)는 상기 제1핫플레이트(120)를 당기거나 밀어서 상기 제2핫플레이트(122) 사이의 거리를 조절할 수 있고, 상기 제2피치가변서보모터(205)는 상기 제3핫플레이트(124)를 당기거나 밀어서 상기 제2핫플레이트(122) 사이의 거리를 조절할 수 있다.
따라서, 상기 막전극어셈블리(105)가 상기 MEA롤(102)에 균일하지 않은 피치를 가지고 배열되더라도, 상기 제2핫플레이트(122)를 기준으로 상기 제1,3핫플레이트(120, 124)의 위치를 가변시킴으로써 보다 정밀하게 핫프레싱 공정을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 부품 제조장치의 일부 단면도이다.
도 3을 참조하면, 연료전시 스택 부품 제조장치는 제1핫플레이트(120), 소프트필름(300), 돌출부(305), 및 막전극어셈블리(105)를 포함하고, 상기 막전극어셈블리(105)는 전해질막(320), 전극(330), 및 서브가스켓(310)을 포함한다.
상기 제1핫플레이트(120)의 일면에는 각각 상기 막전극어셈블리(105)와 마주하여 보호필름(115)이 부착 고정되고, 상기 보호필름(115)에는 상기 막전극어셈블리(105)의 형태에 대응하여 상기 돌출부(305)가 형성된다.
따라서, 상기 돌출부(305)가 상기 막전극어셈블리(105)의 홈에 삽입되도록 상기 제1핫플레이트(120)가 핫프레싱됨으로써, 핫프레싱 공정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에서, 상기 막전극어셈블리(105)가 상기 MEA롤(102)에 균일하지 않은 피치를 가지고 배열되더라도, 상기 제2핫플레이트(122)를 기준으로 상기 제1,3핫플레이트(120, 124)의 위치를 가변시킴으로써 보다 정밀하게 핫프레싱 공정을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫프레스 방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 4를 참조하면, S400에서 상기 MEA롤(102)을 상기 언와인더롤러(100)에서 상기 리와인더롤러(101)로 이동시켜서 상기 막전극어셈블리(105)가 상기 제1,2,3핫플레이트(120, 122, 124) 사이에 각각 배치되도록 하고, S410에서 상기 MEA롤(102)에 배열된 상기 막전극어셈블리(105)의 간격(피치)를 감지한다.
그 다음, S420에서 감지된 상기 막전극어셈블리(105)의 간격에 대응하여 상기 제1,3핫플레이트(120, 124)의 간격을 조절하고, S430에서 상기 제1,2,3핫플레이트(120, 122, 124)를 이용하여 핫프레싱 공정을 수행한다.
그 다음, S440에서 상기 제1,2,3핫플레이트(120, 122, 124)를 상기 막전극어셈블리(105)에서 분리하고, S450에서 상기 MEA롤(102)을 상기 제1,2,3핫플레이트(120, 122, 124)에서 언로딩한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핫프레스 방법에서 피치가변부의 구조를 보여주는 일부 개략적인 단면도이다.
도 5를 참조하면, 피치가변부는 슬라이더(510)를 통해서 상기 프레싱프레임(140)에서 슬라이딩가능하게 배치되는 이동블럭(507), 상기 이동블럭(507)과 함께 움직이도록 상기 이동블럭(507)에 체결되는 제1핫플레이트(120)를 포함한다.
스크류(505)가 상기 이동블럭(507)을 관통하여 배치되고, 상기 스크류(505)의 회전에 따라서 상기 이동블럭(507)이 상기 프레싱프레임(140)에서 왕복해서 움직이도록 배치된다.
상기 스크류(505)의 일단은 상기 제1피치가변서보모터(200)에 연결되고, 상기 제1피치가변서보모터(200)는 상기 프레싱프레임(140)에 고정블럭(500)을 통해서 고정된다.
제어부(550)는 상기 막전극어셈블리(105) 사이의 피치를 감지하는 피치감지부(555)로부터 피치신호를 수신하고, 이러한 피치신호에 따라서 상기 제1피치가변서보모터(200)를 작동시켜 상기 제1핫플레이트(120)의 위치를 보정한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 피치감지부(555)는 상기 막전극어셈블리(105)의 위치를 각각 감지하는 센서를 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.
100: 언와인더롤러 101: 리와인더롤러
105: 막전극어셈블리 110: 보호필름롤러
115: 보호필름 120: 제1핫플레이트
122: 제2핫플레이트 130: 프레스부
132: 실린더 140: 프레싱프레임
124: 제3핫플레이트 200: 제1피치가변서보모터
205: 제2피치가변서보모터 300: 소프트필름
310: 서브가스켓 305: 돌출부
320: 막전극 330: GDL
500: 고정블럭 505: 스크류
507: 이동블럭 510: 슬라이더
550: 제어부 555: 피치감지부

Claims (17)

  1. 압착대상을 설정된 온도에서 압착하는 핫프레스 장치에 있어서,
    롤러에서 공급되는 상기 압착대상의 일면과 마주하도록 배치되는 핫플레이트;
    상기 핫플레이트를 상기 압착대상으로 누르도록 배치되는 프레스부; 및
    상기 압착대상 사이의 거리에 따라서 상기 핫플레이트를 상기 롤의 이동방향 또는 이동 반대방향으로 움직이는 피치가변부;
    를 포함하는 핫프레스 장치.
  2. 제1 항에서,
    상기 압착대상이 설정된 간격을 두고 배치되는 상기 롤이 감기는 롤러를 포함하고, 상기 상기 압착대상은 막전극어셈블리이고, 상기 롤은 MEA롤인 것을 특징으로 하는 핫프레스 장치.
  3. 제2 항에서,
    상기 핫플레이트는 상기 막전극어셈블리가 배열된 방향으로 설정된 간격을 두고 배치되는 제1,2,3핫플레이트를 포함하고,
    상기 피치가변부는 상기 제1,2,3핫플레이트 중 적어도 하나를 앞쪽 또는 뒤쪽으로 움직이는 것을 특징으로 하는 핫프레스 장치.
  4. 제4 항에서,
    상기 피치가변부는,
    상기 제2핫플레이트를 기준으로 상기 제1핫플레이트를 앞쪽으로 또는 뒤쪽으로 움직이는 것을 특징으로 하는 핫프레스 장치.
  5. 제3 항에서,
    상기 피치가변부는,
    상기 제2핫플레이트를 기준으로 상기 제3핫플레이트를 앞쪽으로 또는 뒤쪽으로 움직이는 것을 특징으로 하는 핫프레스 장치.
  6. 제3 항에서,
    상기 제2핫플레이트는 고정되고, 상기 제1,3핫플레이트가 앞쪽 또는 뒤쪽으로 움직이도록 배치되는 것을 특징으로 하는 핫프레스 장치.
  7. 제3 항에서,
    상기 제1,2,3핫플레이트는 각각 상기 막전극어셈블리의 양면에 대응하여 상하 양측에 배치되는 것을 특징으로 하는 핫프레스 장치.
  8. 제3 항에서,
    상기 피치가변부는,
    서보모터;
    상기 서보모터에 의해서 회전하도록 배치되는 스크류;
    상기 스크류와 체결되고, 상기 스크류의 회전방향에 따라서 양방향으로 움직이도록 배치되는 이동블럭; 을 포함하고,
    상기 제1,2,3핫플레이트 중 적어도 하나는 상기 이동블럭과 함께 양방향으로 움직이도록 배치되는 것을 특징으로 하는 핫프레스 장치.
  9. 제3 항에서,
    상기 MEA롤에 배치되는 상기 막전극어셈블리 사이의 피치를 감지하는 피치감지부; 및
    상기 피치감지부에서 감지된 상기 막전극어셈블리 사이의 피치에 따라서 상기 피치가변부를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 핫프레스 장치.
  10. 제3 항에서,
    감겨진 상기 MEA롤을 상기 핫프레스장치로 공급하도록 회전하는 언와인더롤러; 및
    상기 핫프레스장치로부터 상기 MEA롤을 배출하도록 상기 MEA롤을 감도록 회전하는 리와인더롤러;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 핫프레스 장치.
  11. 제3 항에서,
    상기 제1,2,3핫플레이트 중 적어도 하나의 일면에는 상기 막전극어셈블리와 마주하여 소프트필름이 고정되어 배치되고,
    상기 소프트필름은 상기 막전극어셈블리의 형태와 대응하여 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 핫프레스 장치.
  12. 제8 항에서,
    상기 프레싱부는,
    상기 MEA롤의 일측면에 마주하여 배치되는 이동프레임; 및
    상기 이동프레임을 상기 막전극어셈블리 측으로 누르는 실린더; 를 포함하고,
    상기 이동블럭은 상기 이동프레임에 슬라이딩되도록 연결된 것을 특징으로 하는 핫프레스 장치.
  13. 압착대상을 설정온도에서 프레싱하는 핫플레이트의 위치를 상기 압착대상의 간격에 따라서 보정하는 단계;
    상기 핫플레이트를 상기 압착대상의 양측면에 설정된 힘으로 밀착시키는 단계; 및
    상기 압착대상에 밀착된 상기 핫플레이트를 분리하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 핫프레스 방법.
  14. 제12항에서,
    상기 압착대상은 롤에 설정된 간격을 두고 배열되고, 상기 롤을 상기 핫플레이트 사이로 로딩되는 것을 특징으로 하는 핫프레스 방법.
  15. 제12항에서,
    상기 압착대상은 막전극어셈블리이고, 상기 롤은 MEA롤인 것을 특징으로 하는 핫프레스 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 핫플레이트는 상기 막전극어셈블리가 배열된 방향으로 설정된 간격을 두고 배치되는 제1,2,3핫플레이트를 포함하고,
    상기 보정하는 단계에서,
    상기 제1,2,3핫플레이트 중 적어도 하나를 앞쪽 또는 뒤쪽으로 움직이는 것을 특징으로 하는 핫프레스 방법.
  17. 제15항에서,
    상기 보정하는 단계에서,
    상기 제2핫플레이트는 고정되고, 상기 제1,3핫플레이트가 앞쪽 또는 뒤쪽으로 움직이는 것을 특징으로 하는 핫프레스 방법.
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