WO2015062591A1 - Verfahren zur strukturierung einer oberfläche eines maschinenelements - Google Patents

Verfahren zur strukturierung einer oberfläche eines maschinenelements Download PDF

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Frank Himsel
Serge Kursawe
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
    • C23C14/042—Coating on selected surface areas, e.g. using masks using masks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/32—Processes for applying liquids or other fluent materials using means for protecting parts of a surface not to be coated, e.g. using stencils, resists
    • B05D1/322—Removable films used as masks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16N—LUBRICATING
    • F16N1/00—Constructional modifications of parts of machines or apparatus for the purpose of lubrication
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F16C33/1025—Construction relative to lubrication with liquid, e.g. oil, as lubricant
    • F16C33/106—Details of distribution or circulation inside the bearings, e.g. details of the bearing surfaces to affect flow or pressure of the liquid
    • F16C33/107—Grooves for generating pressure

Definitions

  • Ose present invention concerns! a method of structuring a surface of a machine element. Hlritergriind the rfir ⁇ ng
  • German patent application DE 10 2011 076 410 A1 discloses a method for processing a surface of aachiniser element exposed to rolling or gleitibeiastyng. A coating is applied to the surface using the PVD process. The surface itself is machined by a geometrically undefined machining process such that it has an isotropic structure.
  • DE 10 2007 054 181 A1 discloses a cupcake stand provided with a corrosion-resistant coating.
  • the Besonicbtung in this case is multi-layered and uniutzt amorphous carbon with hydrogen.
  • a method of machining a hard carbon coating is known e.g. 8. from DE 10 2006 010 916 AI known. In this case, bursting or piforming elements are used for the surface of the surface,
  • the object of the invention is to provide a cost-effective and simple method for surface fricturization of machining elements, so that oil retention is improved on strongly polished surfaces.
  • the masking itself is formed by a release agent, which is designed such that the masking-free surface of the machine element remains free from contamination after the masking has been applied.
  • the release agent is cured after being applied to the surface of the machine element.
  • outgassing of constituents of the separating agent is prevented. This is even more important because when applying the Besehielv This should not be hindered by the outgassing of separation in its formation.
  • a masonry element having a surface which is exposed to a rolling or sliding load and which carries a structure which thus forms a structured functional surface is obtained.
  • This structured surface is formed by the method described above.
  • the functional surface of the Maschlneneiement interacts with a mating surface, so that by means of the structure of the functional surface friction is ven f ingerbar and a ⁇ lryckha tev mdgen is improved.
  • FIG. 3 is a schematic view of the machine element S according to the invention: the one with a corresponding locating element.
  • Figure 1 shows a schematic view of erflndyngsdorfen method for forming a structure 2 on the Oberfläc e 4 of a machine element 8,
  • Mitteis a Dryekeinnchtung 8 a masking 10 is applied to the surface 4 of the Asehinenelemenfs 6.
  • a relative movement R is generated between the pressure inlet 8 and the roller element 6, but as a rule the closing motion 6 stops and the printing roller 8 moves.
  • the printing unit img 8 an inkjet printer.
  • any shape of the mask 10 on the surface 4 of the machine element 6 can be formed with the ink jet printer.
  • the masking 10 After the masking 10 has been formed on the surface 4 of the yasohelene alloy ⁇ , the masking 10 is cured so that: outgassing during the application of a coating. 12 is prevented. Coating 12 is then applied to the cured release agent of the masking 10 using a standard process. The suction seal 12 is applied in such a way that the coating 12 covers parts of the surface 4 of the masking element 6 which are free of the masking 1.0.
  • the surface 18 of the patch 10 covered by the puddle 12 is applied completely to the surface 4 of the mohair eclipse 6 and the surface 16 of the mask 10 is covered by the coating 12 where the mask 10 is removed 14 of the mask 10 is facilitated by the fact that by the release agent of the mask 10 S a lower adhesion between the surface 4 of the machine element 8 is.
  • the points of the masking 10 are removed from the surface 4 of the machine element 6.
  • the structure 2 remains on the surface 4 of the machine element 6.
  • FIG. 2 shows another embodiment of the method according to the invention, applying a structure 2 to the surface 4 of a machine element 6.
  • the printing device 8 is in this case designed as a printing process.
  • the printing process includes printed material 20, which is designed as a racket, by means of which the release agent a movement de Rackel on the surface 4 of the Maschinenelemae s 6 is applied.
  • the process according to the invention proceeds in exactly the same way as already described in FIG. 1 and will not be explained again here for the sake of simplicity.
  • lg. 3 schematically shows the interaction of the machine element 6 with a counter-element 22.
  • the structure 2 formed on the surface 4 of the machine element 6 lies on a gearing surface 24 of the counter-element 22 at.
  • a structure 2 on the surface 4 of an aluminum alloy takes place in cups or other casting surfaces in the vented sleeve, such as vibrating or trailing or sounding rocking levers, ⁇ nwen-0. Due to the structure 2 on the surface 4 of the machine element 6, the ⁇ lryefehatevermdgen is thus reduced so that a better lubrication between the machine element 8 and the outer element 22 is achieved. Furthermore, a masonry element 8 with the structure 2 formed by the structure 2 also finds application in trilogy-stressed surfaces of rolling and sliding bearings, in general the structure 2 on the surface 4 of the machine element 8 serves to simplify and improve lubrication ,
  • a trench-like functional surface is partially imprinted with a masking 10, and, finally, the masking 100 is provided with a reshaping and anti-sliding coating 12.
  • the mask 10 is removed with the overlying layer 12.
  • the areas of the surface 4 of the masonry element 6 which are exposed by the masking 10 improve the oil-blocking capacity and thus contribute to the further friction reduction and / or improvement of the shifting ratio between the yawing element 8 and the counter-element 22. Berne «gsE & fc etf iste

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Abstract

Es ist ein Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche (4) eines Maschinenelements (6) offenbart. Hierzu wird eine Maskierung (10) mit einer Druckeinrichtung (8) aufgebracht. Nach dem Harten der Maskierung (10) wir eine gleichmäßige Beschichtung (12) aufgebracht. Letztendlich wird die Maskierung (10) abgetragen und eine Struktur (2) bleibt auf der Oberfläche (4) des Maschinenelements (6) zurück.

Description

Verf hren zur Str kiim xm rnnrnr O rfläc e eb
nes $ schkiefi ie e t
B schreibung
Ose vorliegende Erfindung betriff! ein Verfahren zut Struktarierung einer Oberfläche eines Maschinenelements. Hlritergriind der rfirÄng
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2011 076 410 AI offenbart ein Verfahren zur Bearbeitung einer Wälz- oder Gtelibeiastyng ausgesetzten Oberfläche eines aachinerselements. Auf di Oberfläche wird eine eeschichtung im PVD- Verfahren aufgebracht. Die Oberfläche selbst wird durch ein geometrisch nicht definiertes, spanabhebendes Verfahren derart bearbeitet, dass sie eine isotrope Struktur er ält.
Aus der DE 10 2007 054 181 AI ist ei mit einer korrosionsfesten esehioh- lo g versehener TassenstaSel bekannt. Die Besonicbtung ist in diesem Fall mehrlagig aufgebaut und unifasst amorphen Kohlenstoff mit Wasserstoff. Ein Verfahren zw Bearbeitung einer Beschichtung aus hartem Kohlenstoff ist z. 8. aus der DE 10 2006 010 916 AI bekannt. Hierbei werden zur Oiifbmg der Oberflache bersten- oder piaftenforrmge Elemente verwendet,
2 t Beschichtung von Oberflächen geeignete ARO-Prozesse sind beispielsweise in der DE 10 2007 058 356 AI offenbart, Verschiedene verschleißfeste Be~ Schichtungen, welche CrMx »Phasen oder kohlenstoffhaltige Funkitonssehiehten -OH, a-€: i a-Ol , ta-O) um assen, sind . 8, aus der DE 10 2004 043 550 A I bekannt. Aufg e der r ndung
Der Erfindung liegt die Aufgabe z gr nde, ein kostengünstiges und einfaches Verfahre mr Öherflächensfrykturierung von Maschlnenelemenien anzuführen, so dass das Ölrückhaiteverniögen bei stark polierten Oberflächen verbessert ist,
^us rrsmenf ssyr&g der Erfind n -
Diese Aufgabe wird erfindungsge äß gelost durch ein Verfahren zur Strukturier rung einer Oberfläche eines Maschlnenetements. das die Merkmale des Anspruchs 1 yrnfassi as erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst eine Maskierung auf der Oberfläche des Maschinenelemenis durch eine Druckeinrichtung aufgebracht wird. Anschließend wird eine Beschickung ufgebracht so dass die Beschichfung gleichmäßig die Oberfläche des Maschl- nenefements und eine Oberfläche der Maskierung auf dem Masd ineneiement bedeckt. Letztendlich wird die Maskierung vor der Oberfläche des Maschinen- Clements abgetragen. Das Abtragen der Maskierung von der Oberfläche des Maschinenelemenis Ist ein mechanischer und/oder chemischer Prozess, wodurch die lose anhaftenden Teile der Maskierung entfernt werden. Eine weitere Möglichkeit der Abtragung kann .auch im Betrieb erfolgen., öle Abtragung wird dabei durch die Nockenwelle Im Betrieb herbeigeführt.
Die Maskierung selbst wird durch ein Trennmittel gebildet, das dmari ausgebildet ist, dass d e von der Maskierung freie Oberfläche des Maschinenelements nach dem Aufbringen der Maskierung frei von Kontaminationen bleibt.
Das Trennmittel wird nac dem Aufbringen auf die Oberfläche des Maschinen- elements ausgehärtet. Somit wird ein Ausgasen von Bestandteilen des Trenn- mittels verhindert. Dies Ist umso wichtiger, da beim Aufbringen der Besehielv tung diese nicht durcli ein Ausgasen des Trennrnitteis in ihrer Ausbildung behindert erte soll.
Das Aufbringen der Maskierung auf das asehlnenelement erfolgt mit ei er Diückelnriehfung» die einen Tintenstrahldruck rozess realisiert. Zum Aufbringen der skierung mit dem Tinfenstraf idruokpfo es wird zwischen der Druckeinrichtung und dem asehinenelement eine Relativbewegung erzeugt Gem ß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Aufbringen der Maskie un mit einer Druckeinrichtung erfolgen, die einen Siebdruck rozess oder einen Taropondruckpro ess realisiert:, Das Abtragen der Maskierung von de Oberfläche des Maschinenelements wird mechanisch und/oder chemisch durchgeführt. Durch die mechanische und/Oder chemische Einwirkung auf die Oberfläche des Maschinenefernents lösen sich diejenigen Teile des Trennmitfels, welche direkt mit de Oberfläche des Ma- sehinenelettients I Kontakt sind. Die auf die Maskierung: und die Oberfläche des Masc inenelements aufgebrachte Beschlehtung bleibt somit an denjenigen Stellen am Masoh nenele ent haften, die nicht von einer Maskierung bedeckt sind. Nach dem Abiragen der Maskierung von der Oberfläche■■erhält man somit eine strukturierte Funktionsflache.
G mäß dem ert ndungsgemä&en Verfahren erhält man ein Masehlnenelement mit einer Oberfläche, die einer Wälz- oder Gleitbelastung ausgesetzt ist und eine Struktur trägt, die somit eine strukturierte Funktionsfläche bildet. Diese strukturierte Oberfläche wird mit dem oben beschriebenen Verfahren ausgebildet. Die Funktionsfläche des Maschlneneiement wirkt mit einer Gegenfläche zusammen, so dass mittels der Struktur der Funktionsfläche eine Reibung ven f ingerbar ist und ein Ölryckha tev mdgen verbessert ist. im Folgenden sollen AusfOhrungsbeis lele die Erfindung und Ihre Vorteile .anh nd der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Grollen Verhältnisse m den Figuren entsprechen nicht immer den realen Gröllerwerhältnissem da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veransc ayllo yng vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Dabei zeigen:
Flg. 1 eine sc emat she. Ansicht der Ausbildung einer strukturierten
Funkiionsrläebe auf einem aschinanelemenf gemaS einer ersten Ausiuhrungsform des erfind ungsgemäßen Verfahrens; eine schematische Ansieht der Ausbildung einer strukturierten Funktionsflache auf der Oberfläche eines Maschlnenelements gemäß einer zweite Ausfuhrungsform des erfind ungsgemäßen Verfahrens; und Fig. 3 eine schematiche Ansicht des erfmdungsgernäßen Maschinen- etementS: das mit einem entsprechenden öegenelenient znsam- menw-rki.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente de Erfindung werden Identische Bezugszeichen verwendet. Femer werden der Übersicht halber nur Bezugs en chen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausfuhrungsforrnen stellen lediglich Beispiele dar: wie das erfindyngsgemäSe Verfahren zw Aus ildu g einer strykt nerten Fynkilensfiäeh auf dar Oberfläche eines asehlnenelernents ausgestaltet sein kann und stellt somit keine abschließende Begrenzung der Erfindung dar.
Figur 1 zeigt eine schematisch Ansicht des erflndyngsgemäßen Verfahrens zur Ausbildung einer Struktur 2 auf der Oberfläc e 4 eines Maschinenelements 8, Mitteis einer Dryekeinnchtung 8 wird eine Maskierung 10 auf die Oberfläche 4 des asehinenelemenfs 6 aufgebracht. Zum Aufbringen der Maskierung 10 auf der Oberfläche 4 des aschlnenelements 8 wird zwischen der Druckein- rlcf tung 8 und dem aschinenelemenf 6 eine Relativbewegung R erzengt, in der Regel steht jedoch das aschlnenelen ent 6 still und die Druckelnrlchfyng 8 bewegt sich. In der In Fig. 1 dargestellten Ausbildungsform Ist die Druckeinrlch- img 8 ein Tintenstrahldrucker. MI dem Tintenstrahldrucker kann somit Jede beliebige Form der Maskierung 10 auf der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 ausgebildet werden. Nachdem die Maskierung 10 auf der Oberfläche 4 des yasohinenelemertts δ ausgebildet is wird die Maskierung 10 ausgehärtet so S dass: ein Ausgasen während des Aufbringen^ einer Beschichtung. 12 verhindert ist. Auf das ausgehartete Trennmittel der Maskierung 10 wird dann mit einem Standardprozess d e Beschichtung 12 aufgebracht Üm Sasehichtung 12 wird dabei derart: aufgebracht dass die Beschichtung 12 Teile der Oberfläche 4 des yascbsnenelements 6, die frei von der Maskierung 1.0 sind, bedeckt. Ebenso0 wird die Oberfl che 18 der askierung 10 von der Besehlchtung 12 bedeckt Mandern eile Beschichtung 12 vollständig auf die Oberfläche 4 des Masohi- neneianients 6 und die Oberfläche 16 der Maskierung 10 aufgebracht wo de Ist, erfolgt ein Abtragen 14 der Maskierung 10, Das Abiragen 14 der Maskierung 10 wird dadurch erleichtert, dass durch das Trennmittel der Maskierung 10 S eine geringere Haftung zwischen der Oberfläche 4 des Maschinenelements 8 besteht. Durch die geeignete mechanische Einwirkung werden die Stellen der Maskierung 10 von der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 entfernt Übrig bleibt die Struktur 2 auf der Oberfläche 4 des Maschinenelemenfs 6.
Flg. 2 zeigt eine weitere Ausführe ngsform des edindungsgemaBen Verfahrens0 mm Aufbringen einer Struktur 2 auf die Oberfläche 4 eines Maschlneneiernents 6, Die Druckeinrichtung 8 ist in diesem Fall als ein Siehdruckprozess ausgestaltet Der Ssehdruckprezess umfassi e n Druckten 20, das als Rackel ausgebildet Ist, womit das Trennmittel mittels eine Bewegung de Rackel auf die Oberfläche 4 des Maschinenelemae s 6 aufgebracht wird. Abgesehen von de ver- wendeten Druckeinrichtung S In Fig. 2 läuft das erhndoegsgemäSe Verfahren genauso ab, wie bereits in der Fig. 1 beschrieben und wird hier der Einfachhell halber nicht noch einmal erläutert. lg. 3 zeigt schematisch das Zusammenwirken des Maschinenelements 6 mit einem Gegeneleme.nl 22, Die auf der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 ausgebildete Struktur 2 liegt an einer Gagenfläche 24 des Gegenelements 22 an. Durch die Stroktyr 2 auf der Oberfläche 4 des asd inenelements 6 wird d e Reibung wischen: dem Masehinenelement β und dam Gegenelement 22 erhöht. n der Regel besteht zwischen dem Masehlnenelement 6 und dem Gegenelement 22 eine grolle Haftreibung, da die Flächen sehr glatt ausgebildet S sind, was zu einer extrem geringen öberrlächenrauheit resultiert
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausbildung einer Struktur 2 auf der Oberfläche 4 eine aschlneneiernents $ findet bei Tassen« stöilelvenfiitrieben oder sonstigen Gieitffächen im Ventüfrieb, wie 8. Schwingoder Sehleppheheln oder schallbaren Schwing- öder Schlepphebeln, Änwen-0 düng. Durch die Struktur 2 auf der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 wird somit das Ölryefehatevermdgen verringert« so dass eine besser Schmierung zwischen dem Maschinenelement 8 und dem Oegeneiement 22 erreicht wird. Ferner findet ein Masehineneiement 8 mit der rfi dung fem te ausgebildeten Stryktur 2 ebenfalls Anwendung in tribelogisch beanspruchten Funkiions--5 flächen in Wälz- und Gleitlagern, im Allgemeinen dient die Struktur 2 auf der Oberfläche 4 des .Maschinenelements 8 zur elbungsr dyzierung und besseren Schmierung.
Eine trtbologlsch foeanspruchle Funktionsfläche wird gemäß der Erfindung partiell mt einer Maskierung 10 bedruckt, Änsehiie&end wird die Maskierung 100 mit einer resbmineiernden und verschieislhemmenden Besehichtung 12 versehen. Durch eine nachgelagerte mechanische Bearbeitung wird die Maskierung 10 mit der darüber liegenden Schicht 12 entfernt. Die von der Maskierung 10 freigelegten Bereiche der Oberfläche 4 des Masehinenelements 6 verbessern das Ölröckhaitevermögen und tragen so zur weiteren ReibvermlnderyngS und/oder Verbesserung des VerschieiSverhältnlsses zwischen yaschfneneie- ment 8· und Gegenelement 22 bei. Bern« gsE&fc etf iste
2 Struktur
4 Oberfläche
0 aseMnenetement
8 Druckemiichiung
10 askieru g
12 Besc c ufig
14 Abtragen
11 Oberfläche der aski rung 20 Druckelement
22 Gegenelement
24 eegenfiäche
R Relativbewegung , Bewegung

Claims

Patentansprüche
5 1 Verfahren zur Sfiuktuherung einer Oberfläche (4) eines Masehinenele- ments (6), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte;
* Aufbringen einer Maskierung (10) mi einer Dryekeln lchtung (8);
* Aufbringen einer Beschlchfung (12}: derart dass die Beschlch ung 10 .(12) gleichmäß g die von der Maskierung (10) freie Oberfläche (4) des Maschineneiernents (ß) und eine Oberfläche (16) der Maskierung (10) auf dem Mascbineneiernent (6) bedeckt; und
* Abtragen (14) der Maskierung (10) von der Oberfläche (4) des fesohinenelemenfs (6),
I S 2 Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Maskierung (10) durch ein Trenn- mittel gebildet wird, das derart ausgebildet ist dass die von der Maskierung (10) f eie Oberfläche (4) eines Maschlnerwlenients (8) nach deni Aufbringen der Maskierung (10) frei von Kontaminationen bleibt
3, Verfahren nach Anspruch 2S wobei das Trennmitlei nach dem Aufbringen 0 auf die Oberfläche (4) eines Maschlneneiements (6) ausgehärtet wird, so dass ein Ausgasen von Bestandteilen des Trennmitteis verhindert Ist.
4. Verfahren nach den vorangehende Anspr chen, wobei das Aufbringen der Maskierung (10) mit einer Druckeinrichtung (8) erfolgt die einen Tin- fenstrahldruckprozess realisiert. 6 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei das Aufbringen einer
Maskierung (10) mit einer Dfuckeinnchtung (8) erfolgt, die einen Sieb» ■ ruckproaess realisiert.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei das Aufbringen einer Maskierung (10) mit einer Druckeinrichtung, iß) erfolgt # einen Tampon- druckpro ess reafesri
Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, wobei ein Abtragen (14) der Maskierung (10) von der Oberfläche (4) des yasc inenetements 8) mechanisch und/oder chemlsdi durchgeführt win aschineneiement (8) mit einer Oberfläche (4), die einer Wälz- oder Gleitbelasiung ausgesetzt ist und eine Struktur (2) trägt, die gemäE dem Verfahren nach den .Ansprüc en 1 bis 7 ausgebildet ist.
Maschinenelement (6) nach Anspruch 8, wobei die Oberfläche (4) des Maschineneternenis (8) mit der Struktur (2) e ne Funktionsflache- ist die mit eine Gegenflache (24) zusammenwirkt und mittels der Struktu (2) eine Reibung verringerbar und ein Öirückhaltevermögen verbesserbar ist
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