WO2019072485A1 - Verfahren zur herstellung von faserverstärkten kunststoff-formteilen - Google Patents

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WO2019072485A1
WO2019072485A1 PCT/EP2018/074691 EP2018074691W WO2019072485A1 WO 2019072485 A1 WO2019072485 A1 WO 2019072485A1 EP 2018074691 W EP2018074691 W EP 2018074691W WO 2019072485 A1 WO2019072485 A1 WO 2019072485A1
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screw
fiber
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injection
cylinder
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Stefan Moser
Maximilian Schadhauser
Nicolina TOPIC
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Kraussmaffei Technologies Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for the production of fiber-reinforced plastic molded parts according to the preamble of patent claim 1.
  • WO201 1 / 066917A2 discloses an injection molding machine for the production of fiber-reinforced plastic molded parts, with a cylinder and with a rotatable and linearly driven in the cylinder screw, wherein in the cylinder a first opening is provided as a filling opening for the supply of a plastic material to be melted, and wherein a second opening is provided downstream of the first opening in the cylinder as a filling opening for the supply of one or more fiber bundles.
  • the fiber bundles can be pulled off from one or more fiber coils.
  • the fibers are drawn in by the screw during its rotation and mixed into the melt.
  • the amount of retracted fiber bundles depends on the screw speed and the axial movement of the screw.
  • the fiber feed produced by the screw rotation during the plasticizing a much higher fiber concentration in the flights than the collection by the axial movement in the execution of the injection stroke. This leads to an inhomogeneous fiber concentration in the screw flights, which in turn can result in inhomogeneous fiber concentration in the fiber-reinforced plastic molded part.
  • an inhomogeneous fiber concentration leads to fluctuations in the plasticizing time.
  • the screw shaft used can optionally have one or more mixing zones or be carried out very long, so that a disproportionately high, spiral-bound convective mixing effect arises.
  • a combination of long worm shaft and mixing zone is conceivable. The disadvantage of these two possibilities is increased manufacturing costs of an extended plasticizing and the increased fiber length shortening associated with mixing operations.
  • the object of the invention is to specify a method with which fiber-reinforced plastic molded parts can be produced on an injection molding machine equipped with a single-screw plasticizing unit, wherein the injection-molded plastic molded parts have improved homogeneity of the fiber concentration and, consequently, improved mechanical properties Have properties.
  • Another object of the invention is to achieve a higher process stability through reproducible plasticizing times.
  • the screw is also driven in rotation during the execution of the injection stroke, whereby endless fiber strands or cut fiber strand sections are drawn into the flights, fluctuations in the fiber concentration in the melt and thus also in the injection-molded plastic molding can be avoided. It can be dispensed with a distributive acting mixing part.
  • a dispersively acting mixing part can be provided in order to dissolve any agglomerates that may occur.
  • a screw with a relatively long Metenngzone to homogenize the fiber concentration for the inventive method, a screw with a comparatively shorter trained metering zone can be used, which is reflected in a reduction in the cost of the screw. This applies regardless of whether a mixing part is present or not.
  • the fiber material can be supplied in the form of endless fiber strands. However, it is also possible to use cut fiber strand sections, preferably cut glass fiber strands, as fiber material.
  • the screw speed can be controlled in such a way that the fiber content in the screw flights is kept constant.
  • the screw speed can preferably be determined or regulated according to the following formula:
  • Proportionality factor empirically determined or calculated from screw geometry.
  • the screw speed can take different values during an injection stroke.
  • the plastic material to be melted can preferably be entered as granules, wherein the input of the granules can be done as Granuleindos réelle in the first opening with a gravimetrically or volumetrically operated Granulatdosier réelle.
  • the granule dosage can be interrupted during the execution of the injection stroke and / or during the holding pressure phase.
  • the granular mass flow dm Gr can anuiat / lt to be metered into the screw flights during injection, the following formula can be determined or controlled, ie for the Granulateindos ist following formula may be used:
  • the injection molding machine 1 illustrated in FIG. 1 essentially comprises a closing unit 2, which is indicated only schematically here, and a plasticizing unit. unit 3, which is designed as Spntzech. Closing unit 1 and Spntzech 3 are mounted in a conventional manner on a machine bed, not shown here.
  • the injection unit 3 comprises a cylinder 4 with a screw 5. On the outside of the cylinder 4, a plurality of heating elements 19 are mounted.
  • the rear end of the worm 5 is operatively connected to a rotary drive 6 and a linear drive 7.
  • a first opening is provided as a filling opening 8 for the supply of a plastic material to be melted.
  • a second opening is provided in the cylinder 4 as a filling opening 9 for the supply of a fiber material 10.
  • the fiber material can be provided as continuous fiber strands 10a to 10f (also called rovings) in a suitable fiber reservoir 18.
  • the fiber reservoir 18 may be formed as a fiber fork with a plurality of fiber coils, from which the endless fiber strands 10a - 10f can be deducted. But it can also cut fiber strand sections, preferably cut glass fiber strands, used as a fiber material and entered into the filling opening 9.
  • the screw 5 has a remindströmsperre 1 1.
  • FIG. 2 shows a situation after the execution of an injection stroke, shortly after the start of plasticizing again.
  • a section 22 with a reduced concentration of fiber material Between two sections 20 and 21 with fiber material there is a section 22 with a reduced concentration of fiber material.
  • section 22 is shown as if there were no fibrous material. In practice, however, it is the case that fiber material is also present in the screw flights. It is only so that, viewed over the entire screw 5, there is an inhomogeneous fiber concentration in the screw threads overall, downstream of the filling opening 9 for the fiber material.
  • the sections 20 and 21 form zones with a comparatively high fiber concentration, whereas the section 22 represents a zone with a comparatively low fiber concentration.
  • the single-screw plasticizing unit is operated in such a way that the screw 5 is also rotated during the execution of the injection stroke, wherein endless fiber strands or cut fiber strand sections are drawn into the screw flights.
  • fiber material is nachge specialt.
  • fluctuations in the fiber concentration in the flights and thus also in the injection-molded plastic molding can be avoided.
  • a higher process stability can be achieved by reproducible plasticizing times.
  • Tables 1 and 2 show different variants of a method according to the invention.
  • Proportionality factor empirically determined or calculated from screw geometry.

Abstract

Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff- Formteilen, wobei Endlosfaserstränge (10a bis 10f) oder geschnittene Glasfaserstränge einer Plastifiziereinheit (3) zugeführt werden, die einen Zylinder (4) und in dem Zylinder (4) eine dreh- und linearantreibbare Schnecke (5) aufweist. Über eine erste Öffnung (8) im Zylinder (4) wird ein aufzuschmelzendes Kunststoffmaterial eingegeben. Förderabseitig von der ersten Öffnung (8) werden über eine zweite Öffnung (9) die Endlosfaserstränge (10a bis 10f) oder die geschnittenen Glasfaserstränge in den Zylinder (4) eingegeben und von der Schnecke (5) durch Rotation eingezogen. Aufgeschmolzenes und mit Fasermaterial versetztes Kunststoffmaterial wird durch einen Einspritzhub der Schnecke in ein Formwerkzeug (2) eingespritzt. Zur Verbesserung der Homogenität der Faserkonzentration in den Schneckengängen und somit auch im Formwerkzeug ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schnecke (5) während der Ausführung des Einspritzhubs drehangetrieben wird und gleichzeitig Endlosfaserstränge oder geschnittene Glasfaserstränge in die Schneckengänge eingezogen werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff- Formteilen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 .
Die WO201 1/066917A2 offenbart eine Spritzgießmaschine zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen, mit einem Zylinder und mit einer in dem Zylinder dreh- und linearantreibbaren Schnecke, wobei in dem Zylinder eine erste Öffnung als Einfüllöffnung für die Zufuhr eines aufzuschmelzenden Kunststoffmaterials vorgesehen ist, und wobei förderabseitig von der ersten Öffnung in dem Zylinder eine zweite Öffnung als Einfüllöffnung für die Zufuhr von einem oder mehreren Faserbündeln vorgesehen ist. Die Faserbündel können von einer oder mehreren Faserspulen abgezogen werden. Bei der Herstellung eines faserverstärkten Kunst- stoff-Formteils werden die Fasern von der Schnecke bei deren Rotation eingezogen und in die Schmelze untergemischt. Die Menge der eingezogenen Faserbündel ist von der Schneckendrehzahl und der axialen Verfahrbewegung der Schnecke abhängig. Dabei erzeugt der Fasereinzug durch die Schneckenrotation während des Plastifizierens eine wesentlich höhere Faserkonzentration in den Schneckengängen als der Einzug durch die axiale Verfahrbewegung bei der Ausführung des Einspritzhubs. Dies führt zu einer inhomogenen Faserkonzentration in den Schneckengängen, die wiederum in inhomogener Faserkonzentration im faserverstärkten Kunst- stoff-Formteil münden kann. Zudem führt eine inhomogene Faserkonzentration zu Schwankungen in der Plastifizierzeit.
Aus der WO2014/04866A1 ist eine Spritzgießmaschine zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen bekannt, bei der das Fasermaterial in Form von geschnittenen Fasern in die Plastifiziereinheit eingegeben wird. Während der Ausführung des Einspritzhubs verringert sich die Faserkonzentration in der Schmelze im Vergleich zur Phase des Plastifizierens Dies führt zu einer inhomogenen Faserkonzentration in den Schneckengängen, die wiederum in inhomogener Faserkonzentration im faserverstärkten Kunststoff-Formteil münden kann. Zudem führt eine inhomogene Faserkonzentration zu Schwankungen in der Plastifizierzeit.
Um eine inhomogene Faserkonzentration in gewissem Maße auszugleichen, kann die eingesetzte Schneckenwelle wahlweise eine oder mehrere Mischzonen aufweisen oder sehr lang ausgeführt werden, sodass eine überproportional hohe, schneckengebundene konvektive Mischwirkung entsteht. Auch eine Kombination aus langer Schneckenwelle und Mischzone ist denkbar. Der Nachteil dieser beiden Möglichkeiten besteht in erhöhten Herstell kosten einer verlängerten Plastifiziereinheit und der verstärkten Faserlängenverkürzung die mit Mischoperationen einhergeht.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem faserverstärkte Kunststoff-Formteile auf einer mit einer Ein- schnecken-Plastifiziereinheit ausgestatteten Spritzgießmaschine hergestellt werden können, wobei die spritzgegossenen Kunststoff-Formteile eine verbesserte Homogenität der Faserkonzentration und infolgedessen auch verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen. Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe liegt darin, eine höhere Prozessstabilität durch reproduzierbare Plastifizierzeiten zu erzielen.
Diese Lösung erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Dadurch, dass die Schnecke auch während der Ausführung des Einspritzhubs drehangetrieben wird, wobei Endlosfaserstränge oder geschnittene Faserstrangabschnitte in die Schneckengänge eingezogen werden, lassen sich Schwankungen in der Faserkonzentration in der Schmelze und damit auch im spritzgegossenen Kunststoff-Formteil vermeiden. Es kann auf ein distributiv wirkendes Mischteil verzichtet werden. Ein dispersiv wirkendes Mischteil kann vorgesehen sein, um gegebenenfalls auftretende Agglomerate auflösen zu können. Außerdem kann anstelle einer Schnecke mit einer relativ langen Metenngzone zwecks Homogenisierung der Faserkonzentration für das erfindungsgemäße Verfahren eine Schnecke mit einer demgegenüber kürzer ausgebildeten Meteringzone verwendet werden, was sich in einer Reduzierung der Kosten für die Schnecke bemerkbar macht. Das gilt unabhängig davon, ob ein Mischteil vorhanden ist oder nicht.
Es ergibt sich eine verbesserte Homogenität der Faserkonzentration und infolgedessen liegen auch verbesserte mechanische Eigenschaften im Formteil vor. Zudem kann eine höhere Prozessstabilität durch reproduzierbare Plastifizierzeiten erzielt werden. Das Fasermaterial kann in Form von Endlosfasersträngen zugeführt werden. Es können aber auch geschnittene Faserstrangabschnitte, vorzugsweise geschnittene Glasfaserstränge, als Fasermaterial verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Schneckendrehzahl während der Ausführung des Einspritzhubs derart geregelt werden, dass der Fasergehalt in den Schneckengängen konstant gehalten wird.
Dabei kann die Schneckendrehzahl vorzugsweise gemäß folgender Formel bestimmt bzw. geregelt werden:
Figure imgf000005_0001
wscrew,back
Proportionalitätsfaktor, empirisch ermittelt oder aus Schneckengeome trie berechnet.
Drehzahl während des Einspritzens
Einspritzgeschwindigkeit
Schneckendrehzahl während des Plastifizierens
Schneckenrücklaufgeschwindigkeit während des Plastifizierens Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass die Granulateindosierung während der Ausführung des Einspritzhubs und/oder während der Nachdruckphase unterbrochen wird.
Die Schneckendrehzahl
Figure imgf000006_0001
kann während eines Einspritzhubs verschiedene Werte annehmen.
Das aufzuschmelzende Kunststoffmaterial kann vorzugsweise als Granulat eingegeben werden, wobei die Eingabe des Granulats als Granulateindosierung in die erste Öffnung mit einem gravimetrisch oder volumetrisch betriebenen Granulatdosiergerät erfolgen kann.
Die Granulateindosierung kann während der Ausführung des Einspritzhubs und/oder während der Nachdruckphase unterbrochen werden.
Vorzugsweise kann der Granulatmassestrom dmGranuiat/ lt, der während des Einspritzens in die Schneckengänge eindosiert werden soll, gemäß folgender Formel bestimmt bzw. geregelt werden, d.h. für die Granulateindosierung kann folgende Formel zugrunde gelegt werden:
_ 1 ~~ Mfaser
^Granulat ™ ~ * mfaser
Mf ser
Cfasei-: Gewünschter Fasergehalt im Bauteil mf ser : Fasermassestrom während des Einspritzens
(Bekannt, da durch Faserzuführvorrichtung aufgeprägt)
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 näher beschrieben werden.
Die in der Figur 1 dargestellte Spritzgießmaschine 1 umfasst im Wesentlichen eine vorliegend nur schematisch angedeutete Schließeinheit 2 sowie eine Plastifizierein- heit 3, welche als Spntzeinheit ausgebildet ist. Schließeinheit 1 und Spntzeinheit 3 sind in an sich bekannter Weise auf einem hier nicht dargestellten Maschinenbett angebracht. Die Spritzeinheit 3 umfasst einen Zylinder 4 mit einer Schnecke 5. Auf der Außenseite des Zylinders 4 sind mehrere Heizelemente 19 angebracht. Das hintere Ende der Schnecke 5 ist mit einem Drehantrieb 6 und einem Linearantrieb 7 wirkverbunden. Im hinteren Endbereich der Schneckengänge ist eine erste Öffnung als Einfüllöffnung 8 für die Zufuhr eines aufzuschmelzenden Kunststoffmaterials vorgesehen. Förderabseitig von der ersten Öffnung 8 ist in dem Zylinder 4 eine zweite Öffnung als Einfüllöffnung 9 für die Zufuhr eines Fasermaterials 10 vorgesehen. Das Fasermaterial kann als Endlosfaserstränge 10a bis 10f (auch Rovings genannt) in einem geeigneten Faservorratsbehälter 18 bereitgestellt werden. Der Faservorratsbehälter 18 kann als Fasergatter mit mehreren Faserspulen ausgebildet sein, von denen die Endlosfaserstränge 10a - 10f abgezogen werden können. Es können aber auch geschnittene Faserstrangabschnitte, vorzugsweise geschnittene Glasfaserstränge, als Fasermaterial verwendet und in die Einfüllöffnung 9 eingegeben werden. Am vorderen Ende weist die Schnecke 5 eine Rückströmsperre 1 1 auf. Gegebenenfalls kann förderabseitig von der Rückströmsperre 1 1 ein mit der Schnecke 5 drehfest verbundenes und mit dieser mitrotierendes, dispersiv und/oder distributiv wirkendes Mischteil 12 vorgesehen sein, das so ausgebildet sein sollte, dass eine möglichst faserschonende Mischwirkung vorliegt.
Die Figur 2 zeigt eine Situation nach der Ausführung eines Einspritzhubs, kurz nach dem erneuten Plastifizierbeginn. Zwischen zwei Abschnitten 20 und 21 mit Fasermaterial befindet sich ein Abschnitt 22 mit einer reduzierten Konzentration an Fasermaterial. Der Einfachheit halber ist der Abschnitt 22 so dargestellt, als ob kein Fasermaterial vorhanden wäre. In der Praxis ist es jedoch so, dass auch dort Fasermaterial in den Schneckengängen vorhanden ist. Es lediglich so, dass über die gesamte Schnecke 5 gesehen, förderabseitig von der Einfüllöffnung 9 für das Fasermaterial insgesamt eine inhomogene Faserkonzentration in den Schneckengängen vorliegt. Die Abschnitte 20 und 21 bilden Zonen mit einer vergleichsweise hohen Faserkonzentration, wohingegen der Abschnitt 22 eine Zone mit einer vergleichsweise niedrigen Faserkonzentration darstellt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Einschnecken-Plastifiziereinheit in der Weise betrieben wird, dass die Schnecke 5 auch während der Ausführung des Einspritzhubs drehangetrieben wird, wobei Endlosfaserstränge oder geschnittene Faserstrangabschnitte in die Schneckengänge eingezogen werden. Während des Einspritzhubs wird somit Fasermaterial nachgefördert . Dadurch lassen sich Schwankungen in der Faserkonzentration in den Schneckengängen und damit auch im spritzgegossenen Kunststoff-Formteil vermeiden. Es ergibt sich eine verbesserte Homogenität der Faserkonzentration und infolgedessen liegen auch verbesserte mechanische Eigenschaften im Formteil vor. Zudem kann eine höhere Prozessstabilität durch reproduzierbare Plastifizierzeiten erzielt werden.
In den Tabellen 1 und 2 sind verschiedene Varianten für ein erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt.
Tabelle 1 : Prozessablauf Variante 1
Prozessphase Schnecke dreht Granulateindosierung
(-» Fasereinzug)
Einspritzen Ja Ja
Nachdruck Ja Ja
Dekompressionshub 1 Nein Nein
Plastifizieren Ja Ja
Dekompressionshub 2 Nein Nein
Restkühlzeit Nein Nein
Tabelle 2: Prozessablauf Variante 2
Prozessphase Schnecke dreht Granulateindosierung
(-» Fasereinzug)
Einspritzen Ja Nein
Nachdruck Ja Nein
Dekompressionshub 1 Nein Nein
Plastifizieren Ja Ja
Dekompressionshub 2 Nein Nein
Restkühlzeit Nein Nein
Die Bestimmung der Schneckendrehzahl ninj während des Einspritzens, die notwendig ist, um die Faserkonzentration konstant zu halten, erfolgt gemäß der nachfolgend dargestellten Formel:
Figure imgf000009_0001
screw ack
Proportionalitätsfaktor, empirisch ermittelt oder aus Schneckengeome trie berechnet.
Drehzahl während des Einspritzens
Einspritzgeschwindigkeit
Schneckendrehzahl während des Plastifizierens
Schneckenrücklaufgeschwindigkeit während des Plastifizierens
Der Granulatmassestrom dmGranuiat/dt, der während des Einspritzens in die Schneckengänge eindosiert wird, berechnet sich gemäß der nachfolgend dargestellten Formel, d.h. für die Granulateindosierung gilt:
Figure imgf000009_0002
Cfasei-: Gewünschter Fasergehalt im Bauteil
mf aser : Fasermassestrom während des Einspritzens
(Bekannt, da durch Faserzuführvorrichtung aufgeprägt)
Bezugszeichenliste
Figure imgf000010_0001

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen, wobei Endlosfaserstränge (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f) oder geschnittene Faserstrangabschnitte, vorzugsweise geschnittene Glasfaserstränge, einer Plastifiziereinheit (3) zugeführt werden, wobei die Plastifiziereinheit (3) einen Zylinder (4) und in dem Zylinder (4) eine dreh- und linearantreibbare Schnecke (5) aufweist, wobei über eine erste Öffnung (8) in dem Zylinder (4) ein aufzuschmelzenden Kunststoffmaterial eingegeben wird, wobei förderabseitig von der ersten Öffnung (8) über eine zweite Öffnung (9) die Endlosfaserstränge (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f) oder die geschnittenen Faserstrangabschnitte in den Zylinder (4) eingegeben und von der Schnecke (5) durch Rotation in die Schneckengänge eingezogen werden, und wobei aufgeschmolzenes und mit Fasermaterial versetztes Kunststoffmaterial durch einen Einspritzhub der Schnecke in ein Formwerkzeug (2) eingespritzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schnecke (5) während der Ausführung des Einspritzhubs drehangetrieben wird, wobei Endlosfaserstränge oder geschnittene Faserstrangabschnitte in die Schneckengänge eingezogen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schneckendrehzahl (nirij) während der Ausführung des Einspritzhubs derart gewählt wird, dass die Faserkonzentration in den Schneckengängen konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schneckendrehzahl (ninj.) während des Einspritzhubs verschiedene Werte annimmt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
für die Schneckendrehzahl (ninj.) gilt:
Figure imgf000012_0001
V screw,back wobei:
c: Proportionalitätsfaktor, empirisch ermittelt oder aus Schneckengeometrie berechnet.
Drehzahl während des Einspritzens
Einspritzgeschwindigkeit
Schneckendrehzahl während des Plastifizierens
Vscrew.back Schneckenrücklaufgeschwindigkeit während des Plastifizierens
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das aufzuschmelzende Kunststoffmaterial als Granulat eingegeben wird, wobei die Eingabe des Granulats als Granulateindosierung mit einem gravimetrisch oder volu- metrisch betriebenen Granulatdosiergerät erfolgt
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Granulateindosierung während der Ausführung des Einspritzhubs und/oder während der Nachdruckphase unterbrochen wird
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
für die Granulateindosierung gilt:
Figure imgf000013_0001
' mfaser faser wobei:
Cfaser Gewünschter Fasergehalt im Bauteil
mfaser : Fasermassestrom während des Einspritzens
(Bekannt, da durch Faserzuführvorrichtung aufgeprägt)
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