滅火器端蓋塑料注射模設(shè)計(jì)【高度100】
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立體光照成型的注塑模具工藝的綜合模擬
摘要 功能性零部件都需要設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試,車(chē)間試驗(yàn),客戶評(píng)價(jià),以及生產(chǎn)計(jì)劃。在小批量生產(chǎn)零件的時(shí)候,通過(guò)消除多重步驟,建立了有快速成型形成的注塑模具,這種方法可以保證縮短時(shí)間和節(jié)約成本。這種潛在的一體化由快速成型形成注塑模具的方法已經(jīng)被多次證明是可行的。無(wú)論是模具設(shè)計(jì)還是注塑成型的過(guò)程中,缺少的是對(duì)如何修改這個(gè)模具材料和快速成型制造過(guò)程的影響有最根本的認(rèn)識(shí)。此外,數(shù)字模擬技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為模具設(shè)計(jì)工程師和工藝工程師開(kāi)注塑模具的有用的工具。但目前所有的做常規(guī)注塑模具的模擬包已經(jīng)不再適合這種新型的注塑模具,這主要是因?yàn)槟>卟牧系某杀咀兓艽蟆T诒疚闹?,以完成特定的?shù)字模擬注塑液塑造成快速成型模具的綜合方法已經(jīng)發(fā)明出來(lái)了,而且還建立了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,目前這個(gè)方法非常適合處理快速成型模具中的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞 注塑成型,數(shù)字模擬,快速成型
1引言
在注塑成型中,聚合物熔體在高溫和高壓下進(jìn)入模具中。因此,模具的材料需要有足夠的熱性能和機(jī)械性能來(lái)經(jīng)受高溫和高壓的塑造循環(huán)。許多研究的焦點(diǎn)都是直接有快速成型形成注塑模具的過(guò)程。在生產(chǎn)小批量零件的時(shí)候,通過(guò)消除多重步驟,直接由快速成型形成的注塑模具可以保證縮短時(shí)間和節(jié)約成本。這種潛在的有快速成型形成注塑模具的方法已經(jīng)被證明成功了??焖俪尚湍>咴谛阅苌鲜怯袆e與傳統(tǒng)的金屬模具。主要差異是導(dǎo)熱性能和彈性模量(剛性)。舉例來(lái)說(shuō),在立體光照成型模具中的聚合物的導(dǎo)熱率小于鋁制的工具的千分之一。在用快速成型技術(shù)來(lái)制造鑄模時(shí),整個(gè)模具設(shè)計(jì)和注塑成型工藝參數(shù)都需要修改和優(yōu)化,傳統(tǒng)的方法是改變徹底的刀具材料.不過(guò),目前還沒(méi)有對(duì)如何修改這個(gè)模具材料的方法有根本的了解.在當(dāng)前的模具中,僅僅改變一些材料的性能是不能得到一個(gè)合理的結(jié)果的。同樣,使用傳統(tǒng)方法的時(shí)候,實(shí)際生產(chǎn)的零件也會(huì)有出先次品。因此,研究出一個(gè)快速成型過(guò)程,材料和注塑模具之間的互動(dòng)關(guān)系是非常火急的。這樣就可以確定模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和快速模具的注塑的技術(shù)。
此外,計(jì)算機(jī)模擬是一種預(yù)測(cè)模塑件的質(zhì)量的有效的方法。目前,商用仿真軟件包已經(jīng)成為模具設(shè)計(jì)師和工藝工程師在注塑過(guò)程中例行性的工具。不幸的是,目前常規(guī)注塑成型的模擬程序已經(jīng)不再適用于這個(gè)快速成型模具,因?yàn)樗鼧O大的需要不同的刀具材料。例如,利用現(xiàn)在的仿真軟件在鋁和立體光照模具之間做個(gè)實(shí)驗(yàn)比較一下,雖然鋁模具模擬植的部分失真是合理的,但是結(jié)果是不可以接受的,因?yàn)檎`差超過(guò)了百分之五十。在注塑成型中,失真主要是由于塑料零件的收縮和翹曲,模具也是一樣的。對(duì)于通常模具,失真的主要因素是塑料件的收縮和翹曲,這個(gè)在目前的模擬中能測(cè)試準(zhǔn)確。但是對(duì)于快速成型模具,潛在的失真會(huì)更多,在當(dāng)前的測(cè)試中,其中就會(huì)有些失真會(huì)被忽視。例如,用一個(gè)簡(jiǎn)單的三步驟模擬分析模具變形的時(shí)候,就會(huì)出現(xiàn)很多偏差。
在本文中,基于以上分析,一個(gè)新的快速成型模具的仿真系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)了。擬議制度著重于預(yù)測(cè)部分失真,主要是用與預(yù)測(cè)快速成型模具的缺陷。先進(jìn)的仿真系統(tǒng)可以用于預(yù)測(cè)快速成型模具設(shè)計(jì)和工藝是否最合理。我們的仿真系統(tǒng)已經(jīng)被我們的實(shí)驗(yàn)證明是沒(méi)有錯(cuò)誤的。
雖然有很多材料可以用于快速成型技術(shù),但是我們還是專注于利用立體光照模具的技術(shù)來(lái)制造聚合物模具.立體光照成型的過(guò)程是利用激光能量一層一層建立零件的部分。使用立體光照則可以體現(xiàn)出雙方在快速成型工業(yè)的商業(yè)優(yōu)勢(shì),而且在以后也可以生產(chǎn)出準(zhǔn)確的,高品質(zhì)的零部件。直到最近,立體光照主要是用于建立物理模型,為了檢查視覺(jué)效果,僅僅只利用了它的一點(diǎn)點(diǎn)功能。不過(guò),新一代的立體光照的光改善了立體化,機(jī)械性能,熱學(xué)性能,所以它可以更好的應(yīng)用于實(shí)際的模具中。
2 綜合仿真的成型過(guò)程
2.1 方法
為了在注塑成型過(guò)程中模擬立體光照模具的功能,反復(fù)的試驗(yàn)中得到了一個(gè)方法。不同的軟件組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)了,而且也已經(jīng)做到了這一點(diǎn)。主要的假設(shè)是,溫度和負(fù)載邊界條件造成立體光照模具的扭曲,仿真步驟如下:
?。辈糠謳缀文P蛣t作為一個(gè)實(shí)體模型,這將通過(guò)流量分析軟件包被翻譯到一個(gè)文件中。
2模擬光聚合物模具中熔融體填充的過(guò)程,然后輸出溫度和壓力的資料。
?。吃谇耙徊将@得了熱負(fù)荷和邊界條件,然后對(duì)光模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,其中失真的計(jì)算是在該注塑過(guò)程中進(jìn)行的。
?。慈绻>叩呐で諗苛耍敲粗苯舆M(jìn)行下一步.否則,扭曲的型腔(改動(dòng)扭曲后的型腔的尺寸)返回第二個(gè)步驟,以熔體形式模擬注入扭曲的模具中。
?。等缓笞⑸涑尚土慵氖湛s和翹曲模擬就開(kāi)始應(yīng)用了,算出該成型零件最終的扭曲部分.
上述的模擬流動(dòng)中,基本上是三個(gè)仿真模塊。
2.2充型模擬的熔體
2.2.1數(shù)字建模
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)能成功的預(yù)測(cè)到在極其復(fù)雜的幾何形狀下的填充情況。然而,目前大多數(shù)字模擬是基于一種混合有限元和有限差的中性平面上的。模擬軟件包的應(yīng)用過(guò)程基于這一模型說(shuō)明圖1。然而,不同與CAD系統(tǒng)中模具設(shè)計(jì)中的表面/實(shí)體模型,這里所謂的中性平面(如圖所示,圖1B)是一個(gè)假想的在中間型腔中有距離和方向的一個(gè)平面,這個(gè)平面可能會(huì)在應(yīng)用的過(guò)程中帶來(lái)很大的不便。舉例來(lái)說(shuō),模具表面常用于目前的快速成型系統(tǒng)中(通常是STL格式),所以當(dāng)用模擬軟件包的時(shí)候,第二次建模是不可避免的。那是因?yàn)槟P驮诳焖俪尚拖到y(tǒng)和仿真系統(tǒng)中是不一樣的??紤]到這些缺點(diǎn),在模擬系統(tǒng)中,型腔的表面將以基準(zhǔn)面來(lái)引入,而不是中性平面。
根據(jù)以往的調(diào)查,流量和溫度場(chǎng)的方程式可以寫(xiě)為:
X,Y是中性平面坐標(biāo)系中的兩個(gè)平面,Z是高度坐標(biāo),U,V,W是X,Y,Z方向上的速度.U,V是整體的平均厚度,η, ρ,CP (T), K(T)分別表示聚合物的粘性,密度,周期熱,熱導(dǎo)率。
圖1 A-D是中性平面的模擬程序.A是3維表面模型,B是中性平面模型,C是網(wǎng)狀的平面模型,D是最后的模擬結(jié)果
此外,在高度方向上的邊界條件的誤差可以表示為:
正如圖2中的A中表示,TW 是恒壁溫度.結(jié)合方程1-4和方程5-6,表明了u, v, T, P在Z坐標(biāo)上面應(yīng)該是對(duì)稱的,因此在上半個(gè)高度中的平均u, v應(yīng)該和整個(gè)高度中的平均u, v是一樣的。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn),我們可以把整個(gè)型腔在上下高度上分為兩個(gè)部分,正如圖2B中的第一部分和第二部分。同時(shí),型腔(如圖2B)表面產(chǎn)生的三角有限元將替代了中性平面(如圖2A)。因此,在高度方向上的有限元誤差僅僅限于型腔表面,正如圖2B所示,高度上的誤差將從0到B。這是中性平面上的單一性。此外,從圖2A到圖2B,坐標(biāo)也隨之改變了。為了配合上述調(diào)整,方程仍是用方程1-4。然而,原來(lái)的邊界條件高度方向則改寫(xiě)為:
與此同時(shí),為了保持在同一坐標(biāo)(7)上的兩部分能夠流動(dòng),那么更多的邊界條件必須滿足Z=B。
下標(biāo)I和II則分別代表第一部分和第二部分的參數(shù).Cm-I 和Cm-II 則表示在填充階段中分開(kāi)的兩個(gè)表面上的自由移動(dòng)的熔融線。
應(yīng)該指出的是,方程9與10和方程7與8不同,9和10在數(shù)字模擬過(guò)程中將變的更難,主要原因是以下幾點(diǎn):
?。蓖粋€(gè)斷層的表面都已經(jīng)都已經(jīng)有著特殊的網(wǎng)格,這將導(dǎo)致同一層上的獨(dú)特的格局.因此,在比較兩個(gè)熔接口的時(shí)候,應(yīng)該計(jì)算出各自的u, v, T, P。
?。惨?yàn)閮蓚€(gè)部分都有各自的流道通向節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C(如圖2B所示).在同一段中,有可能兩個(gè)都充滿,也有可能一個(gè)滿,一個(gè)空.這兩個(gè)情況應(yīng)該分開(kāi)處理,應(yīng)該平均流動(dòng),使后者也分配到流動(dòng)。
?。尺@意味著在前線熔合處出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)小的誤差是可以允許的.通過(guò)控制時(shí)間和選擇更好的位置來(lái)控制前線熔合節(jié)點(diǎn)。
4每個(gè)流場(chǎng)的邊界都擴(kuò)張到熔線前線,所以核查方程10是否準(zhǔn)確是相當(dāng)重要的。
5鑒于上述分析,在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的物理參數(shù)應(yīng)該加以比較和調(diào)整。所以在進(jìn)行模擬之前,描述同一節(jié)點(diǎn)有限元的信息應(yīng)該準(zhǔn)備好,也就是說(shuō),匹配的原理應(yīng)該先預(yù)備好。
圖2 A-B表明表面模型中的中性平面B的高度方向A上的邊界條件
2.2.2數(shù)字模擬
壓力場(chǎng).在建模中,粘度 η是由于熔提的剪切速率,溫度和壓力引起的性能.剪切變稀后,這就代表一個(gè)跨越式的模式,例如:
其中對(duì)應(yīng)于冪律指數(shù),τ的特點(diǎn)是在在牛頓和冪律漸近極限之間的剪應(yīng)力過(guò)渡區(qū)。無(wú)論在溫度還是壓力指數(shù)上,η0(T, P)都可以有合理的表示,詳情如下:
方程11和12構(gòu)成了一個(gè)五個(gè)常數(shù),可以代表粘度,而且通過(guò)粘度的剪切速率的計(jì)算可以得到:
根據(jù)上述情況,通過(guò)方程1—4,我們可以推斷出一下充氣壓力方程:
其中S是由計(jì)算出來(lái)的。運(yùn)用伽遼金方法,對(duì)壓力的有限元方程推導(dǎo)為:
其中l(wèi)是所有要素的的導(dǎo)線,包括節(jié)點(diǎn)N,而且其中i和j代表此處的N節(jié)點(diǎn)的數(shù)目,的計(jì)算方法如下:
其中代表三角有限元,而代表有限元中的壓力。
溫度場(chǎng)中,為了確定高度方向上的誤差,應(yīng)該在模具表面上分為一層一層的三角有限元的網(wǎng)格。左邊的能量方程4可以表示為:
其中代表每一層N節(jié)點(diǎn)上的溫度。熱傳導(dǎo)的計(jì)算方法是:
其中l(wèi)是所有要素,包括節(jié)點(diǎn)N,而且i和j分別代表此處的N節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
對(duì)流項(xiàng)的計(jì)算方法是:
當(dāng)是粘性熱時(shí),計(jì)算方法是:
把方程17—20帶入方程4,溫度方程變?yōu)椋?
2.3 模具結(jié)構(gòu)分析
結(jié)構(gòu)分析的目的是預(yù)測(cè)在填充過(guò)程中,模具由于熱和機(jī)械壓力而產(chǎn)生的變形。這個(gè)模型是基于一個(gè)三維熱邊界元法。邊界元法是比較適合這個(gè)應(yīng)用的,因?yàn)橹挥凶冃蔚哪>弑砻娌庞羞@樣的信息。此外,邊界元法有一個(gè)優(yōu)點(diǎn),那就是在計(jì)算變形的模具的時(shí)候,它的計(jì)算是不會(huì)白費(fèi)的。
模具在所受載荷超過(guò)彈性范圍的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。因此,在決定模具變形的時(shí)候,模具材料是一個(gè)基準(zhǔn)。模具的熱性能和力學(xué)性能是各向同性的,而且溫度也是獨(dú)立的。
盡管這個(gè)過(guò)程是循環(huán)的,但是相同時(shí)間的溫度和熱流都是可以用于計(jì)算模具變形的.通常情況下,在模具里面每個(gè)瞬間溫度都局限于型腔的表面和噴嘴的頂端。在觀察距離的時(shí)候,瞬間的衰減變化是很微笑的,小于2.5毫米.這說(shuō)明在模具的噴嘴處的變形是很小的,因此,忽略這個(gè)影響也是合理的.穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)滿足拉普拉斯方程?2T = 0的邊界條件。至于機(jī)械邊界條件,型腔表面受到熔體的壓力,模具的表面會(huì)連接到工作臺(tái)上的,而其他的外部表面將會(huì)假設(shè)是自由的.熱邊界的推導(dǎo)方程10是大家都知道的,這是由于:
其中uk, pk和T分別是位移,牽引力和溫度。α, ν是代表材料的膨脹系數(shù)和泊松比。Ulk是在XY方向上基本的位移。在一個(gè)三維空間中,各向同性彈性區(qū)域中,由一個(gè)單元產(chǎn)生的負(fù)荷主要集中在xl方向上,它是以下面的形式產(chǎn)生的:
其中δlk是Kronecker三角函數(shù),μ是該模具材料的剪切模量。Plk的基本收縮都是在模具表面的每個(gè)N節(jié)點(diǎn)處測(cè)量的,可以表示為:
整個(gè)N將分散在模具的表面上,轉(zhuǎn)變?yōu)榉匠蹋玻玻?
其中Γn是指在這個(gè)區(qū)域上的表面成分。
把恰當(dāng)?shù)木€性函數(shù)代入方程25,得到的線性邊界方程就是模具的方程.這個(gè)方程適用于每個(gè)離散的模具表面,從而組合成線性方程組,其中N是節(jié)點(diǎn)的總數(shù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有八個(gè)相關(guān)數(shù)量,三個(gè)位移組成部分,三個(gè)牽引組成部分,還有溫度和熱流量。在穩(wěn)態(tài)熱模型中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的溫度和磁場(chǎng)是已知的,余下的6個(gè)量中,三個(gè)必須是已知的。此外,在若干個(gè)節(jié)點(diǎn)處的位移值的方程必須消除剛體運(yùn)動(dòng)和剛體自轉(zhuǎn)的奇異系統(tǒng)。由此產(chǎn)生的系統(tǒng)方程式是一個(gè)集合起來(lái)的綜合矩陣,它可以為有限元方法求解。
基于方程12的注塑假設(shè),下面將給出元件的應(yīng)力和應(yīng)變:
該偏元件的應(yīng)力和應(yīng)變分別是:
用類(lèi)似的方法可以預(yù)測(cè)在回火玻璃中的殘余應(yīng)力了。以積分的形式在平面上分析粘性和彈性結(jié)構(gòu)關(guān)系時(shí),可以表示為以下公式:
其中G1是材料的的剪切模量。擴(kuò)張的應(yīng)變的情況如下:
其中K是材料體積的彈性模量,α和θ的定義是:
如果α(t) = α0,那么方程27到方程29的結(jié)果則為:
同樣的,利用方程31到方程28消除應(yīng)變?chǔ)舩x(z, t),得到:
利用拉普拉斯變化方程32,輔助系數(shù)R(ξ)由下面的方程得出:
利用上述方程33,并簡(jiǎn)化在模具中的應(yīng)力和應(yīng)變的形式,那么注塑中殘余的應(yīng)力在冷卻階段中,由下面的方程獲得:
方程34可以通過(guò)梯形正交被解決。由于材料的時(shí)間在快速的變化,所以需要一個(gè)準(zhǔn)數(shù)控程序來(lái)檢測(cè)。輔助模量是檢測(cè)數(shù)控梯形的規(guī)則。
關(guān)于翹曲分析,節(jié)點(diǎn)位移和曲率將以殼單元表達(dá)為:
其中[ k ]單元?jiǎng)偠染仃?,[Be]是衍生算子矩陣,kq6eayq是位移,{re}是 負(fù)載單元,可以由下面的方程得出:
使用完整的三維有限元分析法的好處就是可以準(zhǔn)確知道翹曲的結(jié)果。但是,當(dāng)零件的形狀很復(fù)雜的時(shí)候,它也是相當(dāng)麻煩的。在本文中,在殼體理論基礎(chǔ)上介紹了一種二維有限元分析方法。這種方法被大量使用是因?yàn)榇蠖鄶?shù)注塑模具的零件都有一些部分幾何的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他部分。因此,那些部分則可以被作為一個(gè)集會(huì)的單元來(lái)預(yù)測(cè)翹曲。每三個(gè)節(jié)點(diǎn)殼單元組合成一個(gè)恒應(yīng)變?nèi)菃卧鸵粋€(gè)離散克希霍夫三角元,如圖3所示,因此翹曲可以分為平面伸展變形CST和板彎曲變形DKT。并相應(yīng)的以單元?jiǎng)偠染仃噥?lái)描述翹曲的拉伸剛度矩陣和彎曲剛度矩陣。
圖3 a-c是殼單元在局部坐標(biāo)系統(tǒng)里的變形分解.a(chǎn)是平面伸展元素,b是平面彎曲元素,c是殼單元
三 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
對(duì)提出的模型進(jìn)行了評(píng)定和發(fā)展,最后核查是非常重要的。從模型模擬中得到的扭曲數(shù)據(jù)將和文獻(xiàn)8中的立體光照模具數(shù)據(jù)比較。如圖4所示,有一個(gè)注塑尺寸36 × 36 × 6毫米和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中是相同的。薄壁和加強(qiáng)筋的厚度都是1.5毫米,這個(gè)注塑材料是聚丙烯。注塑機(jī)的型號(hào)是ARGURY Hydronica320-210-750,它的工藝參數(shù)是,熔解溫度是250度,模具溫度是30度,注塑壓力是13.79帕,保壓時(shí)間是3秒,冷卻時(shí)間是48秒。立體光照模具材料使用杜邦SOMOSTM6110樹(shù)脂,能抵御高達(dá)300度的高溫。如上所述,熱傳導(dǎo)是區(qū)分立體光照模具和傳統(tǒng)模具的一個(gè)重要因素。模具中的熱量轉(zhuǎn)移會(huì)產(chǎn)生溫度的不均勻分布,所以導(dǎo)致了成型零件的翹曲.立體光照成型模具的周期是可以預(yù)測(cè)的。以高的熱傳導(dǎo)率金屬為背面做的薄殼立體光照模具將會(huì)增加自身的熱傳導(dǎo)率。
圖4 模型腔
圖5 不同的熱傳導(dǎo)率下,在X方向上的扭曲失真比較.實(shí)驗(yàn)值,三步走和常規(guī)都是指最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.常規(guī)是指實(shí)驗(yàn)中最好的結(jié)果.三步走步驟的模擬過(guò)程分別與傳統(tǒng)的注塑成型相似
圖6 在不同的熱傳導(dǎo)率下,在Y方向上的扭曲失真比較
圖7 在不同熱傳導(dǎo)率下,在Z方向上扭曲失真比較
圖8 不同熱傳導(dǎo)率下各個(gè)捻度變量的比較
對(duì)于這個(gè)部分,扭曲包括三個(gè)方向上的位移和捻度(兩個(gè)最初的平行邊的夾角的誤差).如圖5到圖8,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這些數(shù)值也包括通過(guò)傳統(tǒng)注塑模具模擬系統(tǒng)預(yù)測(cè)的扭曲值和報(bào)道[3]中的三步驟。
4結(jié)論
本文介紹了一個(gè)綜合模擬的快速成型模具的方法,并且建立了相應(yīng)的仿真系統(tǒng)。為了驗(yàn)證這個(gè)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)還進(jìn)行了快速焊接立體光照成型模具。
很明顯,立體光照模具也會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)的注塑模具模擬軟件一樣的故障.假設(shè)由于注射中的溫度和負(fù)載荷引起了扭曲.那么用三步驟完成的話,結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)比較多的誤差。不過(guò)更先進(jìn)的模型會(huì)使結(jié)果更接近與實(shí)驗(yàn)。
立體光照模具改進(jìn)了熱傳導(dǎo)率極大的增加了零件質(zhì)量.由于溫度比壓力(負(fù)載)對(duì)模具的影響更大,所以改進(jìn)立體光照模具的熱傳導(dǎo)率可以更顯著的提高零件質(zhì)量。
無(wú)論零件多么復(fù)雜,快速成型技術(shù)可以使人們?cè)煨透?,更便捷,更便宜.在快速成型穩(wěn)步發(fā)展的基礎(chǔ)上,快速制造也將隨之而來(lái),并且需要更多的精確工具來(lái)確定工藝過(guò)程的參數(shù).現(xiàn)行的模擬工具不能滿足研究者研究模具相對(duì)的變化。正如本文中所述,對(duì)于一個(gè)綜合模型來(lái)說(shuō),要預(yù)測(cè)最后零件質(zhì)量是相當(dāng)重要的。在不久的將來(lái),我們期待看到通過(guò)快速成型擴(kuò)展到快速模具制造的模擬程序。
參考文獻(xiàn)
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