3D打印技術(shù)進(jìn)展

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1、3D打 印 技 術(shù) 目錄1.概述2.典型技術(shù)分析3.打印材料的制備4.總結(jié) 1.概述 3D打 印 技 術(shù) 的 核 心 思 想 最 早 起 源 于 19世 紀(jì) 末 的 美 國 , 當(dāng) 時 進(jìn) 行的 是 照 相 雕 塑 和 地 貌 成 型 技 術(shù) 研 究 。 到 20世 紀(jì) 80年 代 中 期 已 有雛 形 , 1986年 美 國 人 Charles Hull發(fā) 明 了 第 一 臺 3D 打 印 機(jī) 。3D打 印 這 個 名 詞 也 是 由 麻 省 理 工 學(xué) 院 在 1995年 創(chuàng) 造 的 。 我 國 從 1991年 開 始 研 究 3D打 印 技 術(shù) 。 90年 代 末 期 , 大 家 開 始

2、 研究 金 屬 材 料 快 速 成 形 技 術(shù) , 但 難 度 很 大 。 2000年 前 后 , 這 些 工藝 從 實(shí) 驗(yàn) 室 研 究 逐 步 向 工 程 化 、 產(chǎn) 品 化 轉(zhuǎn) 化 。 當(dāng) 時 叫 快 速 原 型 技 術(shù) ( RP) , 即 開 發(fā) 樣 品 之 前 的 實(shí) 物 模 型 。 現(xiàn)在 也 有 叫 快 速 成 型 技 術(shù) , 增 材 制 造 。 但 為 便 于 公 眾 接 受 , 把 這種 新 技 術(shù) 統(tǒng) 稱 為 3D 打 印 。 2012年 4月 , 英 國 經(jīng) 濟(jì) 學(xué) 人 刊 文 認(rèn) 為 , 3D打 印 技 術(shù) 將 與 其 他數(shù) 字 化 生 產(chǎn) 模 式 一 起 , 推 動 第

3、三 次 工 業(yè) 革 命 的 實(shí) 現(xiàn) 。背景 1.1 涵義及原理 3D打 印 技 術(shù) 是 指 由 數(shù) 字 模 型 ( CAD) 直 接 驅(qū) 動 的 , 運(yùn) 用 金 屬 、 塑料 、 陶 瓷 、 樹 脂 、 蠟 、 紙 、 砂 等 可 粘 合 材 料 , 在 快 速 成 形 設(shè) 備里 通 過 逐 層 疊 加 的 方 式 來 構(gòu) 造 物 理 實(shí) 體 的 技 術(shù) 。什 么 是 3D打 印 技 術(shù) ? 3D打印技術(shù)機(jī)械工程控制工程光學(xué) 熱學(xué)軟件材料科學(xué)涉 及 領(lǐng) 域 不 同 種 類 的 快 速 成 型 系 統(tǒng) 因 所 用 成 形 材 料 不 同 , 成 形 原 理 和 系統(tǒng) 特 點(diǎn) 也 各 有 不 同

4、。 但 都 是 基 于 離 散 堆 積 原 理 分 層 制 造 ,逐 層 疊 加 ?;?本 原 理基 本 流 程設(shè) 計 三 維模 型 把 三 維 數(shù)字 模 型 離散 為 面 、線 和 點(diǎn) 再 通 過 3D 打 印 設(shè) 備分 層 堆 積 三 維的 實(shí)物 1.2 組成主要指3D打印機(jī)3D打印設(shè)備輔助設(shè)計人員制作產(chǎn)品的三維數(shù)字模型,并根據(jù)模型自動分析出打印的程序, 自動控制打印機(jī)和材料的操作。設(shè)計與控制軟件 原材料必須能夠液化、粉末化、絲化,在打印完成后又能重新結(jié)合起來, 并具有合格的物理、 化學(xué)性能。打印材料 3D打 印 機(jī) 是 3D打 印 的 核 心 裝 備 。 它 是 一 種 利 用 光 固

5、化 和 紙 層 疊等 技 術(shù) 的 快 速 成 型 裝 置 。 它 與 普 通 打 印 機(jī) 工 作 原 理 基 本 相 同 ,打 印 機(jī) 內(nèi) 裝 有 液 體 或 粉 末 等 “ 打 印 材 料 ” , 與 電 腦 連 接 后 , 通過 電 腦 控 制 把 “ 打 印 材 料 ” 一 層 層 疊 加 起 來 , 最 終 把 計 算 機(jī) 上的 藍(lán) 圖 變 成 實(shí) 物 。3D打 印 機(jī) 3D打印機(jī)噴射系統(tǒng)成型環(huán)境子系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)高精度機(jī)械系統(tǒng) 3D打 印 材 料 基 本 上 可 以 分 為 高 分 子 材 料 和 金 屬 材 料 兩 大 類 。 高分 子 材 料 如 光 敏 樹 脂 、 ABS、 PC、

6、 尼 龍 粉 、 石 膏 粉 、 蠟 等 是 打印 主 力 材 料 ; 金 屬 材 料 受 工 藝 及 自 身 特 性 局 限 , 應(yīng) 用 并 不 廣 泛 。打 印 材 料 1.3 類型 3D打 印 有 很 多 種 工 藝 , 如 直 接 金 屬 激 光 燒 結(jié) ( DMLS) 、 數(shù) 字光 處 理 ( DLP) 、 熔 絲 制 造 (FFF) 、 融 化 壓 膜 ( MEM) 、 分 層實(shí) 體 制 造 ( LOM) 、 電 子 束 熔 化 成 型 ( EBM) 、 選 擇 性 熱 燒 結(jié)( SHS) 、 粉 末 層 3D打 印 ( PP) 等 等 。3D打 印工 藝 分 層 實(shí) 體 制 造

7、LOM立 體 光 固 造 型 SLA選 擇 性 激 光 燃 結(jié)SLS 熔 融 沉 積 成 型 FDM 打印紫外光照射固化的液體,精度可以達(dá)到每層厚度 (0.050.15) mm。在高強(qiáng)度激光照射下將粉末材料燒結(jié)在一起形成物體截面。將高溫熔化成液態(tài)的材料通過噴嘴擠壓出一個個很小的球狀顆粒, 這些顆粒噴出后立刻固化并逐層形成物體。用激光切割一個薄層,然后一層層疊加。 1.4 特點(diǎn)及適用場合 3D打 印 技 術(shù) 處 理 的 是 計 算 機(jī) 模 型 , 人 們 能 設(shè) 計 出 全 新 的 形 狀 而 不用 考 慮 制 造 上 可 能 存 在 的 局 限 性 ; 它 無 需 機(jī) 械 加 工 或 制 造

8、出 任 何 磨 具 , 就 能 直 接 從 計 算 機(jī) 圖 形 數(shù) 據(jù)中 生 成 零 件 ; 可 縮 短 產(chǎn) 品 研 制 周 期 與 加 工 流 程 , 提 高 生 產(chǎn) 率 ; 可 提 高 材 料 利 用 率 , 降 低 成 本 ; 還 可 以 通 過 不 同 的 定 制 , 滿 足 人 們 個 性 化 需 求 。3D打 印 是 以 數(shù) 字 化 、 網(wǎng) 絡(luò) 化 為 基 礎(chǔ) , 以 個 性 化 、 短 流 程 為 特 征 , 實(shí)現(xiàn) 直 接 制 造 、 桌 邊 制 造 和 批 量 定 制 。優(yōu)點(diǎn)適用場合3D打印技術(shù)特別適用于單件小批量生產(chǎn),形狀復(fù)雜,多層嵌套和具有空腔結(jié)構(gòu)的零件或物體的制造。 1.

9、5 應(yīng)用領(lǐng)域 近 年 來 , 3D打 印 技 術(shù) 發(fā) 展 迅 速 , 在 各 領(lǐng) 域 都 取 得 了 長 足 發(fā) 展 , 已成 為 現(xiàn) 代 模 型 模 具 和 零 部 件 制 造 的 有 效 手 段 。 目 前 主 要 應(yīng) 用 于 汽車 、 航 天 軍 工 、 家 電 、 船 舶 、 醫(yī) 療 、 影 視 、 食 品 、 創(chuàng) 意 等 領(lǐng) 域 。2 0 .3 0 % 1 0 .8 0 %1 2 .1 0 %1 9 .5 0 %5 .3 0 %3 .0 0 %6 .0 0 %8 .0 0 % 1 5 .1 0 % 消 費(fèi) 電 子 產(chǎn) 品 工 業(yè) /商 業(yè) 機(jī) 器 飛 行 器機(jī) 動 車 其 他 建 筑

10、政 府 /軍 事 學(xué) 術(shù) 研 究 醫(yī) 療 /口 腔 醫(yī) 學(xué) 2011年 , 英 國 科 學(xué) 家 利 用 3D打 印 技 術(shù) 打 印 了 一 輛 可 以 騎 行 的 自行 車 , 這 輛 尼 龍 自 行 車 重 量 只 有 普 通 鋼 鋁 自 行 車 的 1/3, 但 堅 固度 毫 不 遜 色 。 2011年 底 , 英 國 南 安 普 頓 大 學(xué) 打 印 了 一 架 翼 展 2米 、 最 高 時 速 可達(dá) 160公 里 的 無 人 駕 駛 小 飛 機(jī) 。 蘇 格 蘭 科 學(xué) 家 使 用 人 類 細(xì) 胞 打 印 出 了 世 界 上 第 一 個 人 造 肝 臟 組織 。 西 北 工 業(yè) 大 學(xué) 凝

11、 固 技 術(shù) 國 家 重 點(diǎn) 試 驗(yàn) 室 可 一 次 打 印 超 過 5m的 鈦合 金 飛 機(jī) 部 件 ,2014年 投 產(chǎn) 的 國 產(chǎn) 客 機(jī) C919制 造 翼 梁 。 殲 -15主 承 力 整 體 框 等 很 多 部 件 就 是 鈦 合 金 和 M100鋼 3D打 印 的 ,目 前 中 國 先 進(jìn) 戰(zhàn) 斗 機(jī) 上 3D打 印 部 件 所 占 比 例 已 超 20%。 國產(chǎn)客機(jī)C919制造翼梁殲15戰(zhàn)斗機(jī) 巧克力茶杯 2.典型技術(shù)分析 把 材 料 用 高 溫 熔 化 成 熔 融 狀 態(tài) , 然 后 通 過 細(xì) 小 的 噴 嘴 擠 壓 并 排列 填 充 出 一 個 截 面 , 一 層 一 層

12、 截 面 在 堆 疊 起 來 形 成 三 維 實(shí) 物 。2.1 熔 融 沉 積 成 型 FDM基 本 原 理特 點(diǎn) 優(yōu) 點(diǎn) : 成 型 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 簡 單 , 成 本 低 , 材 料 廣 泛 , 強(qiáng) 度 較 高 , 可 以彩 色 成 型 , 無 環(huán) 境 污 染 ; 缺 點(diǎn) : 成 型 的 精 度 稍 差 , 成 型 表 面 較 粗 糙 , 操 作 溫 度 較 高 。打 印 材 料 通 常 為 熱 縮 性 高 分 子 , 如 ABS、 聚 酰 胺 、 聚 酯 、 聚 碳 酸 酯 、 聚乙 烯 等 。 FDM工 藝 的 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo) 是 原 型 精 度 和 成 型 時 間 。 影 響 精

13、 度 誤 差的 原 因 主 要 有 以 下 幾 方 面 :技 術(shù) 指 標(biāo)精度誤差CAD模型前處理噴頭導(dǎo)致的誤差材料收縮成形過程中的層差FDM工藝參數(shù)設(shè)置 為 了 獲 得 高 精 度 的 FDM原 型 , 一 方 面 要 通 過 試 驗(yàn) 研 究 FDM工 藝 的 參 數(shù) 優(yōu)化 ; 另 一 方 面 就 是 在 加 工 前 數(shù) 據(jù) 處 理 時 要 給 予 精 確 的 補(bǔ) 償 。通過大量研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,可知影響原型精度和成型時間的最主要的因素有以下幾種: 原 材 料 的 變 化噴 頭 結(jié) 構(gòu)成 形 過 程 中 的 層 差材料相變時的收縮應(yīng)力應(yīng)變影響精度為提高精度,應(yīng)減小材料的收縮率,最基本的方法是設(shè)計

14、時考慮收縮量進(jìn)行尺寸補(bǔ)償。傳統(tǒng)開關(guān)轉(zhuǎn)閥響應(yīng)速度慢慣性的作用使多余的殘料繼續(xù)擠出可改為螺桿結(jié)構(gòu),或電磁閥式結(jié)構(gòu)。相鄰兩層輪廓不同時成形軌跡不同上下層之間約束不一致復(fù)雜的應(yīng)力和應(yīng)變試驗(yàn)表明,基于分形掃描的路徑可以減少層層之間應(yīng)力,從而減少層差。擠 出 速 度 填 充 速 度 擠出速度和填充速度越快,成型時間越短。為了保證連續(xù)平穩(wěn)地出絲,需要將擠出速度和填充速度進(jìn)行合理匹配。 影響因素影響說明分層厚度噴嘴直徑分層厚度較小、噴絲較細(xì)時,原型精會較高,但成型時間較長。為保證上下層牢固粘結(jié),分層厚度需小于噴嘴直徑。噴頭溫度環(huán)境溫度影響成形件的熱應(yīng)力大小。如噴頭溫度太低 , 則材料粘度加大,造成噴嘴堵塞,材

15、料層間粘結(jié)強(qiáng)度降低。為了順利成形,應(yīng)該把成形室的溫度設(shè)定為比擠出絲的熔點(diǎn)溫度低 12。理想輪廓 線的補(bǔ)償量理想輪廓補(bǔ)償量設(shè)置不合理直接影響成形件的尺寸和幾何精度。應(yīng)依據(jù)擠出絲截面的寬度來進(jìn)行補(bǔ)償。 2.2 選擇性激光燒結(jié)SLS 工 藝 參 數(shù) 與 成 形 質(zhì) 量 之 間 的 關(guān) 系 是 SLS技 術(shù) 的 研 究 熱 點(diǎn) , 國 內(nèi)對 此 進(jìn) 行 了 大 量 的 研 究 。 而 由 于 燒 結(jié) 過 程 的 復(fù) 雜 性 , 進(jìn) 行 實(shí) 時觀 察 比 較 困 難 , 因 此 , 人 們 為 了 更 好 的 理 解 燒 結(jié) 過 程 , 對 燒 結(jié)過 程 也 進(jìn) 行 了 一 定 量 的 研 究 ?;?本

16、 原 理先把粉末材料鋪好,再用高強(qiáng)度的紅外激光掃描,將零件截面內(nèi)的粉末燒結(jié)在一起,通過一層一層燒結(jié),最終成型。特 點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):成型材料十分廣泛,加工速度快,且無需使用支撐材料,打印物體結(jié)實(shí);缺點(diǎn):成型產(chǎn)品表面較粗糙,需后處理。 主要是金屬粉末、陶瓷、石蠟、塑料以及它們的復(fù)合粉末等打 印 材 料 由鋪粉輥將粉末均勻鋪在成型缸活塞上計算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個層面粉末完成一層后,工作活塞下降一個層厚,鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉控制激光束再掃描燒結(jié)新層如此循環(huán)往復(fù),層層疊加,直到三維零件成型基 本 流 程 3.打印材料的制備 目 前 3D打 印 材 料

17、主 要 類 型 是 塑 料 , 液 態(tài) 樹 脂 和 金 屬 粉 末 。 在 家 用 領(lǐng) 域 , 有 石 膏 、 光 敏 樹 脂 、 塑 料 等 ; 在 工 業(yè) 應(yīng) 用 中 , 適 用 的 金 屬 材 料 只 有 10余 種 。 在 航 空 航 天 等 隱 性 材 料 上 , 打 印 材 料 逐 漸 向 碳 化 硅 復(fù) 合 材 料 、高 介 電 陶 瓷 等 超 穎 材 料 發(fā) 展 。 此 外 納 米 材 料 在 3D打 印 技 術(shù) 中 也有 很 大 的 優(yōu) 勢 。 3D打 印 金 屬 材 料 主 要 用 的 韌 性 好 的 不 銹 鋼 和 鈦 合 金 。 3.1 高分子粉末材料的制備 高 分 子

18、 材 料 具 有 粘 彈 性 , 在 常 溫 下 粉 碎 時 , 產(chǎn) 生 的 粉 碎 熱 會 增 加 其 粘 彈性 , 使 粉 碎 困 難 , 同 時 被 粉 碎 的 粒 子 還 會 重 新 粘 合 而 使 粉 碎 效 率 降 低 ,甚 至 會 出 現(xiàn) 熔 融 拉 絲 現(xiàn) 象 , 因 此 不 能 用 常 規(guī) 粉 碎 法 。低 溫 粉 碎 法基本原理:在低溫下高分子材料有一脆化溫度Tb,當(dāng)溫度低于Tb時,物料變脆,有利于采用沖擊式粉碎方式進(jìn)行粉碎。低溫粉碎法正是利用高分子材料的這種低溫脆性來制備粉末材料的。 適用材料:常見的高分子材料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚酯等都可采用低

19、溫粉碎法制備粉末材料。制 備 微 米 級 高分 子 粉 末 方 法溶劑沉淀法低溫粉碎法 制 備 高 分 子 粉 末 材 料 時 , 首 先 將 原 料 冷 凍 至 液 氮 溫 度 ( -196 ) ,將 粉 碎 機(jī) 內(nèi) 部 溫 度 保 持 在 合 適 的 低 溫 狀 態(tài) , 加 入 冷 凍 好 的 原 料 進(jìn)行 粉 碎 。 粉 碎 溫 度 越 低 , 粉 碎 效 率 越 高 , 制 得 的 粉 末 粒 徑 越 小 ,但 制 冷 劑 消 耗 量 大 。可根據(jù)原料性質(zhì)而定,對于脆性較大的原料如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯類,粉碎溫度可以高一些,而對韌性較好的原料如聚碳酸酯、尼龍、ABS 等則應(yīng)保持較低

20、的溫度。粉碎溫度的確定低溫粉碎法工藝較簡單,能連續(xù)化生產(chǎn);但需專用深冷設(shè)備,投資大,能量消耗大。而且制備的粉末顆粒形狀不規(guī)則,粒度分布 較寬。特點(diǎn) 基 本 原 理 : 溶 劑 沉 淀 法 是 將 聚 合 物 溶 解 在 適 當(dāng) 的 溶 劑 中 , 然 后采 用 改 變 溫 度 或 加 入 第 二 種 非 溶 劑 等 方 法 使 聚 合 物 以 粉 末 狀 沉淀 出 來 。 適 用 材 料 : 特 別 適 合 于 具 有 低 溫 柔 韌 性 的 高 分 子 材 料 , 這 類 材料 較 難 低 溫 粉 碎 , 細(xì) 粉 收 率 很 低 , 如 尼 龍 。溶 劑 沉 淀 法尼龍 12 粉末制備工藝

21、制 備 的 粉 末 微 粒 形 狀 接 近 于 球 形 , 可 以 通 過 控 制 工 藝 條 件 生 產(chǎn)出 所 需 細(xì) 度 的 粉 末 。 一 般 來 說 , 溶 劑 的 用 量 越 大 , 粉 末 粒 徑 越小 。 3.2 金屬粉末的制備機(jī)械研磨法利用金屬顆粒在不同應(yīng)變速率下因產(chǎn)生變形而破碎細(xì)化的機(jī)理。 其優(yōu)點(diǎn)是對物料的選擇性不強(qiáng)可以進(jìn)行多種金屬及合金的粉末制備。氣流粉碎是利用氣流的能量使物料顆粒發(fā)生相互碰撞或與固定板碰撞而粉碎。適用于脆性金屬及其氧化物粉末的制備,工藝成熟,但在金屬粉末的生產(chǎn)過程中 消耗大量的惰性氣體或氮?dú)?。金屬粉末制備方法物理法溶膠凝法機(jī)械合金化法霧化法機(jī)械法機(jī)械研磨

22、法冷氣流粉碎法化學(xué)法電解法氣相沉積法氧化還原法 霧 化 法 將 作 為 芯 核 顆 粒 的 金 屬 (或 合 金 ) 非 金 屬 、 陶 瓷 粉 末 與 另 一 種 熔融 的 金 屬 或 合 金 熔 體 混 合 熔 體 用 高 速 流 體 (通 常 用 水 空 氣 氬 氣 等 )對 其 進(jìn) 行 霧 化 制 得 金 屬 粉 末 和 復(fù) 合 粉 末 。 機(jī) 械 合 金 化 是 通 過 兩 種 或 兩 種 以 上 的 金 屬 或 非 金 屬 粉 體 的 球 磨 在 固 態(tài) 下 完成 固 相 反 應(yīng) 和 相 變 獲 得 細(xì) 晶 合 金 粉 體 目 前 機(jī) 械 合 金 化 廣 泛 用 于制 備 納 米

23、晶 準(zhǔn) 晶 金 屬 間 化 合 物 和 非 晶 合 金 等 亞 穩(wěn) 材 料 。 化 學(xué) 氣 相 沉 積 是 在 熱 、 光 和 等 離 子 體 等 的 激 活 和 驅(qū) 動 下 使 氣 態(tài) 物 質(zhì) 在 氣 相 或氣 固 界 面 上 發(fā) 生 化 學(xué) 反 應(yīng) 從 而 制 得 穩(wěn) 定 固 態(tài) 沉 積 物 。 溶 膠 凝 膠 法 用 于 超 細(xì) 粉 體 表 面 包 覆 粒 子 的 制 備 , 包 覆 用 溶 膠 的 制 備 和 包 覆層 的 制 備 。 將 所 需 包 覆 的 顆 粒 分 散 于 所 制 備 的 溶 膠 中 , 再 在 一定 的 反 應(yīng) 條 件 下 完 成 凝 膠 化 即 可 在 顆 粒

24、 表 面 形 成 所 需 的 包 覆 層 。 4.總結(jié) 3D打 印 技 術(shù) 雖 然 在 近 20年 發(fā) 展 非 常 迅 速 , 但 是 目 前 還 有 許 多 困難 。成本偏高打印零件的尺寸有局限可打印材料種類偏少,某些特殊材料較難打?。痪群退俣鹊南拗?,比如照相機(jī)鏡頭等需要超高精度的 零件無法加工缺乏行業(yè)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制發(fā) 展 瓶 頸 3D打 印 設(shè) 備 將 會 朝 著 智 能 化 、 快 速 化 、 精 密 化 、 通 用 化 方 向 發(fā)展 , 這 將 對 打 印 速 度 與 精 度 提 出 更 高 的 要 求 , 同 時 對 于 多 學(xué) 科 、多 機(jī) 構(gòu) 的 協(xié) 調(diào) 與 創(chuàng)

25、新 提 出 一 定 的 要 求 。 打 印 材 料 將 會 從 樹 脂 到 金 屬 材 料 , 再 到 陶 瓷 材 料 , 直 到 生 物 活性 材 料 發(fā) 展 。 技 術(shù) 應(yīng) 用 將 從 快 速 原 型 , 過 渡 到 產(chǎn) 品 開 發(fā) , 再 到 形 狀 復(fù) 雜 , 小批 量 制 造 階 段 發(fā) 展 。 制 造 對 象 也 將 向 日 常 消 費(fèi) 品 制 造 , 生 物 制 造 , 功 能 件 制 造 如 飛機(jī) 的 起 落 架 等 復(fù) 雜 零 件 , 個 性 化 制 造 方 向 發(fā) 展 。 即 3D打 印 技 術(shù) 將 朝 著 成 本 低 廉 , 零 件 適 應(yīng) 性 廣 , 材 料 適 應(yīng) 性

26、 廣的 方 向 發(fā) 展 , 并 且 在 打 印 速 度 和 打 印 質(zhì) 量 方 面 有 很 大 的 提 高 。發(fā) 展 方 向 參考文獻(xiàn)1 Jack G. Zhou, Daniel, Calvin C. Chen. Parametric Process Optimization to Improve the Accuracy of Rapid Prototyped Stereolithography Parts. International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2000, 40.2 Sood AK, Ohdar RK, Mahapalr

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