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CN114030179A - 双通道进料连续纤维增强复合材料3d打印机及控制方法 - Google Patents

双通道进料连续纤维增强复合材料3d打印机及控制方法 Download PDF

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CN114030179A
CN114030179A CN202111122940.4A CN202111122940A CN114030179A CN 114030179 A CN114030179 A CN 114030179A CN 202111122940 A CN202111122940 A CN 202111122940A CN 114030179 A CN114030179 A CN 114030179A
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魏茜茜
江大志
魏少楠
王健
刘佳音
陈怀宇
陈壮鹏
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Sun Yat Sen University
Sun Yat Sen University Shenzhen Campus
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Abstract

本发明提供一种双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机及控制方法，该3D打印机将缠绕在纤维料盘上的纤维丝束穿过改性装置，纤维通过导引滑轮途经导引管道和喉管，两侧树脂进料装置加入一种或者两种热塑性/热固性树脂，树脂进入螺杆挤出机中，树脂从螺杆挤出机中挤出，进入到喉管中的PTFE管中，与纤维丝束进行充分浸渍；出料系统控制模块使挤出机加热，从而使树脂熔融，并使加热棒预热，调节加热棒的温度，维持恒定所需温度，保持树脂为熔融状态与纤维丝束进行充分的浸渍，纤维/树脂从喷嘴中挤出；控制x轴步进电机使打印机在x轴上螺纹传动，控制y轴步进电机使成型平板在y轴上螺纹传动，控制z轴步进电机使打印头在z轴上螺纹传动，使复合材料先在x‑y平面打印，再在z方向层层叠加。

Description

双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机及控制方法
技术领域
本发明涉及3D打印设备领域，更具体地，涉及一种双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机及控制方法。
背景技术
传统的单一材料成型的零件往往力学性能较差，难以满足各行业对高性能材料的需求。近年来，研究人员将3D打印技术与纤维增强热塑性复合材料结合起来，以达到提高打印件力学性能的目的，而短纤维是一种常用的增强材料，因为短纤维增强热塑性复合材料具有相对简单且成熟的制造工艺，常用于与热塑性树脂复合的熔融沉积3D打印。尽管用短纤维增强热塑性复合材料打印的零部件能提高其力学性能，但这些性能仅略好于纯热塑性塑料如PLA，ABS等。此外，由于短纤维的存在，可以检测到明显的孔隙率和粘结不良现象，这也限制了复合材料机械性能的提升空间。采用连续纤维增强进行3D打印可以显著提高热塑性复合材料的性能。
连续纤维热塑性复合材料是将连续纤维和热塑性树脂经过熔融浸渍等工艺，使纤维充分浸润在树脂基体中而制备的复合材料，具备质轻、高强、耐腐蚀等一系列优点，作为传统材料的良好替代品，被广泛应用在航空航天、汽车、轮船、高铁、运动器材等领域。传统工艺是将纤维展丝之后送入树脂熔融模头中，并施加一定的压力，将树脂均匀分散到纤维内部。但是一般而言，连续纤维直径较小，树脂粘度较大，二者之间的界面能垒较高，树脂很难在纤维之间充分浸润。因此，设计出有效的浸渍系统和浸渍组件，成为本领域的难点。
利用连续纤维增强热塑性树脂进行3D打印采用的主要方式是直接将连续纤维束引入到打印机的喷嘴中，连续纤维束和3D打印丝材同时通过打印机的喷嘴进行打印，该技术的主要缺陷是连续纤维与热塑性树脂基体的界面结合比较差，纤维束没有经过充分浸渍，这主要是由于3D打印机喷嘴内流道较小短，物料在喷嘴内的停留时间较短，另外缺少足够的成型压力，导致树脂基体对纤维束的浸渍效果比较差。这将不能充分发挥连续纤维对复合材料制品的增强作用。也有将纤维浸渍和打印分开进行的工艺方式，纤维与树脂的浸润性虽然有所改善，但通过预浸槽对固体树脂进行加热效率太低，熔融时间太长，且预浸槽内腔空间太多，容易使熔融树脂在槽内长时间停留而氧化降解，影响复合材料制品的性能。另外，由于没有施压装置，槽内浸渍压力比较低，不利于树脂基体对纤维进行浸渍，不能充分发挥连续纤维对复合材料的增强作用，成型工艺有待进一步提高。
此外，目前连续纤维3D打印进料通道，树脂为一个通道，纤维为一个通道，所加的原料一般只有树脂和连续纤维，加入的树脂的种类都是很单一的，也不易进一步调整纤维增强树脂基复合材料的性能，为了达到树脂种类多样，以及可以进一步调控制件的性能，可以设计双通道树脂或填料的进料口，同时加入两种树脂也可以加不一样的树脂，并且还可以加入一些填料来达到所需的效果。
3D打印连续纤维增强热塑性复合材料制品的表面质量一般比较差，尤其是上表面，这主要和喷嘴出料口与制品的接触面积较小、挤压力不够以及打印过程中的喷嘴内的滞料现象有关，需对喷嘴结构进行优化来提高复合材料制品的表面质量。
目前连续纤维增强FDM式3D打印技术所添加树脂种类单一，浸渍效果较差，多为热塑性树脂，并且含量难以控制。
发明内容
本发明提供一种双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机，该设备可以增加纤维表面的粗糙程度，增加纤维和树脂的界面强度，从而增加打印制件的力学性能。
本发明的又一目的在于提供上述双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机的控制方法。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机，包括机械系统和控制系统；
所述机械系统包括纤维料盘，所述纤维料盘旁为改性装置，所述改性装置内设有第一导引滑轮，所述改性装置旁有第二导引滑轮，所述第二导引滑轮下方为导引管道，所述导引管道两侧为树脂进料装置，所述树脂进料装置连接着螺杆挤出机，所述螺杆挤出机出口和导引管道下方为打印头，所述打印头内有一个喉管，所述喉管内部有PTFE管，所述喉管两侧连接着两个加热棒，所述喉管下端为喷嘴，所述喷嘴处有一个温度传感器，所述喷嘴下方是成型平板，所述成型平板下方连接着运动轴y轴杆，所述y轴杆上连接着y轴步进电机，由步进电机控制经过螺纹传动沿着y轴运动，所述打印头连接着运动轴x轴杆，所述x轴杆上连接着x轴步进电机，由步进电机控制经过螺纹传动沿着x轴运动，所述x轴杆连接着运动轴z轴杆，所述z轴杆上连接着z轴步进电机，由步进电机控制经过螺纹传动沿着z轴运动；
所述控制系统包括中央处理器，电源模块、通讯模块、出料系统控制模块、运动控制模块和人机交互模块；所述通讯模块、出料系统控制模块、运动控制模块、人机交互模块和电源模块均与中央处理器连接；出料系统控制模块分别与螺杆挤出机、加热棒和传感器连接；x轴步进电机、y轴步进电机和z轴步进电机分别与运动控制模块连接。
进一步地，所述第一导引滑轮迁移纤维丝束，纤维丝束途经改性装置，纤维丝束表面变得粗糙，再经过导引管道、喉管、喷嘴。
进一步地，所述树脂进料装置中加入一种或者两种热塑性/热固性树脂，树脂通过螺杆挤出机传送到打印头中去，使树脂熔融，同时与纤维充分浸渍；所述螺杆挤出机是以导引管道为轴的左右对称设计，所述加入的树脂是一种或两种热塑性/热固性树脂，所述树脂包括：PLA、ABS、P-DCPD、环氧树脂等；树脂进料装置中还加入填料，包括：碳基材料如石墨烯、纳米管、炭黑等或无机填料如氧化硅、陶瓷颗粒等。
优选地，所述通讯模块采用USB数据连接主控板和电脑，将Marlin等固件上传到中央处理器中，完成固件烧录；所述温度传感器为热敏电阻传感器。
进一步地，所述人机交互模块包括按键输入和液晶显示；所述按键输入用于人为输入调控各个系统模块的参数，控制机器运作；所述液晶显示用于显示各个系统模块的参数，方便人机相互操作。
一种双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机控制方法，包括以下步骤：
S1：开启电源模块使各个系统开始运作，在人机交互模块中输入打印参数；
S2：将缠绕在纤维料盘上的纤维丝束穿过改性装置，使纤维表面易与树脂结合，纤维通过导引滑轮途经导引管道和喉管，与此同时向两侧树脂进料装置加入树脂，树脂进入螺杆挤出机中，树脂从螺杆挤出机中挤出，进入到喉管中的PTFE管中，与纤维丝束进行充分浸渍；
S3：通过出料系统控制模块使挤出机加热，从而使树脂熔融，并使加热棒预热，调节加热棒的温度，维持恒定所需温度，保持树脂为熔融状态与纤维丝束进行充分的浸渍，纤维/树脂从喷嘴中挤出；
S4：通过运动控制模块，控制x轴步进电机使打印机在x轴上螺纹传动，控制y轴步进电机使成型平板在y轴上螺纹传动，控制z轴步进电机使打印头在z轴上螺纹传动，使复合材料先在x-y平面打印，再在z方向层层叠加，打印出通讯模块中通过USB拷贝的固件，完成打印后，关闭电源系统。
进一步地，所述加热棒对称提供热量以及提前预热，对称分布的加热棒通过热传导可以使两侧喉管同时受热，将热量传递给树脂。
进一步地，碳纤维增强树脂基复合物在成型平板上层层叠加，形成三维构件。
进一步地，改性装置采用液相氧化的方式，使得纤维表面易与树脂充分浸渍，提高制件的力学性能。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明开启电源模块使各个系统开始运作，在人机交互模块中输入打印参数；将缠绕在纤维料盘上的纤维丝束穿过改性装置，使纤维表面改性，纤维通过导引滑轮途经导引管道和喉管，与此同时向两侧树脂进料装置加入树脂，树脂进入螺杆挤出机中，树脂从螺杆挤出机中挤出，进入到喉管中的PTFE管中，与纤维丝束进行充分浸渍；通过出料系统控制模块使挤出机加热，从而使树脂熔融，并使加热棒预热，调节加热棒的温度，维持恒定所需温度，保持树脂为熔融状态与纤维丝束进行充分的浸渍，纤维/树脂从喷嘴中挤出；通过运动控制模块，控制x轴步进电机和y轴步进电机使打印头在x、y轴上螺纹传动，纤维树脂基在成型平板上，z轴步进电机控制成型平板沿着z轴方向螺纹传动，打印出通讯模块中通过USB拷贝的固件，完成打印后，关闭电源系统；通过设计改性装置，提高了连续碳纤维3D打印设备纤维/树脂浸渍效果，有效提高复合材料的力学性能，设计了对称的螺杆挤出机，能够控制挤出树脂的含量和组分。
附图说明
图1为本发明的3D打印机的结构图；
图2为本发明控制方法的流程图；
图1中：1、纤维料盘；2、改性装置；3、第一导引滑轮；4、第二导引滑轮；5、树脂进料装置；6、导引管道；7、螺杆挤出机；8、打印头；9、喉管；10、PTFE管；11、加热棒；12、温度传感器；13、喷嘴；14、成型平板；15、运动轴x轴杆；16、运动轴y轴杆；17、运动轴z轴杆；18、x轴步进电机；19、y轴步进电机；20、z轴步进电机。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，一种双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机，包括机械系统和控制系统；
所述机械系统包括纤维料盘1，所述纤维料盘1旁为改性装置2，所述改性装置2内设有第一导引滑轮3，所述改性装置2旁有第二导引滑轮4，所述第二导引滑轮4下方为导引管道6，所述导引管道6两侧为树脂进料装置5，所述树脂进料装置5连接着螺杆挤出机7，所述螺杆挤出机7出口和导引管道6下方为打印头8，所述打印头8内有一个喉管9，所述喉管9内部有PTFE管10，所述喉管9两侧连接着两个加热棒11，所述喉管9下端为喷嘴13，所述喷嘴13处有一个温度传感器12，所述喷嘴13下方是成型平板14，所述成型平板14下方连接着运动轴y轴杆16，所述y轴杆16上连接着y轴步进电机19，由步进电机控制经过螺纹传动沿着y轴运动，所述打印头连接着运动轴x轴杆15，所述x轴杆15上连接着x轴步进电机18，由步进电机控制经过螺纹传动沿着x轴运动，所述x轴杆15连接着运动轴z轴杆17，所述z轴杆上17连接着z轴步进电机20，成型平板14由步进电机控制经过螺纹传动沿着y轴运动；
所述控制系统包括中央处理器21、电源模块22、通讯模块23、出料系统控制模块24、运动控制模块25和人机交互模块26；所述通讯模块23、出料系统控制模块24、运动控制模块25、人机交互模块26和电源模块22均与中央处理器21连接；出料系统控制模块24分别与螺杆挤出机7、加热棒11和传感器12连接；x轴步进电机18、y轴步进电机19和z轴步进电机20分别与运动控制模块25连接。
所述第一导引滑轮3迁移纤维丝束，纤维丝束途经改性装置2，纤维丝束表面变得易与树脂结合，再经过导引管道6、喉管9、喷嘴13。
所述树脂进料装置5中加入树脂，树脂通过螺杆挤出机7传送到打印头8中去，使树脂熔融，同时与纤维充分浸渍；所述螺杆挤出机7是以导引管道6为轴的左右对称设计，所述加入的树脂是一种或两种热塑性/热固性树脂，所述树脂包括PLA、ABS、P-DCPD或环氧树脂；树脂进料装置5中还加入填料，包括：碳基材料如石墨烯、纳米管、炭黑等或无机颗粒如氧化硅、陶瓷颗粒等。
所述通讯模块23采用USB数据连接主控板和电脑，将Marlin等固件上传到中央处理器21中，完成固件烧录。
所述温度传感器12为热敏电阻传感器。
所述人机交互模块26包括按键输入和液晶显示；所述按键输入用于人为输入调控各个系统模块的参数，控制机器运作；所述液晶显示用于显示各个系统模块的参数，方便人机相互操作。
如图2所示，一种双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机控制方法，包括以下步骤：
S1：开启电源模块22使各个系统开始运作，在人机交互模块26中输入打印参数；
S2：将缠绕在纤维料盘1上的纤维丝束穿过改性装置2，使纤维表面粗糙程度增加，纤维通过导引滑轮4途经导引管道6和喉管7，与此同时向两侧树脂进料装置5加入一种或者两种树脂，树脂进入螺杆挤出机7中，树脂从螺杆挤出机7中挤出，进入到喉管9中的PTFE管10中，与纤维丝束进行充分浸渍；
S3：通过出料系统控制模块24使挤出机7加热，从而使树脂熔融，并使加热棒11预热，调节加热棒11的温度，维持恒定所需温度，保持树脂为熔融状态与纤维丝束进行充分的浸渍，纤维/树脂从喷嘴13中挤出；
S4：通过运动控制模块25，控制x轴步进电机18使打印机在x轴上螺纹传动，控制y轴步进电机19使成型平板14在y轴上螺纹传动，控制z轴步进电机20使打印头8在z轴上螺纹传动，使复合材料先在x-y平面打印，再在z方向层层叠加，打印出通讯模块23中通过USB拷贝的固件，完成打印后，关闭电源系统。
所述加热棒11对称提供热量以及提前预热，对称分布的加热棒11通过热传导可以使两侧喉管9同时受热，将热量传递给树脂。
碳纤维增强树脂基复合物在成型平板14上层层叠加，形成三维构件。
改性装置2采用液相氧化的方式，使得纤维表面变得易与树脂充分浸渍，提高制件的力学性能。
开启电源模块22使各个系统开始运作，在人机交互模块26中输入打印参数，将缠绕在纤维料盘1上的纤维丝束穿过改性装置2，使纤维表面改性，纤维通过导引滑轮4途经导引管道6和喉管7，与此同时向两侧树脂进料装置5加入一种两种热塑性/热固性树脂，树脂进入螺杆挤出机7中，树脂从螺杆挤出机7中挤出，进入到喉管9中的PTFE管10中，与纤维丝束进行充分浸渍，通过出料系统控制模块24使挤出机7加热，从而使树脂熔融，并使加热棒11预热，调节加热棒11的温度，维持恒定所需温度，保持树脂为熔融状态与纤维丝束进行充分的浸渍，纤维/树脂从喷嘴13中挤出，通过运动控制模块25，控制x轴步进电机18使打印机在x轴上螺纹传动，控制y轴步进电机19使成型平板14在y轴上螺纹传动，控制z轴步进电机20使打印头8在z轴上螺纹传动，使复合材料先在x-y平面打印，再在z方向层层叠加，打印通讯系统23中通过USB拷贝的固件，完成打印后，关闭电源系统。
所述改性装置2可采用液相氧化的方式，使得纤维表面变得粗糙，后续能够与树脂充分浸渍，提高制件的力学性能。
所述螺杆挤出机7启动后，进行加热过程中能通过温度传感器12检测挤出机和喷嘴处温度，保证内部的温度保持一致，保证打印出来的制件更加精密。对称设计挤出机7还可以控制树脂挤出的含量和组分。
所述运动控制系统接入三个步进电机完成对设备三轴运动的控制，设三个限位开关来限制喷头和打印平台的运动范围，打印头8进行x轴和y轴方向运动，x轴采用螺纹传动方式运动，y轴采用螺纹传动方式，成型平板14沿z轴运动，采用螺纹传动方式运动。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机，其特征在于，包括机械系统和控制系统；
所述机械系统包括纤维料盘(1)，所述纤维料盘(1)旁为改性装置(2)，所述改性装置(2)内设有第一导引滑轮(3)，所述改性装置(2)旁有第二导引滑轮(4)，所述第二导引滑轮(4)下方为导引管道(6)，所述导引管道(6)两侧为树脂进料装置(5)，所述树脂进料装置(5)连接着螺杆挤出机(7)，所述螺杆挤出机(7)出口和导引管道(6)下方为打印头(8)，所述打印头(8)内有一个喉管(9)，所述喉管(9)内部有PTFE管(10)，所述喉管(9)两侧连接着两个加热棒(11)，所述喉管(9)下端为喷嘴(13)，所述喷嘴(13)处有一个温度传感器(12)，所述喷嘴(13)下方是成型平板(14)，所述成型平板(14)下方连接着运动轴y轴杆(16)，所述y轴杆(16)上连接着y轴步进电机(19)，由步进电机控制经过螺纹传动沿着y轴运动，所述打印头连接着运动轴x轴杆(15)，所述x轴杆(15)上连接着x轴步进电机(18)，由步进电机控制经过螺纹传动沿着x轴运动，所述x轴杆(15)连接着运动轴z轴杆(17)，所述z轴杆上(17)连接着z轴步进电机(20)，由步进电机控制经过螺纹传动沿着y轴运动；
所述控制系统包括中央处理器(21)，电源模块(22)、通讯模块(23)、出料系统控制模块(24)、运动控制模块(25)和人机交互模块(26)；所述通讯模块(23)、出料系统控制模块(24)、运动控制模块(25)、人机交互模块(26)和电源模块(22)均与中央处理器(21)连接；出料系统控制模块(24)分别与螺杆挤出机(7)、加热棒(11)和传感器(12)连接；x轴步进电机(18)、y轴步进电机(19)和z轴步进电机(20)分别与运动控制模块(25)连接。
2.根据权利要求1所述的双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机，其特征在于，所述第一导引滑轮(3)迁移纤维丝束，纤维丝束途经改性装置(2)，纤维丝束表面变得粗糙，再经过导引管道(6)、喉管(9)、喷嘴(13)。
3.根据权利要求2所述的双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机，其特征在于，所述树脂进料装置(5)中加入一种或者两种热塑性/热固性树脂，树脂通过螺杆挤出机(7)传送到打印头(8)中去，使树脂熔融，同时与纤维充分浸渍；所述螺杆挤出机(7)是以导引管道(6)为轴的左右对称设计，所述加入的树脂是一种或两种热塑性/热固性树脂，所述树脂包括PLA、ABS、P-DCPD、环氧树脂等；树脂进料装置(5)中还加入填料，包括：碳基增强材料如石墨烯、纳米管、炭黑等或无机增强材料如氧化硅、陶瓷颗粒等。
4.根据权利要求3所述的双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机，其特征在于，所述通讯模块(23)采用USB数据连接主控板和电脑，将Marlin等固件上传到中央处理器(21)中，完成固件烧录。
5.根据权利要求4所述的双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机，其特征在于，所述温度传感器(12)为热敏电阻传感器，随时观测打印温度。
6.根据权利要求5所述的双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机，其特征在于，所述人机交互模块(26)包括按键输入和液晶显示；所述按键输入用于人为输入调控各个系统模块的参数，控制机器运作；所述液晶显示用于显示各个系统模块的参数，方便人机相互操作。
7.一种双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：开启电源模块(22)使各个系统开始运作，在人机交互模块(26)中输入打印参数；
S2：将缠绕在纤维料盘(1)上的纤维丝束穿过改性装置(2)，使纤维表面粗糙程度增加，易与树脂接触，纤维通过导引滑轮(4)途经导引管道(6)和喉管(7)，与此同时向两侧树脂进料装置(5)加入树脂，树脂进入螺杆挤出机(7)中，树脂从螺杆挤出机(7)中挤出，进入到喉管(9)中的PTFE管(10)中，与纤维丝束进行充分浸渍；
S3：通过出料系统控制模块(24)使挤出机(7)加热，从而使树脂熔融，并使加热棒(11)预热，调节加热棒(11)的温度，维持恒定所需温度，保持树脂为熔融状态与纤维丝束进行充分的浸渍，纤维/树脂从喷嘴(13)中挤出；
S4：通过运动控制模块(25)，控制x轴步进电机(18)使打印机在x轴上螺纹传动，控制y轴步进电机(19)使成型平板(14)在y轴上螺纹传动，控制z轴步进电机(20)使打印头(8)在z轴上螺纹传动，使复合材料先在x-y平面打印，再在z方向层层叠加，打印出通讯模块(23)中通过USB拷贝的固件，完成打印后，关闭电源系统。
8.根据权利要求7所述的双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机控制方法，其特征在于，所述加热棒(11)对称提供热量以及提前预热，对称分布的加热棒(11)通过热传导使两侧喉管(9)同时受热，将热量传递给树脂。
9.根据权利要求8所述的双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机控制方法，其特征在于，碳纤维增强树脂基复合物在成型平板(14)上沿z方向层层叠加，形成三维构件。
10.根据权利要求9所述的双通道进料连续纤维增强复合材料3D打印机控制方法，其特征在于，改性装置(2)采用液相氧化的方式，使得纤维表面易与树脂充分浸渍，提高制件的力学性能。
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