WO2011069792A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen optischer bauelemente - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing optical components according to the preamble of patent claim 1 and a device for carrying out this method.
  • optical components which are subject to high quality requirements, made of plastic for cost and weight reasons by injection molding.
  • the documents DE 10 2006 056 150 AI, DE 10 2006 048 230 AI and DE 11 2006 001 683 T5 describes, for example, components to which high op ⁇ tables requirements or high demands are made on the dimensional stability, such as optical fiber, Optikelement- Produce arrays, light-emitting diode housing or the like by injection molding. This method is also used for the production of lenses, cat's eyes, etc.
  • thermoplastic or du- roplastische molding material is introduced into the cavity of an injection ⁇ tool which is not completely closed to ⁇ next in a variant of the procedural ⁇ proceedings during the solidification or curing process, wherein the closing ⁇ pressure for final formation of the molding is uniform, so that on the one hand relatively large workpieces with low closing force or Make workpieces with very fine structures with high accuracy.
  • the mold cavity is completely filled, wherein the closing force is initially kept relatively low, so that the cavity pressure increasing during filling easily opens the tool.
  • the work ⁇ generating a relatively stress-free molded article is in the sequence then by continuously increasing the closing force closed and embossed.
  • This injection molding variant is used for example in the production of data carriers (DVD, CD).
  • a disadvantage of these methods is that due to the embossing process associated with the actual injection molding process, the cycle time is prolonged compared to a pure injection molding, in particular taking into account that the molding compound temperature should be kept approximately at the glass transition temperature (softening temperature) T G during the injection-compression molding To be able to perform the expression with the required accuracy, ie, the molding material must be cooled in the injection mold from the melting temperature to the Glasüberweichungstempe- rature.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus for producing optical components, by the cost of sufficient component quality he ⁇ possible is possible.
  • a preform in an injection molding tool made of a thermoplastic or thermosetting molding compound is first produced by injection molding in the method for producing optical components ⁇ .
  • This preform is then formed by an embossing process in the optical component, according to the invention, the preform taken from the injection mold, cooled and then inserted into a separate embossing tool for final embossing.
  • the cooling can take place in a separate cooling station or in the embossing tool.
  • the effective cycle time for the manufacture of the optical component is especially short when the embossing tool is operated at approximately constant temperature, preferably at ⁇ glass transition temperature, thus losing no time for cooling and heating said stamping tool.
  • the embossing tool has the dimensions of the finished dimensions of the opti ⁇ cal component corresponding dimensions. Ie no shrinking dimensions are taken into account so that the construction ⁇ part can be made independent of the shrinkage with excellent quality ty.
  • the manufacturing quality can be further improved, even if in the injection mold a pre-embossing Runaway ⁇ leads is said pre-embossing requires substantially less time than the conventional injection-compression molding, so that the cycle time is extended only insignificantly.
  • the inventive method provides a quasi continu ous production ⁇ , wherein initially a first preform is formed in the injection mold and to a second, previously manufactured preform is marked ready parallel in the embossing tool. The formed first in the injection molding preform is then removed from the injection mold and inserted ⁇ placed in the pressing tool.
  • the cycle time is largely determined by the injection mold because of the injection molding cycle et ⁇ what will be longer than the embossing cycle.
  • the removal of the preform from the injection mold and the insertion into the embossing tool take place by means of a handling device , so that no manual access is required.
  • a handling device it is preferred if the method is used for the production of lenses, for example of PC, PMMA, PMMI, COC or other suitable plastics.
  • the single drawing shows a flow chart of the inventions ⁇ inventive method.
  • the lens is made in a conventional manner from a thermoplastic material, such as PC, PMMA, PMMI, COC.
  • a thermoplastic material such as PC, PMMA, PMMI, COC.
  • the predetermined material or the material mixture is first melted (plasticized) in an injection molding machine and then injected via the injection unit into the cavity of an injection molding tool.
  • This cavity of the Spritzgit ⁇ tool is designed with a certain excess, so that the shrinkage of the injection molded part is taken into account during cooling and solidification of the plastic melt.
  • the melt is acted upon by the injection unit with a pressure, so that a complete filling of the cavity is ensured.
  • the injection mold is so heated that the temperature of the plastic mass in the cavity remains well above the glass transition temperature T G.
  • This glass transition temperature is the temperature at which the plastic mass is the largest Has change in the deformability.
  • This glass transition separates the brittle, energy-elastic area from a soft, entropy-elastic (rubber-elastic) area.
  • this preform is pre-stamped in the manner described above, wherein - as already explained - either the injection mold during the injection of the plastic material is not fully ⁇ constantly kept closed or opened after filling the cavity len, so that is increased accordingly by the fol ⁇ increasing increasing the closing force of the pressure on the Formmas ⁇ se.
  • This pre-embossing takes place ⁇ but to a much lesser extent than in the conventional solutions.
  • the pre-embossing step can be dispensed with.
  • This formed by injection molding or injection compression molding preform is then men well above the glass transition temperature entnom- with comparatively high tempera ture ⁇ and then cooled in a relatively short time on the glass transition temperature T G ⁇ .
  • This cooling can be either in a separate cooling station (see solid line in the process scheme) or by direct Einle ⁇ gen this preform in a press tool.
  • the mold temperature of this press tool is provided as a ⁇ that the preform is brought to a temperature in the region of the said glass transition temperature or held.
  • the cavity of this pressing tool does not hold shrinkage dimensions but must be manufactured according to the geometry of the designed lenden optical component.
  • the post-shrinkage of the preform which already has the part weight of the finished part, is "distributed" in this embossing tool to the required part geometry.
  • This final stamping in the embossing tool can be used to produce microstructures, small facets or even matting , Process variations in injection molding, which may also affect different shrinkage, to compensate for the external embossing.
  • the workpiece is then cooled within the embossing tool or ex ⁇ tern, so that the molding compound completely aushär ⁇ Tet or solidifies.
  • the advantage of the above-described method is that the cycle time of the injection molding in the injection molding tool ⁇ can be significantly shortened compared with conventional solutions, since no cooling in the injection molding tool ⁇ must be provided to a temperature range below the glass transition temperature.
  • the injection-compression tool is always operated with a constant tool Tempe ⁇ temperature in the range of glass transition temperature, so the usual manner eliminates required heating-kuhlen- process in the tool and thus the cycle time can be reduced.
  • knockouts of the advantages of preform in the injection mold is especially in the form ⁇ share with extreme shrinkage used because of the two-stage embossing ER excellent dimensional stability is targetable.
  • the inventive method is preferably realized on ei ⁇ ner combination plant, in which the Spritzg intelligenttechnik ⁇ tool is clamped in an injection molding machine, wherein the embossing tool is clamped ⁇ in an immediate proximity to this injection molding machine embossing machine, so that the molded parts over a automatic ⁇ table formed automatic handling device when opening of the injection mold and a ⁇ can be placed in the open embossing tool. That is, the production of a preform by injection molding or injection compression molding and the final embossing of a preform previously produced by injection molding are substantially parallel to each other, wherein the cycle time of the injection molding / injection compression molding is slightly larger than the cycle time in the embossing tool.

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Abstract

Offenbart sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen optischer Bauelemente, wobei ein Vorformling in einem Spritzgießwerkzeug hergestellt und dann in einem Prägewerkzeug fertig geprägt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen optischer Bauelemente
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen optischer Bauelemente gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru- ches 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens .
Stand der Technik
Bereits seit einiger Zeit werden optische Bauelemente, an die hohe Qualitätsanforderungen gestellt werden, aus Kosten- und Gewichtsgründen aus Kunststoff durch Spritzgie- ßen hergestellt. In den Druckschriften DE 10 2006 056 150 AI, DE 10 2006 048 230 AI und DE 11 2006 001 683 T5 wird beispielsweise beschrieben, Bauelemente, an die hohe op¬ tische Anforderungen oder hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit gestellt werden, beispielsweise Lichtleiter, Optikelement-Arrays , Leuchtdiodengehäuse oder dergleichen durch Spritzprägen herzustellen. Dieses Verfahren wird auch zur Herstellung von Linsen, Katzenaugen, etc. verwendet .
Beim Spritzprägen wird die thermoplastische oder du- roplastische Formmasse in die Kavität eines Spritzgie߬ werkzeugs eingebracht, das bei einer Variante des Verfah¬ rens während des Erstarrungs- oder Aushärtevorgangs zu¬ nächst nicht komplett geschlossen ist, wobei der Schlie߬ druck für die endgültige Ausformung des Formteils gleich- mäßig aufgebaut wird, so dass sich zum einen relativ großflächige Werkstücke mit geringer Schließkraft oder Werkstücke mit sehr feinen Strukturen mit hoher Genauigkeit ausbilden lassen. Bei einer anderen Variante des Spritzprägens wird die Werkzeugkavität komplett gefüllt, wobei die Schließkraft zunächst relativ gering gehalten ist, so dass der beim Füllen ansteigende Werkzeuginnendruck das Werkzeug leicht öffnet. In der Folge wird dann durch kontinuierliches Erhöhen der Schließkraft das Werk¬ zeug geschlossen und ein relativ spannungsfreies Formteil geprägt. Diese Spritzgießvariante wird beispielsweise bei der Herstellung von Datenträgern (DVD, CD) verwendet.
Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass aufgrund des mit dem eigentlichen Spritzgießvorgang einhergehenden Prägevorgangs die Zykluszeit gegenüber einer reinen Spritzgießfertigung verlängert ist, wobei insbesondere zu berücksichtigen ist, dass während des Spritzprägens die Formmassetemperatur in etwa der Glasübergangstemperatur (Erweichungstemperatur) TG gehalten werden sollte, um die Ausprägung mit der erforderlichen Genauigkeit durchführen zu können, d.h, die Formmasse muss im Spritzgießwerkzeug von der Schmelztemperatur auf die Glasüberweichungstempe- ratur gekühlt werden.
Darstellung der Erfindung
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen optischer Bauelemente zu schaffen, durch das bei hinreichen- der Bauteilqualität eine kostengünstigere Fertigung er¬ möglicht ist.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und hinsichtlich der Vor- richtung durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruches 9 gelöst. Besondere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben . Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zum Herstellen op¬ tischer Bauelemente zunächst ein Vorformling in einem Spritzgießwerkzeug aus einer thermoplastischen oder duroplastischen Formmasse durch Spritzgießen hergestellt. Dieser Vorformling wird dann durch einen Prägevorgang in das optische Bauelement umgeformt, wobei erfindungsgemäß der Vorformling aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen, abgekühlt und anschließend in ein gesondertes Prägewerkzeug zum Fertigprägen eingelegt wird. Das Kühlen kann dabei in einer eigenen Kühlstation oder im Prägewerkzeug erfolgen.
Durch die erfindungsgemäße Aufteilung des Verfahrens in das Spritzgießen in einem Spritzgießwerkzeug und das Fer¬ tigprägen in einem Fertigprägewerkzeug kann im Spritzgießwerkzeug die herkömmliche, für den Spritzgießvorgang optimale Zykluszeit eingehalten werden, wobei parallel das Fertigprägen in dem Prägewerkzeug erfolgt, so dass trotz höherer Investitionskosten aufgrund der wesentlich geringeren Zykluszeiten eine kostengünstigere Fertigung ermöglicht ist.
Die effektive Zykluszeit zur Herstellung des optischen Bauelementes ist besonders kurz, wenn das Prägewerkzeug in etwa bei konstanter Temperatur, vorzugsweise bei Glas¬ übergangstemperatur, betrieben wird, so dass keine Zeit zum Kühlen und Erwärmen dieses Prägewerkzeugs verloren geht . Das Prägewerkzeug hat dabei die den Fertigmaßen des opti¬ schen Bauelementes entsprechenden Abmessungen. D.h. es sind keine Schwindmaße berücksichtigt, so dass das Bau¬ teil unabhängig von der Schwindung mit exzellenter Quali- tät gefertigt werden kann.
Die Fertigungsqualität kann weiter verbessert werden, wenn auch im Spritzgießwerkzeug ein Vorprägen durchge¬ führt wird, wobei dieses Vorprägen wesentlich weniger Zeit als beim herkömmlichen Spritzprägen benötigt, so dass die Zykluszeit nur unwesentlich verlängert ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine quasi kontinu¬ ierliche Fertigung vor, wobei zunächst im Spritzgießwerkzeug ein erster Vorformling ausgebildet wird und parallel dazu im Prägewerkzeug ein zweiter, zuvor gefertigter Vorformling fertig geprägt wird. Der im Spritzgießwerkzeug ausgebildete erste Vorformling wird dann aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen und in das Presswerkzeug einge¬ legt. Dabei wird die Zykluszeit im Wesentlichen durch das Spritzgießwerkzeug bestimmt, da der Spritzgießzyklus et¬ was länger als der Prägezyklus sein wird.
Bei einer Variante der Erfindung erfolgt das Entnehmen des Vorformlings aus dem Spritzgießwerkzeug und das Ein¬ legen in das Prägewerkzeug mittels eines Handlingsgerä¬ tes, so dass kein manueller Zugriff erforderlich ist. Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn das Verfahren zur Herstellung von Linsen, beispielsweise aus PC, PMMA, PMMI, COC oder anderen geeigneten Kunststoffen verwendet wird . Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die einzige Zeichnung zeigt ein Ablaufschema des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens .
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Verfahrens zur Herstellung einer Linse einer optischen Baugruppe er- läutert.
Die Linse ist in an sich bekannter Weise aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise PC, PMMA, PMMI, COC hergestellt. Bei herkömmlichen Lösungen erfolgt diese Herstellung im Spritzprägeverfahren in einem einzigen Werkzeug mit den eingangs geschilderten Nachteilen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das vorbestimmte Material bzw. die Materialmischung in einer Spritzgießmaschine zunächst aufgeschmolzen (plastifiziert ) und dann über die Einspritzeinheit in die Kavität eines Spritz- gießwerkzeugs eingespritzt. Diese Kavität des Spritzgie߬ werkzeugs ist mit einem gewissen Übermaß ausgeführt, so dass die Schwindung des Spritzgießteils beim Abkühlen und Erstarren der Kunststoffschmelze berücksichtigt ist. Um eine Maßhaltigkeit des Spritzgießteils zu gewährleisten, wird die Schmelze über die Einspritzeinheit mit einem Nachdruck beaufschlagt, so dass eine vollständige Füllung der Kavität gewährleistet ist. Im Unterschied zum her¬ kömmlichen Spritzgießverfahren wird das Spritzgießwerkzeug so temperiert, dass die Temperatur der Kunststoff- masse in der Kavität deutlich über der Glasübergangstemperatur TG bleibt. Diese Glasübergangstemperatur ist diejenige Temperatur, bei der die Kunststoffmasse die größte Änderung der Verformungsfähigkeit aufweist. D.h. dieser Glasübergang trennt den spröden, energieelastischen Bereich von einem weichen, entropieelastischen (gummielastischen) Bereich. Bei einer Variation der Erfindung wird dieser Vorformling in der eingangs beschriebenen Weise vorgeprägt, wobei - wie bereits erläutert - entweder das Spritzgießwerkzeug während des Einspritzens der Kunststoffmasse nicht voll¬ ständig geschlossen gehalten wird oder aber nach dem Fül- len der Kavität geöffnet wird, so dass durch das nachfol¬ gende Erhöhen der Schließkraft der Druck auf die Formmas¬ se entsprechend erhöht wird. Dieses Vorprägen erfolgt je¬ doch in wesentlich geringerem Umfang als bei den herkömmlichen Lösungen. Prinzipiell kann auch, wie in dem anlie- genden Verfahrensschema gestrichelt angedeutet, auf den Vorprägeschritt verzichtet werden.
Dieser durch Spritzgießen oder Spritzprägen ausgebildete Vorformling wird dann mit vergleichsweise hoher Tempera¬ tur deutlich oberhalb der Glasübergangstemperatur entnom- men und dann in vergleichsweise kurzer Zeit auf die Glas¬ übergangstemperatur TG abgekühlt. Dieses Abkühlen kann entweder in einer eigenen Kühlstation (siehe durchgezogene Linie im Verfahrensschema) oder durch direktes Einle¬ gen dieses Vorformlings in ein Presswerkzeug erfolgen. Die Werkzeugtemperatur dieses Presswerkzeugs ist so ein¬ gestellt, dass der Vorformling auf eine Temperatur im Bereich der genannten Glasübergangstemperatur gebracht oder gehalten wird.
Die Kavität dieses Presswerkzeugs hält keine Schwindmaße vor sondern ist entsprechend der Geometrie des herzustel- lenden optischen Bauelementes ausgeführt. D.h. die Nach- schwindung des Vorformlings, der bereits das Teilegewicht des Fertigteils aufweist, wird in diesem Prägewerkzeug gezielt auf die geforderte Teilegeometrie „verteilt". Durch dieses Fertigprägen im Prägewerkzeug lassen sich Mikrostrukturen, kleine Facetten oder auch Mattierungen erzeugen. Des Weiteren ist es möglich, Prozessschwankungen beim Spritzgießen, die sich eventuell auch auf unterschiedliche Schwindmaße auswirken können, mit dem exter- nen Prägen auszugleichen.
Nach diesem Fertigprägen bei Glasübergangstemperatur wird das Werkstück dann innerhalb des Prägewerkzeugs oder ex¬ tern abgekühlt, so dass die Formmasse vollständig aushär¬ tet bzw. erstarrt. Der Vorteil des vorbeschriebenen Verfahrens liegt darin, dass die Zykluszeit des Spritzgießprozesses im Spritz¬ gießwerkzeug deutlich gegenüber herkömmlichen Lösungen verkürzt werden kann, da keine Abkühlung im Spritzgie߬ werkzeug auf einen Temperaturbereich unterhalb der Glas- Übergangstemperatur vorgesehen sein muss. Das Spritzprägewerkzeug wird dabei stets mit konstanter Werkzeugtempe¬ ratur im Bereich dieser Glasübergangstemperatur gefahren, so dass der üblicher Weise erforderliche Heizen-Kühlen- Prozess im Werkzeug entfällt und somit die Zykluszeit verringert werden kann. Vorversuche zeigten, dass sich die über das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten optischen Bauelemente durch eine äußerst geringe Eigenspan¬ nung aufweisen. Dies rührt aus dem Tempern des Bauelementes bei Temperaturen im Bereich oder unterhalb der Glas- Übergangstemperatur. Die im Verfahrensschema vorgesehene Vorprägung des Vor- formlings im Spritzgießwerkzeug wird besonders bei Form¬ teilen mit extremer Nachschwindung eingesetzt, da durch die zweistufige Prägung eine exzellente Maßhaltigkeit er- zielbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise auf ei¬ ner Kombianlage realisiert, bei der das Spritzgießwerk¬ zeug in einer Spritzgießmaschine aufgespannt ist, wobei das Prägewerkzeug in einer in unmittelbarer Nähe zu die- ser Spritzgießmaschine angeordneten Prägemaschine einge¬ spannt ist, so dass die Formteile über eine automatisches Handlinggerät beim Öffnen des Spritzgießwerkzeugs automa¬ tisch ausgeformt und in das geöffnete Prägewerkzeug ein¬ gelegt werden können. D.h. das Herstellen eines Vorform- lings durch Spritzgießen oder Spritzprägen und das Fertigprägen eines zuvor durch Spritzgießen hergestellten Vorformlings verlaufen im Wesentlichen parallel zu einander, wobei die Zykluszeit des Spritzgießens/Spritzprägens etwas größer als die Zykluszeit im Prägewerkzeug ist. Durch die Verringerung der Spritzgießzykluszeit kann je¬ doch die Gesamtzeit zur Produktion des optischen Bauelementes gegenüber herkömmlichen Lösungen verringert werden, wobei die Bauteilqualität erheblich oberhalb derje¬ nigen Qualität liegt, die mit den herkömmlichen Lösungen erzielbar ist.
Offenbart sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen optischer Bauelemente, wobei ein Vorformling in einem Spritzgießwerkzeug hergestellt und dann in einem Prägewerkzeug fertig geprägt wird.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Herstellen optischer Bauelemente, wobei ein Vorformling in einem Spritzgießwerkzeug aus einer thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmas- se durch Spritzgießen hergestellt wird und dieser Vorformling dann durch einen Prägevorgang und Abkühlung in das Bauelement umgeformt wird, gekennzeichnet durch die Schritte: entnehmen des Vorformlings aus dem Spritzgießwerkzeug;
Kühlen des Vorformlings außerhalb des Spritzgie߬ werkzeugs und
Einlegen des Vorformlings in ein Prägewerkzeug und Fertigprägen zum Bauelement.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei das Prägewerkzeug in etwa bei konstanter Temperatur betrieben wird .
3. Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei die Werkzeugtemperatur so eingestellt wird, dass der Vorformling im Bereich einer Glasübergangstemperatur (TG) gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprü- che, wobei eine Kavität des Prägewerkzeugs entspre- chend der Fertigmaße des Bauelementes ausgeführt ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei im Spritzgießverfahren ein Vorprägen durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Spritzgießen und das Prägen parallel erfolgen, so dass eine quasi kontinuierliche Ferti¬ gung ermöglicht wird, bei der während der Ausbildung eines ersten Vorformlings im Spritzgießwerkzeug ein zweiter Vorformling im Prägewerkzeug fertig geprägt und aus diesem entnommen wird und dann der zuvor gefertigte erste Vorformling in das Prägewerkzeug ein¬ gelegt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Entformen des Vorformlings aus dem Spritzgießwerkzeug und das Einlegen dieses Vorform¬ lings in das Prägewerkzeug über ein Handlingsgerät erfolgt .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Bauelemente Linsen sind, die aus PC, PMMA, PMMI, COC hergestellt werden.
9. Vorrichtung zum Herstellen eines optischen Bauelementes mit einem Spritzgießwerkzeug zum Spritzgießen ei- nes Vorformlings und einem Prägewerkzeug zum Fertig¬ prägen des Vorformlings.
10. Vorrichtung nach Patentanspruch 9, wobei das Spritzgießwerkzeug mit einem das Schwindmaß des Vorform¬ lings berücksichtigenden Übermaß und das Prägewerk- zeug mit dem Fertigmaß des Bauelements ausgelegt ist.
11. Vorrichtung nach Patentanspruch 9 oder 10, mit einem Handlingsgerät zum Entnehmen des Vorformlings aus dem Spritzgießwerkzeug und zum Einlegen des Vorformlings in das Prägewerkzeug.
PCT/EP2010/067721 2009-12-09 2010-11-18 Verfahren und vorrichtung zum herstellen optischer bauelemente Ceased WO2011069792A1 (de)

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