CN111352335A - 钟表构件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钟表构件的制造方法，其中所述方法至少包括以下步骤：由第一光敏树脂(31)制造(E1)包括至少一层光敏树脂的第一结构(10)，所述第一结构包括通过借助于至少一个掩模(4)进行辐照而使第一光敏树脂聚合然后使第一光敏树脂显影所获得的第一图案；通过向第一结构的至少一个表面添加第二光敏树脂(32)来使第一结构的所述至少一个表面结构化而使第一结构(10)转变(E2)为第二结构(1)，该第二结构(1)旨在至少部分地形成用于钟表构件的制造模具。

Description

钟表构件的制造方法
技术领域
本发明涉及一种钟表构件的制造方法。
背景技术
光刻是在钟表构件的制造中常用的技术，特别是可以形成用于制造钟表构件的树脂模具。
例如，专利EP2405300记载了使用光刻技术制造至少两层金属零件的方法的实现。
文献EP3035125提出了一种使用光刻技术制造多层钟表构件的改进方法。
文献EP3260932记载了一种由多晶陶瓷制成的钟表构件的制造方法，在该方法中使用了通过光刻形成的模具。
然而，基于所谓的传统光刻的现有技术的这些方法具有以下缺点：不能产生绝对任意的三维形状，例如在微米或甚至纳米尺度上复杂的形状。
因此，本发明的一个目的是改进现有技术中已知的方法并提出一种用于制造三维的钟表构件的方案，该三维的钟表构件可能具有在微米或甚至纳米尺度上复杂的形状。本发明的另一个目的是允许以高度的可靠性和高精度制造钟表构件。
发明内容
为此，本发明涉及一种钟表构件的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
-由第一光敏树脂制造包括至少一层光敏树脂的第一结构，该第一结构包括通过借助于至少一个掩模进行辐照而使第一光敏树脂聚合然后使所述第一光敏树脂显影所获得的第一图案；
-通过向第一结构的至少一个表面添加第二光敏树脂来使第一结构的所述至少一个表面结构化而使第一结构转变为第二结构，所述第二结构旨在至少部分地形成所述钟表构件的制造模具。该步骤有利地采用双光子聚合技术。
本发明更具体地由权利要求书限定。
本发明还涉及这样的钟表构件。
附图说明
本发明的上述目的、特征和优点将在下面参照附图通过非限制性例子给出的具体实施方式的描述中详细地阐述，在附图中：
图1描绘了通过根据本发明的一个实施方式的制造方法制备的擒纵轮的立体图。
图2描绘了通过根据本发明的一个实施方式的制造方法制备的图1的擒纵轮的齿的放大立体图。
图3至图8示出了根据本发明的一个实施方式的图1和图2所描绘的擒纵轮的制造方法中的连续步骤。
图9描绘了通过根据本发明的一个实施方式的制造方法制备的心形的钟表构件的立体图。
图10描绘了图9的钟表构件的平面A-A上的截面图。
图11示出了流程图，其示意性描绘了本发明的一个实施方式的根据两种不同的替代形式的步骤和子步骤。
具体实施方式
本发明实现了一种钟表构件的制造方法，该方法有利地将基于传统光刻的至少一个步骤与基于双光子聚合技术(其缩写为TPP)的至少一个步骤相结合。例如，该方法用在远离钟表的领域的文献US9302430记载的方法中。最终，可以将其比作与传统光刻截然不同的特定的三维光刻形式。
更具体地，本发明实现了一种制造方法，其至少包括第一步骤和第二步骤，第一步骤在于使用传统的光刻技术在基板上制造(E1)第一结构，第二步骤有利地在于通过尤其使用双光子聚合技术使第一结构的至少一个表面结构化来使第一结构转变(E2)为第二结构。
将就图1和图2所描绘的擒纵轮6的制造来说明根据本发明的一个实施方式的制造方法。该擒纵轮6例如由镍磷(NiP)合金制成，并包括齿62，齿62在它们的接触表面上包括微结构63，微结构63被设计为构成用于引导润滑剂的通道。该轮、尤其是齿62的微结构化的表面具有非常复杂的几何形状，这可以有利地通过根据现在将要描述的实施方式的制造方法来获得。
具体地，参照图3至图8描述钟表构件的制造方法的实施方式，该制造方法特别适合于制造如上所述的擒纵轮，并且更一般而言适合于制造任何钟表构件。
根据该实施方式，该方法包括在于使用传统的光刻技术在基板20上制造(E1)第一结构10的第一步骤。
按照惯例，水平方向被定义为平行于基板20的平面的方向。竖直方向被定义为与水平方向垂直并因此与基板的平面垂直的方向。
该基板20可以采取由诸如不锈钢之类的金属制成的晶片的形式，或者采取硅晶片或玻璃晶片或陶瓷晶片的形式。有利地，它是平面的。它可以可选地包括例如通过激光加工制备的结构。这些结构例如可以包括图案、尤其是加工图案和/或型腔。根据本领域技术人员已知的规则来准备基板，尤其关于使其进行脱脂、清洁、可能的钝化和/或活化。优选地，基板20具有参考标记，使得能够以高精度对其进行定位。基板20可以由导电材料(例如，不锈钢)制成。作为替代，例如也可以使用由诸如硅之类的非导电材料制成的基板。在这种情况下，可以在第一步骤E1之前进行的预备步骤中，例如使用热蒸镀在基板20的上表面上施加导电层21。该导电层21尤其旨在用作电极以出于将来构件生长金属的目的而触发电镀或电沉积，这将在下文中详细描述。通过已知的方式，该导电引发层21可以包括覆盖有金层或铜层的铬、镍或钛的底层，并因此可以呈现多层结构的形式。
第一步骤包括子步骤，该子步骤在于施加(E11)第一光敏树脂31使得其根据本领域技术人员已知的规则以所需高度的第一光敏树脂31的层覆盖基板20的导电层21的全部或部分上表面(或者在没有导电层21的情况下，直接覆盖基板20的上表面)。该第一光敏树脂31适合于传统的光刻。它可能是负性的也可能是正性的。在其是负性的情况下，其被设计为在辐照的作用下变得不溶于或难溶于显影剂(即，曝光区域抵抗显影)，而在其是正性的情况下，其被设计为在辐照的作用下变得易溶于显影剂，而不暴露于辐照的部分保持不溶或难溶。该光敏树脂31可以是SU-8型(是在UV辐照的作用下聚合的负性光敏树脂)，例如Microchem的型号为SU-8-100的树脂。
然后，第一步骤包括子步骤，该子步骤在于：借助于掩模4在基本上垂直于该掩模的方向上，尤其使用UV辐照、X射线辐照或电子束使第一光敏树脂31曝光E12，以便根据由掩模4限定的第一图案使其聚合，如图3所示。该曝光在于借助于包括开口和不透明区域的掩模4使光敏树脂31的层暴露于光辐照。因此，该掩模限定了要被再现以便产生结构或结构的一部分的第一图案。所使用的辐照垂直于或基本上垂直于掩模延伸的平面，并且垂直于或基本上垂直于基板20，使得仅直接与掩模中形成的开口对准设置的树脂区域被辐照。因此，这些区域由竖直或基本上竖直的壁(即，垂直于或基本上垂直于基板20的平面的壁)限定。替代地，可以使用具有透射率变化的掩模来形成非竖直的或倾斜的壁。
接下来，第一步骤包括在于使第一光敏树脂31显影E13的子步骤。在树脂31是负性树脂的情况下，显影在于根据适于光敏树脂31的方法，例如通过使用化学品溶解光敏树脂31或使用等离子工艺来消除树脂的未被曝光的(即，未被辐照的)区域。作为替代，在正性光敏树脂的情况下，在显影期间例如通过化学途径消除被辐照的区域，而将未被辐照的区保留在基板上。显影后，在去除了树脂的位置处露出基板20或可选的导电层21。由此，余下的树脂部分形成图4所示的第一结构10。该结构留在基板20的上表面或基板20的导电层21(如果存在的话)上。因此，第一结构10在两个水平表面(一个上水平表面(定义为聚合树脂与空气之间的界面)和一个下水平表面(定义为聚合树脂与基板20或可选的导电层21的上表面之间的界面))之间延伸，并且包括在这两个水平表面之间延伸的侧表面11，侧表面11通常基本上是竖直的，但作为替代也可以是倾斜的。这些侧表面尤其是通过使用传统的光刻去除未聚合的光敏树脂而在第一光敏树脂31中形成开口的结果。优选地，第一结构10具有恒定的高度(在上表面和下表面这两个表面之间测量)。
为了产生多层结构，第一步骤E1可以涉及使用具有不同第一子图案的不同掩模来重复上述子步骤，其结果产生具有与不同的第一子图案的组合对应的第一图案的第一结构。
然后，该方法包括第二步骤，该第二步骤在于通过使第一结构10的至少一个表面、尤其是第一结构10的至少一个侧表面11结构化来使第一结构10转变E2为第二结构1。该步骤涉及在所述至少一个表面上添加聚合树脂的第二三维图案12。
因此，第二步骤包括子步骤，该子步骤在于：在第一结构10的至少一个上述表面、尤其是侧表面11的至少一部分上施加E21液态或半液态的第二光敏树脂32的层，如图5所示。例如，该步骤可以通过滴铸法或允许施加液态或半液态的树脂的任何其他方式(喷涂、旋涂等)来进行。第二光敏树脂32特别适合于前述的双光子聚合技术。它可以是负性的，也可以是正性的。在一个特定的实施方式中，所使用的光敏树脂32是半液态的树脂，例如Nanoscribe的IP-DipTM树脂，其是负性树脂。实施方式不限于以上描述。第一结构的前述表面可以替代地或补充地是水平的，而不只是侧表面是水平的，尤其是在制造多层的钟表构件的情况下。
作为替代，第一光敏树脂31和第二光敏树脂32可以相同。因此用于两个步骤E1、E2的树脂既适用于传统的光刻，也适用于双光子聚合。
然后，第二步骤包括子步骤，该子步骤在于：在第二光敏树脂32的层的至少一部分上进行双光子聚合E22(如图6所示)，以便根据预定的第二三维图案实现三维聚合。为此，该方法可以采用光子器件5，该光子器件5旨在将电磁波发射到光敏树脂32上或光敏树脂32中，以便根据与第二图案相对应的空间坐标使其聚合。这种方法的益处在于限定的精确性和可以实现的图案的复杂性，例如尤其是在竖直方向上不连续的图案。
根据一个有利的实施方式，光子器件5包括物镜51，物镜51至少部分地浸入第二光敏树脂32中，以便根据限定第二图案的形状或三维几何形状12的空间坐标使其聚合。这种替代形式有利地可以优化第二三维图案的分辨率。更具体地，物镜51被设计为引导并聚焦激光束52，使得焦点穿过限定第二图案的形状或几何形状12的各个空间坐标。对于每个坐标，两个光子可以在激光器52的焦点处同时被树脂32吸收在被称为“体素”的非常小的体积中。化学反应被引发，液态或半液态的树脂发生聚合并在体素内变为固态。因此，由激光束52的焦点路径产生的体素限定了第二图案的形状或几何形状12。在将激光的聚焦光学器件和光敏树脂32的材料结合起来产生有利的作用时，体素的直径可以小于0.1μm，从而可以在第一结构10的至少一个表面上、尤其是在至少一个侧表面11上限定非常高分辨率的微观构造或者甚至纳米构造。因此，该步骤可以限定三维分辨率为0.001μm3或更佳且侧向分辨率等于体素的直径(即，0.1μm)或更佳的第二图案。
另外，物镜51至少一部分或全部浸入第二光敏树脂32中防止了激光束52穿过物镜与空气之间的界面以及空气与第二光敏树脂之间的界面，并避免了激光束在这些界面处的偏转。激光束(光子束)仅与第二光敏树脂相互作用：它在连续介质中被处理，避免了任何寄生反射或折射或功率损耗。结果，使激光束的路径最小化，并且使已经聚合的部分的检测更容易。结果是第二图案的三维分辨率被优化，并且处理速度被最大化。
此外，如图6所描绘的那样，根据在第一结构10的侧表面11上、尤其是在垂直于或基本上垂直于基板20的表面上施加第二光敏树脂32，该第二图案可以至少部分地在水平方向上延伸，或者具有明显的水平分量。
因此，该步骤可以形成微观构造或者甚至是纳米构造，例如，如图7所示，这些构造可以在表面11上采取方波或阶梯12的形状。这些形状不会切入表面11中，而是以浮雕的形式施加在表面11上。
然后，第二步骤包括子步骤，该子步骤在于：使第二光敏树脂32显影E23以消除未聚合的第二光敏树脂32并获得具有由第一图案和第二图案限定的形状的第二结构1。具体地，一旦第二光敏树脂32已经根据预定的三维几何形状进行了聚合，则在负性光敏树脂的情况下，例如通过将光敏树脂32的未被曝光的那些区域溶解在化学品中或者使用等离子工艺来消除这些未被曝光的区域。优选地，所使用的化学品与第一步骤中所使用的化学品相同。例如，其可以是基于PGMEA的溶剂。
在该第二步骤的结束时，分别成形为上述两种图案的两种光敏树脂31、32的组合最终形成了附着于基板20的第二结构1。根据实施方式，该第二结构1旨在与基板20一起形成用于制造钟表构件的模具。为此，它可以包括至少一个型腔13。作为上述方法的结果，可以形成具有绝对任意的复杂三维形状的第二结构1，并因此允许制备具有对应的复杂三维形状的绝对任意的钟表构件。
然后，制造方法实施第三步骤，该第三步骤在于：将第二结构1与基板20一起用作E3制造钟表构件6的模具。钟表构件6尤其可以由金属或金属合金或陶瓷、尤其是工业陶瓷或复合材料制成。例如，它可以用诸如碳纤维或凯夫拉尔纤维之类的纤维增强。
根据实施方式的第一替代形式，钟表构件6由金属或金属合金制成。
在实施方式的该第一替代形式中，第三步骤包括子步骤，该子步骤在于通过电沉积或电镀将形成钟表构件的金属层61施加E31到第二结构1的一个或多个型腔13中，如图8所示。在该子步骤中，上述导电层21或基板20本身(如果其由导电材料制成)用作阴极以引发沉积反应。该步骤使用例如LIGA方法以及金属或金属合金，例如镍(Ni)或镍-磷(NiP)或镍基材料。有利地，可以使用文献WO2017102661中记载的合金。所获得的金属层61的高度H优选与由第二结构1形成的模具的高度相同。金属层61的高度也可以小于模具的高度，或者甚至大于模具的高度。可选地，该子步骤可以包括通过对金属层和模具同时进行机械抛光来调节厚度，以便获得完全平面的水平上表面。
此外，所获得的金属层61的高度H优选显著大于层21的高度。其优选大于层21的高度的五倍，或者甚至大于层21的高度的十倍。
在实施方式的该第一替代形式中，第三步骤包括子步骤，该子步骤在于例如通过将导电层21从基板剥离来将由所述金属层61和第二结构1形成的组件与基板20分离E32。
在实施方式的该第一替代形式中，第三步骤包括子步骤，该子步骤在于例如通过化学侵蚀或使用等离子体将由所述金属层61形成的钟表构件6与第二结构1分离E33。钟表构件6因此被释放。
步骤E32和E33可以以任何顺序进行。
根据实施方式的第二替代形式，钟表构件6由陶瓷、尤其由工业陶瓷制成。
在实施方式的该第二替代形式中，第三步骤包括子步骤，该子步骤在于使用液体途径来用包含陶瓷粉末的产品填充E31’第二结构。例如，该步骤可以涉及倒入浆料或倒入凝胶或倒入凝结物。替代地，在基板由导电材料制成或者其中基板的上表面覆盖有导电层21的情况下，可以使用电泳来实施该步骤。在浆料的情况下，其可以包含液体物质、陶瓷粉末和至少一种添加剂。液体物质可以包括水、醇或其他有机溶剂。陶瓷粉末例如可以包括氧化锆或氧化铝或氧化物或碳化物或氮化物。该步骤可以在真空下进行以确保完美的填充而没有空气的夹杂。
该子步骤E31’之前可以是可选的子步骤，该可选的子步骤在于准备基板20的面对第二结构1的至少一个型腔13的至少一个表面部分，或者在于在基板20的面对第二结构1的至少一个型腔13的至少一个表面部分上施加涂层，以使钟表构件6的坯件的将来释放更加容易。注意，该坯件例如可以采取生坯的形式，生坯是钟表构件6的前体。
在实施方式的该第二替代形式中，第一步骤包括子步骤，该子步骤在于使位于第二结构1中的产品固结E32’。该子步骤包括干燥浆料以便获得钟表构件6的坯件。
可选的中间子步骤可以在于在脱模之前调节钟表构件6的坯件的高度。该坯件例如可以采取生坯的形式，该生坯是钟表构件6的前体。
在实施方式的该第二替代形式中，第三步骤包括子步骤，该子步骤在于将构件的坯件与由第二结构形成的制造模具分离E33’以及将构件的坯件与基板20分离，这两次分离能够以任意顺序进行。这种分离例如可以通过化学侵蚀或通过使用等离子体进行处理来实现。
在实施方式的该第二替代形式中，第三步骤最终包括子步骤，该子步骤在于使在前述步骤中获得的坯件脱脂，然后通过烧结使其致密化E34’。优选地，基板20由旨在能够承受进行第三步骤E3’的子步骤的温度的材料制成。例如，基板可以由硅或氧化铝制成。
上文描述的钟表构件的制造方法可以用于制造所有钟表构件，例如，作为说明性和非限制性例子有摆轮、擒纵叉、掣子、小齿轮、轮、杠杆、弹簧、凸轮或甚至坯件。当然，它尤其可以用于制造包括微观结构的任何元件。因此，图9和图10示出了钟表构件的另一个例子，该钟表构件在此为心6’的形状。该心优选由工业陶瓷制成。它具有孔62’，孔62’包括凹槽63’。有利地，这样的凹槽63’被设置用于容纳被设置用于将心固定到小时轮的元件，例如簧环。如图9和图10所示，该凹槽可以具有半球形形状。当然，它可以具有任何几何形状。例如，它可以具有不对称的形状，以便最佳地响应由力或扭矩引起的应力。
根据实施方式的第二替代形式，钟表构件优选由陶瓷或复合材料制成。这样的陶瓷构件优选由被称为工业陶瓷的陶瓷制成。“工业陶瓷”是致密材料的名称，该致密材料基于氧化铝；和/或基于氧化锆；和/或基于尤其采用氧化钇和/或氧化铈和/或氧化镁稳定的氧化锆；和/或由铝酸锶、尤其是掺杂的铝酸锶制成；和/或由氮化物制成；和/或由碳化物制成；并且可选地尤其使用金属氧化物和/或混合的金属氧化物和/或尖晶石相着色。为了简化描述，可以使用术语“陶瓷”来指代能够用于制造构件6的“工业陶瓷”。如果材料的密度介于所讨论材料的理论密度的95％至100％之间，则认为该材料是“致密的”。注意，这里“基于”的思想是指所提及的化学成分至少占所涉及的陶瓷总化学成分的50重量％。
因此，显然，本发明通过将两种不同的技术有利地结合起来而实现了所寻求的目的。传统的光刻可以在第一步骤中简单、快速且可靠地形成钟表构件的主体积，而双光子聚合技术则可以在更复杂而没有那么快但更精确且更灵活的第二步骤中将复杂的形状添加到该主体积中，从而可以限定绝对任意的三维图案。这导致钟表构件形状复杂，并且制造方式简单而强大。
本发明还涉及通过上述制造方法获得的钟表构件。该钟表构件包括通过上述第二结构的第二图案结构化的表面。因此，钟表构件为包括结构化或者甚至更具体地微结构化或纳米结构化的表面的一件式零件的形式。换言之，结构化表面与钟表构件的其余部分是一体的。
有利地，结构化表面至少部分地在钟表构件的侧表面上延伸。这种构造在水平方向上具有凹部，或者具有明显的水平分量。结构化表面具有例如微观构造或甚至纳米构造。这些构造可以例如采取方波或阶梯的形式。它们以浮雕的形式凹进钟表构件的结构化表面中。该结构化表面另外可以非常精确地限定。特别地，它可以包括小于或等于0.001μm3的三维分辨率和/或小于或等于0.1μm的侧向分辨率(在水平方向上)。

Claims (12)

1.一种钟表构件的制造方法，其中，所述方法至少包括以下步骤：
-由第一光敏树脂(31)制造(E1)包括至少一层光敏树脂的第一结构(10)，该第一结构包括通过穿过至少一个掩模(4)进行的辐照而使所述第一光敏树脂聚合然后使所述第一光敏树脂显影所获得的第一图案；
-通过向所述第一结构(10)的至少一个表面添加第二光敏树脂(32)来使所述第一结构的所述至少一个表面结构化而使所述第一结构(10)转变(E2)为第二结构(1)，所述第二结构(1)旨在至少部分地形成所述钟表构件的制造模具，在于使所述第一结构转变(E2)的这个步骤包括以下步骤：
o在所述第一结构的所述至少一个表面的至少一部分上施加(E21)所述第二光敏树脂的层；
o使用光子器件根据第二图案在所述第二光敏树脂上进行双光子聚合(E22)，以获得三维聚合，所述光子器件包括至少部分地浸入所述第二树脂中的物镜以将光束引导并聚焦在体素上，所述体素限定所述第二图案的形状或几何形状；
o进行显影(E23)以便消除未聚合的第二光敏树脂并获得具有由所述第一图案和所述第二图案限定的形式的所述第二结构。
2.根据前述权利要求所述的钟表构件的制造方法，其中，在于使所述第一结构转变(E2)的步骤包括在所述第一结构的至少一个侧表面(11)上添加所述第二光敏树脂。
3.根据前述任一项权利要求所述的钟表构件的制造方法，其中，在于进行双光子聚合(E22)的步骤能够限定具有优于或等于0.001μm3的三维分辨率和/或优于或等于0.1μm的侧向分辨率的第二图案。
4.根据前述任一项权利要求所述的钟表构件的制造方法，其中，在于制造(E1)所述第一结构的步骤包括以下步骤：
-将所述第一光敏树脂施加(E11)到基板的上表面上，所述基板尤其是由诸如不锈钢的金属、硅、玻璃或陶瓷制成的晶片形式的基板；
-在垂直于或基本上垂直于掩模的方向上，穿过掩模使所述第一光敏树脂曝光(E12)，尤其使用UV辐照、X辐照或电子束，以便根据由所述掩模限定的图案使所述第一光敏树脂聚合；
-使所述第一光敏树脂显影(E13)。
5.根据前述权利要求所述的钟表构件的制造方法，其中，在于使所述第一树脂曝光(E12)的步骤产生包括垂直于或基本上垂直于所述基板的侧面和/或平行于或基本上平行于所述基板的恒定的截面的第一结构。
6.根据前述任一项权利要求所述的钟表构件的制造方法，其中：
-两种树脂相同或不同；和/或
-两种树脂为正性或负性；和/或
-所述第一树脂为SU-8型或SU-8-100型；和/或
-所述第二树脂是液态或半液态树脂，尤其是IP-DipTM。
7.根据前述任一项权利要求所述的钟表构件的制造方法，其中，所述方法包括在于将所述第二结构用作所述钟表构件的制造模具的步骤，所述钟表构件尤其由金属或金属合金、陶瓷或复合材料制成。
8.根据前述权利要求所述的钟表构件的制造方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-使用电沉积或电镀在所述第二结构上施加(E31)形成所述钟表构件的金属层；
-将由所述第二结构和由所述金属层形成的钟表构件形成的组件与基板分离(E32)，并且将由所述金属层形成的钟表构件与所述第二结构分离(E33)。
9.根据前述权利要求所述的钟表构件的制造方法，其中，所述金属是镍基的，或者是镍-磷合金。
10.根据权利要求7所述的钟表构件的制造方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-使用液体途径来用包含陶瓷粉末的产品填充(E31’)所述第二结构；
-使所述产品固结(E32’)；
-将由所述产品形成的坯件与所述第二结构和基板分离(E33’)；
-使前述步骤中获得的坯件脱脂，然后通过烧结使其致密化(E34’)。
11.一种钟表构件，其中，所述钟表构件包括结构化、甚至微结构化或纳米结构化的表面，所述表面与所述钟表构件的其余部分成一体并且至少部分地以凹陷的方式在所述钟表构件的侧表面上延伸。
12.根据前述权利要求所述的钟表构件，其中，所述结构化的表面包括具有优于或等于0.001μm3的三维分辨率和/或优于或等于0.1μm的侧向分辨率(在水平方向上)的构造。
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