DE102004052068B4 - Schneidwerkzeug und dessen Verwendung - Google Patents
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Abstract
Schneidwerkzeug
(1), das aus mindestens zwei Schichten (4, 5) aufgebaut ist, wobei
die erste Schicht eine Metall enthaltende Trägerschicht (4) und die zweite
Schicht (5) eine diamantartige Kohlenstoffschicht (5) ist, wobei
die zweite Schicht (5) die Schneidkante (3) bildet, wobei die Schneidkante
(3) durch ein strukturiertes Profil mit abnehmender Schichtdicke
gebildet ist, und wobei die Schneidkante (3) des Schneidwerkzeugs
(1) einen Verrundungsradius rc < 10 μm aufweist
und die Oberflächenrauhigkeit
Rm des strukturierten Profils < 5 μm ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein aus mindestens zwei Schichten aufgebautes Schneidwerkzeug, wobei die Schneidkante einen Verrundungsradius < 10 μm und eine Oberflächenrauhigkeit < 5 μm aufweist.
- Bei Schneidwerkzeugen, insbesondere bei Rasierklingen, kommt es entscheidend darauf an, dass die Schneidkante als solches nicht nur eine extreme Schärfe aufweist, sondern auch, dass deren Standfestigkeit im Dauerbetrieb gewährleistet ist. Als Lösung wird hierbei u.a. vorgeschlagen, die Schneidkante als solches in Form eines Profils, z.B. in Wellenprofil, auszuführen und/oder dass die Schneidkante als solches durch physikalische Nachbearbeitung geschärft wird. Obwohl es hier im Stand der Technik schon zahlreiche Lösungen gibt, ist die Dauerstandfestigkeit bei gleich bleibender Schärfe der Schneidkante im Dauerbetrieb nicht befriedigend.
- Die
DE 30 47 888 A1 beschreibt ein Schneidwerkzeug, das mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht auf einem Träger versehen ist. Die Schneidkante selbst wird dabei durch den Träger selbst vorgegeben, so dass ein entsprechender Verrundungsradius vorgegeben ist und damit auch die erzielbare Schärfe. - Aus der
DE 297 18 352 U1 ist ein Schneidwerkzeug aus einem Metall-enthaltenden Material mit einem strukturierten Profil abnehmender Schichtdicke bekannt. Das Schneidwerkzeug ist dabei einstückig aufgebaut. - Weitere Schneidinstrumente sind in der
DE 26 02 555 A1 ,DE 195 31 22 A sowie in derWO 2004/089582 A2 und derGB 345 866 A - Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schneidwerkzeug anzugeben, dessen Schneidkante besonders scharf ist, im Dauerbetrieb in ihrer Schärfe keiner Beeinträchtigung unterliegt und somit eine lange Standzeit aufweist.
- Die Aufgabe wird in Bezug auf das Schneidwerkzeug durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
- Das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug zeichnet sich somit dadurch aus, dass es einen Verrundungsradius rc von < 10 μm aufweist, wobei gleichzeitig eine Oberflächenrauhigkeit Rm < 5 μm vorhanden ist. Beim erfindungsgemäßen Schneidwerkzeug ist es besonders hervorzuheben, dass es auch möglich ist, ein Schneidwerkzeug zu realisieren, dessen Verrundungsradius < 2 μm, bevorzugt < 1 μm, besonders bevorzugt < 0,5 μm ist. Es hat sich gezeigt, dass sogar Verrundungsradien realisierbar sind, die im Nanometerbereich, d.h. von 100 nm bis zu 20 nm liegen. Wesentlich beim erfindungsgemäßen Schneidwerkzeug ist es, dass dieses aus mindestens zwei Schichten aufgebaut ist, wobei die erste Schicht eine Schicht aus einem metallischen Material darstellt und die zweite Schicht, in der auch die Schneidkante eingebracht ist, aus diamantartigem Kohlenstoff gebildet ist.
- Auch die Oberflächenrauhigkeit Rm ist bedingt durch das nachfolgend näher beschriebene Herstellungsverfahren so steuerbar, dass eine Oberflächenrauhigkeit < 5 μm, bevorzugt < 1 μm, besonders bevorzugt sogar < 0,5 μm, realisierbar ist.
- In Verbindung mit einer spezifischen Materialauswahl aus diamantartigen Kohlenstoff bzw. Metallen ist es damit möglich, ein Schneidwerkzeug herzustellen, das einen extrem kleinen Verrundungsradius bei gleichzeitig kleiner Oberflächenrauhigkeit aufweist. Durch den Einsatz von diamantartigem Kohlenstoff wird zudem eine ausgezeichnete Dauerstandfestigkeit erreicht.
- Beispiele für metallische Materialien sind dabei Aluminium, Kupfer, Titan, Nickel und Chrom und eisenhaltige Werkstoffe wie Stahl. Geeignet ist weiterhin Mo, MoC, Niob, WC, Tantal und Wolfram. Bei den diamantartigen Kohlenstoffschichten sind wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten (a-C), tetra-edrische wasserstofffrei amorphe Kohlenstoffschichten (ta-C), metallhaltige wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:Me), wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H), Tetraedrische wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (ta-C:H) sowie metallhaltige, wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H:Me) und modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H:X) zu nennen.
- In Bezug auf die Strukturierung der Schneidkante und die Schneidgeometrie unterliegt das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug aufgrund des Herstellungsverfahrens, wie nachfolgend dargelegt wird, keinerlei Beschränkungen.
- So kann das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug so ausgebildet sein, dass es mindestens eine außenliegende Schneidkante aufweist. Derartige Schneidwerkzeuge finden dann z.B. Verwendung zum Schneiden von Substraten, wie Teppiche, Kunststoffsubstrate oder auch Kunststoffverbundstoffe. Ein Schneidwerkzeug nach der Erfindung mit einer außenliegenden Schneidkante kann dabei auch so ausgebildet sein, dass dieses zwei spitz zueinander zulaufende Schneidkanten aufweist, die in Form einer Speerspitze ausgebildet sind. Das strukturierte Profil mit abnehmender Schichtdicke kann dabei auch auf den Anwendungsfall abgestimmt werden.
- Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Schneidwerkzeugs nach der Erfindung sieht vor, dass dieses mindestens eine innenliegende Schneidkante aufweist.
- Die innenliegende Schneidkante kann in diesem Fall eine durchgängige Kontur mit beliebiger Form besitzen. Selbstverständlich umfasst die Erfindung auch alle anderen Ausführungsformen von Schneidwerkzeugen mit einer innenliegenden Schneidkante, z.B. eine Ellipse oder auch eine geschwungene Kontur. Das Schneidwerkzeug kann dabei auch so ausgebildet sein, dass 2 bis 50 dieser innenliegenden Schneidkanten im Schneidwerkzeug angeordnet sind. Die Abstände bzw. die Anordnung dieser Schneidkanten im Schneidwerkzeug kann dabei vom Anwendungsfall abhängig beliebig eingestellt werden.
- Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht dann vor, dass die innenliegende Schneidkante ein Schneidsystem darstellt, das aus zwei einander zugewandten Schneidkanten besteht, die beabstandet sind. Erfindungsgemäß kann dieses Schneidwerkzeug so aufgebaut sein, dass eine Mehrzahl von derartigen Schneidsystemen, bevorzugt 2 bis 50 im Schneidwerkzeug angeordnet sind. Die Anordnung der beiden Schneidkanten zueinander in einem derartigen Schneidwerkzeug kann dabei parallel oder auch in einer von der parallelen abweichenden Form vorliegen. Der Abstand kann dabei z.B. im Bereich von 0,03 mm bis 20 mm variieren. Derartige Schneidwerkzeuge haben dann eine Schneidkantenlänge, die bevorzugt im Bereich von 0,03 mm bis 100 mm liegt.
- Die bereits eingangs näher beschriebenen spezifischen Rauhigkeiten werden beim erfindungsgemäßen Schneidwerkzeug dadurch erreicht, dass ein spezifisches, trockenchemisches Ätzverfahren angewandt wird, wie nachfolgend beschrieben.
- Beim Herstellungsverfahren wird dabei so vorgegangen, dass in einem ersten Schritt eine Schicht aus einem Metall und diamantartigem Kohlenstoff enthaltenden Material zur Verfügung gestellt wird. In diese Schicht vorgegebener Dicke, die z.B. 0,05 mm bis 10 mm betragen kann, wird dann eine Vertiefung eingearbeitet. Die Vertiefung kann dabei durch Heiß- oder Kaltverformung, wie z.B. durch Prägen, hergestellt werden. Durch diesen ersten Verfahrensschritt wird somit in der Metall- und diamantartigen Kohlenstoffenthaltenden Schicht bereits eine Vorkontur eingebracht. Durch den nun nachfolgenden Ätzschritt, mit dem ein gleichmäßiger Abtrag erfolgt, wird somit dann automatisch eine entsprechende Kontur mit einer Schneidkante in dem Schneidwerkzeug ausgebildet.
- Dabei wird ein Zweistufenätzprozess angewandt.
- Das Einbringen der Vertiefung in die Schicht kann z.B. auch so erfolgen, dass mittels eines Druckwerkzeuges die Vertiefung z.B. in die metallische Schicht eingeprägt wird. Für die Ausführungsform, bei der innenliegende Schneidkanten oder mehrere Schneidsysteme realisiert werden, kann auch ein Einprägen mittels einer Walze auf eine zugeführte Schicht erfolgen. Auf diese Weise ist eine sehr kostengünstige Herstellung möglich.
- Dann wird nach dem Einbringen der Vertiefungen in die metallische Schicht eine diamanthaltige Kohlenstoffschicht aufgebracht. Im Anschluss daran, wird dann durch den zweistufigen Ätzschritt das strukturierte Profil mit abnehmender Schichtdicke eingebracht.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der
1 bis6 näher erläutert. -
1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuges aus zwei Schichten. -
2 zeigt die Anordnung eines Schneidsystems aus zwei zueinander zugewandten Schneidkanten. -
3 zeigt schematisch das Einbringen von Vertiefungen mittels einer Druckwalze in eine metallische Trägerschicht. -
4 zeigt den schematischen Ablauf des Ätzverfahrens und die Ausbildung des strukturierten Profils. -
5 gibt einen Überblick über verschiedene Möglichkeiten der Anordnung der Schneidsysteme. -
6 zeigt schematisch den Aufbau von zwei Anlagen zum trockenchemischen Ätzen. -
1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuges1 aus einer metallischen Trägerschicht4 und einer diamantartigen Kohlenstoffschicht5 , die die Schneidkante3 bildet. Zur besseren Übersichtlichkeit ist in1b dargestellt, was erfindungsgemäß unter einem Verrundungsradius (rc) verstanden wird. Die Oberflächenrauhigkeiten des strukturierten Profils können im Beispielsfall der Ausführungsform nach1 für die diamantartige Kohlenstoffschicht5 (RMS2) und für die Metall enthaltende Trägerschicht4 (RMS1) gleich oder verschieden sein. Bevorzugt ist es jedoch hierbei, wenn die Oberflächenrauhigkeit RMS1 in etwa der von RMS2 entspricht. -
2a zeigt wiederum schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Schneidsystems aus zwei zueinander zugewandten Schneidkanten3 ,3' . In2b ist eine mögliche Anordnung gezeigt, wie derartige zueinander beabstandete Schneidkanten3 ,3' im Schneidwerkzeug1 angeordnet sein können. Bei der Ausführungsform nach2 besteht hierbei das Schneidwerkzeug1 wiederum aus einem zweischichtigen Aufbau, nämlich einer metallischen Trägerschicht4 und einer diamantartigen Kohlenstoffschicht5 . Die in2b gezeigte Anordnung hat sich als besonders bevorzugt herausgestellt. In2b ist mit10 symbolisch ein Haar dargestellt, das durch die schräg angeordneten Schneidkanten3 ,3' besonders effektiv abgetrennt wird. Der Pfeil zeigt schematisch die Richtung, mit der das Schneidwerkzeug1 bewegt wird. -
3 zeigt eine mögliche Ausführungsform, wie die Vertiefungen in die Schicht4 eingebracht werden können. Im Beispielsfall nach3 wird in eine metallische Trägerschicht4 mittels Druckwalzen11 , die ein vorbestimmtes strukturiertes Profil aufweisen, eine entsprechende Form eingeprägt. Der weitere Verfahrensablauf zur Herstellung eines entsprechenden Schneidwerkzeugs1 ist dann aus der4 zu entnehmen. - In
4a ist der Zustand gezeigt, bei der dann die diamantartige Kohlenstoffschicht5 , auf die Rückseite des strukturierten Profils aufgebracht worden ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, beidseitig der Trägerschicht4 eine diamantartige Kohlenstoffschicht5 aufzubringen.4b zeigt nun den Zustand, der durch das Ätzen erzeugt wird. Durch den Ätzangriff erfolgt ein gleichmäßiger Materialabtrag, sodass sich, wie aus der Bildfolge4b )–d) hervorgeht, ein strukturiertes Profil bildet. Im Beispielsfall nach der4 wurde dabei ein metallisches Substrat mit einem Titan-ätzenden Plasma geätzt. Nachfolgend wird dann (4c ) ein gleichzeitiges Ätzen mit einem Titan- und einem Diamant-ätzenden Plasma durchgeführt, bis das strukturierte Profil mit der Schneidkante3 entstanden ist. - In den
5a bis e sind nun einige Ausführungsbeispiele dargestellt, wie die Schneidsysteme6 in einem Trägermaterial4 angeordnet sein können. Die Erfindung schließt selbstverständlich auch alle hiervon abweichenden Ausführungsformen mit ein. -
6 zeigt nun verschiedene Anlagen, die für den Ätzschritt verwendet werden können. -
6A zeigt eine RIE-Anlage (Reactive Ion Etching) mit rein kapazitivem Betrieb. Diese Anlage weist eine Kammer20 auf, in der eine Schicht26 (z.B. Schicht4 ,5 wie in4 ) auf einer Unterlage21b angeordnet ist. Der Schicht26 gegenüber ist eine Elektrode21a angeordnet. Die Elektrode21a und die Unterlage21b sind über Leitungen22a und22b mit einer Spannungsquelle23 verbunden, die eine Leistung zwischen 1 W und 3000 W erzeugt. Hierdurch wird ein Plasma25 aus einem Gasgemisch (Ar, O2, CF4) zwischen der Schicht26 und der Elektrode21a erzeugt, das das Substrat großflächig ätzt. Dabei ergibt sich eine Self-bias-Spannung mit negativem Potential. Der Self-Bias-Spannung kann eine zusätzliche, erzwungene Spannung überlagert werden. Dies geschieht durch Einfügen eines Gleichstromgenerators zwischen Elektrode21a und Erdung. Über die Ätzparameter kann der Ätzangriff (Rate und Isotropie) sowohl für das metallische Trägermaterial4 als auch für die diamantartige Kohlenstoffschicht5 gezielt eingestellt werden. -
6B zeigt eine weitere Anlage nach dem ICP-Verfahren (Inductive Coupled Plasma). Hier wie zuvor auch sind gleiche oder ähnliche Bauelemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen wie in den anderen Figuren versehen. Statt der Elektrode21a ist nun innerhalb der Kammer20 eine Elektrode21a mit einer Spule angeordnet, über die induktiv die Leistung in das Plasma25 eingekoppelt wird. Die Kammer20 und die Unterlage21b sind ebenfalls über eine Spannungsquelle23 miteinander verbunden. - Zum Ätzen der diamantartigen Kohlenstoffschicht
5 beträgt die Self-Bias-Spannung vorteilhafterweise 20 bis 1.000 V, vorzugsweise 250 bis 800 V, vorzugsweise zwischen 350 und 700 V. - Wesentliche Parameter bei der Verfahrensführung für den Ätzschritt sind Gaszusammensetzung, der Kammerdruck und die Partialdruckverhältnisse.
- Insbesondere der Kammerdruck ist für die hohe Anisotropie des Ätzangriffs von wesentlicher Bedeutung. Ziel ist dabei ein niedriger Kammerdruck bei gleichzeitig ausreichender Menge von reaktiven Spezies. Als geeignete Druckwerte für die diamantartige Kohlenstoffschicht
5 für die RIE-Anlage wurden Werte < 150 mTorr, vorzugsweise < 75 mTorr, vorzugsweise < 35 mTorr ermittelt. Für die ICP-Anlage beträgt der Kammerdruck vorzugsweise 0,1 bis 20 mTorr. - Die genannten Bereiche des Kammerdrucks führen zu einer anisotropen Ätzung, während sich bei hohem Druck zu viele Atome in der Kammer
20 befinden, die die Argonionen während des Beschusses ablenken. Bei zu hohem Kammerdruck wird daher eine isotrope Ätzung bewirkt. - Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann selbstverständlich auch ein Zumischen von Edelgasen erfolgen, sodass eine physikalische Komponente eingefügt wird, wohingegen CF4 und Sauerstoff eine reaktive Komponente darstellen.
- Insbesondere für die diamantartige Kohlenstoffschicht kann über die Partialdruckverhältnisse die Ätzgeschwindigkeit und damit auch die Anisotropie der Ätzung beeinflusst werden. Vorzugsweise steht der Gasfluss der einzelnen Gase in folgendem Verhältnis: Ar:8; O2:17; CF4:14; N2:10. Aus den in
6 gezeigten Anlagen ergeben sich in oben genanntem Parameter-Bereich Ätzgeschwindigkeiten zwischen 100 nm/Std und 10 μm/Std. In der Trägerschicht4 (4b in4 ) kann auch auf die reaktive Komponente der diamantartigen Kohlenstoffschicht (O2) verzichtet werden. Die Raten betragen dann bis zu 100 μm/Std. - Statt Argon und Sauerstoff bzw. N2 und CF4 als Plasma-Gase können auch andere Systeme eingesetzt werden. Insbesondere kommen statt Argon alle Edelgase der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente in Frage. Anstelle von CF4 kommen alle Gase in Frage, die mit der Metall-enthaltenden Trägerschicht
4 eine flüchtige Verbindung eingehen. Anstelle von Sauerstoff als reaktivem Gas kommen alle Gase in Frage, die mit der diamantartigen Kohlenstoffschicht eine flüchtige Verbindung eingehen können, insbesondere - 1. chlorhaltige Gase, z.B. Cl2, CCl2, 3Cl3, PCl3 sowie weitere chlorhaltige Gase und/oder deren Mischungen;
- 2. fluorhaltige Gase, z.B. F, F2, CF4, CFn, C2F6, SF4, SF6, SF4 sowie weitere fluorhaltige Gase sowie deren Verbindungen und/oder Mischungen;
- 3. sauerstoffhaltige Gase O2, CO, CO2 sowie weitere sauerstoffhaltige Gase und/oder deren Mischungen;
- 4. Gase, die Fluor und/oder Chlor und/oder Sauerstoff enthalten, z.B. CClF2, CClF5, CClF3 und/oder deren Mischungen.
Claims (20)
- Schneidwerkzeug (
1 ), das aus mindestens zwei Schichten (4 ,5 ) aufgebaut ist, wobei die erste Schicht eine Metall enthaltende Trägerschicht (4 ) und die zweite Schicht (5 ) eine diamantartige Kohlenstoffschicht (5 ) ist, wobei die zweite Schicht (5 ) die Schneidkante (3 ) bildet, wobei die Schneidkante (3 ) durch ein strukturiertes Profil mit abnehmender Schichtdicke gebildet ist, und wobei die Schneidkante (3 ) des Schneidwerkzeugs (1 ) einen Verrundungsradius rc < 10 μm aufweist und die Oberflächenrauhigkeit Rm des strukturierten Profils < 5 μm ist. - Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verrundungsradius rc < 20 nm ist.
- Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauhigkeit Rm < 0,5 μm ist.
- Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material ausgewählt ist aus Aluminium, Kupfer, Titan, Nickel, Chrom, Niob, Wolfram, Wolframcarbid, Tantal, Tantalcarbid, Molybdän, Molybdäncarbid und/oder eisenhaltigen Werkstoffen wie Stahl.
- Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Metall enthaltenden Schicht (
4 ) und der die Schneidkante (3 ) bildenden zweiten Schicht (5 ) Zwischenschichten zur Haftungsverbesserung und/oder Keimbildungsunterstützung angeordnet sind. - Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine außenliegende Schneidkante (
3 ) aufweist. - Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine innenliegende Schneidkante aufweist.
- Schneidwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegende Schneidkante in einer geschlossenen Kontur ausgebildet ist.
- Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass 2 bis 50 Schneidkanten vorhanden sind.
- Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei innenliegende Schneidkanten ein Schneidsystem (
6 ) aus zwei zueinander gewandten Schneidkanten (3 ,3' ), die beabstandet sind, bilden. - Schneidwerkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es durch 2 bis 50 Schneidsysteme (
6 ), die beabstandet sind, gebildet ist. - Schneidwerkzeug nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der zueinander zugewandten Schneidkanten (
3 ,3' ) 0,03 bis 20 mm beträgt. - Schneidkante nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Schneidkanten (
3 ,3' ) 0,03 mm bis 100 mm beträgt. - Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zueinander zugewandten Schneidkanten (
3 ,3' ) parallel angeordnet sind. - Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zueinander zugewandten Schneidkanten (
3 ,3' ) von der parallelen Anordnung abweichend, ausgebildet sind. - Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil abnehmender Schichtdicke durch trockenchemisches Ätzen hergestellt worden ist.
- Verwendung des Schneidwerkzeuges nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Rasierklinge.
- Verwendung des Schneidwerkzeuges nach einem der Ansprüche 1 bis 16 in einer rotierenden oder oszillierenden Vorrichtung.
- Verwendung des Schneidwerkzeuges nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Schneidmesser, insbesondere für Substrate, wie Teppiche, Kunststoffsubstrate bzw. Verbundstoffe.
- Verwendung des Schneidwerkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als chirurgisches Schneidwerkzeug, insbesondere als Skalpell.
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