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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein Verbundbauteil, bei dem mindestens ein erster Fügepartner aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff mit einem zweiten Fügepartner aus einem mit Verstärkungsfasern und einer polymeren Matrix gebildeten Faserverbundwerkstoff (Faser-Kunststoff-Verbund: FKV) miteinander verbunden sind. Ein Verbundbauteil kann dabei mehrere Fügepartner aus Metall und/oder Keramik aufweisen, die mit einem oder mehreren Fügepartner(n), der/die aus mit Verstärkungsfasern und einer polymeren Matrix gebildeten Faserverbundwerkstoff gebildet ist/sind, verbunden sind.
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Im Rahmen hybrider Mischbauweisen, wie sie beispielsweise im Bereich des Automobilbaus als kraftschlüssige Verbindungen zwischen unterschiedlichen Materialkombinationen angewandt werden, werden belastungsoptimierte Verbindungslösungen gesucht. Unter Berücksichtigung des Leichtbaus nimmt der Einsatz insbesondere endlosfaserverstärkter Kunststoffe immer weiter zu.
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Diese müssen häufig mit metallischen oder keramischen Bauteilen und Komponenten stoff- und kraftschlüssig verbunden werden. Lasttragendes Element der endlosfaserverstärkten Kunststoffe sind üblicherweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern oder Basaltfasern. Ziel der Erfindung ist es, eine kraft- bzw. formschlüssige Verbindung zwischen Metall oder Keramik und Verstärkungsfaser zu erzeugen.
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Das Verbinden von Metall oder Keramik mit Faserverbundbauteilen erfolgt größtenteils durch mechanische Verbindungstechniken, wie Schrauben, Nieten oder Clinchen. Außerdem kommt das Kleben oder Umspritzen der Fügepartner zum Einsatz. Durch diesen reinen Stoffschluss ist ein hoher Aufwand zu betreiben, um eine gleichmäßige Adhäsion / Haftung der Fügepartner zu gewährleisten. Neuerdings werden bei hybriden Metall-FKV Verbindungen auch die metallischen oder keramischen Fügepartner mit einer Strukturierung versehen, um an der Grenzschicht Metall-FKV eine Kombination aus Stoff- und Formschluss zu realisieren. Beim thermischen Direktfügen werden diese Strukturen mit dem polymeren Bestandteil des FKV aufgefüllt und realisieren damit eine verbesserte Haftung. Damit ist es möglich, stoffschlüssige Verbindungen im Festigkeitsbereich des verwendeten polymeren Werkstoffs zu erreichen. Die Kraftübertragung in die eigentlichen lasttragenden Fasern des FKV erfolgt weiterhin durch den Übergang von polymerer Matrix und lasttragenden Fasern (Faser-Matrix-Haftung). Die Schwachstelle der Verbindung ist damit die polymere Matrix mit den geringsten Festigkeitswerten innerhalb des Materialverbundes.
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Um eine direkte Krafteinleitung von Verstärkungsfaser mit dem Metall zu realisieren, gibt es einen Ansatz, Schlaufen aus Titan-Draht auf einem Werkstoff zu befestigen (Schweißen) und Kohlenstofffasern durch diese Schlaufen hindurchzuführen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Verbundbauteile zur Verfügung zu stellen, bei denen mindestens ein erster Fügepartner aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff mit einem zweiten Fügepartner aus einem mit Verstärkungsfasern und einer polymeren Matrix gebildeten Faserverbundwerkstoff miteinander verbunden sind, die eine erhöhte Festigkeit und Belastbarkeit erreichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Ein Verbundbauteil ist mit Anspruch 9 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei der Herstellung wird so vorgegangen, dass Verbindungsfasern, -fäden oder -drähte (nachfolgend nur noch Verbindungsfasern genannt) an einer Verbindungsstelle bzw. in einem Verbindungsbereich durch Zwischenräume, die zwischen Verstärkungsfasern vorhanden sind, und Durchbrechungen, die in einem ersten Fügepartner ausgebildet sind, mit einem textilen Verfahren hindurchgeführt werden. Dadurch wird eine formschlüssige Verbindung ausgebildet. Zumindest im Verbindungsbereich ist während der Ausbildung der formschlüssigen Verbindung mit den Verbindungsfasern kein die polymere Matrix bildender Werkstoff vorhanden oder es ist zumindest im Verbindungsbereich keine polymere Matrix ausgebildet. Im Anschluss daran wird viskoser polymerer Matrixwerkstoff in den Verbindungsbereich injiziert oder infiltriert. Alternativ dazu können mit einer Wärmebehandlung Fasern aus einem polymeren Werkstoff, die mit den Verstärkungsfasern ein textiles Gebilde als Vorprodukt bilden, zu einer polymeren Matrix umgewandelt werden, so dass die Verbindungsfasern in die polymere Matrix eingebettet werden. Wie auch bei den Verbindungsfasern kann man anstelle von Verstärkungsfasern oder zusätzlich dazu auch Verstärkungsfäden oder -drähte einsetzen. Nachfolgend soll jedoch dafür überwiegend nur der Begriff Verstärkungsfasern genutzt werden.
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Für eine verbesserte Materialhaftung und homogeneren Materialverlauf im Bereich des faserverstärkten Kunststoffes können die Verbindungsfasern, wie die Verstärkungsfasern selbst, mit einer Schlichte versehen werden, um eine bessere Benetzbarkeit bei der Matrixinfiltration und eine bessere Haftung zur Matrix im ausgehärteten Zustand zu erreichen.
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Die Ausbildung der polymeren Matrix kann in einem Formwerkzeug, in dem der/die erste Fügepartner und der zweite Fügepartner zumindest im Bereich der Verbindungsstelle angeordnet sind, durchgeführt werden. Dabei kann der polymere Matrixwerkstoff mit geeigneter Viskosität in das Formwerkzeug mit erhöhtem Druck injiziert werden und in Hohlräume zwischen den Verstärkungs- und den Verbindungsfasern sowie ggf. in Durchbrechungen und vorhandene Hohlräume eindringen, so dass sämtliche Fasern im polymeren Matrixwerkstoff nach dessen Erstarren eingebettet sind. Es kann auch zumindest ein Teil eines metallischen oder keramischen Fügepartners stoffschlüssig mit dem polymeren Matrixwerkstoff verbunden werden.
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Anstelle des Injizierens von polymerem Matrixwerkstoff kann auch eine Infiltration erfolgen. Dabei sollte im Formwerkzeug ein gegenüber der Umgebung reduzierter Druck eingehalten werden.
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Die Viskosität des polymeren Matrixwerkstoffs kann dabei durch geeignete Temperatur, den Zusatz eines Lösungsmittels oder den Einsatz eines Zweikomponentenpolymers, bei denen eine Komponente ein Härter oder Vernetzer ist, vorteilhaft beeinflusst werden.
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Die polymere Matrix kann ein Thermoplast, ein Elastomer oder ein auf Duromerbasis reagierendes Harzsystem sein.
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Verbindungsfasern können durch Durchbrechungen, die in mindestens einer Reihe angeordnet sind, hindurch geführt werden. Günstiger ist es jedoch, Verbindungsfasern durch Durchbrechungen, die in mehreren Reihen und dabei auch noch versetzt zueinander angeordnet sind, hindurch zu führen.
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Ein zweiter Fügepartner kann ein Geflecht, Gewirk oder Gelege von Verstärkungsfasern sein, die bevorzugt Endlosfasern sein können.
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Bei der Erfindung kann also eine textiltechnologische Integration (Nähen, Weben, Sticken usw.) von Fäden, Fasern oder Drähten (Glas, Kohlenstoff, Basalt, Aramid, Metall, Keramik) in den Textilverbund vorgenommen werden. Solche Fäden, Fasern oder Drähte können als Verbindungsfasern verwendet und fixieren die Verstärkungsfasern mit einem metallischen oder keramischen Fügepartner. Sie sollen so eine form- bzw. kraftschlüssige Verbindung zwischen den lasttragenden Verstärkungsfasern und einem metallischen oder keramischen Fügepartner herstellen können. Ein metallischer oder keramischer Fügepartner kann dabei z.B. als Blech, Platte, Netz, Geflecht, Folie oder poröser Schaum ausgelegt sein. In diesem Fügepartner können Durchbrechungen insbesondere Bohrungen, Perforationen oder vordefinierte Freiräume vorhanden sein. Beispielsweise bei Metallfolien mit einer Dicke unterhalb 100 µm können diese auch entfallen, wenn bei dem Hindurchführen der Verbindungsfasern jeweils eine Ausbildung einer Durchbrechung erreicht werden kann. Diese Durchbrechungen können für eine Durchführung mindestens einen Verbindungsfaser genutzt werden. Bevorzugt mittels Stick- bzw. Nähtechnologie können diese Durchbrechungen beispielsweise genau angesteuert und der/die Verbindungsfaser(n) hindurchgeführt werden und auf der Unterseite mit einem Unterfaden umschlungen werden. Als Verbindungsfaser können auch mehrere zu einem Faden oder Zwirn verarbeitete Fasern eingesetzt werden.
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Die Hybridfügung zum metallischen oder keramischen Fügepartner kann durch den/die Verbindungsfaser(n) selbst oder den mittels textiler Technologie verbundenen metallischen oder keramischen Fügepartner erfolgen. Eine zusätzliche optionale Verbindung zwischen metallischen Fügepartnern kann durch Schweißen, Löten und/oder thermisches Fügen mit Reaktivmultischichten erfolgen. Die Einbringung der Verbindungsfasern erfolgt im textilen Zustand vor der Injektion/Infiltration mit dem polymeren Matrixwerkstoff oder vor dem Konsolidieren von mit Hybridgarn hergestellten textilen Flächenhalbzeugen, das mit Verstärkungsfasern und polymeren Fasern gebildet ist. Durch die bereits erwähnte Wärmebehandlung kann mit den polymeren Fasern, die Bestandteil des FKV sind, die polymere Matrix zumindest teilweise ausgebildet werden. Die Ausbildung der polymeren Matrix kann auch mit polymerem Werkstoff, der in anderer Form als polymere Fasern in einem FKV als Halbzeug, beispielsweise in Form eines Pulvers vorhanden ist, erreicht werden. Die polymere Matrix kann durch eine Konsolidierung eines dazu geeigneten Matrixwerkstoffs erreicht werden.
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Die Verbindungsfasern sollten dabei vorteilhafterweise unter einem Winkel kleiner 90° in den Lagenaufbau des FKV eingebracht werden und weiterhin besonders vorteilhaft mit den Verstärkungsfasern des FKV textiltechnologisch verbunden sein, um eine möglichst große Fläche zur Krafteinleitung ausnutzen zu können.
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Mit Hilfe der Verbindungsfasern kann eine direkte Kraftübertragung zwischen Metall/Keramik und Verstärkungsfasern ermöglicht werden, die höhere Festigkeiten als die polymere Matrix erreichen kann. Durch Verwendung desselben Fasermaterials als Verbindungsfasern, wie es auch als Verstärkungsfaser verwendet wird, können Störstellen im Verbund vermieden werden. Da die Integration der Verbindungsfasern und z.B. eines metallischen Folienwerkstoffes noch im textiltechnologischen Zustand erfolgen kann und die Konsolidierung des polymeren Matrixwerkstoffs des FKV erst anschließend realisiert wird, muss bei der Herstellung des Verbundbauteils der polymere Werkstoff nicht erneut aufgeschmolzen werden. Es können auch Duroplaste mit Metallen oder Keramiken verbunden werden, bei denen ein erneutes Umschmelzen eigentlich nicht möglich ist.
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Die erfindungsgemäßen Verbundbauteile können insbesondere im Leichtbau mit Schwerpunkt Automobilbau, Luftfahrt und Energietechnik eingesetzt werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 ein Beispiel eines ersten Fügepartners;
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2 den Fügepartner nach 1, der in einem Verbindungsbereich eines zweiten Fügepartners angeordnet ist;
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3 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Teil eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils und
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4 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils mit vier ersten Fügepartnern nach 1, die mit einem zweiten Fügepartner verbunden sind.
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In 1 ist ein Beispiel eines plattenförmigen ersten Fügepartners 1 aus Stahl gezeigt. Dabei sind Durchbrechungen 1.1 in fünf Reihen angeordnet, im Fügepartner 1 ausgebildet. Außerdem sind drei weitere Durchbrechungen 1.2 im ersten Fügepartner 1 ausgebildet, die für eine weitere Verbindung oder andere Nutzung des fertigen Verbundbauteils genutzt werden können.
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Bei der Herstellung des Verbundbauteils wird der erste Fügepartner 1 in Bezug zu einem zweiten Fügepartner 4, der bei diesem Beispiel mit Kohlefasern als Verstärkungsfasern 2 gebildet ist, so positioniert, dass die Durchbrechungen 1.1 in Bezug zu einem Verbindungsbereich angeordnet sind. Die weiteren Durchbrechungen 1.2 sind dabei außerhalb des äußeren Randes des zweiten Fügepartners 4 positioniert.
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Mit 3 wird deutlich, dass der erste Fügepartner 1 im Verbindungsbereich an zwei Seiten mit Verstärkungsfasern 2 eingeschlossen sein kann. Durch die in mehreren Reihen angeordneten Durchbrechungen 1.1 und Zwischenräume zwischen Verstärkungsfasern 2 werden Verbindungsfasern 3 bei diesem Beispiel mäanderförmig hindurchgeführt, wodurch eine formschlüssige Verbindung der beiden Fügepartner 1 und 4 erreicht werden kann. Verstärkungsfasern 2 sind bei diesem Beispiel in mehreren Lagen und an zwei gegenüberliegenden Seiten des ersten Fügepartners 1 angeordnet.
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Im Anschluss daran wird zumindest im Verbindungsbereich mit einem polymeren Werkstoff eine Matrix gebildet, in der die Verstärkungsfasern 2 und die Verbindungsfasern 3 und der Teil des ersten Fügepartners 1 eingebettet werden, so dass zusätzlich auch eine stoffschlüssige Verbindung erreicht werden kann.
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Zumindest im Verbindungsbereich, wenn in anderen Bereichen eines zweiten Fügepartners 4 bereits eine polymere Matrix in der Verstärkungsfasern 2 eingebettet sind, vorhanden ist, erfolgt durch eine Applikation eines geeigneten polymeren Werkstoffs die Ausbildung einer Matrix, in der die Verstärkungsfasern 2, die Verbindungsfasern 3 eingebettet und ein erster Fügepartner 1 vom Matrixwerkstoff eingefasst ist.
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Die 4 zeigt ein Beispiel eines Verbundbauteils bei dem vier erste Fügepartner 1 nach 1 mit einem zweiten Fügepartner 4 aus FKV verbunden sind, und dabei weitere Durchbrechungen 1.2 über den äußeren Rand des zweiten Fügepartners 4 hinausragen, so dass sie für eine Verbindung mit einem anderen Bauteil genutzt werden können.
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Bei klassischer Injektions- und Presstechnik werden die textilen aus Endlosfasern bestehenden Einzellagen der Verstärkungsfasern 2 (Gelege, Gewebe, Gestricke) entsprechend der erforderlichen zu erzielenden Materialdicke in einer Preform aufgeschichtet. Durch Injizieren oder Infiltrieren eines die Matrix des FKV-Fügepartners 4 bildenden Polymers, anschließendes Verpressen und Aushärten kann ein endkonturnahes Verbundbauteil entnommen werden. Im Nachgang werden dann zum Verbinden des FKV-Fügepartners mit der metallischen Gesamtstruktur Bohrungen bzw. Durchbrechungen 1.2 eingebracht. Diese Bohrungen schädigen lokal die mit den Verstärkungsfasern 2 gebildete Faserverbundstruktur. Es kommt zu Delaminationen und das Unterbrechen des Kraftflusses innerhalb des Lagenaufbaus der Verstärkungsfasern. Dürfen keine Bohrungen und Durchbrechungen in die FKV-Struktur eingebracht werden, so können die metallischen Anschraubelemente mit der Oberfläche des Verbundbauteils verklebt werden. Diese rein stoffschlüssige Verbindung ermöglicht keine optimierte Kraftübertragung von den Verstärkungsfasern zum metallischen Gesamtstruktur.
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Teilweise können auch metallische Inserts während des Injektions- oder Infiltrationsprozesses des polymeren Matrixwerkstoffs mit integriert werden. Das zwischen die Freiräume des Faserverbundes eingedrungene polymere Matrixmaterial umschließt dann das Metall im Stoffschluss und sorgt für die Verbindungsfestigkeit.
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Mit der Erfindung kann neben dem Stoffschluss zwischen der polymeren Matrix und Metall/Keramik auch einen Formschluss über die vorzugsweise metallischen Verbindungsfasern 3 mit der Faserverbundstruktur des zweiten Fügepartners 4 erreicht werden.
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Um metallische Montageflansche während des Injektions-/Infiltrationsprozesses z.B. einer FKV-Sitzstruktur als zweitem Fügepartner 4 zu integrieren, kann z.B. ein Metallblech als erster Fügepartner 1 im seitlichen Randbereich perforiert worden sein. Oberhalb und unterhalb des Perforationsbereiches werden einzelne Lagen, die mit Verstärkungsfasern 2 gebildet sind, durch Nähen mit Verbindungsfasern 3 ausreichender Festigkeit mit dem Metallflansch als erstem Fügepartner 1 fixiert (3). Diese vorkonfektionierten Verbindungen werden in den Standard-Lagenaufbau integriert, so dass der unperforierte Blechbereich des ersten Fügepartners 1 sich außerhalb der eigentlichen Bauteilform bzw. im Schließbereich des Formwerkzeuges angeordnet werden kann. Das Verbundbauteil wird im Formwerkzeug infiltriert, wobei sowohl die Faserlagen der Verbindung, der Metallflansch und die Verbindungsfasern 3 als auch die unmodifizierten Faserlagen, die neben den Verstärkungsfasern 2 den zweiten Fügepartner 4 bilden, umschlossen werden.
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Die Metallflansche als erste Fügepartner 1 können somit sowohl stoff- als auch formschlüssig mit der Faserverbundstruktur als zweitem Fügepartner 4 verbunden werden.
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Eine beispielhafte Ausführung der Erfindung als Verbindung zwischen einem Metallwerkstück als erstem Fügepartner 1 mit unebener Oberflächentopographie und einem thermoplastischen faserverstärkten Kunststoff als zweitem Fügepartner 4 kann die Verbindung zwischen dem aus metallischem Werkstoff in Form einer metallischen Folie bzw. ein Blech als ein erster Fügepartner 1 hergestellt werden. Die Verbindungsfasern 3 sollten kraftgerecht in einem Winkel zwischen 20° bis 90° zur Oberfläche einer Ebene in der Verstärkungsfasern 2 des zweiten Fügepartners 4 aus FKV ausgerichtet sein, durch Zwischenräume der Verstärkungsfasern 2 und/oder durch Durchbrechungen 1.1 hindurch geführt werden, um einen entsprechend günstigen Formschluss zu erzielen und die Kraftübertragung über den Verstärkungs- und die Verbindungsfasern 2 und 3 vorteilhaft zu beeinflussen. Die Verbindungsfasern 3 sind im direkten Kontakt mit den lasttragenden Verstärkungsfasern 2 der FKV wodurch die Kraftleitung direkt zwischen Metall und lasttragenden Verstärkungsfasern 2 erfolgt ohne durch die polymere Mittlerschicht des Matrixwerkstoffs mit geringerer Festigkeit geleitet werden zu müssen, was die übertragbaren Lasten der Hybridverbindung materialbedingt reduziert.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine 2,5 geformte Oberfläche an einem metallischen ersten Fügepartner 1 vorhanden, an die zunächst die trockenen Verstärkungsfasern 2 durch Schweißen fixiert werden. Im trockenen Zustand kann der Verbindungsbereich im Rahmen des zulässigen Biegeradius der Verstärkungsfasern 2 die Metalloberfläche des ersten Fügepartners 1 nachbilden. Die Fixierung der lasttragenden Verstärkungsfasern 2 im trockenen Zustand erfolgt zunächst über die metallischen Verbindungsfasern 3. Abschließend können die trockenen Verstärkungsfasern 2 mit duroplastischem Matrixwerkstoff infiltriert und mit einem weiteren zusätzlichen Fügepartner 4 aus FKV und dem gleichen duroplastischen Matrixwerkstoff verbunden werden.
