FR2793438A1 - Article for vehicles, buildings, and furniture, has rigid element part with concave cross section and thermoplastic foam reinforcement lies at least partly in concave space - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne la réalisation d'articles comportant au moins un élément rigide et au moins un élément de renfort constitué de matière thermoplastique allégée. The present invention relates to the production of articles comprising at least one rigid element and at least one reinforcing element made of lightened thermoplastic material.
Dans les domaines industriels concernant la fabrication d'objets manufacturés, par exemple dans les domaines du bâtiment, de l'ameublement, de l'automobile et des biens de consommation, les articles réalisés doivent de manière générale être légers et présenter les propriétés nécessaires à l'usage, notamment des propriétés mécaniques suffisamment élevées. Pour répondre à ces spécifications, le choix des matériaux et la forme conférée à ceux-ci sont déterminants. In the industrial fields relating to the manufacture of manufactured objects, for example in the fields of building, furniture, automobile and consumer goods, the articles made must generally be light and have the properties necessary for use, including sufficiently high mechanical properties. To meet these specifications, the choice of materials and the form conferred on them are decisive.
Les dernières décennies ont vu se développer l'utilisation des matières plastiques, par exemple dans les domaines de l'automobile ou de la construction, qui sont plus légères et qui peuvent être plus facilement travaillées que les métaux. II est ainsi possible de fabriquer des articles légers présentant des formes complexes, par exemple par injection dans un moule d'un polymère fondu. The last decades have seen the development of the use of plastics, for example in the automotive or construction fields, which are lighter and can be more easily worked than metals. It is thus possible to manufacture lightweight articles having complex shapes, for example by injection into a mold of a molten polymer.
Toutefois l'utilisation de matières plastiques peut être limitée dans certains domaines. La réalisation de grandes pièces peut par exemple poser des problèmes de stabilité dimensionnelle, en particulier dans les applications où elles sont soumises à des variations de température ou à des vibrations. C'est le cas notamment dans le domaine de l'automobile pour certaines pièces situées sous le capot. D'autre part, les pièces réalisées en matière plastique peuvent présenter des propriétés mécaniques insuffisantes pour l'application considérée. However the use of plastics may be limited in some areas. The production of large parts can for example pose problems of dimensional stability, in particular in applications where they are subject to temperature variations or vibrations. This is particularly the case in the automotive field for certain parts located under the hood. On the other hand, the parts made of plastic material may have insufficient mechanical properties for the application in question.
Afin de surmonter ce type de difficultés il est connu d'associer différents matériaux, par exemple des éléments métalliques et des éléments constitués de matière thermoplastique. II existe de très nombreuses publications concernant des structures pouvant être adoptées pour adapter des pièces comportant des matières plastiques et des éléments additionnels adaptés à l'usage auquel elles sont destinées. A titre d'exemple on peut citer la demande de brevet publiée DE4334049 qui enseigne d'insérer des pièces métalliques dans des plaques de matière plastique, la demande de brevet publiée DE4330273 qui enseigne de renforcer des cadres de fenêtres en plastique avec des tiges profilées métalliques. La demande de brevet publiée EP370342 enseigne de renforcer une structure métallique de profil en forme de U avec des nervures en matière thermoplastique injectée â l'intérieur de la structure métallique. In order to overcome this type of difficulty, it is known to combine different materials, for example metallic elements and elements made of thermoplastic material. There are many publications concerning structures that can be adopted to adapt parts comprising plastics and additional elements adapted to the use for which they are intended. By way of example, mention can be made of the published patent application DE4334049, which teaches the insertion of metal parts into plastic plates, the published patent application DE4330273, which teaches the reinforcement of plastic window frames with metal profiled rods. . The published patent application EP370342 teaches reinforcing a U-shaped profile metal structure with ribs of thermoplastic material injected inside the metal structure.
La présente invention a pour objectif de proposer de nouveaux articles dans lesquels sont associés un élément constitué de matière thermoplastique et un élément rigide, par exemple métallique, les articles selon cette structure présentant notamment une bonne stabilité dimensionnelle et une intégrité au choc. The object of the present invention is to propose new articles in which are associated an element consisting of thermoplastic material and a rigid element, for example metallic, the articles according to this structure having in particular good dimensional stability and impact integrity.
A cet effet l'invention propose un article comportant au moins un élément rigide dont au moins une partie a une section transversale ayant un profil définissant un espace concave, et un élément de renfort de l'élément rigide, caractérisé en ce que l'élément de renfort remplit au moins partiellement l'espace concave et est constitué d'une matière thermoplastique allégée comprenant des pores. For this purpose the invention proposes an article comprising at least one rigid element, at least a part of which has a cross section having a profile defining a concave space, and a reinforcing element of the rigid element, characterized in that the element reinforcement at least partially fills the concave space and is made of a light weight thermoplastic material comprising pores.
Selon une caractéristique de l'invention, l'élément rigide utilisé pour la réalisation d'articles selon l'invention présente au moins sur une partie une section transversale ayant un profil définissant un espace concave. L'élément de renfort constitué de matière thermoplastique allégée remplit totalement ou partiellement cet espace. According to one characteristic of the invention, the rigid element used for the production of articles according to the invention has at least a portion a cross section having a profile defining a concave space. The reinforcing element made of lightened thermoplastic material completely or partially fills this space.
L'élément rigide peut présenter des profils très variés. A titre d'exemples d'éléments rigides, on peut citer les éléments de forme sensiblement allongée présentant des sections transversales comportant une partie en forme de U, de V, de demi-cercles et présentant éventuellement des méplats. Les éléments rigides peuvent également présenter une section transversale fermée. Par section transversale fermée, il faut entendre toute forme géométrique pour laquelle il est possible de définir un périmètre, comme par exemple un cercle, un rectangle à angles droits ou arrondis, une ellipse, un ovale, ... L'élément rigide peut par exemple être tubulaire. L'espace concave est alors défini par l'espace situé à l'intérieur du périmètre. The rigid element can have very varied profiles. By way of examples of rigid elements, mention may be made of elements of substantially elongated shape having cross-sections comprising a U-shaped, V-shaped, semicircle-shaped part and possibly having flats. The rigid elements may also have a closed cross section. Closed cross-section refers to any geometric shape for which it is possible to define a perimeter, such as a circle, a rectangle with right or rounded corners, an ellipse, an oval, etc. The rigid element can example be tubular. The concave space is then defined by the space inside the perimeter.
Selon un mode de réalisation préférentiel l'élément rigide est une pièce métallique. Elle peut par exemple être obtenue par emboutissage d'une plaque ou d'une feuille métallique. Les tôles d'acier, notamment non traitées ou galvanisées et/ou munies d'un primaire et éventuellement d'un agent d'adhérence, ainsi que les tôles d'aluminium non traitées ou anodisées et/ou munies d'un primaire et éventuellement d'un agent d'adhérence, sont particulièrement bien appropriées. According to a preferred embodiment, the rigid element is a metal part. It can for example be obtained by stamping a plate or a metal sheet. Steel sheets, in particular untreated or galvanized and / or provided with a primer and possibly an adhesion promoter, as well as untreated or anodized aluminum sheets and / or those with a primer and, where appropriate, adhesion promoter, are particularly well suited.
Selon un autre mode de réalisation, on peut utiliser comme élément rigide des feuilles de matière plastique mises en forme par pressage à chaud, qui sont composées de thermoplastes dans lesquels peuvent être insérées des nappes de fibres de verre ou de nappes de fibres synthétiques, tels que des stratifiés. According to another embodiment, it is possible to use, as a rigid element, heat-formed plastic sheets, which are composed of thermoplasts into which can be inserted sheets of glass fibers or sheets of synthetic fibers, such as than laminates.
Par matière thermoplastique allégée contenant des pores, on entend toute matière plastique dont la densité à l'échelle macroscopique est inférieure à la densité à l'échelle microscopique. De tels matériaux sont souvent qualifiés de "mousses de polymères". La nature du matériau allégé, ainsi que son procédé d'obtention n'ont pas de caractère limitatif. Ce tels matériaux peuvent être réalisés par mise en présence d'unités monomères réactives dégageant un composé gazeux lors de la mise en forme. C'est par exemple le cas des mousses de polyuréthane. Lightweight thermoplastic material containing pores means any plastic whose density at the macroscopic scale is less than the density at the microscopic scale. Such materials are often referred to as "polymer foams". The nature of the lightened material and its method of production are not limiting in nature. Such materials can be made by bringing reactive monomer units releasing a gaseous compound during shaping. This is for example the case of polyurethane foams.
Une autre solution consiste à adjoindre au polymère un composés porogène libérant un gaz lors de la mise en forme du matériau fondu. En choisissant convenablement l'agent porogène, il est ainsi possible de réaliser des mousses de polyethylène, de polypropylène, de polyesters, de polyacétals, de polyamides. Le matériau choisi comme élément de renfort est avantageusement un polyamide allégé auquel a été ajouté un agent porogène. Another solution is to add to the polymer a pore-forming compound releasing a gas during the shaping of the molten material. By appropriately selecting the blowing agent, it is thus possible to produce polyethylene foams, polypropylene, polyesters, polyacetals, polyamides. The material chosen as the reinforcing element is advantageously a lightened polyamide to which a pore-forming agent has been added.
Tous les agents porogènes utilisables dans le polyamide sont adaptés à l'invention. Des exemples de tels agents sont donnés dans l'ouvrage Encyclopedia <U>of</U> Polmer <U>Science and</U> Technoloav, vol 2 p 535 à 560, Editions Interscience Publishers. All the porogenic agents that can be used in the polyamide are suitable for the invention. Examples of such agents are given in Encyclopedia <U> of </ U> Polmer <U> Science and </ U> Technoloav, Vol 2 p 535-560, Editions Interscience Publishers.
L'élément rigide et l'élément de renfort peuvent être solidarisés par tout moyen connu, par exemple collage, rivetage, surmoulage. Un moyen de solidarisation particulièrement avantageux est le débordement de matière injectée à travers des perforations réalisées dans l'élément rigide. Un autre moyen particulièrement avantageux est le surmoulage total ou partiel de l'élément rigide par l'élément en matière thermoplastique. The rigid element and the reinforcing element can be secured by any known means, for example bonding, riveting, overmolding. A particularly advantageous securing means is the overflow of material injected through perforations made in the rigid element. Another particularly advantageous means is the total or partial overmolding of the rigid element by the thermoplastic element.
Selon un mode de réalisation particulier, l'article est utilisé comme élément de construction destiné à être associé à d'autres éléments par exemple par soudure, rivetage, vissage, encastrement, collage... Ces éléments de construction sont généralement de forme allongée droite ou courbe, en forme de coque ou tubulaires, constitués d'un ou plusieurs segments. Comme exemples de tels articles on peut citer les poutres ou les longerons. Les domaines d'application préférés pour ce type d'articles sont le bâtiment, l'ameublement, la construction automobile, pour la réalisation de pièces structurelles destinées à supporter d'autres pièces. Les articles selon ce mode de réalisation présentent l'avantage d'être légers tout en conservant des propriétés mécaniques suffisantes par exemple pour supporter d'autres structures. En particulier, l'élément rigide permet une répartition des efforts sur la totalité de l'article et l'élément en matériau thermoplastique allégé permet de renforcer l'article. Le positionnement conjugué de l'élément rigide et de l'élément de renfort en matière thermoplastique, l'un remplissant partiellement l'autre, permet d'avoir une surface de contact élevée entre ces deux éléments. La transmission des efforts est donc optimale entre ces deux éléments. Les articles ainsi réalisés présentent pour un faible poids une grande résistance â la déformation, ainsi qu'une excellente résistance au choc due à l'élément rigide. Selon un autre mode de réalisation, l'élément rigide rempli de matière thermoplastique allégée constitue une partie d'une pièce comportant au moins une autre partie en matière thermoplastique moulée. La partie moulée de la pièce présente alors la majorité des fonctionnalités de l'article, l'élément rigide servant de renfort ou de stabilisateur de la forme obtenue par moulage. La partie moulée de la pièce peut présenter une structure très complexe, avec par exemple des espaces pour loger d'autres pièces, des nervures de renforcement, des moyen d'assemblage avec d'autres pièces ou systèmes, par exemple des clips. L'élément rigide peut être totalement intégré dans la partie moulée, être apparent ou complètement inséré dans la matière thermoplastique moulée. II peut être utilisé comme simple élément structurel ou présenter des fonctionnalités propres. II peut par exemple présenter des moyens d'assemblage à d'autres pièces. Un avantage des structures selon ce mode de réalisation est l'amélioration de la stabilité dimensionnelle des parties moulées. Les variations de dimension des parties en matière plastiques sont en effet limitées par celles de l'élément rigide avec lequel elles sont en contact. II est ainsi possible des réaliser de grandes pièces à base de matière thermoplastique. Un autre avantage des structures selon ce second mode de réalisation de l'invention est l'amélioration de l'intégrité au choc, c'est à dire la capacité d'un objet à ne pas être fractionné en plusieurs parties après un choc. Les articles selon ce mode de réalisation sont donc notamment adaptés à la réalisation de pièces pour l'automobile, par exemple à la réalisation de faces avant. According to a particular embodiment, the article is used as a construction element intended to be associated with other elements for example by welding, riveting, screwing, embedding, gluing ... These building elements are generally straight elongated or curve, shell-shaped or tubular, consisting of one or more segments. Examples of such articles include beams or spars. The preferred fields of application for this type of articles are building, furniture, car manufacturing, for the production of structural parts intended to support other parts. The articles according to this embodiment have the advantage of being light while retaining sufficient mechanical properties for example to support other structures. In particular, the rigid element allows a distribution of forces over the entire article and the lightweight thermoplastic material element reinforces the article. The combined positioning of the rigid element and the reinforcing element of thermoplastic material, one partially filling the other, makes it possible to have a high contact surface between these two elements. Transmission of effort is optimal between these two elements. The articles thus produced have a low resistance to deformation, as well as excellent impact resistance due to the rigid element. According to another embodiment, the rigid element filled with lightened thermoplastic material constitutes a part of a part comprising at least one other portion of molded thermoplastic material. The molded part of the part then has the majority of the functionality of the article, the rigid element serving as reinforcement or stabilizer of the shape obtained by molding. The molded part of the part may have a very complex structure, for example with spaces for accommodating other parts, reinforcing ribs, means of assembly with other parts or systems, for example clips. The rigid member may be fully integrated into the molded portion, apparent or completely inserted into the molded thermoplastic material. It can be used as a simple structural element or have its own functionalities. It may for example have assembly means to other parts. One advantage of the structures according to this embodiment is the improvement of the dimensional stability of the molded parts. The variations in size of the plastic parts are in fact limited by those of the rigid element with which they are in contact. It is thus possible to produce large parts based on thermoplastic material. Another advantage of the structures according to this second embodiment of the invention is the improvement of the impact integrity, that is to say the ability of an object not to be split into several parts after an impact. Articles according to this embodiment are therefore particularly suitable for producing parts for the automobile, for example to the production of front faces.
Le moulage de la pièce et le remplissage de l'espace concave de l'élément rigide sont avantageusement réalisés dans le même moule. Le moule peut à cet effet comporter des éléments mobiles. The molding of the part and the filling of the concave space of the rigid element are advantageously made in the same mold. The mold can for this purpose comprise moving elements.
Toute matière thermoplastique pouvant être mise en forme par moulage convient. A titre d'exemple on peut citer les matières plastiques partiellement cristallines telles que la polyamide-6, la polyamide-6.6, les polyamides étoiles, le téréphtalate de polybutylène, le téréphtalate de polyéthyène, le polyphtalamide, le sulfure de polyphénylène, les polyamides semi-cristallins, ou le polypropylène. On peut aussi utiliser toutes les compositions réalisées à partir de ces matières. On peut avantageusement utiliser des compositions renforcées, par exemple avec des charges choisies dans le groupe comprenant des fibres de verre, fibres minérales, par exemple la wollastonite, fibres céramiques, fibres organiques thermorésistantes comme les fibres en polyphtalamide, charges minérales telles que le kaolin, les silicates lamellaires éventuellement modifiés tels que la montmorillonite, les fluoromicas. Les compositions peuvent comprendre tous les additifs habituellement utilisés dans les compositions à base de polyamide utilisées pour la fabrication d'articles moulés. Ainsi, on peut citer à titre d'exemple d'additifs les stabilisants thermiques, les stabilisants U.V., les antioxydants, les lubrifiants, les pigments, colorants, plastifiants ou des agents modifiant la résilience. A titre d'exemple, les antioxydants et stabilisants chaleur sont, par exemple, des halogénures d'alcalins, des halogénures de cuivre, les composés phénoliques stériquement encombrés, les amines aromatiques. Les stabilisants U.V. sont généralement des benzotriazoles, des benzophénones ou des HALS. Any thermoplastic material that can be shaped by molding is suitable. By way of example, mention may be made of partially crystalline plastics such as polyamide-6, polyamide-6.6, star polyamides, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyphthalamide, polyphenylene sulphide and semi-polyamides. -crystals, or polypropylene. It is also possible to use all the compositions made from these materials. It is advantageous to use reinforced compositions, for example with fillers chosen from the group comprising glass fibers, mineral fibers, for example wollastonite, ceramic fibers, heat-resistant organic fibers such as polyphthalamide fibers, mineral fillers such as kaolin, optionally modified lamellar silicates such as montmorillonite, fluoromicas. The compositions may include any additives commonly used in polyamide-based compositions used in the manufacture of molded articles. Thus, examples of additives include thermal stabilizers, UV stabilizers, antioxidants, lubricants, pigments, dyes, plasticizers or resilience modifiers. By way of example, the antioxidants and heat stabilizers are, for example, alkali halides, copper halides, sterically hindered phenol compounds, aromatic amines. U.V. stabilizers are generally benzotriazoles, benzophenones or HALS.
L'élément de renfort en matière thermoplastique allégée et la partie moulée peuvent être constitués de matière identique, par exemple un polymère contenant des agent porogène, de préférence un polyamide. Un procédé pouvant convenir à la mise en oeuvre de ce mode de réalisation consiste à injecter la matière contenant l'agent porogène dans la totalité des espaces disponibles dans le moule, en particulier à l'intérieur de l'espace concave. Le procédé peut comporter les étapes suivantes: a) Disposition dans un moule d'injection de forme choisie d'un élément rigide préformé dont une section transversale comporte au moins une partie définissant un espace concave, b) Injection d'une matière thermoplastique fondue contenant des agents porogènes dans le moule On peut avantageusement adapter la forme du moule pour contrôler la porosité de la matière thermoplastique. La porosité est en effet généralement plus élevée dans les parties ou la matière présente une plus forte épaisseur. II est ainsi possible de n'alléger la structure en matière thermoplastique qu'à l'intérieur de l'espace concave que présente l'élément rigide. The lighter thermoplastic reinforcing element and the molded part may consist of identical material, for example a polymer containing pore-forming agent, preferably a polyamide. One method that may be suitable for carrying out this embodiment consists in injecting the material containing the blowing agent into all the spaces available in the mold, in particular inside the concave space. The method may comprise the following steps: a) Arrangement in a selected form injection mold of a preformed rigid element whose cross section comprises at least one part defining a concave space, b) Injection of a molten thermoplastic material containing Porogenic agents in the mold The shape of the mold can advantageously be adapted to control the porosity of the thermoplastic material. The porosity is in fact generally higher in the parts where the material has a greater thickness. It is thus possible to lighten the thermoplastic structure only within the concave space that the rigid element has.
L'élément de renfort en matière thermoplastique allégée et la partie moulée peuvent être constitués de matières différentes, la partie en matière thermoplastique moulée n'étant pas allégée. Par exemple, l'élément de renfort peut être constitué d'un polyamide allégé mis en forme en présence d'un agent porogène, et la partie en matière thermoplastique moulée peut être réalisée à partir d'un composé ne comprenant pas d'agent porogène. Un procédé pouvant convenir à la mise en oeuvre de ce mode de réalisation consiste à injecter la matière contenant l'agent porogène à l'intérieur de la partie concave de l'élément rigide placé dans le moule, et à injecter la matière constituant la pièce moulée dans les autres parties du moules. Ces deux injections peuvent être simultanées ou subséquentes. The lightweight thermoplastic reinforcing element and the molded part may be made of different materials, the molded thermoplastic part being not lightened. For example, the reinforcing element may consist of a lightened polyamide shaped in the presence of a pore-forming agent, and the molded thermoplastic part may be made from a compound which does not comprise a pore-forming agent. . A method which may be suitable for carrying out this embodiment consists in injecting the material containing the pore-forming agent into the concave part of the rigid element placed in the mold, and injecting the material constituting the part. molded into the other parts of the molds. These two injections can be simultaneous or subsequent.
Un premier procédé peut comporter les étapes suivantes: a) Disposition dans un moule d'injection de forme choisie d'un élément rigide préformé dont une section transversale comporte au moins une partie définissant un espace concave, b) Co-Injection d'une matière thermoplastique fondue contenant des agents porogènes à l'intérieur l'espace concave et d'une matière thermoplastique fondue ne contenant d'agent porogène à l'extérieur de l'espace concave. A first method may comprise the following steps: a) Arrangement in a selected form injection mold of a preformed rigid element of which a cross section comprises at least one part defining a concave space, b) Co-injection of a material molten thermoplastic containing porogenic agents within the concave space and a molten thermoplastic material containing pore-forming agent outside the concave space.
Un autre procédé peut comporter les étapes suivantes: a) Disposition dans un moule d'injection de forme choisie d'un élément rigide préformé dont une section transversale comporte au moins une partie définissant un espace concave, b) Injection d'une matière thermoplastique fondue contenant des agents porogènes à l'intérieur l'espace concave c) Injection d'une matière thermoplastique fondue ne contenant pas d'agent porogène à l'extérieur de l'espace concave, les étapes b) et c) pouvant être permutées. Another method may comprise the following steps: a) Arrangement in a selected form injection mold of a preformed rigid element of which a cross section comprises at least one part defining a concave space, b) Injection of a molten thermoplastic material containing porogenic agents within the concave space c) Injecting a molten thermoplastic material containing no pore-forming agent outside the concave space, wherein steps b) and c) can be permuted.
On peut citer comme applications particulièrement bien appropriées pour les articles selon l'invention des éléments pour portes de véhicules automobiles, supports de pare-chocs, faces avant et arrière pour véhicules automobiles, les bas de caisse. On exige généralement de ces articles une solidité et une rigidité renforcées. Particularly suitable applications for articles according to the invention include elements for motor vehicle doors, bumper supports, front and rear faces for motor vehicles, rocker panels. These articles are generally required to have increased strength and rigidity.
D'autres détails ou avantages de l'invention apparaîtront plus clairement au vu de l'exemple donné ci-dessous uniquement à titre indicatif, et illustré par la figure 1. Other details or advantages of the invention will emerge more clearly in the light of the example given below solely for information purposes, and illustrated in FIG. 1.
La figure 1 représente une coupe en section transversale d'un élément de construction composé d'un élément rigide de forme allongée et rectiligne 10 et d'un élément de renfort 20 constitué de matière thermoplastique allégée comportant des pores 40. L'élément rigide est une tôle emboutie de section en forme de U, dont l'extrémités des branches présente un méplat 30. La zone comprise entre les branches du U définit un espace concave. FIG. 1 shows a sectional cross-section of a building element composed of a rigid elongated and rectilinear element 10 and of a reinforcing element 20 made of light-weight thermoplastic material comprising pores 40. The rigid element is a stamped sheet of U-shaped section, the ends of the branches has a flat 30. The area between the branches of the U defines a concave space.
L'élément rigide 10 est placé dans un moule d'injection de forme choisie pour qu'un fluide puisse être injecté dans l'espace situé entre les paroi du moule et les parois internes de l'élément rigide 10 définissant la forme de cuvette. The rigid element 10 is placed in an injection mold of shape chosen so that a fluid can be injected into the space between the wall of the mold and the inner walls of the rigid element 10 defining the bowl shape.
On injecte dans cet espace un mélange de 98.85% en poids de polyamide 66 et 1,15% en poids d'un mélange maître contenant un agent porogène, préparé selon l'exemple 1 du brevet FR 2 438 064. A mixture of 98.85% by weight of polyamide 66 and 1.15% by weight of a masterbatch containing a pore-forming agent, prepared according to example 1 of patent FR 2 438 064, is injected into this space.
Après solidification du polyamide, l'article fabriqué est démoulé. L'élément de renfort constitué de matière thermoplastique 20 contient des pores 40. L'ensemble présente une excellente rigidité et une excellente légèreté.After solidification of the polyamide, the manufactured article is demolded. The reinforcing element made of thermoplastic material 20 contains pores 40. The assembly has excellent rigidity and excellent lightness.
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