KR102176974B1 - 위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사용자 맞춤형 압력분산 깔창의 제조 시스템에 관한 것으로, 사용자의 발을 입체적으로 스캐닝 하여, 전체적인 발의 형상과 수치의 데이터를 측정하는 스캐닝부; 상기 데이터를 기초로 인솔 S/W를 통해 깔창의 기본 구조를 3D모델링 하는 모델링부; 상기 깔창의 기본 형상에 구조해석 S/W를 통해 사용자의 몸무게 및 발 형상을 입력하여, 상기 깔창의 구조에 대한 응력 분포를 계산하는 구조해석부; 상기 구조해석부에서 계산된 정보를 바탕으로 구조해석 S/W를 통해 상기 깔창에 가해지는 전체 하중을 효과적으로 분산 지지할 수 있도록 최적의 깔창 구조를 도출하는 위상최적설계부; 및 상기 위상최적설계부의 정보를 전달 받아 사용자의 발에 맞는 최적의 깔창을 제작하는 제작부를 포함하는 것을 특징으로 하여, 3D스캐너를 통해 사용자의 발을 정확하게 스캔하며, 스캔 된 발의 데이터를 기초로 깔창을 3D모델링하고 구조해석하여 하중을 효과적으로 분산시킬 수 있는 최적의 깔창 구조를 도출하고, 3D프린팅 또는 이중사출 기법으로 깔창을 제조하는 위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템에 관한 것이다.

Description

위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템{CUSTOMIZED PRESSURE DISPERSION INSOLE MANUFACTURING SYSTEM COMBINED WITH TOPOLOGY OPTIMIZATION TECHNIQUES}

본 발명은 사용자 맞춤형 압력분산 깔창의 제조 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 3D스캐너를 통해 사용자의 발을 정확하게 스캔하며, 스캔 된 발의 데이터를 기초로 깔창을 3D모델링하고 구조해석하여 하중을 효과적으로 분산시킬 수 있는 최적의 깔창 구조를 도출하고, 3D프린팅 또는 이중사출 기법으로 깔창을 제조하는 위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템에 관한 것이다.

발이라 함은 개인의 활동량에 비례하여 끊임없이 압력을 받는 부위로, 신체에서 지면과 인체를 지지하는 하체 중에서 지면과 가장 가까이 있어 우리의 생활에서 가장 중요한 직립 자세 유지와 보행 및 운동을 가능하게 한다.

또한, 발은 생체 역학적으로 가장 안정되게 체중을 분산시켜 몸의 균형을 맞추고 몸의 안정성을 유지하는 역할을 수행하며, 그에 따라 오래 걷거나 서 있을 경우 피로를 직접적으로 받는 부분이다.

이러한 발의 피로 또는 충격을 완화하기 위해 발은 세 개의 아치(arch)로 구성되어 있으며, 각각 내측 종아치(medial longitudinal arch), 외측 종아치(lateral longitudinal arch), 횡 아치(transverse arch)로 구성되어 있다.

종아치는 내측, 외측 두 부분의 형태로 되어 있는데 아치가 발의 내측에 있는 부분이 내측 종아치이고 외측에 있는 부분이 외측 종아치이다.

또한, 종아치는 뒤꿈치와 중족골 사이에 위치하며, 중간에는 뼈와 인대로 이루어져 있다.

횡아치는 볼이라고 알고 있는 전족부와 발가락 사이에서 가로방향으로 형성되어 있고, 종족골 아치는 발볼 아래 위치해 있다.

이렇게 내측 종아치, 외측 종아치, 횡아치가 있는데 이러한 아치에 몸의 무게가 지지되었을 때 아치가 낮아지면서 무게를 분산하고 보행하면서 오는 충격을 감소시켜 준다.

하지만 아치에 무리한 힘을 가함으로써 신체 피로, 부상 및 만성질환이 발생하는 원인이 되기에 족부의 특성을 보완하기 위해 신발을 제작하여 발을 보호하였다.

이러한 신발의 구성 중 깔창은 발바닥과 직접 닿는 부분으로서, 신발의 안쪽에 위치하여, 쿠션을 제공하고 착화감(fitting)을 좋게 하며, 충격을 흡수하고 몸의 체중을 왼쪽과 오른쪽에 분산함으로써 발에서 받은 피로와 통증을 감소시키는 역할을 수행한다.

또한, 최근에는 보행에 도움을 줄 수 있는 의료보조기구의 역할도 수행하면서 잘못된 자세나 질환을 가진 사람의 발의 압력을 효율적으로 분산시켜 사용자가 바른 자세를 유지할 수 있도록 하고 보행 시 편안함과 안정감을 보장하기 위한 기술이 요구되고 있다.

하지만 일반적으로 신발은 공장에서 대량 생산되어진 평균 사람의 발 모양으로서, 각 개인의 발바닥 특성을 살릴 수 없을 뿐만 아니라 발바닥의 압력을 효과적으로 분산시키기도 어려워 장기간 사용하면 발가락이나 뒤꿈치 부위에 지속적으로 사용자의 하중을 받아 신발이 압축되면서, 압축된 부위에는 충격을 흡수하는 쿠션력이 점차로 저하되어 발에 미치는 충격을 제대로 완화시키지 못하여 발이 피곤하고 발바닥 통증을 유발시키는 문제점이 있었다.

이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 특허문헌1은 스마트 디바이스 기반 맞춤형 인솔 3D프린팅 방법에 관한 것으로, (a) 스마트 디바이스에 구비된 카메라 모듈을 통해 하나 이상의 족부 이미지를 수집하는 단계; (b) 상기 (a) 단계와 연속적으로, 또는 동시적으로 피사체에 거리 측정 신호를 발생시키는 단계; (c) 상기 수집된 각각의 이미지로부터 윤곽선 데이터를 획득하는 단계; (d) 상기 (c) 단계와 연속적으로, 또는 동시적으로 상기 거리 측정 신호를 수신하고, 스마트 디바이스 및 피사체 간 직선 거리 정보를 획득하는 단계; (e) 상기 획득된 직선 거리 정보에 기초하여 피사체의 실제 크기 정보를 산출하는 단계; (f) 상기 획득한 하나 이상의 이미지, 윤곽선 데이터 및 피사체의 크기 정보를 병합하여 3차원 모델링 데이터를 생성하는 단계; 및 (g) 상기 생성된 3차원 모델링 데이터를 3D 프린터에 전송하는 단계를 포함하는 스마트 디바이스를 이용한 맞춤형 인솔 3D 프린팅 방법을 제공했다.

그러나, 상기 특허문헌1은 하나 이상의 이미지를 사용하여 사용자의 발의 입체 형상을 형성하였으며, 직선 거리 정보를 기초하여 발의 실체 크기 정보를 산출한다 하더라도 전문가가 아닌 각 개인이 스마트 디바이스에 있는 카메라를 사용하여 직접 사진을 촬영하기 때문에 카메라의 각도나 굴곡에 따라 정확한 크기를 산출하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 발의 형상 만으로 생성된 3D모델링 데이터로 인솔을 제작하기 때문에 하중을 지지함에 있어 최적의 구조로 형성되지 않아 재료가 많이 들고 그에 따라 생산 단가가 증가하는 문제점이 있다.

KR 10-2016-0080615 A

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 3D스캐너를 통해 사용자의 발을 입체적으로 스캐닝 하여, 전체적인 발의 형상과 수치의 데이터를 생성하여 깔창의 기본 구조를 형성하고, 형성된 기본 구조에 구조해석을 통해 위상최적설계 기법을 접목시켜 3D프린팅 또는 이중사출 기법으로 제작함으로써, 사용자의 발에 대한 데이터를 정확하게 측정하고, 각 개인에 맞는 최적화된 깔창을 제작할 수 있는 위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 구조해석을 통해 위상최적설계 기법을 접목시켜 깔창의 최적 구조를 도출하여 최소한의 구조로 깔창에 가해지는 전체 하중을 분산 지지함으로써, 제작 재료를 절감하고, 가벼워 사용자가 편하게 사용할 수 있는 위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 사용자의 발을 입체적으로 스캐닝 하여, 전체적인 발의 형상과 수치의 데이터를 측정하는 스캐닝부; 상기 데이터를 기초로 인솔 S/W를 통해 깔창의 기본 구조를 3D모델링 하는 모델링부; 상기 깔창의 기본 형상에 구조해석 S/W를 통해 사용자의 몸무게 및 발 형상을 입력하여, 상기 깔창의 구조에 대한 응력 분포를 계산하는 구조해석부; 상기 구조해석부에서 계산된 정보를 바탕으로 구조해석 S/W를 통해 상기 깔창에 가해지는 전체 하중을 효과적으로 분산 지지할 수 있도록 최적의 깔창 구조를 도출하는 위상최적설계부; 및 상기 위상최적설계부의 정보를 전달 받아 사용자의 발에 맞는 최적의 깔창을 제작하는 제작부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템을 제공한다.

이때, 상기 깔창은 집중응력 또는 분포응력이 작용하는 부분에 따라 유연하고 신축성이 강하며, 재질의 밀집도를 향상시켜 충격을 효과적으로 흡수할 수 있는 재질로 된 쿠션부; 및 상기 쿠션부 외에 나머지 부분으로 최소응력 또는 지지력이 발생하지 않으며, 내구성이 강하고, 뒤틀림이 일어나지 않는 재질로 된 베이스부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 깔창의 쿠션부 및 베이스부가 서로 분리되지 않도록 코팅하는 코팅부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 제작부의 깔창 제작은 3D프린팅 또는 이중사출 중 어느 하나의 방법을 통해 제작되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 사용자의 발을 정확하게 스캐닝 하여, 사용자 각 개인별 발에 최적화된 깔창을 제공할 수 있으며, 위상최적설계 기법을 통해 하중을 효과적으로 분산시켜 사용자의 보행 시 균형을 잡기가 용이하고, 안정감 및 착용감을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 제작 재료를 절감함으로써, 생산 단가를 절감하여 저렴한 가격에 만족도 높은 깔창을 제공할 수 있으며, 무게가 가벼워 사용자가 편안하게 사용할 수 있는 또 다른 효과가 있다.

도1은 본 발명에 따른 위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템을 나타내는 전체 블록도.
도2는 본 발명에 따른 위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템의 흐름을 나타내는 도면 대용 사진.
도3은 본 발명에 따른 위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템에서 위상최적설계 기법의 예시를 나타내는 도면 대용 사진.
도4는 본 발명에 따른 위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템으로 제작된 깔창을 나타내는 도면 대용 실시 사진.

이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템은 도1 내지 도4에 도시된 바와 같이, 스캐닝부(200), 모델링부(300), 구조해석부(400), 그리고 위상최적설계부(500)와 제작부(600) 및 코팅부(700)로 구성되어 사용자 맞춤형 압력분산 깔창(100)을 제작 할 수 있다.

상기 스캐닝부(200)는 3D스캐너(미도시)를 통해 사용자의 발을 입체적으로 스캐닝 하여, 맞춤형 깔창(100)을 제작하는데 기초가 되는 각 개인별 발의 형상과 수치 데이터를 측정 할 수 있다.

이때, 상기 3D스캐너는 고정식 3D스캐너 및 휴대용 3D스캐너를 사용할 수 있으며, 사용자의 매장방문 또는 직접 방문을 통하여 사용자의 발을 스캐닝 하여 발바닥과 발등 및 접촉면을 포함한 전체 발 형상과 수치 데이터를 획득할 수 있는 것이다.

결국, 상기 스캐닝부(200)는 기존에 사람이 직접 실측을 통해 획득하는 발의 형상이나 데이터에 비하여 정확도 및 정밀도가 높은 데이터를 획득할 수 있으며, 데이터를 획득하는데 소요되는 시간 역시 단축시킬 수 있어, 사용자에게 높은 만족도를 제공하고 신뢰감을 형성할 수 있게 된다.

이러한 상기 스캐닝부(200)에서 측정한 발의 형상과 수치 데이터는 유/무선 네트워크 통신을 통해 상기 모델링부(300)로 전송하여 사용자의 발에 맞는 깔창(100)을 제작하기 위한 기본 정보로 활용될 수 있다.

이때, 상기 모델링부(300)는 상기 스캐닝부(200)의 데이터를 기초로 하여 인솔 S/W(insole software)(310)를 통해 상기 깔창(100)의 기본 구조를 3D모델링 할 수 있다.

이는 사용자의 발에 최적화된 깔창(100)을 제작하기 위한 초석이 되는 작업으로써, 깔창(100)에 작용하는 응력 분포를 계산하고 최적의 구조를 도출하는 과정에서 재료의 낭비를 방지하기 위해 시제품 제작이 아닌 프로그램을 통해 3D모델링 된 깔창(100)의 기본 구조를 형성할 수 있는 것이다.

이때, 상기 인솔 S/W(310)는 하나의 프로그램으로 고정되는 것이 아닌, 상기 스캐닝부(200)의 데이터를 전송 받아 정확하고 정밀하게 깔창(100)을 3D모델링 할 수 있는 다양한 소프트웨어 중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있다.

또한, 상기 모델링부(300)에서 3D모델링 된 상기 깔창(100)의 기본 구조에 작용하는 응력의 분포를 계산하고, 위상최적설계 기법을 접목시켜 최적의 깔창(100) 구조를 도출하는 것은 상기 구조해석부(400) 및 위상최적설계부(500)에서 수행할 수 있다.

이때, 위상최적설계(Topology Optimization) 기법이란, 재료 물성치에 대한 설계민감도와 최적설계를 결합하여, 주어진 재료량 제한조건 하에 최적의 재료분포를 찾는 설계기법을 말하는 것으로, 상기 위상최적설계 기법을 본 발명에 접목시킴으로써, 최소한의 재료를 사용하여 상기 깔창(100)에 작용하는 하중을 효과적으로 분산 지지할 수 있게 되어, 가벼우면서도 효율적으로 하중을 분산시킬 수 있는 최적의 구조를 갖는 깔창(100)을 제조할 수 있게 된다.

이를 위해 상기 구조해석부(400)에서는 구조해석 S/W(structural analysis software)(410)를 사용하여 상기 깔창(100)의 기본 형상에 사용자 개인별로 다른 몸무게 및 발 형상을 입력하여, 상기 깔창(100)의 구조에 대한 응력 분포를 정확하게 계산할 수 있도록 한다.

이때, 상기 구조해석 S/W(410)는 상기 인솔 S/W(310)와 마찬가지로 하나의 프로그램으로 고정되는 것이 아닌, 정확한 구조해석을 수행할 수 있는 다양한 소프트웨어 중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있다.

이러한 상기 구조해석부(400)에서 계산된 정보를 바탕으로 상기 위상최적설계부(500)에서는 상기 깔창(100)에 가해지는 전체 하중을 분산 지지할 수 있는 구조를 파악할 수 있으며, 하중을 지지함에 있어 불필요한 부분을 제거하여 최소한의 구조 만으로 모든 하중을 분산 지지할 수 있도록 최적의 설계를 이룰 수 있도록 한다.

이때, 불필요한 부분이란 위상최적설계 기법을 적용한 상기 깔창(100)에 작용하는 하중을 지지함에 있어서 중복되는 부분으로 해석될 수 있으며, 상기 중복되는 부분을 제거함으로써 최소한의 구조만으로도 충분히 상기 깔창(100)에 작용하는 하중을 지지할 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기 위상최적설계부(500)에서 상기 깔창(100)의 최적의 구조를 도출해내는 것은 상기 구조해석부(400)에서 사용되는 구조해석 S/W(410)와 같은 소프트웨어를 사용할 수 있으며, 위상최적설계에 적합한 또 다른 구조해석 S/W(510)을 사용하여 상기 깔창(100)의 최적의 구조를 도출해 낼 수도 있다.

이러한 상기 위상최적설계부(500)에서 도출된 최적의 깔창(100) 구조를 토대로 상기 깔창(100)에서 집중응력 또는 분포응력이 작용하는 부분과 최소응력 또는 지지력이 발생하지 않는 부분을 구분할 수 있게 되며, 그에 따라 상기 위상최적설계부(500)의 정보를 전달 받은 상기 제작부(600)에서 사용자의 발에 맞는 최적의 깔창(100)을 제작할 수 있다.

또한, 상기 깔창(100)은 쿠션부(110) 및 베이스부(120)로 구분하여, 서로 다른 이종재질로 제작될 수 있다.

상기 쿠션부(110)는 상기 깔창(100)에서 집중응력 또는 분포응력이 작용하는 부분에 형성되고, 유연하고 신축성이 강한 재질을 사용하여 사용자가 이동하거나 운동을 할 때 발생하는 충격을 효과적으로 흡수하도록 할 수 있다.

또한, 상기 베이스부(120)는 사용자의 발바닥 면적에서 상기 쿠션부(110)를 제외한 최소응력 또는 지지력이 발생하지 않는 나머지 부분에 해당하며, 내구성이 강하여 마모가 잘 되지 않고, 뒤틀림이 일어나지 않는 재질을 사용하여 상기 깔창(100)의 전체적인 수명을 연장시킬 수 있다.

이때, 상기 베이스부(120) 역시 충격흡수가 가능하여 상기 쿠션부(110)에서 흡수하고 분산된 나머지 충격을 흡수 상쇄시킴으로써, 사용자의 발에 발생할 수 있는 통증을 완화시켜 사용자의 만족도를 높이고, 상기 깔창(100)에 대한 사용자의 신뢰성을 형성할 수 있도록 한다.

또한, 상기 쿠션부(110)를 이루는 재질의 밀집도를 향상시켜 충격 흡수율 및 하중의 분산력을 더욱 향상시킴으로써, 사용자의 착용감 및 안정성을 향상시킬 수 있도록 한다.

이러한 상기 깔창(100)은 상기 제작부(600)에서 3D프린팅 또는 이중사출 기법 중 어느 하나의 방법을 통해 제작될 수 있으며, 그에 따라 상기 제작부(600)는 유/무선 네트워크 통신을 통해 상기 위상최적설계부(500)에서 상기 깔창(100)의 최적 구조 데이터를 전송 받은 3D프린터 또는 이중사출장치를 구비할 수 있다.

또한, 상기 제작부(600)에서 제작된 상기 깔창(100)은 상기 코팅부(700)를 통해 코팅 과정을 거칠 수 있다.

이는 서로 다른 이종 재질로 이루어진 상기 깔창(100)의 쿠션부(110) 및 베이스부(120)의 접합을 더욱 강화하여 상기 쿠션부(110)와 베이스부(120)가 서로 분리되는 것을 방지하여, 상기 쿠션부(110)가 밀리거나 떨어져 사용자가 불편하지 않도록 하기 위함이다.

또한, 상기 코팅부(700)에는 경우에 따라 향균제를 더 포함할 수 있으며, 그에 따라 착용 시 발냄새를 제거하고 인체의 건강에 도움을 주는 깔창(100)을 제공할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 사용자의 발을 정확하게 스캐닝 하여, 사용자 각 개인별 발에 최적화된 깔창(100)을 제공할 수 있으며, 위상최적설계 기법을 통해 하중을 효과적으로 분산시켜 사용자의 보행 시 균형을 잡기가 용이하고, 안정감 및 착용감을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 제작 재료를 절감함으로써, 생산 단가를 절감하여 저렴한 가격에 만족도 높은 깔창(100)을 제공할 수 있으며, 무게가 가벼워 사용자가 편안하게 사용할 수 있는 또 다른 효과가 있다.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

100 : 깔창
110 : 쿠션부
120 : 베이스부
200 : 스캐닝부
300 : 모델링부
310 : 인솔 S/W
400 : 구조해석부
410 : 구조해석 S/W
500 : 위상최적설계부
510 : 구조해석 S/W
600 : 제작부
700 : 코팅부

Claims (4)

1. 사용자의 발을 입체적으로 스캐닝 하여, 전체적인 발의 형상과 수치의 데이터를 측정하는 스캐닝부;
   상기 데이터를 기초로 인솔 S/W를 통해 쿠션부와 베이스부로 형성되는 깔창의 기본 구조를 3D모델링 하는 모델링부;
   상기 깔창의 기본 형상에 구조해석 S/W를 통해 사용자의 몸무게 및 발 형상을 입력하여, 상기 깔창의 구조에 대한 응력 분포를 계산하는 구조해석부;
   상기 구조해석부에서 계산된 정보를 바탕으로 구조해석 S/W를 통해 상기 깔창에 작용하는 하중을 지지함에 있어서 중복되는 부분을 제거하여 최소한의 구조만으로 상기 깔창에 가해지는 전체 하중을 효과적으로 분산 지지할 수 있도록 최적의 깔창 구조를 도출하는 위상최적설계부;
   상기 위상최적설계부의 정보를 전달받아 사용자의 발에 맞는 최적의 깔창을 제작하는 제작부; 및
   상기 깔창의 쿠션부 및 베이스부가 서로 분리되지 않도록 코팅하는 코팅부;를 포함하되,
   상기 쿠션부는 집중응력 또는 분포응력이 작용하는 부분에 따라 유연하고 신축성이 강하며, 재질의 밀집도를 향상시켜 충격을 효과적으로 흡수할 수 있는 재질로 형성되고,
   상기 베이스부는 상기 쿠션부 외에 나머지 부분으로서, 최소응력 또는 지지력이 발생하지 않으며, 내구성이 강하고, 뒤틀림이 일어나지 않는 재질로 형성되며,
   상기 코팅부는 코팅과정에서 향균제를 상기 깔창에 도포하는 것을 특징으로 하는 위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제작부의 깔창 제작은,
   3D프린팅 또는 이중사출 중 어느 하나의 방법을 통해 제작되는 것을 특징으로 하는 위상최적설계 기법을 접목시킨 맞춤형 압력분산 깔창 제조 시스템.
   

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