JP5283538B2 - 穴あけ装置及び貫通穴の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を照射することにより、ワークの壁部に貫通穴を形成する穴あけ装置に関する。

例えば燃料噴射ノズルを製造する際に、壁部に貫通穴を形成するため、レーザ光を照射して穴あけを行う。壁部に穴があいた後に、レーザ光が貫通穴を通り燃料噴射ノズルの内周面に達すると、削る必要のない内周面まで削ってしまう。このため、レーザ光で内周面が削られることを防止するための技術が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１によれば、燃料噴射ノズルの先端部に流体を配置し、ここでキャビテーションを起こさせることにより、レーザ光を散乱させる。これにより、レーザ光で内周面が削られることの防止を図っている。

しかし、レーザ光を散乱させた場合であっても、散乱したレーザ光の一部が内周面に到達することがある。このレーザ光の出力が大きい場合には、レーザ光により内周面が傷つくことが考えられる。

より高い精度でレーザ光が内周面に照射されることを防ぐことのできる穴あけ装置の提供が望まれる。

特表２００１−５２６９６１公報（段落［００２９］）

本発明は、より高い精度でレーザ光が内周面に照射されることを防ぐことのできる穴あけ装置の提供を課題とする。

請求項１に係る発明は、中空状のワークの外から中空部に向かってレーザ光を照射することにより、前記ワークの壁部に貫通穴を形成する穴あけ装置であって、
前記中空部に充填され前記レーザ光により溶融されない充填体と、この充填体に接触するように配置され前記充填体を振動させる振動機構と、前記ワークを固定するためのワーククランプ機構とを備え、
前記ワーククランプ機構は、駆動源としてのクランプシリンダと、このクランプシリンダの先端に接続される板体と、この板体から延ばされる支持柱と、この支持柱の先端に取り付けられるクランプ板とからなり、
前記クランプ板には、前記ワークをクランプするワークポケットが形成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の穴あけ装置であって、
前記ワーククランプ機構と共に前記ワークをクランプし、支持するワーク支持部材と、
このワーク支持部材にかぶせられる蓋部と、をさらに有し、これらのワーク支持部材と蓋部とによって、前記ワークに前記レーザ光の照射を行う照射室を形成し、
前記ワーク支持部材は、前記照射室の一部を形成する凹部と、この凹部に形成され前記ワークポケットと共に前記ワークをクランプするワーク支持部材側のワークポケットと、からなり、
前記振動機構の先端は、前記ワーク支持部材側のワークポケットに向かって先端が延ばされ、
前記蓋部は、支持枠に支持されレーザ光を通す透過板と、この透過板を通過したレーザ光が通過する通路と、この通路が繋げられ前記照射室の空間を形成する隔壁と、前記通路に繋げられ前記照射室内の気圧を高める圧縮ガスが通る圧縮ガス供給路と、前記照射室に臨むと共に前記レーザ光が照射される方向に向けられて配置されるノズル状の先端部と、前記隔壁に設けられ前記ワーク支持部材の外壁に接触するシール材と、からなり、
前記先端部には、前記レーザ光の照射により発生するちりを吸い込む排出手段が繋げられることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の穴あけ装置を用いて実施する、貫通穴の形成方法において、充填体を、ワークの中空部に充填する工程と、ワークを、ワーククランプ機構でクランプする工程と、充填体を振動させながら、ワークの壁部にレーザ光を照射する工程と、レーザ光の照射と同時に、ワークの周縁で発生するちりを排出する工程とを備えていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、レーザ光により溶融されない充填体が中空部に充填される。このため、壁部に穴をあけたレーザ光は、中空部に充填された充填体に衝突する。この衝突により、充填体はレーザ光のエネルギを吸収する。充填体がエネルギを吸収することにより、レーザ光が内周面に照射されることを防ぐことができる。

請求項３に係る発明では、排出手段を作動させながらワークにレーザ光を照射することにより、ちりの再付着を防ぐことができ、早く穴を貫通させることができる。
加えて、レーザ光を照射された充填体は、振動機構により振動を与えられている。振動により充填体が動かされ、レーザ光の照射される場所を少しずつ変えることができる。即ち、レーザ光の照射される場所が充填体の１箇所に集中しないようにすることにより、レーザ光によるダメージの分散を図ることができ、充填体の長寿命化を図ることができる。

本発明に係る穴あけ装置の全体図である。 本発明に係る穴あけ装置の要部断面図である。 ワークのセットについて説明する図である。 ワーク支持部の作業位置までの移動について説明する図である。 作業部の移動について説明する図である。 図５の６−６線断面図である。 レーザの照射角について説明する図である。 本発明の実施例と過去の比較例との比較図である。 図２のクランプ機構の別実施例を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

先ず、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、穴あけ装置１０は、ワークをクランプするためのワーククランプ機構１１と、このワーククランプ機構１１によりクランプされるワークを支持するワーク支持部材１２と、このワーク支持部材１２を回転可能に支持しワークを回動するためのワーク回転機構１３と、ワーク支持部材１２にかぶせられる蓋部１４を昇降させるための昇降機構１５と、この昇降機構１５及び蓋部１４を一体的に回転させるための蓋部回転機構１６と、蓋部１４の位置決めを行うための位置決めブロック１８と、この位置決めブロック１８及び蓋部回転機構１６を支持する作業台２０とからなる。

ワーククランプ機構１１は、クランプシリンダ２３の先端に板体２４が接続され、クランプシリンダ２３を作動させることにより、この板体２４を矢印（１）に示すように昇降させる。これにより、ワークのクランプ及びクランプ解除を操作する。

詳細は後述するが、図に示されるような状態では、ワーク支持部材１２内に配置されるワークがクランプされる。ここからクランプシリンダ２３を作動させ板体２４を上昇させることにより、クランプ状態が解除される。

ワーク回転機構１３は、回転機構支持部２６と、この回転機構支持部２６に回転可能に支持されワーク支持部材１２を支持するＬ字形のワーク回転テーブル２７とからなる。
ワーク回転テーブル２７は、矢印（２）で示すように回転軸２８を中心に回動される。この回転軸２８は、ワーク支持部材１２内に支持されるワークに接触する。即ち、ワークは、ワーク回転テーブル２７の回転軸２８上に配置されている。

昇降機構１５は、蓋部昇降シリンダ３２が矢印（３）に示すように上方下方に作動することにより、蓋部１４と、この蓋部１４を支持する蓋部支持体３３と、この蓋部支持体３３の底面に配置される位置決めピン３４が一体的に昇降される。

図に示す状態から蓋部昇降シリンダ３２を作動させ、蓋部１４、蓋部支持体３３、位置決めピン３４を降下させる。蓋部１４はワーク支持部材１２に被せられ、位置決めピン３４は位置決めブロック１８に挿入される。

蓋部回転機構１６は、蓋部１４を水平方向に旋回させるための蓋部回転モータ３６と、この蓋部回転モータ３６の上面に配置され蓋部昇降シリンダ３２を支持するための支持柱３７とからなる。
蓋部回転モータ３６を作動させることにより、矢印（４）に示すように支持柱３７が回転軸３８を中心に回転する。これにより支持柱３７に支持される蓋部昇降シリンダ３２、蓋部支持体３３、蓋部１４、位置決めピン３４が一体的に回動される。

例えば、ワーク回転テーブル２７を作動させる（矢印（２））際には、蓋部１４にクランプシリンダ２３が接触しないようにする必要がある。このような場合に、蓋部１４等を想像線で示す待機位置３９に移動させておく。
次図で本発明の要部について説明する。

図２に示すように、蓋部１４は、上面の支持枠４２に支持されレーザ光を通す透過板４３と、この透過板４３を通過したレーザ光が通過する通路４４とを備える。この通路４４を通過したレーザ光により照射されるワークを、収容する照射室６３の空間を形成する隔壁４１に、当該通路４４が開口している。更に、蓋部１４は、この通路４４に繋げられガス供給手段４５から供給される圧縮ガスが通される圧縮ガス供給路４６と、ノズル状に形成されレーザ光が照射される方向に必ず向けられて配置される先端部４８と、この先端部４８からレーザ光の照射により発生するちりを吸い込む排出手段４９と、ワーク支持部材１２に蓋部１４を被せた際にワーク支持部材１２に接触するシール材５１とを備える。

なお、レーザ光の照射により発生するちりとは、プリュームと呼ばれる、レーザ加工時にワークの表面の金属が熱で蒸発してできた金属蒸気や、イオン化した混合気体のことである。
また、矢印（１）と矢印（３）は、図１の矢印（１）、矢印（３）と同じである。

蓋部１４は、上部基体５２と下部基体５３とから構成され、シール材５１はこれらの上部基体５２と下部基体５３とに挟まれるように配置される。
ガス供給手段４５から供給されるガスとしては、空気の他、窒素等の不活性ガスを用いることもでき、圧縮ガスの種類は問わない。

一方、ワーク支持部材１２は、シール材５１に接触する外壁部４７と、隔壁４１に対向する位置に照射室６３の空間を形成する内壁部５４を有する凹部６２と、この凹部６２の底部にワークが載置される第１ワークポケット５５と、この第１ワークポケット５５に向かって先端が延ばされる超音波振動子を用いた振動機構５６と、この振動機構５６の先端付近に繋げられ第１ワークポケット５５の下側を低圧にする低圧手段（詳細は後述）とからなる。

板体２４を降下させることにより、この板体２４に接続される支持板５７、支持柱５８、５８、クランプ板５９が一体的に降下される。ワークは、想像線で示すようにクランプ板５９の下面に形成される第２ワークポケット６１と、第１ワークポケット５５でクランプされる。

この後、矢印（３）で示すように蓋部１４を降下させワーク支持部材１２に被せる。このとき蓋部１４とワーク支持部材１２とで囲われた領域が、レーザ光の照射を行う照射室６３である。即ち、ガス供給手段４５は、照射室６３に繋げられ照射室６３内に圧縮ガスを供給するということができる。また、排出手段４９は、ノズル状に形成された先端部４８が照射室６３内に伸ばされているということができる。
次図でワークのセットについて説明する。

図３（ａ）に示すように振動機構５６の先端が上を向いている状態から、ワーク回転テーブル（図１符号２７）を作動させ、振動機構５６の先端が下を向く、図３（ｂ）に示す状態にワーク支持部材１２を回転させる。
なお、図３は回転軸２８が図面表裏に延びる方向からワーク支持部材１２を見ている。

次に（ｂ）に示す状態で、前述の第１ワークポケット５５における振動機構５６側を低圧にする低圧手段６４を作動させる。そして、レーザ光で溶融しないジルコニア製ボールを充填体６５として、ワーク６６の中空部６７に充填し、第１ワークポケット５５に配置する。

このとき、低圧手段６４の作用により、ワーク６６には上向きに引っ張られる力が掛かる。従って、クランプ板５９でクランプする前にワーク６６から手を離しても、ワーク６６が落下することはない。

充填体６５たるジルコニア製ボールは、酸化物セラミックであるジルコニアからなる。周知の通りジルコニアは、融点が極めて高く、このためレーザ光が入射しても溶融することはない。なお、充填体６５においてレーザ光が入射した箇所は、崩壊を起こす。その結果微粉末が発生する。

なお、充填体にはジルコニア製ボールの他に、粉体を用いることもできる。即ち、ジルコニア製の粉体を含む充填体５６の直径は、レーザ光の照射時間や発振周波数に基づいて設定される。換言すると、レーザ光が照射される前のジルコニア製の充填体５６の体積をＶ_０、パルス毎に崩壊する体積をＺ、レーザ光の発振周波数をｆ、レーザ光の照射時間をｔ、とするとき、最低限必要な充填体の半径Ｒは、下記の式（１）で表されるとおりである。
Ｒ＝｛３Ｖ_０−ｔｆＺ／４π｝^１／３・・・（１）

更に換言すると、充填体５６としては、式（１）で求められる半径Ｒよりも半径が大きいものが選定される。また、式（１）のパルス毎に崩壊する体積Ｚは、予め実験により求められる体積であるから、ジルコニア製の粉体を含む充填体以外のもので、例えば素材がジルコニアの充填体であっても予め実験によりパルス毎に崩壊する体積Ｚが求めることができれば選定することができる。

なお、レーザ光がワークに照射される間に、該ワークの壁部に貫通穴を形成して、該貫通穴を通る該レーザ光が、貫通穴が形成された壁部と対向するワークの内周面に到達することを回避するべく、充填体５６は設けられたものであり、レーザ光を照射して溶融しないもので且つ、前記ワークに形成される貫通穴の直径、及び上述の式（１）で求められるＲよりも半径が大きいものであれば、充填体の素材、形状は特に限定されない。

貫通穴の直径は３μｍ〜２００μｍであり、少なくとも貫通穴よりも大きい粉体を用いる必要があり、ジルコニア製ボールを用いる場合、ジルコニア製ボールの直径は直径３０μｍ〜２０ｍｍであることが望ましい。

次に（ｃ）の矢印（１）で示すようにクランプ板５９を上昇させて、ワーク６６をクランプする。これでワーク６６のセットが完了する。
この図に示されるとおり、低圧手段６４は、中空部６７に繋げられ、この中空部６７の気圧を壁部６８の外側よりも低くしている。

低圧手段６４により、中空部６７の気圧を壁部６８の外側よりも低くする。これにより、ワーク６６を低圧側に引っ張る力が作動する。穴あけ前には、この力によりワーク６６がしっかり抑えられる。
次図でワーク支持部の作業位置までの移動について説明する。

図４（ａ）に示されるように、ワーク６６をクランプした後は、ワーク回転テーブル（図１符号２７）を作動させ、（ｂ）に示すように再び振動機構５６の先端が上向きになるような位置まで、ワーク支持部材１２を移動させる。
次図で、ワーク支持部材１２に蓋部１４を被せる際の作用について説明する。

図５に示されるように、待機位置（図１符号３９）からワーク支持部材１２の上に蓋部１４を移動させ、その後、矢印（３）で示すように蓋部１４を降下させる。この動作により、蓋部１４の隔壁４１及びシール材５１、並びにワーク支持部材１２の内壁部５４及びクランプ板５９の上面により照射室６３が形成される。このようにして照射室６３を形成した上で、ワークにレーザ光を照射する。

図６に示すようにレーザ光７０を照射する際は、ガス供給手段４５で圧縮ガスを供給しつつ、レーザ光７０を照射することにより発生するちりを排出手段４９で排出する。ガス供給手段４５で圧縮ガスを供給することにより照射室６３内の気圧は高くなる。このため、排出手段４９を作動させることにより、照射室６３内を大気圧と同じ気圧に保つことができる。
振動機構５６、低圧手段６４、ガス供給手段４５及び排出手段４９は、それぞれが接続される制御機構によって制御され、作動される。

レーザ光は、ナノ秒レーザ光やピコ秒レーザ光を用いることができる。また、レーザ加工ヘッドにナノ秒レーザ光の照射機及びピコ秒レーザ光の照射機の両方を支持させることもできる。この場合には、ナノ秒レーザ光により大まかな穴あけを行った後、ピコ秒レーザ光で仕上げを行うことにより、精度の高い穴あけ作業を短時間で行うことができる。

図７（ａ）に示すように、レーザ光７０に対して、振動機構５６の軸線Ｌ１がなす角度θを、ワーク回転テーブル（図１符号２７）を回転させることにより変えることができる。例えば、（ａ）の場合のθ１は２７°で、これを回転させることにより（ｂ）に示すようにθ２を４５°とすることができる。
これにより、ワーク６６に対してレーザ光７０の当たる照射角度を変えることができる。

図面表裏方向に延びる回転軸２８上にワーク６６が配置される。これにより、照射されるレーザ光７０に対するワーク６６の角度は、ワーク回転テーブルを回動させることにより変えることができる。即ち、１台の装置で様々な角度での穴あけを行うことができ、有益である。

仮に、回転軸２８に対してワーク６６を離して配置した場合は、ワーク支持部材１２を回転させることにより、ワーク６６は大きく移動し、レーザ光７０の照射されない位置までワーク６６が移動してしまう。逆に、本発明の穴あけ装置１０は、回転軸２８上にワーク６６を配置することにより、簡便な構成でレーザ光７０の照射角度を変えることができる穴あけ装置ということができる。

図８（ａ）に示すように、排出手段４９を作動させながらワーク６６にレーザ光７０を照射することにより、被照射部７１で発生するちり７２を素早く回収することが出来る。
貫通穴（（ｃ）符号７５）が形成されるまでの間、制御機構は、照射室６３内の気圧が、中空部６７の気圧よりも高く且つ大気圧以下にするように制御している。

即ち、ガス供給手段４５の単位時間当たりのガスの供給量よりも多く排出手段４９で吸引している。加えて、この排出手段４９の単位時間当たりの吸引量よりも多く、低圧手段６４で吸引している。
気圧の差を生じさせることにより照射室６３内に気流が発生する。この気流により効率よくちりが外部へ排出される。

一方、（ｂ）に示すように、排出手段を有しない比較例では、蒸発したちり７２がその場に止まることにより、穴に再付着することがある。従って、再付着したちり７３を再度削りながら穴あけを行うため、時間がかかる。
即ち、（ａ）に示すように排出手段４９を作動させながらワーク６６にレーザ光７０を照射することにより、ちり７２の再付着を防ぐことができ、早く穴を貫通させることができる。

換言すると、穴あけ装置は、図示しない制御機構を備え、照射室６３を、大気圧若しくは大気圧よりも若干低圧に保った状態にすることができる。前記いずれかの状態で図示しないレーザ加工ヘッドからレーザ光７０を発射し、中空状のワーク６６の外側面に照射する。加工によりちり（プリューム）７２が発生する。

なお、貫通穴７５が形成されるまでは、照射室６３に気体の逃げ場がない場合（ｂ）は、加圧しすぎると加工が透過板４３または密閉部材に負荷をかける。また、加圧しすぎると空気がちり７２を押さえてしまい、加工されるべき箇所からちり７２が除去されずに、そのちり７２がレーザ光７０を遮ってしまうおそれがある。更に換言すると、加圧しすぎない方が加工が進むからである。

（ｃ）に示すように貫通穴７５が形成されると、レーザ光７０は充填体６５に衝突する。この衝突により、充填体６５はレーザ光７０のエネルギを吸収する。充填体６５がエネルギを吸収することにより、レーザ光７０が内周面７６に照射されることを防ぐことができる。

また、レーザ光７０を照射された充填体６５は、振動機構５６により振動を与えられている。例えば、このときの振動周波数は３０ｋＨＺ〜１００ｋＨｚであり、振幅は５μｍ〜３０μｍである。この振動により充填体６５が動かされ、レーザ光７０の照射される場所を少しずつ変えることができる。

具体的には、このような振動条件の下では、図８（ｃ）における鉛直方向に沿って約０．１ｍｍ上方移動ないし下方移動しながら、回転動作をすることができる。即ち、レーザ光７０の照射される場所が充填体６５の１箇所に集中しないようにすることにより、レーザ光７０によるダメージの分散を図ることができ、充填体６５の長寿命化を図ることができる。

レーザ光７０での加工が進むと、（ｃ）に示すように貫通穴７５が形成され、その後は、弁７７を閉じ、排出手段４９を停止させる。穴が貫通した後は、低圧手段６４によりちり７２が回収される。穴あけ後には、低圧手段６４によりレーザ光７０の照射により発生したちり７２が回収され、貫通穴７５付近にちり７２が留まらない。

なお、（ａ）の状態では、内周面７６で形成されるワークの中空部の気圧を、ワークの壁部６８の外側よりも低くされて制御されている。そして、（ｃ）に示すように貫通穴７５が形成されると、圧力差で空気がワークの中空部内を矢印の用に流れ、この流れに伴いちり７２は低圧手段に押し流される。

また、弁７７を切替えると、照射室６３は（ａ）の状態よりも気圧が高圧になり、照射室６３の気圧とワークの中空部の気圧との圧力差が更に大きくなり、図（ｃ）の矢印のように示されるワークの中空部内の空気の流れがよりいっそう円滑になる。
ちり７２の貫通穴７５付近への再付着を防ぐことができ、作業の効率化を図ることができる。

貫通穴７５が形成された後は、排出手段４９の排出機能を停止させる。これにより、気流がガス供給手段４５から低圧手段６４に向かう気流のみになる。ちり７２を排出するための気流を一つに絞ることにより、効率よくちり７２を外部へ排出することができる。

充填体６５の大きさは３０μｍ〜２０ｍｍであって、振動機構５６が発振する振動周波数は３０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚであり、発振の際の振幅は５μｍ〜３０μｍである。充填体６５の大きさは３０μｍ〜２０ｍｍである。この大きさであれば、ワーク６６に燃料噴射ノズルを用いた場合に中空部６７内に充填体を振動させるための程良いスペースが空く。また、前述の振動条件で振動させることにより充填体６５をよく振動させることができるため、充填体６５の長寿命化を図ることができる。

（ｄ）の比較例に示すように、充填体を充填しない場合は、レーザ光７０がワーク６６の内周面７６に接触し、その部分を除去してしまう。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図９に示されるように、クランプ機構に蝶ボルト７８、７８を用いた。蝶ボルト７８、７８を用いた場合はクランプ機構を簡易に構成することができる。
このようなクランプ機構を用いた場合であっても、充填体がエネルギを吸収することにより、レーザ光が内周面に照射されることを防ぐことができるという本発明の効果を得ることができる。

尚、本発明に係る穴あけ装置は、実施の形態では燃料噴射ノズルに適用したが、細い貫通穴があけられる部材であれば、その他の機械部品等にも適用可能であり、用途はこれらに限られるものではない。

本発明に係る穴あけ装置は、燃料噴射ノズルの穴あけに好適である。

１０…穴あけ装置、１１…ワーククランプ機構、５６…振動機構、６４…低圧手段、６５…充填体、６６…ワーク、６７…中空部、６８…壁部、７０…レーザ光、７５…貫通穴、７８…蝶ボルト。

Claims (3)

1. 中空状のワークの外から中空部に向かってレーザ光を照射することにより、前記ワークの壁部に貫通穴を形成する穴あけ装置であって、
   前記中空部に充填され前記レーザ光により溶融されない充填体と、この充填体に接触するように配置され前記充填体を振動させる振動機構と、前記ワークを固定するためのワーククランプ機構とを備え、
   前記ワーククランプ機構は、駆動源としてのクランプシリンダと、このクランプシリンダの先端に接続される板体と、この板体から延ばされる支持柱と、この支持柱の先端に取り付けられるクランプ板とからなり、
   前記クランプ板には、前記ワークをクランプするワークポケットが形成されていることを特徴とする穴あけ装置。
2. 請求項１に記載の穴あけ装置であって、
   前記ワーククランプ機構と共に前記ワークをクランプし、支持するワーク支持部材と、
   このワーク支持部材にかぶせられる蓋部と、をさらに有し、これらのワーク支持部材と蓋部とによって、前記ワークに前記レーザ光の照射を行う照射室を形成し、
   前記ワーク支持部材は、前記照射室の一部を形成する凹部と、この凹部に形成され前記ワークポケットと共に前記ワークをクランプするワーク支持部材側のワークポケットと、からなり、
   前記振動機構の先端は、前記ワーク支持部材側のワークポケットに向かって先端が延ばされ、
   前記蓋部は、支持枠に支持されレーザ光を通す透過板と、この透過板を通過したレーザ光が通過する通路と、この通路が繋げられ前記照射室の空間を形成する隔壁と、前記通路に繋げられ前記照射室内の気圧を高める圧縮ガスが通る圧縮ガス供給路と、前記照射室に臨むと共に前記レーザ光が照射される方向に向けられて配置されるノズル状の先端部と、前記隔壁に設けられ前記ワーク支持部材の外壁に接触するシール材と、からなり、
   前記先端部には、前記レーザ光の照射により発生するちりを吸い込む排出手段が繋げられることを特徴とする穴あけ装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の穴あけ装置を用いて実施する、貫通穴の形成方法において、
   前記充填体を、前記ワークの中空部に充填する工程と、
   前記ワークを、前記ワーククランプ機構でクランプする工程と、
   前記充填体を振動させながら、前記ワークの壁部にレーザ光を照射する工程と、
   前記レーザ光の照射と同時に、前記ワークの周縁で発生するちりを排出する工程とを備えていることを特徴とする貫通穴の形成方法。

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