DE102020130634A1 - Kontaktring für hochdynamische anwendungen - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Druckfederkontakt in Form eines Kontaktrings (10, 100) zum Verbinden von mindestens einem ersten und einem zweiten elektrisch leitfähigen Kontaktelement (1, 2), wobei der Kontaktring (10, 100) aufweist: eine kreisringförmige Struktur oder dazu topologisch äquivalente Struktur umfassend ein elektrisch leitfähiges Material, wobei die Struktur an mindestens einer Seite eine Vielzahl von Vorsprüngen (104, 1004) und an mindestens einer Seite eine Vielzahl von Klingen (18, 108) aufweist. Dabei sind die Vorsprünge (104, 1004) und die Klingen (18, 108) so ausgebildet, dass sie die elektrisch leitfähigen Materialien der Kontaktelemente (1, 2) kontaktieren und dazwischen eine elektrisch leitfähige Verbindung herstellen, wobei die Vorsprünge (104, 1004) und die Klingen (18, 108) elektrisch isolierende Oberflächenschichten der Kontaktelemente durchdringen.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kontaktring, der Kontaktelemente elektrisch leitfähig verbindet.
- Es sind Kontaktringe in Form von Druckfederkontakten bekannt, die aus elektrisch leitfähigen Materialien bestehen und daher elektrisch leitfähige Verbindungen zwischen Kontaktelementen herstellen können. Diese Kontaktringe sind typischerweise flach und weisen beispielsweise eine Wellenform auf, sodass sie alternierend die Oberflächen der Kontaktelemente berühren.
- Die
1A bis1B illustrieren eine konventionelle Anordnung von zwei Kontaktelementen ohne Verbindungsstück (1A) und zwei Kontaktelemente mit einem Verbindungsstück (1B) . Bei dem Verbindungsstück in1B handelt es sich um einen typischen Kontaktring wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Kontaktring ist flach und wellenförmig und besteht meist aus Federstahl, der zwar gute mechanische, aber schlechte elektrothermische Eigenschaften hat, was auch durch eine dicke Versilberung kaum ausgeglichen werden kann. Die Berührungsbereiche des bekannten Kontaktrings sind zudem nicht in der Lage, mit üblichen Kontaktnormalkräften elektrisch isolierende Oberflächenschichten wie Aluminiumoxid zuverlässig zu durchdringen. Außerdem sind sie korrosionsanfällig. - Kontaktelemente, die zwar elektrisch leitfähige Materialien enthalten, deren Oberflächen aber aus elektrisch isolierenden Schichten, wie zum Beispiel natürlichen Oxiden, bestehen, lassen sich durch den in
1B gezeigten Kontaktring nicht adäquat elektrisch leitfähig verbinden. - Dieses Problem wird durch den in
1C gezeigten Kontaktring gelöst. Ein solcher Kontaktring entsteht dadurch, dass ein Band aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel eine versilberte Kupferlegierung, zu einer ringförmigen Struktur geschlossen wird. Das Band umfasst Vorsprünge an mindestens einer Längsseite. Die Vorsprünge weisen Spitzen oder scharfe Kanten auf, die die elektrisch isolierenden Oberflächenschichten der Kontaktelemente durchdringen und dadurch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den elektrisch leitfähigen Kernen der Kontaktelemente herstellen. - Durch die überwiegend nachgiebige Lagerung des Kontaktrings gemäß
1C zwischen den Kontaktelementen ist die Schwingungsresistenz bei diesem Kontaktring allerdings begrenzt. Die gesamte Last der Vibrationen wird dabei nämlich über die Vorsprünge übertragen. Daher ist es sehr schwierig, die Vorsprünge oder ggf. andersartige nachgiebige Strukturen so zu formen und zu dimensionieren, dass diese den dauerhaft hohen dynamischen Belastungen standhalten können. Deswegen wird ein Kontaktstück benötigt, das gute elektrothermischen Eigenschaften mit einer erhöhten Schwingungsresistenz verbindet. - Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
- Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, zum Verbinden von Kontaktelementen mit einem elektrisch leitfähigen Kern und einer elektrisch isolierenden Oberflächenschicht ein Kontaktstück zu verwenden, das aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und die elektrisch isolierenden Oberflächenschichten der Kontaktelemente jeweils durchdringt, wobei eine überwiegend nachgiebige Lagerung des Kontaktstücks vermieden wird.
- Das erfindungsgemäße Kontaktstück weist die Form eines Rings oder einer Ringscheibe auf, wobei in der vorliegenden Anmeldung mit den Begriffen „Ring“ und „Ringscheibe“ sowohl kreisförmige Strukturen als auch zu kreisförmigen Strukturen topologisch äquivalente Strukturen gemeint sind. Um eine bessere Verständlichkeit zu gewährleisten, wird im Folgenden nur noch der Begriff „Ring“ ohne weitere Spezifizierungen verwendet. Die Abbildungen zeigen beispielhaft kreisringförmige Strukturen, wobei aber auch zu kreisringförmigen Strukturen topologisch äquivalente Strukturen eingeschlossen sind.
- Die Ringform des Kontaktstücks ermöglicht insbesondere das effiziente Verbinden von zylinderförmigen Kontaktelementen mit entsprechender Grundfläche, da sie die passende Architektur zum Einsatz in einem eingeschränkten ringförmigen Einbauraum besitzt. Sie entsteht dadurch, dass aus einer Scheibe aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel eine versilberte Kupferlegierung, eine konzentrische, kleinere Scheibe sowie ein Element in radialer Richtung entfernt wird, sodass ein flacher Ring mit einem Schlitz gebildet wird. Die Verwendung einer versilberten Kupferlegierung ist vorteilhaft, da sie einen guten Kompromiss zwischen mechanischen und elektrothermischen Eigenschaften darstellt.
- Der Kontaktring umfasst Vorsprünge an mindestens einer der nach innen und außen weisenden Seiten. Die Vorsprünge sind aus der Ringebene hinausgebogen und weisen Spitzen oder scharfe Kanten auf, die die elektrisch isolierenden Oberflächenschichten der Kontaktelemente durchdringen und dadurch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den elektrisch leitfähigen Kernen der Kontaktelemente herstellen. Die Vorsprünge können radial (wie in
1C ) oder tangential (wie in2 ) ausgerichtet sein. - Zusätzlich umfasst der Kontaktring Klingen, die aus der Ringebene hinausgebogen sind, Spitzen oder scharfe Kanten aufweisen und damit in die gegenüberliegenden Oberflächen der Kontaktelemente eindringen. Die Klingen sind gleichmäßig zwischen den Vorsprüngen angeordnet. Dadurch ermöglichen die Klingen einen festen Presssitz des Kontaktrings und der Kontaktelemente im endgültigen Anordnungszustand. Während die Vorsprünge vorwiegend auf Biegen beansprucht sind, sind die Klingen vorwiegen auf Knicken beansprucht. Daher werden die Vorsprünge kontrolliert verformt und die Klingen geringfügig verformt. Eine Ringscheibe, die nur mit den Vorsprüngen ausgerüstet wäre, wäre in Längsrichtung nachgiebig. Die erfindungsgemäße Ringscheibe dagegen wird durch die Klingen in Längsrichtung versteift. Durch die Klingen werden die Vorsprünge deshalb schwingungstechnisch entlastet, sodass der Kontaktring insgesamt eine höhere Schwingungsresistenz aufweist.
- Durch die Verwendung einer Vielzahl von kurzen Vorsprüngen profitiert der erfindungsgemäße Kontaktring von den Vorteilen der Multi-Kontakt-Physik und weist günstige elektrothermische Eigenschaften auf. So stellen die Vorsprünge jeweils einen elektrisch leitfähigen Kontakt her, wodurch eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Verbindungen zwischen den Kontaktelementen entsteht, was zu vielen kurzen Stromflüssen und redundanten Kontaktierungen führt. Durch die zusätzlichen Klingen wird dieser Effekt noch verstärkt.
- Im Gegensatz zu bekannten Kontaktringen, die flächige Kontaktbereiche zur Berührung mit den Kontaktelementen aufweisen, sind die Kontaktbereiche des erfindungsgemäßen Kontaktrings stark begrenzt und verringern dadurch das Auftreten von Korrosion.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Vorsprünge und die Klingen alternierend an der inneren und der äußeren Seite des Kontaktrings angeordnet.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Vorsprünge und die Klingen ausschließlich an der Außenseite oder ausschließlich an der Innenseite des Kontaktrings angeordnet.
- Der Kontaktring kann als Teil eines Kontaktsystems, das zwei Kontaktelemente umfasst, verwendet werden, wobei der Kontaktring in das erste Kontaktelement integriert ist. In diesem Fall erfolgt die Kontaktierung nur einseitig, und zwar zwischen dem zweiten Kontaktelement und dem in das erste Kontaktelement integrierten Kontaktring.
- Die Kontaktringe aller Ausführungsformen weisen ein hohes Anpassungsvermögen bezüglich Orientierung, Anordnung, Anzahl und Gestaltung der Vorsprünge und Klingen auf.
- Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
-
1A zeigt ein erstes und ein zweites Kontaktelement. -
1B zeigt die beiden Kontaktelemente aus1A , verbunden durch einen Kontaktring in einer bekannten Ausführungsform. -
1C zeigt einen Kontaktring mit Vorsprüngen. -
2 zeigt den Kontaktring gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
3A zeigt den Kontaktring gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit Kontaktelement 1. -
3B zeigt den Kontaktring gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit Kontaktelement 2. -
4 zeigt den Kontaktring gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit Kontaktelement 2, wobei der Zapfen des Kontaktelements 2 eine Nut aufweist, in der der Kontaktring angeordnet ist. -
5A zeigt den Kontaktring gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
5B zeigt den Kontaktring gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit Kontaktelement 1. -
5C zeigt den Kontaktring gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit Kontaktelement 2. - Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf
2 bis5C beschrieben. - Die
2 bis4 zeigen einen Kontaktring 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Wie in2 gezeigt, umfasst der Kontaktring 10 eine flache ringförmige Struktur aus elektrisch leitfähigem Material mit einem Schlitz 17. Der Kontaktring 10 weist Vorsprünge 104, 1004 an den nach innen 104 und außen 1004 weisenden Seiten auf. Die Vorsprünge 104, 1004 sind aus der Ringebene hinausgebogen, verjüngen sich und weisen Spitzen oder scharfe Kanten auf, die die elektrisch isolierenden Oberflächenschichten der Kontaktelemente 1 und 2 durchdringen und dadurch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den elektrisch leitfähigen Kernen der Kontaktelemente 1 und 2 herstellen. Abhängig von der Konstellation der gegenüberliegenden Oberflächen der Kontaktelemente 1 und 2 können die Vorsprünge 104, 1004 radial (wie in1C ) oder tangential (wie in2 ) ausgerichtet sein. Eine tangentiale Ausrichtung der Vorsprünge 104, 1004 erlaubt einen effizienteren Aufbau und wird daher bevorzugt. - Zusätzlich umfasst der Kontaktring 10 Klingen 18 und 108 an der nach innen beziehungsweise der nach außen weisenden Seite, die aus der Ringebene hinausgebogen sind, Spitzen oder scharfe Kanten aufweisen und damit in die gegenüberliegenden Oberflächen der Kontaktelemente 1 und 2 eindringen. Die Klingen 18 und 108 sind bevorzugt, aber nicht unbedingt gleichmäßig zwischen den Vorsprüngen 104 und 1004 angeordnet. Dadurch ermöglichen die Klingen 18, 108 einen festen Presssitz des Kontaktrings 10 und der Kontaktelemente 1 und 2 im endgültigen Anordnungszustand. Im Vergleich zu den Vorsprüngen 104 und 1004 sind die Klingen 18 und 108 in einem größeren Winkel relativ zur Ringebene angeordnet und werden daher weniger verformt. Die Klingen 18 und 108 versteifen den Kontaktring 10 in Längsrichtung, sodass die Vorsprünge 104 und 1004 schwingungstechnisch entlastet werden und der Kontaktring 10 insgesamt eine höhere Schwingungsresistenz aufweist. Außerdem verringern die Klingen 18 und 108 den Kontaktwiderstand, indem sie mehr Kontaktbereiche mit höheren Kontaktnormalkräften bereitstellen.
- Dieser Aufbau erlaubt eine einfache und kostengünstige Herstellung des Kontaktrings 10 durch Stanzen und Biegen sowie eine sehr günstige Montage.
- Das Material des Kontaktrings 10 umfasst bevorzugt eine versilberte Kupferlegierung. Im Gegensatz zu Federstahl weist dieses Material sowohl gute mechanische als auch gute elektrothermische Eigenschaften auf.
- Die
3A und3B zeigen ein Anwendungsbeispiel des Kontaktrings 10. Der Kontaktring 10 ist zwischen zwei Kontaktelementen 1 und 2 so angeordnet, dass er die gegenüberliegenden Oberflächen der Kontaktelemente 1 und 2 mit den Vorsprüngen 104 und 1004 sowie mit den Klingen 18 und 108 berührt. Werden die Kontaktelemente 1 und 2 gegeneinandergepresst, so durchdringen die Spitzen oder die scharfen Kanten der Vorsprünge 104 und 1004 sowie der Klingen 18 und 108 elektrisch isolierende Oberflächenschichten, wie zum Beispiel eine Schicht aus Aluminiumoxid, die sich auf der Oberfläche eines Kontaktelements aus elektrisch leitfähigem Aluminium natürlich ausbildet. - Mit Hilfe des Kontaktrings 10 kann dadurch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem elektrisch leitfähigen Kern des ersten Kontaktelements 1 und dem elektrisch leitfähigen Kern des zweiten Kontaktelements 2 hergestellt werden, auch dann, wenn die Kontaktelemente 1 und 2 isolierende Oberflächen aufweisen, die diese elektrisch voneinander trennen. Eine hohe Anzahl von Vorsprüngen 104 und 1004 sowie Klingen 18 und 108 auf beiden Seiten des Kontaktrings 10 wirkt sich dabei physikalisch positiv auf die elektrothermischen Eigenschaften der Verbindung zwischen den beiden Kontaktelementen 1 und 2 aus.
- Der Aufbau des Kontaktrings 10 mit seinen spitz zulaufenden Vorsprüngen 104 und 1004 sowie Klingen 18 und 108 zur Berührung der Kontaktelemente 1 und 2 minimiert außerdem die Fläche der Kontaktbereiche, in der eine schützende Oberfläche der Kontaktelemente 1 und 2 verletzt wird. Dadurch kann einer Korrosion der Kontaktelemente 1 und 2 entgegengewirkt werden.
-
4 zeigt eine mögliche Ausführung des Kontaktelements 2 mit einem Zapfen 20, die eine Nut 19 aufweist. Der Kontaktring 10 ist durch den Schlitz 17 in radialer Richtung dehnbar und kann deshalb in die Nut 19 auf dem Zapfen 20 eingeführt und dort gehalten werden, ohne dass ein spezieller Verbindungsprozess erforderlich ist. Dies wäre bei einer geschlossenen ringförmigen Struktur nicht möglich. - Die
5A bis5C zeigen den Kontaktring gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung separat und zusammen mit Kontaktelement 1 beziehungsweise 2. Wie der Kontaktring 10 der ersten Ausführungsform umfasst der Kontaktring 100 eine flache ringförmige Struktur aus elektrisch leitfähigem Material mit einem Schlitz 17. Der Kontaktring 100 weist Vorsprünge 1004 an der nach außen weisenden Seite auf. Die Vorsprünge 1004 sind aus der Ringebene hinausgebogen, verjüngen sich und weisen Spitzen oder scharfe Kanten auf, die die elektrisch isolierenden Oberflächenschichten der Kontaktelemente 1 und 2 durchdringen und dadurch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den elektrisch leitfähigen Kernen der Kontaktelemente 1 und 2 herstellen. Abhängig von der Konstellation der gegenüberliegenden Oberflächen der Kontaktelemente 1 und 2 können die Vorsprünge 1004 radial (wie in1C ) oder tangential (wie in5A bis5C ) ausgerichtet sein. Eine tangentiale Ausrichtung der Vorsprünge 1004 erlaubt einen effizienteren Aufbau und wird daher bevorzugt. - Zusätzlich umfasst der Kontaktring 100 Klingen 108 an der nach außen weisenden Seite, die aus der Ringebene hinausgebogen sind, Spitzen oder scharfe Kanten aufweisen und damit in die gegenüberliegenden Oberflächen der Kontaktelemente 1 und 2 eindringen. Die Klingen 108 sind bevorzugt, aber nicht unbedingt gleichmäßig zwischen den Vorsprüngen 1004 angeordnet. Dadurch ermöglichen die Klingen einen festen Presssitz des Kontaktrings 100 und der Kontaktelemente 1 und 2 im endgültigen Anordnungszustand. Im Vergleich zu den Vorsprüngen 1004 sind die Klingen 108 in einem größeren Winkel relativ zur Ringebene angeordnet und werden daher weniger verformt. Die Klingen 108 versteifen den Kontaktring 100 in Längsrichtung, sodass die Vorsprünge 1004 deshalb schwingungstechnisch entlastet werden und der Kontaktring 100 insgesamt eine höhere Schwingungsresistenz aufweist. Außerdem verringern die Klingen 108 den Kontaktwiderstand, indem sie mehr Kontaktbereiche mit höheren Kontaktnormalkräften bereitstellen.
- Der Kontaktring 100 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Kontaktring 10 gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass er nur Vorsprünge 1004 und Klingen 108 an der Außenseite und nicht an der Innenseite aufweist. Abhängig von der Konstellation der gegenüberliegenden Oberflächen der Kontaktelemente 1 und 2 kann diese Anordnung umgekehrt sein.
- Wie der Kontaktring 10 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst das Material des Kontaktrings 100 gemäß der zweiten Ausführungsform bevorzugt eine versilberte Kupferlegierung, die sowohl gute mechanische als auch gute elektrothermische Eigenschaften aufweist. Der Aufbau des Kontaktrings 100 erlaubt eine einfache und kostengünstige Herstellung durch Stanzen und Biegen sowie eine sehr günstige Montage.
- Bezugszeichenliste
-
- 1, 2
- Kontaktelement
- 3
- Kontaktring in bekannter Ausführungsform
- 4
- Kontaktring mit Vorsprüngen
- 10, 100
- Kontaktring
- 14, 104, 1004
- Vorsprung, innerer Vorsprung, äußerer Vorsprung
- 15
- flaches Segment
- 16
- Verschluss
- 17
- Schlitz
- 18, 108
- innere Klinge, äußere Klinge
- 19
- Nut
- 20
- Zapfen
Claims (15)
- Kontaktring (10, 100) zum Verbinden von mindestens einem ersten und einem zweiten elektrisch leitfähigen Kontaktelement (1, 2), wobei der Kontaktring (10, 100) aufweist: eine kreisringförmige Struktur oder dazu topologisch äquivalente Struktur umfassend ein elektrisch leitfähiges Material, wobei die Struktur an mindestens einer Seite eine Vielzahl von Vorsprüngen (104, 1004) aufweist, wobei die Struktur an mindestens einer Seite eine Vielzahl von Klingen (18, 108) aufweist, wobei die Vorsprünge (104, 1004) und die Klingen (18, 108) so ausgebildet sind, dass sie die elektrisch leitfähigen Materialien der Kontaktelemente (1, 2) kontaktieren und dazwischen eine elektrisch leitfähige Verbindung herstellen, wobei die Vorsprünge (104, 1004) und die Klingen (18, 108) elektrisch isolierende Oberflächenschichten der Kontaktelemente durchdringen.
- Kontaktring (10, 100) nach
Anspruch 1 , wobei die kreisringförmige Struktur oder dazu topologisch äquivalente Struktur flach angeordnet ist. - Kontaktring (10, 100) nach einem der
Ansprüche 1 oder2 , wobei die kreisringförmige Struktur oder dazu topologisch äquivalente Struktur einen Schlitz in radialer Richtung aufweist. - Kontaktring (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Vorsprung (104, 1004) sich verjüngende Endbereiche aufweist, die mit Kontaktelementen (1, 2) verbindbar sind.
- Kontaktring (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Teil der Vorsprünge (104, 1004) gebogen ist, um jeweils einen Federkontakt auszubilden.
- Kontaktring (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Klinge (18, 108) sich verjüngende Endbereiche aufweist, die mit Kontaktelementen (1, 2) verbindbar sind.
- Kontaktring (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Teil der Klingen (18, 108) gebogen ist, um jeweils einen Kontakt auszubilden.
- Kontaktring (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material des Kontaktrings (10, 100) eine versilberte Kupferlegierung umfasst.
- Kontaktring (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorsprünge (104) an der Innenseite und die Vorsprünge (1004) an der Außenseite in entgegengesetzte Richtungen aus der Ringebene hinausgebogen sind.
- Kontaktring (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Klingen (18) an der Innenseite und die Klingen (108) an der Außenseite in entgegengesetzte Richtungen aus der Ringebene hinausgebogen sind.
- Kontaktring (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktring fünf Vorsprünge (104, 1004) und sechs Klingen (18, 108) pro Seite aufweist.
- Kontaktring (100) nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , wobei nur eine Seite, Außen- oder Innenseite, des Kontaktrings (100) Vorsprünge (104, 1004) und Klingen (18, 108) aufweist. - Kontaktring (100) nach
Anspruch 12 , wobei der Kontaktring einen Schlitz in radialer Richtung aufweist, dessen Kanten Klingen bilden, die in entgegengesetzte Richtungen aus der Ringebene hinausgebogen sind. - Kontaktring (100) nach
Anspruch 13 , wobei der Kontaktring 16 Vorsprünge (104, 1004) und neun Klingen (18, 108) an der Außenseite oder der Innenseite, aber nicht an beiden Seiten aufweist. - Kontaktring (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktring (10, 100) in ein der Kontaktelemente integriert ist.
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