JP2009501634A - 少なくとも２つのシート状形成体、特に、少なくとも２つの軽量構造体用金属シートを接合する方法、接合部及び軽量構造体 - Google Patents
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Abstract
まず、突き合わせ接合でシート状形成体を接合して接合領域５を形成し、シート状形成体又は接合領域５を機械加工し、金属シート又は接合領域５を機械的又は化学的に接着用に前処理し、第２の負荷経路を形成するために、補強要素１４、１９を、接合領域５の幅１６よりも補強要素１４、１９が広い幅１５、２０を有するように、接合領域５の上部６又は底部７の領域に貼り付けて、航空機用に、２つ以上のシート状形成体、２つ以上の金属シート１、２を、材料の厚みを薄くして、接合する方法に関する。補強要素１４、１９をシート状形成体の間の接合領域５の領域貼り付けることによって、従来の接合方式では金属シートの間で必須だった、継ぎ目領域に厚みをおびた部位を広く設ける必要がなくなり、継ぎ目にかかる負荷を低減している。さらに、本方法により製造された接合部１７、２１に関する。更に、接合部を有する軽量構造体に関する。
【選択図】図３
【選択図】図３
Description
本発明は、少なくとも２つのシート状形成体、特に、少なくとも２つの軽量構造体用金属シートを接合する方法に関する。
さらに、本発明は、本発明に係わる方法によって形成された、２つのシート状形成体の接合部、特に、２つの軽量構造体用金属シートの接合部に関する
さらにまた、本発明は軽量構造体、特に、複数の接合シェル及び／又はシェルの部分分割体から形成された、航空機の胴体セル、エアフォイル、水平又は垂直尾翼などに関する。
特に、航空機工学では、金属シートは、大抵の場合、リベット接合によって相互に接合される。継ぎ目にかかる応力は材料疲労の原因となりうるため、通常、かかる従来のリベット接合部の継ぎ目領域には、継ぎ目にかかる応力を軽減するために厚みをおびた部位が含まれている。これらの厚みをおびた部位は、例えば、化学エッチング法、機械的フライス加工（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ フライス加工）などによって、例えば、少なくとも部分的に、継ぎ目領域の外側の材料を除去して、形成される。
従来の金属シートのリベット接合では、継ぎ目領域に必要とする厚みをおびた部位を形成するためには、多大の時間を要し、コストもかかる。
本発明は、継ぎ目領域に、継ぎ目領域の外側の材料をコストをかけて除去することによって厚みをおびた部位を形成することを必要とせず、同時に、負荷経路を追加することによって、接合継ぎ目部の静特性及び耐損傷特性を向上する接合部を製造する方法、及び、軽量構造体の２つのシートの間の接合部、特に、航空機の軽量構造体のシェル、及び／又はシェルの一部、特に胴体、エアフォイル、水平又は水平尾翼などの接合部、を提供することを目的とする。
本発明の目的は、請求項１記載の特徴を備えた方法によって達成される。
少なくとも２つのシート状形成体、特に、軽量構造体用の少なくとも２つの金属シートをを接合する本発明による方法は、シート状形成体の間を突き合わせ接合して、接合領域を形成するステップと、シート状形成体及び／又は接合領域を機械加工するステップと、シート状形成体及び／又は接合領域を接着のために機械的及び／又は化学的に前処理するステップと、少なくとも１つの補強要素を、接合領域の上部及び／又は底部の領域に貼り付けるステップと、を含み、少なくとも一つの補強要素の幅は接合領域の幅よりも広い。
機械的な継ぎ目応力を減少させるため、接合領域のに局所的に厚みをおびた部位を形成するため、特に接合領域外部の材料を除去することは必要である。しかし、上述の方法によって、材料を除去することを必要とせずに、２つの金属シートを相互に接合することができ、しかも、少なくとも一つの補強要素を貼り付けることによって、（継ぎ目領域における）機械的継ぎ目応力を低減させている。この結果、特に材料疲労が発生する危険性を軽減する。さらに、補強要素の幅は、十分に重なるようにするために、接合領域の幅より広くすることが好ましい。これによって、２つのシート状形成体の接合部に追加の負荷経路が形成される。
シート状形成体及び／又は接合領域に、機械的な及び／又は化学的な接着用前処理を行うことによって、貼り付ける、少なくとも一つの補強要素の接着性を改善できる。
本発明の有益な実施の形態では、少なくとも一つのさらなる補強要素を少なくとも一つの補強要素に、少なくとも部分的な領域に貼り付ける。これによって、シート状形成体の間の接合部の機械的な耐荷重能を向上できる。
有益な実施の形態によると、シート状形成体の接合は、摩擦撹拌溶接、レーザ溶接、融接、はんだ付けなどによって行う。上記の接合方法（溶接方法及びはんだ付け）により、一般的に、シート状形成体、特に、材料の厚さが薄い金属シートの形態のシート状形成体を突き合わせ接合することができる。
本発明のさらに有益な実施の形態は、機械加工後の接合領域の材料の厚みが、シート状形成体の材料の厚みより薄いか又は等しくなるようにする。これによって、接合領域及びシート状形成体の領域にある補強要素をほぼ全体にわたって確実に支持できるようになる。
さらに、本発明の目的は、２つのシート状形成体、特に軽量構造体用の２つの金属シートの間の、接合部を形成するための、請求項１１記載の特徴に従った接合部によって達成することができる。上記接合部は突き合わせ接合して形成され、少なくとも、補強領域の上部及び／又は底部の領域には、少なくとも一つの補強要素が貼り付けられる。
本発明の接合により、継ぎ目領域の外側の材料を、例えば、化学的又は機械的な除去処理（フライス加工）などによって除去して厚みをおびた部位を形成することを必要とせずに、２つのシート状形成体、特に、２つの金属シートを、耐損傷性をもって接合できる。さらに、少なくとも一つの補強要素を貼り付けることによって、追加の負荷経路が形成される。
さらにまた、本発明の目的は、特に、請求項２３記載の、数個の接合したシェル及び／又はシェルの部分から形成された航空機の軽量構造体、特に、胴体セル、エアフォイル、水平又は垂直尾翼によって達成できる。本発明によると、請求項１１から請求項２２迄の何れか１項に記載の、少なくとも一つの接合部によって、少なくとも２つのシェル及び／又は少なくとも一つのシェルの少なくとも２つの部分分割体を接合して軽量構造体を形成する。
本構成のさらに有益な実施の形態を別の請求項に示す。
図面において同様の構造要素には同様の参照符号を付して説明する。図１〜図４を参照して、本発明による方法と、該方法によって生成した接合部について説明する。
図１に示すように、本方法を実施するための第１のステップでは、例えば、シート状形成体である２つの金属シート１、２を相互に、例えば、長手方向端部３、４に沿って、それぞれの面が対向して当接するように、直線上に並べる。選択した接合方法に応じて、長手方向端部３，４の領域を適切に前処理する。前処理は、例えば、表面及び／又は長手方向端部３、４に対する化学的又は機械的前処理によって、長手方向端部３、４に沿って機械的に除去することによって、又は同様の類似の前処理作業によって行われる。
本方法を実施するための第２のステップでは、図２に示すように、金属シート１、２を長手方向端部３、４に沿って最終的に接合し（図１と比較のこと）、それによって接合領域５を形成する。この処理で、長手方向端部３、４は接合領域５に組み入れられるので、図２から図４では、もはや参照符号がない。２つの矢印方向に金属シート１、２を接合することは、例えば、融接、特にレーザ溶接などによって行われ、この際に、接合領域５において、金属シート１、２は、少なくとも部分的に溶融する。或いは、例えば、摩擦撹拌溶接やはんだ付けなどによって、金属シート１、２を溶融させることなしに接合することもできる。この接合によって、接合領域５が形成される。本発明の方法は、金属シート１、２の接合に限定して解釈すべきではない。他の材料であっても、任意の所望の接合方法によって相互に接合することができる。
本方法を実施するための第３のステップでは、上部６及び／又は底部７に対して、少なくとも一部の領域で、例えば、研削、フライス加工、平削り、ストリッピングなどの機械的及び／又は化学的加工を行う。加工によって、接合領域５の材料の厚み８は薄くなる。
必要な場合、中間ステップで、金属シート１、２の上部１１及び底部１２及び／又は接合領域５の上部６及び／又は底部７に腐食防止処理を追加することができる。必要な場合、更なる中間ステップで、上記の領域に接着用前処理を追加して行い、接着性を改善できる。接着性は、例えば、結合剤、下塗剤の塗布や、エッチング加工などを行うことにより改善できる。
本方法を実施するための第４のステップでは、図３に示すように、最初に接着層１３を、接合領域５の上部６及び金属シート１、２の上部１１の隣接する部位、及び／又は補強要素１４の底部に塗布する。本構成では、接着層１３は、接着性フィルム、接着性ホイル、液状接着剤などでもよい。続けて、結合用の補強要素１４を接着層１３に貼り付ける。ここに示す代表的な実施の形態では、補強要素１４は、基本的に長方形の断面形状を有する平坦な（ｆｌａｔ）形材（固体材料）又は金属片である。上記とは異なる態様の場合、使用する補強要素は、ほぼ任意の断面形状、特に、Ｔ字形、Ｌ字形、Ｕ字形、Ｚ字形の断面形状を有する、接合領域５を補強するための補強用異形材（ｐｒｏｆｉｌｅ）とすることができる。さらに、補強要素１４は、継ぎ目の経路を全体的に、又は少なくとも部分的に覆う、基本的に長方形の断面形状を備えた長方形の中空形材、平坦な形材（固体材料）、直線及び曲線形状の金属片などによって形成できる。
補強要素１４又は複数の補強要素は、例えば、繊維強化エポキシ樹脂などの複合材料で形成することもできる。さらに、補強要素１４は、繊維強化されたポリエステル樹脂、フェノール樹脂、又はビスマレイミド（ＢＭＩ）樹脂で形成することができる。特に、任意の有機及び／又は無機繊維、短繊維又はウイスカ繊維は強化繊維として好適である。例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などは、強化繊維として使用することができる。
補強要素１４を金属シート１、２又は接合領域５と、例えば、架橋結合によって硬化可能な熱硬化性プラスチック材料、特に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ＢＭＩ樹脂などを接着剤として用いて貼り合わせる。必要な場合、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などを使用して、接着剤に繊維強化材を埋め込むことができる。接着手段として、熱硬化性プラスチック材料の代わりに、熱可塑性、又はその他の他をベースとして有する接着手段を使用することもできる。
本構成では、補強要素１４の幅１５は、金属シート１、２を補強要素１４に結合するために十分に重なるよう、結合領域５の幅１６よりも広いのが好ましい。このように、金属シート１、２は、一方では接合領域５によって相互接合される。さらに他方で、補強要素１４は、接合領域５に対して横方向に並ぶ第２の負荷経路を形成し、この第２の負荷経路は、特に、疲労波面を引き起こし得る継ぎ目応力の低下を可能にする。さらにまた、接合領域５に機械的な不具合が発生した場合でも、本発明による方法を用いて形成された接合部１７は、（直ちに）完全に破砕されることはないことから、補強要素１４は余剰をもたらす。
図４は、本発明による方法の変形形態を示す。この変形形態では、上記と同様のステップ、又は追加のステップで、幅２０を有するさらなる補強要素１９を、さらなる接着層１８によって、補強要素１４に貼り付ける。本処理では、補強要素１９は、強化異形材、特にストリンガなどとして設計されている。一般的に使用されているストリンガの異形材（ｐｒｏｆｉｌｅ）形状はいずれも、補強要素１９に適している。補強要素１９を追加することによって、本発明による方法のこの変形形態に従って形成した接合部２１の機械安定性を改善できる。
さらに、図４を参照して、本発明による方法を用いて形成された、２つのシート状形成体の間の、特に、金属シート１、２の間の接合部の基本設計についてより詳細に説明する。
金属シート１、２は、接合領域５によって相互に接合されている。金属シート１、２の接合又は接合領域５の形成は、例えば、摩擦撹拌溶接法、レーザ溶接法、融接法、又は、例えば、はんだ付けなどの他の何らかの接合法によって行う。接合領域５の材料の厚み８は、金属シート１、２の材料の厚み９、１０とほぼ一致する（図２と比較のこと）。金属シート１、２を接合した後、例えば、研削、フライス加工、平削り、ストリッピングなどによる処理を行って、接合領域５の上部６及び底部７と、金属シート１、２の上部１１及び底部１２を適切な状態に調整する。さらに、必要な場合、上記の領域に腐食防止処理などの追加処理を行ってもよく、必要な場合、前処理を行って、接着性、特に、接着層１３の接着性を改善してもよい。接着層１３によって、基本的に長方形の断面を有する平坦な異形材（ｐｒｏｆｉｌｅ）の形態の補強要素１４を、接合領域５と、金属シート１、２の上部１１における両側が隣接する領域とに、好ましくは、全領域にわたって貼り付ける。補強要素１４の一つの幅１５は、金属シート１、２を接合するために十分に重なるよう、接合領域５の幅１６よりもかなり広くなっている（図２と比較のこと）。接着層１３の材料の厚み２２は、接合領域５の材料の厚み８よりかなり薄く（図２と比較のこと）、金属シート１、２の材料層９、１０より薄い。材料の厚み２３を有するさらなる接着層１８によって、好ましくは全領域にわたって、補強要素１９を補強要素１４に張り合わせる。
さらなる補強要素１９の追加は必須ではない。接合領域５によって、金属シート１、２を長手方向端部３、４の面に沿って接合し、続けて、接着層１３によって、補強要素１４を金属シート１、２及び接合領域５に貼り付けるだけで十分であろう（図３と比較のこと）。基本的に長方形の断面形状を有する平坦な異形材又は金属片の形態で図３に示した補強要素１４の代わりに、その他の断面形状を有する補強要素を、接合領域５及び隣接する金属シート１、２に貼り付けることも可能である。原則的には、ほぼ任意の所望の断面形状を有する、特に、Ｔ字形、Ｌ字形、Ｕ字形、Ｚ字形などの断面形状を有する異形材を使用して、補強要素を形成することができる。さらに、補強要素を金属シート１、２の上部１１及び／又は底部１２、ならびに接合領域５の上部６及び／又は底部７に貼り付けることができる。
接着層１３、１８は、硬化性のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ＢＭＩ樹脂などで形成され、必要な場合、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などの繊維強化材を含むことができる。或いは、接着層１３、１８は、熱可塑性接着材料で形成することもできる。
金属シート１、２は、アルミニウム、又は、例えば、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ａｌ−Ｌｉ合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｃ合金などのアルミニウム合金で形成することができる。さらに、金属シートは、マグネシウム、マグネシウム合金、チタニウム、チタニウム合金、鋼、鋼合金などで形成することができる。さらにまた、金属シート１、２は、上記の金属又は金属合金の任意の所望する組み合わせで形成できる。本方法は、任意の所望する材料の厚さを有する金属シート１、２に適用できるが、材料の厚さが０．２ｍｍから１０ｍｍの金属シート１、２が好ましい。
補強要素１４、１９は、アルミニウム、又は、例えば、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ａｌ−Ｌｉ合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｃ合金などのアルミニウム合金で形成することができる。さらに、補強要素１４、１９は、マグネシウム、マグネシウム合金、チタニウム、チタニウム合金、鋼、鋼合金などで形成することができる。さらにまた、補強要素１４、１９は、上記の金属又は金属合金の任意の所望する組み合わせで形成することができる。
補強要素１４、１９は、複合材料、例えば、繊維強化エポキシ樹脂で形成することもできる。さらに、繊維強化フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ＢＭＩ樹脂などを使用することもできる。任意の有機及び無機繊維、短繊維、又はウイスカ繊維を強化繊維として使用できる。
補強要素１４、１９は、例えば、アルミニウムマトリクス又はマグネシウムマトリクスを備えた金属マトリクス複合材料で形成することもできる。さらに、チタニウム合金などもマトリクスとして使用することができる。また、任意の有機及び無機繊維、短繊維、又はウイスカ繊維も強化繊維として使用できる。
必要な場合、補強要素１４、１９は、例えば、両側にアルミニウム合金又はマグネシウム合金からなるカバー層を有する、適切なプラスチック材料を備えたコア構造体（ハニカム、折りシートなど）の形態のサンドイッチ構造体として設計することもできる。
接合する金属シート１、２は、特に、航空機の、胴体セル、エアフォイル、水平又は垂直尾翼などの軽量構造体のシェル及び／又はシェルの部分分割体とすることができて、本発明による方法を用いて、又は本発明による接合体を用いて、複数のシェル及び／又はシェルの一部を接合して、上述の軽量構造体、特に、航空機の軽量構造体を形成できる。
１ 金属シート
２ 金属シート
３ 長手方向端部
４ 長手方向端部
５ 接合領域
６ 上部（接合領域）
７ 底部（接合領域）
８ 材料の厚み（接合領域）
９ 材料の厚み（金属シート）
１０ 材料の厚み（金属シート）
１１ 上部（金属シート）
１２ 底部（金属シート）
１３ 接着層
１４ 補強要素
１５ 幅（補強要素）
１６ 幅（接合領域）
１７ 接合部
１８ 接着層
１９ 補強要素
２０ 幅（補強要素）
２１ 接合部
２２ 材料の厚み（接着層）
２３ 材料の厚み（接着層）
２ 金属シート
３ 長手方向端部
４ 長手方向端部
５ 接合領域
６ 上部（接合領域）
７ 底部（接合領域）
８ 材料の厚み（接合領域）
９ 材料の厚み（金属シート）
１０ 材料の厚み（金属シート）
１１ 上部（金属シート）
１２ 底部（金属シート）
１３ 接着層
１４ 補強要素
１５ 幅（補強要素）
１６ 幅（接合領域）
１７ 接合部
１８ 接着層
１９ 補強要素
２０ 幅（補強要素）
２１ 接合部
２２ 材料の厚み（接着層）
２３ 材料の厚み（接着層）
Claims (22)
- ａ）突き合わせ接合して金属シート（１、２）を接合し、接合領域（５）を形成するステップと、
ｂ）接合領域（５）の上部及び／又は底部を機械加工するステップと、
ｃ）金属シート（１、２）及び／又は接合領域（５）を接着のために機械的及び／又は化学的に前処理するステップと、
ｄ）接合領域（５）の幅（１６）よりも広い幅（１５、２０）を有する、少なくとも一つの補強要素（１４、１９）を、全領域にわたって当接するように貼り付け（ｐａｓｔｉｎｇ−ｏｎ）、接合領域（５）の上部（６）及び／又は底部（７）の領域に、追加の負荷経路を設けるステップと、を含む、少なくとも２つの軽量構造体用の金属シート（１、２）を接合する方法。 - 少なくとも一つのさらなる補強要素（１４、１９）が、少なくとも一つの補強要素（１４、１９）に少なくとも部分的な領域で貼り付けられる、請求項１記載の方法。
- 金属シート（１、２）を接合するステップが、摩擦撹拌溶接、レーザ溶接、融接、はんだ付けなどのうちの一つによって行われる、請求項１又は請求項２記載の方法。
- 機械加工後の接合領域（５）の材料の厚み（８）が、金属シート（１、２）の材料の厚み以下である、請求項１から請求項３迄の何れかに記載の方法。
- 補強要素又は複数の補強要素（１４、１９）は、熱硬化性プラスチック材料、特に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ＢＭＩ樹脂などの一つによって、貼り付けられる、請求項１から請求項４迄の何れかに記載の方法。
- 補強要素又は複数の補強要素（１４、１９）は、強化異形材、特に、Ｔ字形異形材、Ｌ字形異形材、Ｕ字形異形材、Ｚ字形異形材、長方形異形材、平坦な（ｆｌａｔ）異形材、金属片などとして設計される、請求項１から請求項５迄の何れかに記載の方法。
- 少なくとも一つの補強要素（１４、１９）は、金属材料、特に、アルミニウム、アルミニウム合金、チタニウム、チタニウム合金、鋼、鋼合金などの一つを有して形成される、請求項１から請求項６迄の何れかに記載の方法。
- 少なくとも一つの補強要素（１４、１９）は、複合材料、特に、繊維強化プラスチック材料を有して形成される、請求項１から請求項７迄の何れかに記載の方法。
- 金属シート（１、２）は、０．２ｍｍから１０ｍｍの材料の厚みを有して形成される、請求項１から請求項８迄の何れかに記載の方法。
- 金属シート（１、２）は、アルミニウム、アルミニウム合金、チタニウム、チタニウム合金、鋼、鋼合金などの一つを有して形成される、請求項１から９迄の何れかに記載の方法。
- 金属シート（１、２）が接合領域（５）によって突き合わせ接合されており、
少なくとも、接合領域（５）の上部（６）と底部（７）の少なくとも一つの領域において、全領域にわたって当接する少なくとも一つの補強要素（１４、１９）が貼り付けられ、
重なることによって追加の負荷経路を生成するように、少なくとも一つの補強要素（１４、１９）の幅（１５、２０）は、接合領域（５）の幅（１６）より広い、
請求項１から請求項１０迄の何れかに記載の方法に従って形成された、少なくとも２つの軽量構造体用の金属シート（１、２）の間の接合部（１７、２１）。 - 少なくとも一つのさらなる補強要素（１４、１９）が、少なくとも一つの補強要素（１４、１９）に少なくとも部分的な領域で貼り付けられる、請求項１１記載の接合部（１７、２１）。
- 接合領域（５）の材料の厚み（８）が、金属シート（１、２）の材料の厚み以下である、請求項１１又は請求項１２に記載の接合部（１７、２１）。
- 少なくとも一つの補強要素（１４、１９）は、少なくとも一つの接着層（１３、１８）によって貼り付けられ、
少なくとも一つの接着層（１３、１８）の材料の厚み（２２、２３）が、シート状形成体の材料の厚みと接合領域（５）の材料の厚み（８）の少なくとも一つより薄い、請求項１１から請求項１３迄の何れかに記載の接合部（１７、２１）。 - 少なくとも一つの補強要素（１４、１９）は、強化異形材、特に、Ｔ字形異形材、Ｌ字形異形材、Ｕ字形異形材、Ｚ字形異形材、長方形異形材、平坦な（ｆｌａｔ）異形材、金属片などを有して形成される、請求項１１から請求項１４迄の何れかに記載の接合部（１７、２１）。
- 少なくとも一つの補強要素（１４、１９）は、金属材料、特に、アルミニウム、アルミニウム合金、チタニウム、チタニウム合金、鋼、鋼合金などの一つを有して形成される、請求項１１から請求項１５迄の何れかに記載の接合部（１７、２１）。
- 少なくとも一つの補強要素（１４、１９）は複合材料、特に、繊維強化プラスチック材料を有して形成される、請求項１１から請求項１６迄の何れかに記載の接合部（１７、２１）。
- 金属シート（１、２）は、０．２ｍｍから１０ｍｍの材料の厚みを有する、請求項１１から請求項１７迄の何れかに記載の接合部（１７、２１）。
- 金属シート（１、２）は、アルミニウム、アルミニウム合金、チタニウム、チタニウム合金、鋼、鋼合金などの一つを有して形成される、請求項１１から請求項１８迄の何れかに記載の接合部（１７、２１）。
- 少なくとも一つの接着層（１３、１８）は、熱硬化性プラスチック材料、特に、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ＢＭＩ樹脂などの一つを有して形成される、請求項１１から請求項１９迄の何れかに記載の接合部（１７、２１）。
- 金属シート（１、２）が、航空機の部品、特に、航空機の胴体セルのシェルの、少なくとも部分分割体を形成する、請求項１１から請求項２０迄の何れかに記載の接合部（１７、２１）。
- 複数の接合されたシェル及び／又はシェルの部分分割体から形成される軽量構造体、特に、航空機の胴体セル、エアフォイル、水平又は垂直尾翼の一つであって、
請求項１１から請求項２１迄の何れかに記載の、少なくとも一つの接合部によって、二つのシェル及び／又は少なくとも一つのシェルの少なくとも二つの部分分割体を接合して形成される、軽量構造体。
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