Cortadora de metal con láser de fibra: ¿cómo funciona?

Un cortador de metal con láser de fibra corta sin esfuerzo el hierro como si nada. A continuación te explicamos cómo funciona un láser de fibra.

¿Qué es un láser?

El láser es un tipo de luz amplificada que se obtiene mediante radiación estimulada.

Características básicas del láser

  • Alta intensidad y brillo.
  • Rango de longitud de onda pequeña
  • Luz monocromática
  • Buena coherencia y larga coherencia
  • Bonito bunder paralelo con buena direccionalidad.
Cortadora de metal con láser de fibra

Luz láser coherente de alta energía

Luz láser coherente frente a luz normal

Proceso de fusión continua de metales

Cuando el rayo láser se irradia sobre la superficie de la pieza de trabajo, la energía de la luz se absorbe y se convierte en energía térmica, de modo que la temperatura en el lugar de irradiación se eleva, se funde y se evapora rápidamente para formar un pequeño hoyo. El metal alrededor de las manchas se derrite por difusión térmica. El vapor de metal en el pequeño pozo se expande rápidamente, provocando una microexplosión. El material fundido se expulsa a alta velocidad, creando un agujero con una parte superior grande y una parte inferior pequeña en la pieza de trabajo.

corte de metal por láser de fibra

Definición de cortador de metal láser de fibra

Corte por láser de fibra es un método de corte en caliente que utiliza el rayo láser enfocado de alta densidad de potencia como fuente de calor principal. El rayo láser asegura que donde la pieza de trabajo es golpeada por el rayo, el material se derrita y se evapora rápidamente. Al mismo tiempo, el material fundido se expulsa con la ayuda de un flujo de aire rápido. Haciendo esto continuamente, se corta la pieza de trabajo.

En los últimos años, las fuentes láser y las tecnologías de fibra óptica han madurado y se han vuelto más asequibles para que puedan utilizarse a una escala cada vez mayor. El alcance aún se está expandiendo debido a la gran cantidad de investigación y desarrollo en esta industria.

La primera máquina de corte por láser del mundo se originó en los años 70. En los últimos 40 años, con la expansión continua de la aplicación y la mejora continua de la máquina de corte por láser, muchas empresas se han dedicado a la producción de varios tipos de máquinas de corte por láser para satisfacer la demanda del mercado. cumplir. Ahora existen máquinas especiales para cortar material en láminas 2D, máquinas de corte por láser 3D y máquinas de corte por láser de tuberías.

Operación de fuente de láser de fibra

Corte por láser de placas de metal

En el campo del corte de láminas delgadas, los cortadores de metales con láser de fibra van adoptando gradualmente el láser de CO2 tradicional y el láser YAG, principalmente por las siguientes razones:

  • Bajos costos. La eficiencia de conversión fotoeléctrica de un láser de fibra es de aproximadamente 30%. La eficiencia de conversión fotoeléctrica del láser de CO2 es de 6 ~ 10%, y la eficiencia de conversión fotoeléctrica de los láseres YAG es de solo 3%. Además, la fuente de láser de fibra no tiene partes vulnerables y los costos de mantenimiento suelen ser bajos.
  • Los láseres de fibra óptica tienen un cabezal de pequeño volumen, liviano, móvil y flexible, de modo que se pueden implementar fácilmente para una amplia variedad de aplicaciones.
  • Al utilizar fibras de vidrio ópticas para la guía de luz, la longitud del haz de luz óptica es siempre constante. Como resultado, la calidad del corte es siempre constante. Con los láseres de CO2, la trayectoria de la luz no es constante, lo que significa ajustes más frecuentes y la calidad del corte depende en cierta medida de la ubicación en la mesa de trabajo donde se realiza el corte. Con láser de fibra, la calidad de corte de toda la mesa de trabajo es constante. Esto también hace posible realizar máquinas láser de gran formato sin pérdida de calidad al cortar.
  • El haz de luz se transmite a través de la fibra óptica sin espejos de reflexión externos en la trayectoria de la luz óptica. Esto ahorra costes, no se requiere un ajuste fino de la trayectoria de la luz óptica, no se puede producir contaminación de la trayectoria de la luz y hay menos piezas móviles sujetas a desgaste.
  • La longitud de onda del láser de fibra óptica (1,06 μm) es absorbida más fácilmente por el material metálico en comparación con la longitud de onda del CO2 (10,6 μm). Esto es especialmente beneficioso para cortar material en hojas.

La velocidad de corte es de 2 a 4 veces mayor que con los láseres de CO2. Al mismo tiempo, un láser de fibra tiene un mejor resultado de corte para material altamente reflectante como aleación de aluminio, cobre y varias aleaciones de cobre.

Proceso de corte de metal por láser de fibra

Proceso de corte por láser de fibra
  1. lente
  2.  rayo laser
  3. flujo de aire
  4. línea de corte
  5. material fundido
  6. innovador
  7. boquilla / boquilla
  8. dirección de corte

 

A: Altura en vacío B: Altura de perforación C: Altura de corte T: Espesor de la placa

Factores de influencia

  • Máquina
  • Velocidad cortante
  • Posición de enfoque
  • Lente
  • Boquilla
  • Cortar gas
  • Calidad laser
  • Material
  • Lightpad

Espesor máximo de chapa para cortadores de metal por láser de fibra

Las máquinas cortadoras de metal con láser de fibra pueden cortar acero inoxidable de hasta 4 mm y pueden cortar acero inoxidable de hasta 8 ~ 10 mm de espesor cuando se agrega oxígeno. Sin embargo, cuando se usa oxígeno, se forma una fina película de óxido en la superficie de corte. El espesor máximo de corte se puede aumentar a 16 mm, pero con mayores tolerancias de corte.

Casi ningún posprocesamiento

La inversión en una cortadora de metal con láser de fibra ha disminuido significativamente en los últimos años, pero sigue siendo significativa. La ventaja es a menudo que se requiere poco procesamiento posterior en los pasos posteriores, lo que conduce a costos más bajos.

Flexible y también para lotes pequeños

Debido a que no hay costos adicionales de herramientas, el equipo de corte por láser también es adecuado para hacer pequeños lotes de piezas.

Importación de diseños CAD

Las máquinas de corte de metal por láser de fibra utilizan una tecnología de control CNC digital automatizada. Después de encender el dispositivo, los datos de corte se pueden enviar desde una estación de trabajo CAD de diseño.

Proceso de corte por láser

Cabezal de corte por láser de fibra

A la derecha hay una vista global de un cabezal de corte por láser de fibra. Durante el corte, este cabezal de corte se encuentra aproximadamente a 1 mm por encima del material de la hoja. La altura de enfoque varía según el grosor del material y el tipo de material y tiene una gran influencia en la calidad de corte final del borde y la superficie del material.

Por ejemplo, al cortar acero al carbono, la atención se centra en la superficie superior de la placa. Al cortar acero inoxidable, la atención se centra en aproximadamente la mitad del grosor de la placa. Al cortar una aleación de aluminio, la distancia focal está cerca de la superficie inferior de la placa.

Corrección automática de la altura del enfoque

Durante el proceso de corte, debido a irregularidades en la superficie del material, la distancia focal del láser cambia, lo que afecta la calidad del corte.

Para superar este fenómeno, se ha colocado un sensor capacitivo en el cabezal láser. Mide la distancia entre el cabezal láser y la pieza de trabajo con extrema precisión y en tiempo real. Esta información se transmite al controlador láser.

Según esta información, se utiliza para ajustar la altura del cabezal de corte en tiempo real mediante un actuador muy preciso. Esto crea un control de bucle cerrado que ajusta de forma continua y en tiempo real la altura del cabezal de corte al material para que siempre esté perfectamente ajustado a la altura de enfoque correcta.

Cabezal de corte por láser de fibra
Altura de enfoque de láser de fibra

Velocidad de corte láser y potencia láser de una cortadora de metal láser de fibra

La potencia del láser tiene una gran influencia en el grosor de corte, la velocidad de corte, el ancho de corte y la calidad de corte. En general, cuanto mayor sea la potencia del láser, mayor será la profundidad de corte y mayor la velocidad de corte.

Para diferentes materiales y espesores, existe un ajuste óptimo para la velocidad de corte y la potencia del láser. La rugosidad de la superficie de corte es mínima en estos ajustes. Fuera del rango de funcionamiento óptimo, aumenta la rugosidad de la superficie de la pieza de trabajo. Además, la eficiencia de corte es menor, lo que genera mayores costos. Si trabaja aún más fuera de estos ajustes, tanto la potencia demasiado alta como la baja provocarán la formación de fuego o escoria.

Cuando la potencia del láser y la presión de los gases auxiliares se mantienen constantes, existe una relación inversa no lineal entre la velocidad de corte y el ancho del espacio:

  • A medida que aumenta la velocidad de corte, disminuye el ancho del espacio.
  • A medida que disminuye la velocidad de corte, aumenta el ancho del espacio.

La velocidad de corte tiene una relación parabólica con la rugosidad superficial del corte.

A medida que la velocidad de corte aumenta desde cero, la rugosidad de la superficie de la sección disminuye gradualmente. Cuando se alcanza la velocidad de corte óptima, la rugosidad de la superficie de corte es mínima. A medida que la velocidad de corte continúa aumentando, la rugosidad de la superficie disminuirá aún más hasta que no haya suficiente potencia para cortar todo el fondo de la placa.

Optimización de la velocidad de corte y la potencia del láser.

En el programa láser, la potencia de corte y la velocidad de corte se pueden optimizar por diseño o subsección. Por ejemplo, la velocidad de corte suele ser más lenta cuando se corta un círculo pequeño o una esquina afilada. En el programa, la potencia de corte se puede reducir localmente ajustando la velocidad de corte para que la precisión y la calidad de corte sean perfectas en todas partes.

Uso de gases auxiliares en el corte por láser de metal

Elegir los gases auxiliares adecuados y optimizar la cantidad adecuada es un trabajo difícil y esencial para obtener un buen resultado final.

Optimizar esto requiere tiempo y experiencia, que generalmente se acumula experimentando mucho con diferentes materiales, potencias, presiones de gas y velocidades de corte. Intentamos ayudarlo en su camino aquí, tratamos de responder preguntas como:

  • ¿Cómo elegir el gas auxiliar adecuado?
  • ¿Qué aspectos de la calidad del corte se ven afectados por diferentes gases?
  • ¿Qué gas auxiliar se debe utilizar para diferentes materiales?
  • ¿Qué presión del gas auxiliar se debe utilizar?
  • ¿Qué tan puro debe ser el gas?

Diferentes funciones de los gases auxiliares

Los gases auxiliares tienen varias funciones:

  • Utilice el gas auxiliar para eliminar la escoria en el corte coaxial
  • Enfríe la superficie de la pieza de trabajo para reducir los efectos del calor local extremo.
  • Enfríe y evite la contaminación de la lente láser para que no se sobrecaliente
  • Algunos gases de corte ayudan a proteger el metal base.

Los diferentes materiales requieren el uso de gases auxiliares correspondientes.

El oxígeno se utiliza generalmente para el corte por láser de láminas de acero con bajo contenido de carbono. El papel del oxígeno en el proceso de corte del acero al carbono es alimentar y expulsar el material fundido.

Tipos de gases auxiliares y características.

Los gases auxiliares comúnmente utilizados en el corte por láser son:

  • nitrógeno
  • oxígeno
  • cielo

Los requisitos de flujo y presión de gas auxiliar son diferentes para materiales de diferentes espesores y diferentes materiales.

Pureza del gas auxiliar

Las impurezas en el gas auxiliar pueden dañar la lente y provocar fluctuaciones en la potencia de corte. Además, pueden surgir inconsistencias en la parte superior o inferior del material de la placa.

Oxígeno

La pureza de oxígeno es generalmente superior a 99,5%. Cuanto mayor sea la pureza, más brillante será la superficie de corte. Es importante tener en cuenta que el oxígeno contiene impurezas, como agua, que pueden afectar seriamente la calidad de corte de la superficie de la placa. Si la pureza del oxígeno no es alta y las piezas procesadas tienen mayores exigencias en la calidad de la superficie, es necesario agregar equipos de secado de oxígeno y otros dispositivos para mejorar la pureza del oxígeno.

Nitrógeno

El nitrógeno se utiliza principalmente para cortar materiales de aleación de aluminio y acero inoxidable. El papel del nitrógeno en el proceso de corte del acero inoxidable es eliminar la oxidación y soplar la masa fundida. Cuanto más gruesa sea la placa, mayor será la presión de nitrógeno requerida. Al cortar acero inoxidable, la pureza de nitrógeno requerida suele ser superior a 99,999%. El nitrógeno de baja pureza puede hacer que la superficie de corte se vuelva amarillenta y disminuir la claridad.

Presión de gases auxiliares

La cantidad de presión de aire que se puede utilizar para diferentes tipos de gases auxiliares es diferente.

Los ajustes óptimos se determinan en función de las propiedades del gas, como la inflamabilidad, la combustión y la experimentación.

Si el gas auxiliar se usa para prevenir la formación de escoria o para proteger la lente, es más o menos el caso de que cuanto mayor sea la presión del gas, más vapor de metal se puede expulsar. Como resultado, se puede cortar a mayor velocidad. Ésta es la función del uso de nitrógeno en el corte de láminas delgadas.

Esto es diferente para material de hoja gruesa. MetaQuip puede ayudarlo a encontrar la configuración óptima para sus materiales.

Gases auxiliares para láser de fibra

Oxígeno

Se utiliza principalmente para cortar acero al carbono.

Mientras que el calor de reacción del oxígeno se usa para aumentar la eficiencia de corte, la película de óxido resultante aumenta el factor de absorción espectral del haz de material reflectante. El final del corte es negro o amarillo oscuro.

El oxígeno se utiliza principalmente para acero laminado para construcción de soldadura, acero al carbono para construcción mecánica, placa de herramientas, acero inoxidable, placa de acero galvanizado, cobre, aleación de cobre, etc. El requisito de pureza es generalmente 99,95% o superior. Su función principal es quemar y soplar la masa fundida cortada.

La presión y el flujo son diferentes, lo cual está indisolublemente ligado al tamaño de la boquilla y al grosor del material.

En general, la presión requerida es de 0.3-1 MPa y el flujo varía según el espesor del material. Por ejemplo, si está cortando acero dulce de 22 mm, el caudal debe ser de 10 m3 / h.

Nitrógeno

El nitrógeno evita que se deposite una película de óxido en la superficie de corte al cortar con oxígeno. La ventaja es que el material se puede soldar inmediatamente después. El corte es blanquecino.

Los materiales principales son acero inoxidable, acero galvanizado, latón, aluminio, aleación de aluminio, etc. Su función es evitar la oxidación y soplar la masa fundida.

La pureza del nitrógeno es muy importante. Especialmente con acero inoxidable de 8 mm o más, generalmente se requiere una pureza de 99,999% con una presión (relativamente alta) de aproximadamente 1,5 MPa.

Si desea cortar acero inoxidable de 12 mm o más grueso, la presión debe ser de 2 Mpa o más.

El flujo varía según el tipo de boquilla, pero generalmente es grande. Por ejemplo, cortar acero inoxidable de 12 mm requiere 150 m3 / h, mientras que cortar 3 mm solo requiere 50 m3 / h.

Cielo

El aire se puede suministrar directamente desde un compresor de aire, por lo que es muy económico en comparación con los otros gases.

Aunque el aire contiene aproximadamente 20% de oxígeno, la eficiencia de corte es mucho menor que la del oxígeno y la potencia de corte es más comparable a la del nitrógeno.

Los principales materiales aplicables son aluminio, cobre inoxidable, latón, chapa de acero galvanizado, etc.

Cuando los requisitos de calidad del producto cortado son altos, como con aluminio, aleación de aluminio, acero inoxidable, etc., no se recomienda el uso de aire, ya que el aire oxida el material base. La elección de qué gas auxiliar también es en parte una consideración de costos.

Si los requisitos de calidad no son tan altos y el posprocesamiento (como la pintura) se va a realizar de todos modos, trabajar con aire puede ser una buena opción. Si la parte cortada es el producto final y no hay más pasos del proceso, es necesario utilizar oxígeno o nitrógeno como gas auxiliar.

Desde el diseño hasta la pieza con un cortador de metal por láser de fibra

Incluye cortador de metal por láser de fibra

En comparación con otros métodos de corte térmico, el corte por láser se caracteriza por una alta velocidad de corte y alta calidad, como se resume a continuación:

Buena calidad de corte

El corte por láser puede lograr una calidad de corte muy alta gracias al pequeño punto láser, la alta densidad de energía y la alta velocidad de corte. El rayo láser se enfoca en un pequeño punto de luz, lo que da como resultado una alta densidad de potencia en el punto focal. El material se calienta rápidamente hasta la evaporación. Con el movimiento lineal relativo del cabezal láser con respecto al material, el orificio se forma continuamente en un corte láser estrecho. El filo del corte por láser se ve mínimamente afectado por el calor aplicado y no hay deformación de la pieza de trabajo. En el proceso de corte se añaden gases auxiliares adecuados para el material cortado.

Los materiales con una alta reflexión, como el oro, la plata, el cobre y el aluminio, son buenos conductores de calor, lo que dificulta o imposibilita el corte por láser en algunos casos. El corte por láser con láser de fibra puede realizarse sin rebabas con mayor precisión que el corte por plasma, por ejemplo.

Sin moldes ni perforaciones, rápido y económico

La ventaja de la tecnología láser es que no se requieren punzones ni moldes. Aunque la velocidad de procesamiento es aún más lenta que con un molde, no se requiere inversión en moldes y mantenimiento de moldes, lo que ahorra tiempo y costos. 

Corte estrecho con láser 

El corte con láser es estrecho, las ranuras son paralelas y perpendiculares a la superficie, y la precisión dimensional del corte puede alcanzar ± 0,05 mm.

Sin posprocesamiento 

La superficie de corte es lisa y hermosa, la rugosidad de la superficie es de solo unas pocas decenas de micrómetros y el corte por láser incluso se puede utilizar como paso final del proceso. No se requiere ningún procesamiento posterior adicional y las piezas se pueden utilizar de inmediato.

Sin deformación

Después del corte con láser, el ancho de la zona afectada por el calor es pequeño. Como resultado, el material está prácticamente intacto, incluso en las proximidades del corte con láser, sin distorsiones.

Alta eficiencia de corte

Puede organizar el archivo láser de tal manera que se aproveche al máximo el material disponible. Si el diseño necesita ser ajustado, esto generalmente se puede ajustar rápida y fácilmente.

Además, no es necesario sujetar o fijar el material durante el corte por láser, lo que ahorra tiempo para sujetar o cargar y descargar.

Alta velocidad de corte

Al cortar una placa de acero con bajo contenido de carbono de 2 mm con una máquina de corte por láser de fibra con una potencia de láser de 1500 W, la velocidad de corte puede alcanzar los 600 cm / min.

Corte sin contacto

El rayo láser es una herramienta de corte sin contacto y no ejerce ninguna fuerza sobre la pieza de trabajo, lo que significa:

  • Sin deformación mecánica de la pieza de trabajo;
  • Sin desgaste de herramientas, sin problemas con los cambios de herramientas;
  • La capacidad de corte por láser no se ve afectada por la dureza del material de corte. Se puede cortar cualquier material de dureza.

Fácil de ajustar y flexible

El rayo láser es fácil de controlar, ajustar y flexible, por lo que:

  • Las máquinas láser de fibra son fáciles de combinar con equipos de automatización y el proceso de corte es fácil de automatizar.
  • Un diseño se puede copiar de forma indefinida.
  • En combinación con la computadora, toda la placa se puede arreglar para ahorrar material.
  • Con este tipo de máquinas se pueden cortar una gran cantidad de metales diferentes.

Tipos de metales para corte por láser

cortador de metal láser de fibra

Acero estructural

El material obtendrá mejores resultados cuando se corte con oxígeno.

Cuando se utiliza oxígeno como gas auxiliar, el filo se oxida ligeramente. Para placas de hasta 4 mm de espesor, se puede utilizar nitrógeno como gas para cortar. En este caso, el filo no se oxida. En planchas con un espesor superior a 10 mm, se puede aplicar aceite a la superficie de la pieza para obtener una mejor calidad de corte.

Acero inoxidable

Se puede usar oxígeno cuando la oxidación del filo es aceptable. Use nitrógeno para obtener un borde no oxidado sin rebabas.

Titanio

Las placas de titanio se cortan con argón y nitrógeno como gases de proceso. 

Aluminio

A pesar de su alta reflectividad y conductividad térmica, el aluminio se puede cortar a un grosor de 6 mm, según el tipo de aleación y la potencia del láser.

Al cortar con oxígeno, la superficie de corte es rugosa y dura. La superficie de corte es lisa cuando se usa nitrógeno.

El aluminio puro es muy difícil de cortar debido a su alta pureza. El sistema láser debe estar equipado con un dispositivo de “absorción reflectante” para cortar aluminio, de lo contrario los componentes ópticos se dañarán por reflexión.

Cobre y latón

Ambos materiales tienen una alta reflectividad y una muy buena conductividad térmica.

El latón con un espesor de 1 mm se puede cortar con nitrógeno. El cobre con un espesor de menos de 2 mm se puede cortar con oxígeno.

El cobre y el latón se cortan solo si el sistema láser está equipado con un dispositivo de "absorción reflectante", de lo contrario, los componentes ópticos se dañarán por la reflexión.

Calidad de corte de un láser de fibra

La máquina de corte por láser es un tipo de dispositivo que puede reemplazar parcialmente los métodos tradicionales de corte de metales. Tiene una velocidad de corte rápida y una alta calidad de corte.

En los últimos años, las cortadoras de metal con láser de fibra se han utilizado ampliamente para hacer que el corte por láser de metal sea más fácil y eficiente.

Pero, ¿cómo podemos juzgar que una cortadora láser es buena? La calidad de corte de la máquina de corte por láser es una medida importante para juzgar si la máquina de corte está calificada. 

Lea más sobre cómo evaluar la calidad de corte de un láser de fibra aquí ...

Cómo mejorar la calidad de corte

Factores de hardware

  • ¿Está limpia la lente?
  • ¿Está el rayo láser en el centro de la boquilla?
  • ¿La posición real de la distancia focal corresponde a la posición de la distancia focal en la escala?

Factores de parámetros

  • Distancia de enfoque
  • Velocidad cortante
  • Presión de corte de los gases auxiliares
  • Potencia laser
Evaluar la calidad del corte con láser de fibra

Aplicaciones de las máquinas cortadoras de metales con láser de fibra

En la industria automotriz, la tecnología de corte de curvas espaciales, como los tragaluces de los automóviles, se usa ampliamente. Volkswagen AG utiliza un láser de 500 W para cortar láminas de carrocería complejas y varias piezas curvas.

En la industria aeroespacial, la tecnología de corte por láser se utiliza principalmente para cortar materiales aeroespaciales especiales, como aleación de titanio, aleación de aluminio, aleación de níquel, aleación de cromo, acero inoxidable, óxido de cerio, materiales compuestos, plásticos, cerámica y cuarzo.

Los componentes aeroespaciales realizados por corte por láser incluyen el tubo de llama del motor, la máquina de aleación de titanio de pared delgada, el marco de la aeronave, la piel de aleación de titanio, el ala de popa larga, el revestimiento de la cola, el rotor principal del helicóptero, la baldosa cerámica de aislamiento térmico del transbordador espacial, etc.

Los productos adecuados para el corte por láser generalmente se pueden dividir en varias categorías.

Procesamiento flexible de material en hojas

Trabajos de chapa que no son adecuados para la fabricación del molde desde un punto de vista técnico o económico, especialmente piezas de trabajo con una forma de contorno complicada y lotes pequeños. Ahorra costes y tiempo en la fabricación de moldes.

Ejemplos de productos: piezas de construcción de ascensores automáticos, paneles de ascensores, máquinas herramienta y cubiertas de maquinaria alimentaria, varios gabinetes de gas eléctricos, aparamenta, piezas de máquinas textiles, piezas estructurales de maquinaria de construcción, chapa de acero al silicio de motor grande, etc.

Acero inoxidable para aplicaciones decorativas

Acero inoxidable (espesores hasta 3 mm) utilizado para decoración, publicidad, industria de servicios o logotipos, marketing y rotulación. Como logotipos de empresas, instituciones gubernamentales, hoteles, cadenas minoristas, etc.

Piezas especiales que deben cortarse uniformemente

Las piezas típicas son las placas perforadas que se utilizan en la industria del embalaje y la impresión. 

Nuevas aplicaciones y personalización

Todos los días se agregan nuevas aplicaciones. Piense en sistemas de corte por láser 3D o robots industriales para cortar con láser curvas en 3D o sistemas de corte especiales con sistemas integrados de transporte de material y sistemas técnicos para mejorar la eficiencia de la producción. Nuevas aplicaciones en construcción de maquinaria y construcción naval.

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