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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?復(fù)合材料力學 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

專注于復(fù)合材料力學領(lǐng)域的知識創(chuàng)作與分享！

620篇原創(chuàng)內(nèi)容 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

公眾號

1導讀

減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)效率一直是工程設(shè)計中迫切需要解決的問題。從設(shè)計角度來看，有提高結(jié)構(gòu)效率有兩種思路：（1）替換材料（2）改變結(jié)構(gòu)構(gòu)型。點陣結(jié)構(gòu)是由一系列單獨元件通過接頭連接起來的網(wǎng)絡(luò)狀幾何結(jié)構(gòu)，組成元件主要承受軸向載荷。可以通過將材料分配到局部的離散元件提高結(jié)構(gòu)承載效率（例如可以將材料分配遠離彎曲軸線或扭轉(zhuǎn)軸線的位置，來提升彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度）。

將復(fù)合材料應(yīng)用于點陣結(jié)構(gòu)同樣具有很強的優(yōu)勢：復(fù)合材料因其各向異性，具有很強的可設(shè)計性，可以通過鋪層設(shè)計使主要軸向承載元件的性能最大化。將復(fù)合材料與點陣結(jié)構(gòu)構(gòu)型相結(jié)合，可以達到意想不到的高結(jié)構(gòu)效率。

近年來有關(guān)復(fù)合點陣結(jié)構(gòu)的研究興趣增多，但到目前為止，其在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用仍受到很大限制。主要原因是復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)的元件組裝、連接異常困難。

廣義上講，復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)的制造方法有兩種。第一種傳統(tǒng)的制造方法中，點陣元件是預(yù)先制作好的，然后組裝成點陣結(jié)構(gòu)體。這種方法制作的點陣結(jié)構(gòu)相鄰元件之間的接頭處纖維存在不連續(xù)。第二種方法使用更先進的制造技術(shù)來同時成型點陣元件和幾何體，如連續(xù)纖維增材制造。后一種方法可使相鄰元件之間的纖維保持一定的連續(xù)性，并可以大大減少或消除復(fù)合材料連接件。然而，這種方法也同樣面臨自身的挑戰(zhàn)。例如，在開放點陣幾何體中使用復(fù)合材料會使構(gòu)件難以固結(jié)。如何有效地制造這些復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)是充分釋放點陣結(jié)構(gòu)潛力的關(guān)鍵問題。

2022年，在新一期的《Composite Structures》期刊上，刊出了英國布里斯托大學有關(guān)復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)的綜述文章《A review of composite lattice structures》，文章以復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)制造為重點，對不同結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)及其制造工藝進行了詳細綜述。

文章將復(fù)合點陣結(jié)構(gòu)分為以下三類：

• 復(fù)合材料點陣梁結(jié)構(gòu)(Composite lattice beam structures，CLB) ：

• 復(fù)合材料格柵加筋結(jié)構(gòu)(Composite grid stiffened panel structures，? CGSP)

• 復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu) (Composite lattice core sandwich panel structures，CLCSP)?

2 復(fù)合材料點陣梁結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料點陣梁結(jié)構(gòu)宏觀上由一系列一維梁排列組成，包含平行于梁軸線的縱向構(gòu)件和斜向于梁軸線的剪力構(gòu)件，縱向構(gòu)件主要承擔軸向和彎曲荷載，而剪切構(gòu)件承擔剪切和扭轉(zhuǎn)荷載。該結(jié)構(gòu)彎曲效率很高，同時具有較高的軸向剛度和強度?；驹ǔＳ衫p繞工藝制備而成。

2.1 復(fù)合材料點陣梁結(jié)構(gòu)技術(shù)

復(fù)合材料點陣梁結(jié)構(gòu)主要有以下幾種類型：

（1）組合式復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)

此類結(jié)構(gòu)最早出現(xiàn)在1997 年，Schütze發(fā)表的文章中詳細介紹 了Zeppelin-NT 飛艇中使用了復(fù)合材料點陣梁結(jié)構(gòu)概念，這些梁具有等邊三角形截面，并使用將單個構(gòu)件粘接在一起的傳統(tǒng)方法制造。這些構(gòu)件由新型“夾層支柱”構(gòu)成，采用輕質(zhì)泡沫芯材，外圍環(huán)繞薄的單向 (UD) 復(fù)合材料層和編織玻璃布。該桁架的重量約為同類鋁桁架重量的一半。

等邊三角形截面桁架結(jié)構(gòu)

（2）IsoTruss結(jié)構(gòu)及其衍生結(jié)構(gòu)

IsoTruss是在本世紀初嶄露頭角的。由美國猶他州Brigham Young University研發(fā)，并為此注冊了“Isotrade”的商標。

IsoTrusses 的制造涉及連續(xù)纖維纏繞，以同時形成晶格幾何形狀和單個構(gòu)件。這些結(jié)構(gòu)的幾何形狀很復(fù)雜，具有不同的橫截面形狀和幾種不同的布局。研究最多的布局稱為 6 節(jié)點 IsoTruss，由六個縱向構(gòu)件和兩組相對的六個螺旋構(gòu)件組成。其他變體還包括 8 節(jié)點和雙殼 IsoTruss。

6 節(jié)點IsoTruss結(jié)構(gòu)

從 IsoTruss衍生的另一種結(jié)構(gòu)是矩形截面 的IsoBeam 技術(shù)，與IsoTruss相比，IsoBeam 通過重新定位遠離梁中性軸的一些縱向構(gòu)件來提高抗彎剛度。然而，這是以增加制造復(fù)雜性為代價的。目前，關(guān)于這一概念已經(jīng)通過實驗研究了由預(yù)浸材料的長絲纏繞制造樣品的彎曲行為。

矩形截面IsoBeam

（3）WrapToR 桁架

2012 年，馬里蘭大學的研究人員發(fā)表了 2009 年開始的關(guān)于打破世界紀錄的 Gamera II 人力直升機的設(shè)計工作。為了滿足直升機葉片和機身的嚴苛質(zhì)量要求，設(shè)計師開發(fā)了一種新型復(fù)合材料點陣梁，該梁采用纖維纏繞法制造。該概念后來被命名為纏繞式絲束增強 (WrapToR) 桁架。WrapToR 桁架制造過程包括將預(yù)制管狀復(fù)合材料縱向構(gòu)件固定在旋轉(zhuǎn)心軸上，同時將濕纖維束纏繞在它們周圍。然后將潤濕的絲束固化，形成剪切構(gòu)件，這些剪切構(gòu)件同時彼此共固化并與下面的縱向構(gòu)件共膠接。

三角形截面梁WrapToR 桁架

（4）纖維纏繞 GFRP 桁架

2011 年由Ju 等人提出了玻璃纖維增強聚合物 (GRFP) 桁架概念。該結(jié)構(gòu)具有三個縱向構(gòu)件，形成等邊三角形的截面形狀?？v向構(gòu)件由與縱向軸線對角延伸的螺旋纏繞構(gòu)件和垂直于梁縱向軸線延伸的垂直支柱連接。

（5）開放式復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

open-architecture composite structures (簡稱，O-ACS)，這類結(jié)構(gòu)通過在圓柱形芯軸上進行maypole編織來制造。最終的點陣梁由縱向構(gòu)件和兩組反向螺旋構(gòu)件組成。通過改變編織模式，可以生產(chǎn)具有不同數(shù)量的縱向和螺旋構(gòu)件的梁。

（6）連續(xù)梁概念

美國San Diego復(fù)合材料公司正在開發(fā)的一種連續(xù)制造工藝，以生產(chǎn)方形截面點陣梁。該工藝名為“先進復(fù)合材料桁架的連續(xù)打印”（continuous printing of advanced composite trusses，CP-ACT），旨在現(xiàn)場制造大型空間結(jié)構(gòu)。與WrapToR桁架不同，ACT在縱向構(gòu)件中使用預(yù)浸料，產(chǎn)生共固化晶格結(jié)構(gòu)。在已發(fā)表的工作中，連續(xù)過程沒有詳細說明，測試的樣品是用纖維纏繞法生產(chǎn)的。

另一家名為Tethers Unlimited的公司正在開發(fā)一種類似的空間結(jié)構(gòu)原位制造技術(shù)。這個系統(tǒng)叫做SpiderFab，設(shè)計用于在軌制造和組裝點陣梁。該項目最初發(fā)布的是一種名為Trusselator的桁架打印機，點陣結(jié)構(gòu)梁使用熱塑性復(fù)合材料（碳纖維/聚醚醚酮），該材料在空間環(huán)境中能保持優(yōu)異的性能。

熱塑性桁架梁

2.2 復(fù)合材料點陣梁制造、加固及增強方法

復(fù)合材料點陣梁的制造工藝主要來源于纖維纏繞或編織。兩者都是成熟的、高度自動化的復(fù)合材料制造工藝。編織技術(shù)以增加復(fù)雜性為代價，提供了連續(xù)梁制造的潛力。纖維纏繞提供了一個更直接的過程，在該過程中，當考慮心軸剛度時梁的長度需受到一定限制。在一些技術(shù)中，例如IsoTruss和ACT，已經(jīng)提出通過編織進行生產(chǎn)，但原作者選擇在制造試樣時使用纖維纏繞。

在編織或纖維纏繞梁中，點陣構(gòu)件由連續(xù)的復(fù)合材料紗線組成，這些復(fù)合材料紗線貫穿整個梁的長度。這種方法的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是將各個元件組合成一個整體。IsoTruss和IsoBeam結(jié)構(gòu)中的首選方法是在纏繞后用Kevlar進行包裹；O-ACS技術(shù)采用的另一種方法是在構(gòu)件上編織一個外套管，以提供加固。這種方法不需要額外的制造步驟，因為構(gòu)件的編織與結(jié)構(gòu)的編織同時進行。與Kevlar包裹法不同，該方法不提供接頭加固。

用Kevlar后處理包覆的IsoTruss和IsoBeam樣品是唯一的節(jié)點采用纖維增強的點陣梁，其他所有技術(shù)都依賴于聚合物粘結(jié)。對于使用熱固性樹脂體系的技術(shù)，使用了膠接、共膠接和共固化等連接技術(shù)。在Trusselator機器生產(chǎn)的點陣梁中，元件之間的熱塑性粘結(jié)是通過將加熱的熨斗壓在接頭上而形成的。

3 復(fù)合材料格柵加筋結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料格柵加筋結(jié)構(gòu)是由一系列復(fù)合加強筋構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，這些加強筋排列成重復(fù)的二維（2D）平面網(wǎng)格形式。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)通常與復(fù)合材料蒙皮粘接或共固化以形成連續(xù)的表面。格柵加筋通常做成彎曲的，形成圓柱形或錐形表面，對軸向壓縮載荷表現(xiàn)出優(yōu)異的抵抗力，因此已被用于運載火箭承力結(jié)構(gòu)。

3.1單壁格柵加筋結(jié)構(gòu)

格柵加筋的重復(fù)幾何布置特別適合通過纖維纏繞進行制造，尤其是圓柱形結(jié)構(gòu)。俄羅斯曾使用纖維纏繞來制造用于質(zhì)子M運載火箭有效載荷適配器結(jié)構(gòu)。該運載火箭成功發(fā)射40次，與鋁合金結(jié)構(gòu)相比，該適配器的質(zhì)量降低了60%，成本降低了30%。

纖維纏繞軸

2001 年，Han 和 Tsai 提出了一種嵌鎖復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu) (interlocked composite grid，ILCG) ，使用單向拉擠纖維制作了筋條，并沿每個肋條的長度切割了半高槽。然后使用槽連接相對的垂直肋來創(chuàng)建正交格柵，并添加復(fù)合材料覆蓋層以加強開槽接頭。這種連接方法多年來一直用于木材和金屬結(jié)構(gòu)，但由于需要在筋條上切槽以實現(xiàn)互鎖，不利于連續(xù)纖維復(fù)合材料性能的發(fā)揮，且失效易發(fā)生在槽根部。

另外，還可以通過自動鋪絲工藝來制造正交格柵加筋板。通過自動鋪絲機的“Clamp-Cut-Continue”功能來減少筋條交叉點的堆積和波紋。

3.2格柵夾芯結(jié)構(gòu)

格柵夾芯結(jié)構(gòu)與單壁格柵加筋結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是格柵夾芯結(jié)構(gòu)包含內(nèi)外壁板，格柵加筋結(jié)構(gòu)只包含單側(cè)壁板。

3.3.格柵結(jié)構(gòu)制造方法和注意事項

（1） 纖維纏繞與自動鋪絲

纖維纏繞和自動鋪絲都可以用于制造格柵加筋結(jié)構(gòu)。這兩種方法都允許自動放置纖維，但是結(jié)構(gòu)的最終幾何形狀極大地影響了哪種方法最實用。迄今為止，纖維纏繞在圓柱形和圓錐形結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最多，纖維纏繞也允許連續(xù)絲束鋪設(shè)，如果使用合適的纏繞路徑，整個結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)不連續(xù)。

對于開口截面異形結(jié)構(gòu)和平板，纖維纏繞不太適合。對于這類結(jié)構(gòu)，適合采用自動鋪絲工藝，自動鋪絲還可以為加強板鋪層生成重復(fù)的幾何圖案。自動鋪絲非常適合平面結(jié)構(gòu)和曲率較小的面板。雖然自動鋪絲允許連續(xù)絲束鋪設(shè)，但當轉(zhuǎn)向半徑較小時，需要切斷纖維，以防止彎曲同時允許纖維路徑重置。同樣，這適用于具有開口截面輪廓的平板或簡單彎曲面板。

（2）加強筋交叉處的材料堆積

格柵結(jié)構(gòu)制造中固有的問題是加強筋交叉處的材料堆積。筋的交叉導致纖維橋接，并在交叉區(qū)域形成富脂區(qū)(下圖)，從而降低機械性能并導致早期失效。為了解決這個問題，通常采用三種方法。

第一種方法是允許加強筋的尺寸在接近交叉點時發(fā)生變化。通常，通過允許模具具有足夠的靈活性來改變格柵厚度。厚度變化會導致平面外纖維波動，降低機械性能，尤其是在壓縮條件下。NLR的研究人員使用自動鋪放工藝，將交叉處的縱梁進行局部減薄和加寬，保持筋條總厚度不變。如下圖左所示。雖然這種方法可以適用于以大約90°相交并且具有大部分雙對稱輪廓的筋，但是對于不具有雙對稱相交的不等軸格柵結(jié)構(gòu)，筋的加寬仍然會導致厚度和纖維橋接的增加。

第二種方法是保持尺寸不變，但通過改變樹脂含量來進行補償。這種方法導致加強筋中的高樹脂含量和交叉處的高纖維含量。這種方法的主要缺點是加強筋的機械性能隨之降低。

第三種方法是去除材料。這種方法不可避免地導致交叉點處的纖維不連續(xù)。德國航天中心的研究人員利用自動鋪帶的切割能力實現(xiàn)了這一點。在鋪放過程中交替切割層，以產(chǎn)生具有恒定厚度、寬度和樹脂含量的配置(參見下圖右)。這種方法的明顯缺點是纖維的不連續(xù)性導致交叉部分的載荷傳遞效率低。

4 復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)是目前有潛力替代傳統(tǒng)蜂窩或泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的一種新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，與復(fù)合材料點陣梁結(jié)構(gòu)類似，復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)也能夠在較小的質(zhì)量損失情況下將材料移動到遠離中性軸的位置，因此與傳統(tǒng)芯材相比，其結(jié)構(gòu)效率更高。

前面展示的格柵加筋結(jié)屬于2D點陣夾芯結(jié)構(gòu)，更為廣泛的是3D空間點陣夾芯結(jié)構(gòu)。

4.1 單組分點陣夾層結(jié)構(gòu)

在單組分點陣夾層結(jié)構(gòu)系列中，根據(jù)內(nèi)部構(gòu)件的制造方式，可以分為四類:

• 嵌鎖/縫合點陣夾芯

• 軋制預(yù)浸材料支柱

• 共固化波紋點陣夾芯

• 泡沫芯模編織網(wǎng)夾芯

（1）嵌鎖/縫合點陣夾芯

下圖所示是一種“交織碳纖維增強點陣結(jié)構(gòu)”。上下兩個層壓板上鉆有成排的孔。浸膠的纖維束通過面板中的孔縫合，布置成在八面體立方晶胞，然后形成3D點陣芯材。在縫合過程之后，通過增加上下面板之間的間隔來擴大芯材，從而在無需內(nèi)部模具的情況下張緊和拉直絲束。然后在面板外側(cè)增加覆蓋層，以達到期望的厚度和平滑度。整個組件在熱壓罐中固化。

三維交錯點陣夾層

類似的還有八面體縫合夾芯和桁架編織夾芯。芯材的成型還可以使用真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)或消失模。

縫合點陣夾芯

采用消失模和VARTM制作的點陣夾芯結(jié)構(gòu)

（2）軋制預(yù)浸材料支柱

在這種方法中，通過將碳纖維預(yù)浸料的預(yù)切割片卷成棒狀來制成金字塔形點陣結(jié)構(gòu)的支柱。然后將軋制的支柱插入穿孔預(yù)浸料面板之間的可拆卸金屬模具中。夾層板通過熱壓進行加固。

（3）共固化波紋點陣夾芯

這類結(jié)構(gòu)由多組件組成，芯材和面板之間采用共固化連接，支柱的幾何形狀可以不斷變化來適應(yīng)載荷的分布。

（4）泡沫芯模編織網(wǎng)夾芯

該結(jié)構(gòu)屬于一種混合點陣夾芯結(jié)構(gòu)，由金字塔形碳纖維晶格芯材和聚合物泡沫構(gòu)成。碳纖維編織芯材通過三維編織制成，然后使用Kevlar纖維將編織網(wǎng)的節(jié)點縫合到3D編織織物面板上。整個結(jié)構(gòu)通過被真空袋抽真空注入環(huán)氧樹脂。在樹脂的真空灌注過程中，泡沫支撐并限定了晶格的橫截面形狀，泡沫被嵌入在里面，因此也有助于增強點陣夾芯結(jié)構(gòu)的強度和抗沖擊性。

4.2 多組分點陣夾層結(jié)構(gòu)

（1）熱壓成型預(yù)浸帶

基于三維空間可鋪設(shè)細長預(yù)浸帶的模具，通過熱壓固化形成金字塔形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

（2）波紋板或預(yù)浸料片切割

通過在波紋模具中熱壓單向CFRP預(yù)浸料制備成波紋復(fù)合板。然后用數(shù)控激光切割機將波紋板切割成不同類型的桁架芯材。

（3）絲網(wǎng)編織–單向拉擠支柱嵌入

采用三軸編織形成復(fù)合材料編織網(wǎng)，然后與交錯的單向拉擠支柱連接在一起形成3D 網(wǎng)格，編織網(wǎng)與支柱組件浸入樹脂中進行粘接。

（4）帶導向板的拉擠復(fù)合材料桿——UD拉擠插入

使用拉擠復(fù)合材料管作為支柱，預(yù)鉆孔層板作為插入導向板來制造金字塔形晶格芯。使用環(huán)氧膠膜將單個晶格芯構(gòu)件粘合到層壓面上。

（5）層壓板卡扣配合

可實現(xiàn)復(fù)雜的點陣結(jié)構(gòu)，這種方法的主要特征是通過從層壓板切割形成鋸齒狀互鎖結(jié)構(gòu)來組裝點陣芯材。芯材與面板通過粘接進行連接。

卡扣式CFRP八邊形桁架結(jié)構(gòu)

點陣結(jié)構(gòu)切割和折斷過程

點陣結(jié)構(gòu)制造及組裝示意圖：a）平板卡扣，b）波紋條互鎖，c）結(jié)構(gòu)組裝

（6）膨脹波紋熱塑性片材

該方法首先使用波紋鋁模具通過熱壓成型形成波紋熱塑性板。其次，在板材上切割一系列間距一致的槽。再次，將波紋板加熱使其沿著與這些槽正交的方向上膨脹，以形成晶格結(jié)構(gòu)。最后，將晶格芯粘接到面板上。需要注意的是，四個連接支柱之間的節(jié)點呈V形，不能為連接到面板蒙皮提供平坦的粘合表面。為了緩解這個問題，研究人員制造了三角形嵌件，并將其粘合到節(jié)點凹槽中。

4.3 模具設(shè)計

對于各類空間點陣結(jié)構(gòu)，其復(fù)雜的幾何形狀使得相應(yīng)的模具設(shè)計也異常復(fù)雜。一般來說，點陣夾層結(jié)構(gòu)模具的復(fù)雜性與制作完整面板所需的操作次數(shù)成反比。固化后所需的工序越少，所需的模具復(fù)雜性就越大。在單部件方法中，由于蒙皮面板包圍網(wǎng)格模具，唯一可行的模具是可拆卸模具或利用消失模，另外也可以由留在面板內(nèi)部的型芯嵌件(例如泡沫)形成模具。

支柱軋制工裝及固化工藝示意圖

使用可拆卸模具制造單組件分級桁架結(jié)構(gòu)

帶有泡沫楔形模具的混合編織點陣結(jié)構(gòu)

紗線與帶孔板的縫合及拉緊

使用激光切割機進行固化后修整

5. 其他復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)

除了上述幾種類型的點陣結(jié)構(gòu)之外，還有一部分特殊的點陣結(jié)構(gòu)，往往涉及能夠生產(chǎn)更通用的三維復(fù)合晶格的制造過程，這些點陣不限于特定的宏觀形式。其制造主要是通過基于長絲沉積模型（FDM）的3D打印機的改進來解決?；蛘咄ㄟ^螺栓連接、焊接方式組裝大型桁架結(jié)構(gòu)。

連續(xù)纖維3D打印概念

數(shù)字變形機翼基本部件和組裝結(jié)構(gòu)

6 小結(jié)

復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)具有很高的結(jié)構(gòu)效率。然而，到目前為止，關(guān)鍵的制造挑戰(zhàn)仍然限制了它們在工業(yè)中的采用。與其他輕質(zhì)材料相比，點陣結(jié)構(gòu)可以在較低的相對密度下實現(xiàn)非常高的結(jié)構(gòu)性能，因此在面板、艙壁、蒙皮結(jié)構(gòu)等一系列應(yīng)用中具有很大的潛力。

總的來說，復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)在制造更輕、更高效、更可持續(xù)的結(jié)構(gòu)方面有著巨大的應(yīng)用前景，但需要進一步開發(fā)基礎(chǔ)制造工藝，以確保它們既能實現(xiàn)這一前景，又具有經(jīng)濟吸引力。最終，復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)使用幾何體來提高性能，以準確、經(jīng)濟高效且可擴展的方式創(chuàng)建幾何體仍然是核心挑戰(zhàn)。鑒于目前正在進行的大量研究工作以及提出的各種新解決方案，未來五到十年可能是復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)發(fā)展的黃金時期。

原始文獻：

Christopher J. Hunt, Francescogiuseppe Morabito, Chris Grace, Yian Zhao, Benjamin K.S. Woods,?A review of composite lattice structures,Composite Structures,Volume 284,2022,115120.

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