? ? ? ?這是一個(gè)新坑，up主研究生研究方向是金屬增材制造，也就是你們俗稱的3D打印，材料主要是航空用鈦合金或者高溫合金，金屬增材制造在軍事上現(xiàn)在有諸多領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是前陣子采訪沈飛時(shí)的節(jié)目里提到海軍下一代艦載戰(zhàn)斗機(jī)大規(guī)模采用金屬增材制造技術(shù)，有時(shí)間我可以開個(gè)新坑給大家講一下。

? ? ? ?這篇文章截取自我寫的一篇綜述論文，時(shí)間有限我就直接復(fù)制粘貼我自己了，就當(dāng)提前開個(gè)小坑了，也非常歡迎相關(guān)領(lǐng)域的讀者老爺們交流、扶正！

摘要：

? ? ? ? 增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)是通過CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料減材(切削加工)技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。自20世紀(jì)80年代末增材制造技術(shù)逐步發(fā)展，期間也被稱為“材料累加制造”、“快速成型”、“分層制造”、“實(shí)體自由制造”、“3D打印技術(shù)”等。

? ? ? ? 根據(jù)３Ｄ打印所用材料的狀態(tài)及成形方法，３Ｄ打印技術(shù)可以分為熔融沉積成形（FDM）、光固化立體成形（SLA）、分層實(shí)體制造（LOM）、電子束選區(qū)熔化（EBM）、激光選區(qū)熔化（SLM）、金屬激光熔融沉積（LDMD）、電子束熔絲沉積成形（EBF）。

? ? ? ?根據(jù)材料特性，增材制造又可以分為：金屬增材制造、陶瓷增材制造，復(fù)合材料增材制造等，本文主要收集金屬增材制造相關(guān)資料。在金屬增材制造中，其技術(shù)種類大致可以分為：選區(qū)激光融化（SLM）、選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）、電子束選區(qū)融化（EBM）、粘結(jié)劑金屬（3DP），激光能量沉積（DED）等、其技術(shù)原型可以追溯到上世紀(jì)90年代，金屬增材制造的整體方向可分為：粉末床或者同步送粉，粉末床即為金屬粉末提前鋪好，高能激光在粉末床上走過一定的軌跡成型；同步送粉即為高能激光熔融粉末成熔池，粉末填充到熔池里成一定形狀，本文主要對(duì)激光定向能量沉積技術(shù)進(jìn)行綜述整理。

前言：

? ? ? ? 定向能量沉積技術(shù)，是能量源作用在金屬粉末/絲狀材料等原材料和基體表面上，兩者熔化后形成熔池，待自然冷卻形成沉積區(qū)域與基體發(fā)生冶金結(jié)合。其中，能量源可以為激光、等離子、電子束，理論上可成型不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金等材料。具體原理見圖1，送粉器源源不斷供給原材料，激光持續(xù)熔化凝固原材料的同時(shí)沿一定路徑移動(dòng)，形成沉積層與基體結(jié)合。

? ? ? ?定向能量沉積技術(shù)作為一種新型的表面處理技術(shù)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，具備以下特點(diǎn)：成形過程對(duì)基體材料熱影響程度小，不會(huì)改變基體的力學(xué)和材料性能；包覆層稀釋率低，成型材料使用效率高；定向能量沉積裝置便于配合自動(dòng)化設(shè)備使用，應(yīng)用范圍大；為多材料混合成形提供較大的發(fā)展空間。由于存在以上優(yōu)勢(shì)，定向能量沉積技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造領(lǐng)域。

? ? ? ? 在汽車制造領(lǐng)域，定向能量沉積常用于汽車零配件的再制造，減低能源損耗，實(shí)現(xiàn)綠色制造技術(shù)。二十世紀(jì)八十年代，英國(guó)勞斯萊斯公司率先利用定向能量沉積技術(shù)修復(fù)了汽車RB211發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片，形成一層鈷鉻合金包覆層，提高了零件的使用性能。這一應(yīng)用開創(chuàng)了定向能量沉積技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的先例，為后續(xù)的技術(shù)發(fā)展提供基礎(chǔ)。日本豐田汽車公司利用定向能量沉積技術(shù)使用銅基合金粉末完成閥座的制作，使得閥座與氣閥表面無縫貼合，減少了閥座對(duì)內(nèi)部氣流的影響，提高閥座的使用性能。徐國(guó)等人利用定向能量沉積技術(shù)將氧化鋯粉末包覆于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的表層，提高了氣缸蓋的隔熱性、耐高溫和耐腐蝕性能，減少了氣缸蓋的開裂和燒蝕等失效情況，延長(zhǎng)使用壽命。

? ? ? ?在船舶制造領(lǐng)域，船體在海水中長(zhǎng)時(shí)間工作，零件表面容易受到腐蝕和磨損，容易導(dǎo)致關(guān)鍵零部件的失效甚至報(bào)廢，因此采用鎳基和鈷基等材料對(duì)零件表面包覆高性能沉積層。美國(guó)TORIMS教授團(tuán)隊(duì)對(duì)船用柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)外殼做定向能量沉積的修復(fù)技術(shù)，在免去大量拆卸零件步驟的前提下，直接對(duì)損傷部位進(jìn)行定向能量沉積，并結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝，提高工作效率。德國(guó) Smoleńska, Hanna團(tuán)隊(duì)使用鈷基粉末對(duì)船用柴油機(jī)排氣門表面做定向能量沉積，生成的沉積層耐磨性能明顯提高，在高溫工況下依然保持良好的力學(xué)性能。國(guó)內(nèi)張瑜芳教授團(tuán)隊(duì)利用定向能量沉積技術(shù)對(duì)艦艇中出現(xiàn)了磨損和腐蝕失效的關(guān)鍵零件舵叉進(jìn)行修復(fù)工作，在鑄鋼基體上實(shí)現(xiàn)鎳基合金的包覆實(shí)驗(yàn)后，成功將該技術(shù)應(yīng)用于船體舵叉的修復(fù)。

? ? ? ?*在航空航天領(lǐng)域，近年來廣泛采用激光焊接、定向能量沉積等技術(shù)修復(fù)零件損傷，其主要優(yōu)勢(shì)在于：1）修復(fù)、制造大型零件和承力結(jié)構(gòu)件；2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減輕零件重量；3）突破傳統(tǒng)加工技術(shù)的設(shè)計(jì)約束；4）實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工等。美國(guó)James Harris教授團(tuán)隊(duì)使用二極管激光器將鈷基合金粉末包覆在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片上，解決了馬氏體不銹鋼材質(zhì)的葉片熱處理時(shí)易破損和力學(xué)性能改變的問題，成功修復(fù)了被腐蝕區(qū)域；徐國(guó)健等人為修復(fù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片在生產(chǎn)過程中存在的損傷和缺陷，使用光纖定向能量沉積鎳基合金粉末到鎳基高溫合金基體上，從沉積層的測(cè)試數(shù)據(jù)中得知硬度和高溫蠕變性能滿足使用要求，證明了定向能量沉積方法修復(fù)高溫葉片的可行性。劉其斌教授針對(duì)中低碳鋼及合金鋼的定向能量沉積粉末，利用定向能量沉積技術(shù)成功修復(fù)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的失效的鍛造模具，實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，該技術(shù)具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

? ? ? ? 激光定向能量沉積（DED）技術(shù)由激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng)，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區(qū)，熔化后逐層沉積，稱之為激光定向能量沉積增材制造技術(shù)。碳鋼及合金鋼的定向能量沉積粉末，利用定向能量沉積技術(shù)成功修復(fù)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的失效的鍛造模具，實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，該技術(shù)具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

? ? ? ?激光定向能量沉積（DED）技術(shù)由激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng)，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區(qū)，熔 化后逐層沉積，稱之為激光定向能量沉積增材制造技術(shù)。

1.激光定向能技術(shù)研究現(xiàn)狀：

? ? ? ? ?激光定向能技術(shù)總體來說具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）成型效率高：

?

（2）再制造/修復(fù)：

?

（3）多材料梯度成型：

? ? ?從整體的市場(chǎng)占有率來看，2019年全球金屬增材制造DED工藝設(shè)備占比較低，只有8%不到。

? ? ? ?但是在2019年之后，全球?qū)τ贒ED工藝的興趣正在成幾何級(jí)數(shù)量增加，被稱為是最有前途的金屬增材制造技術(shù)之一，目前全球?qū)τ贒ED的研究范圍主要在合金及其零件的修復(fù)上，例如：

（1）中南大學(xué)實(shí)驗(yàn)室利用激光能量沉積增材修復(fù)5058鋁合金

? ? ? ? 以Al-Mg-Sc-Zr合金粉末作為修復(fù)原料,采用激光定向能量沉積法對(duì)開槽5083鋁鎂合金進(jìn)行增材修復(fù),用金相顯微鏡、掃描電鏡、電子背散射衍射、室溫拉伸試驗(yàn)及顯微硬度測(cè)試等手段,研究5083鋁合金試樣修復(fù)前后的微觀組織與力學(xué)性能,同時(shí)對(duì)不同修復(fù)體積占比的試樣力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明:修復(fù)區(qū)熔合線附近柱狀晶呈樹枝狀,垂直于熔合線方向向基體呈外延生長(zhǎng)。修復(fù)區(qū)為典型的熔池分布,晶粒尺寸為4～9μm,存在較多孔洞,熔合線和掃描軌道附近析出大量Al3(Sc,Zr)顆粒。5083基體材料與開槽修復(fù)件的抗拉強(qiáng)度相差不大,分別為190.80 MPa和197.73 MPa,但修復(fù)試樣的伸長(zhǎng)率顯著降低。從基體至修復(fù)區(qū)的2 mm范圍內(nèi),硬度均值(HV)從50逐漸提高至100。

? ? ? ?由下圖可見，修復(fù)區(qū)呈現(xiàn)出典型的DED成形特征，基體區(qū)呈現(xiàn)出H112工藝(即合金經(jīng)過熱加工成形后，輕微加工硬化或經(jīng)過少量冷加工后再進(jìn)行輕微加工硬化，以滿足特定的力學(xué)性能要求)處理后的組織特征，兩個(gè)區(qū)域之間分界明顯。修復(fù)區(qū)底部的形貌如圖3(a)所示，沿掃描軌跡分布著一部分灰色區(qū)域，經(jīng)倍數(shù)放大后的圖3(d)可見，該區(qū)域存在于修復(fù)區(qū)與基體區(qū)之間，厚度約為30～50 μm，為熱影響區(qū)，它可分為兩塊，靠近修復(fù)區(qū)的部分為固液共存區(qū)，即在成形過程中，成形第一層時(shí)，底面基體受熱升溫，升至固相線以上、液相線以下，達(dá)到固液共存狀態(tài)，與熔化粉末結(jié)合；另一部分即靠近基體的部分，僅僅受到激光能量輻射產(chǎn)生的熱影響作用，未熔化。圖6(b)和(c)所示分別為修復(fù)區(qū)中部和頂部的熔合線水平面金相圖，可見隨著一層一層修復(fù)完成，熔合線趨于規(guī)則平整。由于修復(fù)凹槽側(cè)壁與激光的接觸面積遠(yuǎn)小于凹槽底部與激光的接觸面積，因而修復(fù)區(qū)側(cè)壁熔化區(qū)域范圍較小，固液共存區(qū)不明顯，從圖中看不到灰色帶狀區(qū)。同時(shí)，圖6(b)和(c)中有大量孔洞，這是由于凹槽導(dǎo)致修復(fù)區(qū)內(nèi)嵌于基板中，基板充分散熱使得修復(fù)區(qū)冷卻凝固速度太快，氣體來不及逸出而形成孔洞。?

（2）激光定向能沉積與噴丸復(fù)合工藝成形性能研究

? ? ? ?激光定向能量沉積與噴丸復(fù)合增材工藝，是以逐層噴丸的形式將噴丸表面強(qiáng)化原理與增材制造原理相結(jié)合，以達(dá)到降低工件缺陷和消除拉應(yīng)力目的的一種復(fù)合工藝。比較該工藝機(jī)理與激光定向能量沉積工藝成形FeCrNiBSi合金試樣的加工性能與質(zhì)量，結(jié)果表明：復(fù)合工藝可將成形件表面的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力；與激光定向能量沉積工藝相比，復(fù)合工藝成形的試樣密度提高了8.83%、表面粗糙度值降低了35.7%、拉伸強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度分別提升了12.13%和53.24%。

? ? ? ?在激光定向能量沉積成形過程中，隨著沉積層數(shù)的增加，熱應(yīng)力逐漸累積，沉積層內(nèi)部難免產(chǎn)生孔洞。激光定向能量沉積成形易形成氧化皮從而造成層間氧化，通過將噴丸和激光定向能量沉積工藝復(fù)合，噴丸向成形材料引入壓應(yīng)力，轉(zhuǎn)變其表面應(yīng)力狀態(tài)，使材料產(chǎn)生塑性形變，部分微觀孔洞減少，同時(shí)利用噴丸的磨蝕作用去除材料表面氧化皮，從而降低表面粗糙度。通過逐層噴丸的方式，復(fù)合工藝將表面強(qiáng)化技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體強(qiáng)化技術(shù)。

（3）用于裝備零件損傷規(guī)?；迯?fù)的激光定向能量沉積技術(shù)

? ? ? ?武器裝備通常在重載、沖擊等苛刻條件下服役,扭力軸、平衡肘、齒輪軸等關(guān)鍵零件出現(xiàn)磨損、劃傷、裂紋的概率非常高,部分零件損傷率高達(dá)85%,且出現(xiàn)局部損傷的裝備零件附加值高、可修復(fù)性強(qiáng)、重復(fù)利用效益大,但因缺乏行之有效的修復(fù)技術(shù)手段,只能報(bào)廢處理,造成了巨大的資源浪費(fèi)。激光定向能量沉積(Laser Directed Energy Deposition,LDED)是一種以激光熔覆為基礎(chǔ)的先進(jìn)增材制造技術(shù),具有熱影響區(qū)小、成型速率快、材料浪費(fèi)少及成本效益高等優(yōu)點(diǎn),是進(jìn)行機(jī)械零件局部損傷修復(fù)最理想的方法,使許多老化的部件得到再制造或升級(jí),因此在裝備智能制造與維修領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。為滿足改善質(zhì)量、提升效益、節(jié)約資源的要求,目前關(guān)于LDED技術(shù)的研究主要集中在沉積材料配置、送粉機(jī)構(gòu)研制及沉積工藝優(yōu)化等方面。本文介紹了激光定向能量沉積技術(shù)的原理特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域和研究現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上對(duì)該技術(shù)的研究熱點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用技術(shù)瓶頸進(jìn)行了梳理分析,為激光定向能量沉積技術(shù)在裝備零件損傷規(guī)?；迯?fù)中進(jìn)行應(yīng)用提供參考。

（4）激光定向能量沉積Al-Mg-Sc-Zr修復(fù)5083-H112鋁合金組織和性能的研究

? ? ? ?激光定向能量沉積增材修復(fù)技術(shù)具有時(shí)間短、效率高、成本低、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。本研究采用Al-7.5Mg-0.3Sc-0.28Zr作為修復(fù)材料對(duì)軌道交通用5083-H112鋁合金進(jìn)行了激光修復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到了致密、無缺陷的修復(fù)試樣，對(duì)其組織和性能進(jìn)行了研究，探討了激光修復(fù)鋁合金的可行性。結(jié)果表明，熔合線附近過渡區(qū)可劃分為修復(fù)區(qū)、部分熔化區(qū)、熱影響區(qū)和母材。修復(fù)區(qū)為完全等軸晶，由平均晶粒尺寸為4.95 μm的細(xì)晶帶和18.34 μm的粗晶區(qū)組成。從修復(fù)區(qū)-部分熔化區(qū)-熱影響區(qū)，Al元素含量逐漸升高，Mg元素含量逐漸下降，硬度逐漸下降，修復(fù)后母材未被軟化。由于激光增材制造技術(shù)的快速凝固，在熔合線附近的細(xì)晶帶有較大的應(yīng)力集中，由于較小的熱輸入在部分熔化區(qū)、熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力較小。修復(fù)試樣的屈服強(qiáng)度(152 ± 2) MPa為母材的89.4%，抗拉強(qiáng)度(305 ± 5) MPa為母材抗的100%，伸長(zhǎng)率(15.5 ± 0.5)%為母材的85.2%，斷裂發(fā)生在強(qiáng)度較弱的母材。高性能的激光修復(fù)鋁合金是可實(shí)現(xiàn)的，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2激光定向能量沉積技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用：

2.1在航空航天部門使用LP-DED工藝可以減少材料浪費(fèi)，從而帶來環(huán)境效益

? ? ? ??位于美國(guó)墨西哥州的增材設(shè)備制造商Optomec公司使用其公司的 LENS 750激光定向能量沉積設(shè)備機(jī)器用于修復(fù)尖端部分受損的316L不銹鋼刀片。修復(fù)后的葉片顯示出良好的結(jié)果，相對(duì)于標(biāo)稱幾何形狀，精度約為0.03 mm。此外，生命周期評(píng)估（LCA）顯示了在維修作業(yè)中使用LP-DED過程的有效性。具體而言，當(dāng)維修量約為10%時(shí)，使用LP-DED工藝，與更換新工藝相比，碳足跡改善了45%，總節(jié)能約36%。

PS：這個(gè)公司的設(shè)備還服務(wù)于印度的國(guó)家導(dǎo)彈戰(zhàn)略計(jì)劃，印度國(guó)家工程院DMRL團(tuán)隊(duì)的新型制造技術(shù)小組一直在使用Optomec公司的LENS-750系統(tǒng)，用鋼、鈦和各種超級(jí)合金打印導(dǎo)彈原型部件。

2.2使用LP-DED工藝修復(fù)AM355鋼T700整體葉盤

? ? ? ?該整體葉盤因翼型前緣的侵蝕效應(yīng)而受損（下圖）。通過50000次低周疲勞旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)和60000 rpm旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)對(duì)維修進(jìn)行了機(jī)械驗(yàn)證。

2.3：修復(fù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的鈦葉片

? ? ? ?為了減少氧化，維修過程在封閉的惰性氣體室中進(jìn)行。維修操作的結(jié)果如下圖所示。通過選擇合適的工藝參數(shù)和沉積策略，可以獲得完全致密和細(xì)晶的微觀結(jié)構(gòu)。在拉伸和疲勞強(qiáng)度方面，機(jī)械性能至少與基材相當(dāng)（下圖）。

2.4：DED技術(shù)修復(fù)CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)的受損HPT護(hù)罩

? ? ? ?修復(fù)過程中的挑戰(zhàn)是避免冷卻孔，避免獲得的薄邊熔化。為了獲得修復(fù)后的表面，首先對(duì)受損部件進(jìn)行掃描，然后利用數(shù)據(jù)生成沉積路徑。下圖所示的結(jié)果表明，LP—DED技術(shù)可用于修復(fù)HPT護(hù)罩，稀釋度低，精度好，小于0.15 mm。

3.激光定向能量沉積技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)跟展望：

（1）：對(duì)技術(shù)發(fā)展的展望：

? ? ? ?DED技術(shù)由于其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在航空航天、石油勘探、采礦、汽車模具等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，但DED技術(shù)的一些缺點(diǎn)同樣制約了其未來的發(fā)展。隨著研究的不斷深入，基于DED技術(shù)的增減材復(fù)合、多能場(chǎng)復(fù)合等復(fù)合制造技術(shù)逐漸成為研究的熱點(diǎn)，這對(duì)DED技術(shù)的工藝及設(shè)備提出了更高的要求。

? ? ? ?一方面，復(fù)合增材制造技術(shù)涉及不同工藝技術(shù)之間的相互協(xié)同與制約，這要求將DED技術(shù)的工藝參數(shù)與輔助技術(shù)的工藝參數(shù)進(jìn)行總體分析和優(yōu)化，這是基于DED技術(shù)的復(fù)合增材制造技術(shù)未來需要解決的問題；另一方面，對(duì)于復(fù)合增材制造設(shè)備集成自動(dòng)化，系統(tǒng)控制智能化等的研究，也是未來發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容。

（2）對(duì)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行展望：

? ? ? ?DED技術(shù)在成形效率和成形精度、工藝穩(wěn)定性及性能一致性等方面還有許多不足之處。

未來，DED技術(shù)的發(fā)展將以新材料、新工藝及新設(shè)備為主要內(nèi)容，并集中在以下5個(gè)方向：

• 材料體系集約化。針對(duì)增材制造的特點(diǎn)，研發(fā)適用于不同性能需求的新型合金材料；對(duì)具有相同性能的材料進(jìn)行整合，降低材料制造成本；集中建立并優(yōu)化材料工藝參數(shù)體系庫(kù)。

• 工藝參數(shù)系統(tǒng)化。分析不同工藝參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，研究工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量影響的一般規(guī)律；利用輔助工藝的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化傳統(tǒng)工藝參數(shù)的不足，將傳統(tǒng)工藝參數(shù)與輔助工藝參數(shù)系統(tǒng)地結(jié)合起來。

• 成形過程高效化。開發(fā)可靠的沉積頭及送粉/送絲設(shè)備；建立精確模型，提高切片精度，通過計(jì)算機(jī)模擬減少試驗(yàn)試錯(cuò)；提高在線監(jiān)測(cè)與閉環(huán)控制靈敏度；對(duì)零件進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化，減少耗材使用。

• 設(shè)備集成智能化。未來設(shè)備的研發(fā)將趨向增減材復(fù)合、多能場(chǎng)復(fù)合等新技術(shù)，并集中在一體化設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)、智能化控制等方面。

• 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛化。隨著技術(shù)創(chuàng)新及新設(shè)備的研發(fā)，行業(yè)需求不斷擴(kuò)大DED技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛和深入。

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