Revision as of 17:29, 7 June 2023

ABSTRACT: The use of hybrid metal-composite sheets is under development particularly in the automotive industry to reduce the weight of components and, thereby, reduce carbon emissions, which is one of the goals of the United Nations for 2030. This project includes the study and design of hybrid laminates that can replace a monolithic steel sheet. Analytical models based on the classical laminate theory and models based on the rule of mixtures were used to predict the mechanical behaviour of the material. The structural behaviour of a semi-product was then analysed using finite element simulations. The results found show that it is possible to obtain a weight reduction between 13% and 22% when using a hybrid laminate, but it is required to increase the thickness of the lamina up to 3 times compared to the metal. Subsequently, experimental studies were carried out to measure the wetness of the surface and the adhesion resistance of a carbon fibre prepreg with polyamide 6 (PA6) matrix on aluminium, obtaining values of 1MPa for the shear strength. A life cycle analysis (LCA) of hybrid laminates designed to observe the environmental impact on energy consumption and carbon footprint was carried out.

Keywords: Hybrid laminates, thermoplastic composite-metal sheets, life cycle analysis

Palabras clave: Laminados híbridos, compuesto de matriz polimérica termoplástico, eco-auditoría

1. Introducción

En 1978, en la Universidad Tecnológica de Delft nace el primer laminado de fibra-metal (LFM o FML, en sus siglas en inglés) el cual lograba reducir la tasa de crecimiento de grietas por fatiga debido a que el polímero reforzado con fibra (PRF o FRP, por sus siglas en inglés) separa las láminas de metal y detiene el crecimiento de la grieta [1]. El primer LFM creado fue ARALL, que está formado por láminas de aluminio intercaladas con fibra de aramida en matriz de resina termoendurecible. Luego se desarrolló CARALL, que usa preimpregnados de resina con fibra de carbono y en 1990 aparece GLARE con fibras de vidrio. En el sector automotriz, las principales razones para investigar en la fabricación de componentes híbridos fueron las normativas ambientales y el propósito de aumentar la autonomía del vehículo, siendo el módulo frontal del Audi A6 AVANT en 1996 [2] el primer lanzamiento de un componente híbrido al mercado. Este módulo era de acero previamente estampado al que le añadieron por inyección una estructura de poliamida 6 reforzada con 30% de fibra de vidrio [3]. Adicionalmente, el remplazo de los componentes de la carrocería del automóvil (conocido como BIW, por sus siglas en inglés). Esta reciente tendencia a reemplazar los componentes del BIW por laminados de fibra de carbono se conoce como “Body in Black” (BiB), debido al color del prepreg [4], y se ha estado imponiendo en los nuevos diseños de vehículos eléctricos y de tecnologías híbridas para reducir aún más el peso del vehículo [5]. Así nacen varios laminados híbridos con matriz termoplástica como CAPET, que posee láminas de titanio con fibras de carbono en matriz de PEEK (poli-éter-éter-cetona), el CAPAAL que posee láminas de aluminio con fibras de carbono y vidrio en matriz de Poliamida 6 [6], el CATPUAL basado en el CAPAAL, con matriz de poliuretano termoplástico (TPU, en sus siglas en inglés) y láminas de aluminio [7]. Tanto Europa como Estados Unidos han establecido varias regulaciones a lo largo de los años para disminuir tanto el consumo de combustible como las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), afectando el diseño de los vehículos en los respectivos mercados a través de modificaciones como el aumento de la eficiencia del tren de potencia, reducción de la resistencia a la rodadura, la fuente de energía y el peso del vehículo, sustituyendo partes por componentes más ligeros [8]. El más práctico ha sido la sustitución de componentes para reducir el peso integral del vehículo [9]. Los materiales comúnmente seleccionados para fabricar componentes ligeros son los aceros avanzados de alta resistencia (AHSS en sus siglas en inglés), las aleaciones de aluminio y los compuestos de matriz PRF. Por lo general, si se sustituyen por aceros dulces se logran reducciones de peso entre 10 y 20% si las piezas son de AHSS, 40% si son hechas de aluminio y 60% si son hechas de materiales compuestos reforzados con fibra de carbono [9].

2. State of the art

2.1 Laminados de Fibra-Metal (LFM) y los Laminados Híbridos Metal-Termoplástico Reforzado con Fibra

Particularmente en el sector automovilístico, el desarrollo de estructuras híbridas y laminados de metal polímero (LMP) está ligado a las normativas ambientales de reducción de emisiones de CO2, aumento de la autonomía del auto al reducir el peso de sus componentes (remplazando componentes hechos de acero y aluminio) y la reciclabilidad del componente al final de su vida útil. Adicionalmente, estos laminados deben ser compatibles con la velocidad de la línea de producción o adaptarse a los procesos ya establecidos. La matriz polimérica que se seleccione para aplicaciones en el sector automovilístico debe cumplir con los siguientes requisitos [10]:

• Capacidad de deformarse a bajas temperaturas.

• Resistencia a la fluidez a altas temperaturas (200°C, proceso de pintura).

• Resistencia a las condiciones ambientales como el calor, la humedad y la niebla salina.

• Resistir temperaturas por encima de 200°C y ser conformado a 15 a 30 m/min.

• Cura de las láminas debe ser rápida, pero garantizando una buena adhesión entre el metal y la matriz polimérica. Posibilidad de ser reciclado al final de su vida útil.

Dado que los polímeros termoendurecibles no permiten ser reciclados con facilidad ni deformados con calor, los polímeros termoplásticos se han presentado como una alternativa. Sin embargo, en este sector se han comercializado unos laminados de metal-polímero-metal (MPM) [6].

2.2 Ensayos de Ángulo de Contacto

Para determinar si un adhesivo tendrá una buena adherencia con el substrato se mide la energía superficial libre y el ángulo de contacto de los constituyentes a través del ensayo de ángulo de contacto. Aunque el ángulo de contacto provee una buena indicación cuantitativa de la mojabilidad de la superficie, esta medida depende del líquido que se use para el ensayo, la rugosidad y el tipo de superficie [11-13]. La norma ASTM D7334 [14] de mojabilidad de superficies, considera que la superficie es hidrofílica si el ángulo de contacto es menor a 45°, hidrofóbica si está por encima de 90° y si está entre 45° y 90° parcialmente hidrofílica.

2.3 Ensayo de Resistencia de Corte Simple

La resistencia de la adhesión entre el metal y el polímero se puede estimar a través de un ensayo de corte. Entre las opciones del ensayo, el menos costoso y sencillo de realizar es el ensayo de resistencia de corte simple. Este ensayo se describe en ISO 4587 y ASTM D1002 y ASTM D5868.

2.4 Ensayos de Abultamiento Hidráulico

El ensayo de abultamiento permite observar la capacidad de conformabilidad de láminas finas de metal. Consiste en aplicar una presión uniforme por uno de los lados de la lámina, causando el abultamiento hasta romperse por el otro lado [15].

2.5. Análisis de Ciclo de Vida (ACV)

Se basa en las normas ISO14040 [16] e ISO14044 [17] y consiste en recolectar información: consumo de energía, consumo de materiales y emisiones, y traducirlo en consecuencias ambientales como: contribución al cambio climático, creación de smog, eutrofización, acidificación y toxicidad humana y del ecosistema [18]. Otra técnica para evaluar impactos ambientales es la ecoauditoría [19]. También han sido utilizados enfoques de ciclo de vida total para optimizar el proceso de selección de materiales que constituyen los componentes HMP no estructurales y estructurales del BIW [20], la evaluación del impacto ambiental de la sustitución en peso del BIW de acero por PRF de carbono [9] y una ecoauditoría de técnicas de unión en la fabricación de componentes HMP [21]. Los estudios ACV de laminados híbridos metal-TRF para el sector automotriz son escasos [22].

3. Metodologia

3.1 Diseño del Laminado Termoplástico Reforzado con Fibra

Se propone diseñar varios laminados híbridos con distintas matrices poliméricas termoplásticas, que logren desempeñar una respuesta mecánica similar a un laminado de acero monolítico de 1 mm de espesor, usando la regla de las mezclas para determinar las propiedades mecánicas de las láminas de material compuesto y la teoría de lámina para determinar la rigidez del laminado metal-TRF [23]. Los materiales seleccionados que se presentan en la Tabla 1.

Nombres colocados a los laminados siguen el formato de CAPAAL: CA - fibra de carbono, PA - poliamida y AL- aluminio. Se nombró los que son distintos de CAPAAL.

3.2 Ensayo por el Método de Elementos Finitos del Componente

Para evaluar el comportamiento mecánico de los laminados, se modeló por el MEF el comportamiento de probetas sometidas flexión de tres puntos [25]. La geometría que usaron fue la de un arco de techo de vehículo, el cual fabricaron con el laminado CAPAAL y lo compararon con una lámina de acero de 0,8 mm. La geometría del perfil está en Figura 1.

File:Draft Marques 567922541-image2.png A

Se llevó a cabo en el software ABAQUS® CAE 2019 [26]. La geometría se modeló con elementos shell (S8R). El material seleccionado para esta simulación es el acero 10548 o HC340LA, con espesor de lámina 1 mm. Las condiciones de borde se pueden ver en la Figura 2. Se seleccionó el criterio de daño de Hashin con evolución de daño de 0,5 N/mm.

3.3 Ensayo experimentales

3.3.1 Ensayo de Ángulo de Contacto

Se realizaron 3 mediciones aleatorias usando como líquido al agua (destilada) sobre las muestras. Las muestras seleccionadas fueron láminas de aluminio AW6061-T6 con diferentes tratamientos superficiales, de acero y de preimpregnado Toray Cetex® TC910 de fibra de carbono 60% con PA6. Las muestras de aluminio con tratamientos superficiales son identificadas por AA1, para aluminio limpiado con alcohol isopropílico; AA2, limpiado con limón (ácido cítrico); AA3, superficie lijada y AA4, con revestimiento de partículas de polímero (Plastcoat).

3.2.2 Ensayos de Resistencia a Corte Simple

Se seleccionó el prepreg Toray TC910 y el aluminio AW6061-T6 para medir la resistencia de adhesión a través de un ensayo de corte simple bajo las recomendaciones de la norma ASTM D1002. Entre la gran variedad de tratamientos superficiales y los de fácil aplicación industrial, se escogieron 4 cuya conformación fue posible de realizar en INEGI y en AMTROL-ALFA®.

Las propiedades de estos materiales se encuentran en CES Edupack 2020 [24]. Los 4 ensayos se describen en la Tabla 3 y corresponden a limpieza con ácido cítrico, lijado y un recubrimiento.

Para aplicar los tratamientos superficiales a las probetas de aluminio se usaron los siguientes materiales: paño de microfibra; alcohol isopropílico; lija de grano medio P100; Jugo de limón.

En cuanto a los parámetros de fabricación como presión, temperatura y tiempo de mantenimiento, se siguieron las recomendaciones del fabricante y algunos trabajos encontrados en la literatura [27]. Se realizaron dos pruebas de fabricación de las probetas del ensayo de corte. La primera se realizó con 260°C, 4 bar (0,4MPa) de presión como se definió en [27] y el tiempo de mantenimiento se definió como 5 min, para permitir que las láminas de 1 mm de aluminio lograran calentarse para fundir la PA6 del prepreg TC910. La segunda experiencia se realizó a 275°C, 2 bar (0,2MPa) de presión y se mantuvo por 10 min.

3.4 Análisis de Ciclo de Vida

Se presenta un estudio del impacto ambiental de los laminados híbridos con la herramienta de ecoauditoría CES Edupack 2020 basado en las recomendaciones ISO 14040:2006 [16].

3.4.1 Fase I: Definición de Meta y Alcance

El objetivo de este estudio es analizar y comparar el impacto ambiental de 1 m² de laminados híbridos de matriz termoplástica con 1 m² de lámina de acero en cada fase del ciclo de vida:

• Una (1) lámina de Acero HC340LA (EN10548) de 1m x 1m y 1 mm de espesor.

• Una (1) lámina de CAPAAL de 1m x 1m y 2,19 mm de espesor de matriz de PA6.

• Una (1) lámina de ALGACA v2 de 1m x 1m y 3,23 mm de espesor de matriz de PA6.

• Una (1) lámina de ALGAALCA de 1m x 1m y 3,21 mm de espesor de matriz de PA6.

• Una (1) lámina de CAPPAL v2 de 1m x 1m y 3,15 mm de espesor de matriz de PP.

• Una (1) lámina de UHMWPEAL de 1m x 1m y 3,21 mm de espesor.

• Una (1) lámina de CAPEEKAL de 1m x 1m y 3,23 mm de espesor de matriz de PEEK.

No se consideró contenido reciclado en los laminados, ni creación de desperdicios en procesos secundarios. El proceso primario se definió como extrusión-laminado para las láminas de metal, extrusión de polímeros para las láminas termoplásticas y fabricación textil para las fibras de carbono, vidrio y Spectra. El final de vida de las láminas de metal se consideró como 100% reciclable y, para las fibras y polímeros termoplásticos, se consideró 100% infrarreciclado. En la fase de transporte se especificó un vehículo ligero de mercancía (máx. de 3,5 ton) que debe recorrer una distancia de 500km para entregar 1 lámina a una ensambladora de autos, en 10 años, el país de uso es Portugal y que el producto será usado en un vehículo comercial ligero a diésel durante 365 días al año, 40 km al día.

3.4.2 Fase II: Inventario de Ciclo de Vida

Los materiales fueran seleccionados con la herramienta [25]. Los espesores de las láminas son 0,15 mm para la fibra de vidrio, 0,17 mm para fibra de carbono, 0,05 mm para las láminas de polímero sin refuerzo. Las láminas de metal dependen del laminado híbrido y van de 0,2 a 0,5 mm. Los valores de consumo de energía y las emisiones de CO2 en función del peso del producto se resumen en la Tabla 4.

4.Resultados

4.1 Resultados del Diseño de los Laminados Termoplásticos Reforzados con Fibra

Las propiedades de los laminados se muestran en la Tabla 5.

En la Figura 3 se presentan los resultados de los valores de la rigidez de membrana en la dirección de las fibras (A1), la rigidez de membrana en la dirección transversal de las fibras (A2), y los valores de la rigidez a la flexión (𝐷_ii).

Al relacionar la rigidez de membrana de los laminados con el peso del laminado (dividiendo la rigidez de membrana por la densidad de área), se observa en la Figura 4 que los laminados híbridos CAPAAL y AGALCA demuestran poseer una rigidez específica (en A1) superior al acero con respecto a su peso.

Para la selección de los laminados híbridos, ensayados a flexión numéricamente, se consideraron los que registraron una rigidez específica superior o similar a la del acero Tabla 6.

4.2 Resultados del Ensayo de Flexión por el Método de los Elementos Finitos

Del análisis de convergencia de la malla para acero, se observa que los elementos 3 mm permiten obtener resultados precisos y menor costo computacional que elementos 1,5 mm. Al comparar los laminados híbridos con la lámina de acero monolítico, se observa en la Figura 5 que los laminados seleccionados poseen mejor resistencia mecánica que la lámina de acero.

Los valores de rigidez de flexión de los laminados híbridos se determinaron con los primeros valores de cada una de las curvas Figura 6. La fuerza máxima se calculó determinando el punto en que se desvía el comportamiento lineal que coincide con el inicio de la evolución del daño en el material, el cual introduce una pérdida de rigidez de acuerdo al criterio de Hashin.

Los resultados están ligados a varios factores. En primer lugar, al espesor del laminado siendo los laminados ALGAALCA, ALGACA v2, CAPEEKAL y UHMWPEAL, de 3,2 mm de espesor. En cambio, el laminado CAPAAL, con sólo 2,19 mm de espesor, no es lo suficientemente rígido como para aproximarse a los valores de rigidez de la lámina de acero de 1 mm, pero demuestra una resistencia superior a flexión que los laminados CAPEEKAL y UHMWPEAL. Otro aspecto importante es que el CAPAAL usa una aleación de aluminio distinta a las que utilizan los demás laminados y esta le provee de una mayor rigidez elástica que el laminado CAPEEKAL. Por último, los porcentajes de fibra son distintos en los laminados CAPAAL (con 54% de fibra carbono) y CAPEEKAL (con 40% de fibra carbono), mientras que los laminados ALGACA v2 y ALGAALCA usan 60% de fibra de carbono. En la Figura 7 se presentan unos gráficos de la distribución total de la falla por ruptura de las fibras a tensión de los laminados híbridos, excepto el UHMWPEAL, cuya ruptura de las fibras ocurre por compresión.

Debido a que cada laminado posee propiedades mecánicas distintas no es posibile realizar comparaciones directas entre CAPEEKAL ALGAALCA ALGACA v2 CAPAAL UHMWPEAL. Sin embargo, se puede comparar los modos de falla según el criterio de Hashin. Dado que los componentes BIW y, en especial el pilar “B” deben brindar seguridad al soportar impactos y mantener las dimensiones de la cabina, el laminado híbrido ALGAALCA es el único que podría tener un buen desempeño mecánico en una simulación de choque.

4.3 Resultados de los Ensayos Experimentales

4.3.1 Resultados del Ensayo de Ángulo de Contacto

Los resultados obtenidos en la medición del ángulo de contacto se presentan en la Tabla 7. Se observa que las superficies lisas de la muestra AA1 y el acero, poseen un ángulo de contacto similar dentro del rango parcialmente hidrofílico (45° < θ < 90°), según la norma ASTM D7334.

4.3.2 Resultados del Ensayo de Resistencia de Corte Simple

Se presentan los resultados de resistencia a corte de los laminados híbridos de aluminio-prepreg TC910 y los resultados de resistencia de adhesión de las probetas de corte simple – Tabla 8.

Recordando los resultados de las mediciones de ángulo de contacto con, las probetas AA2, que habían presentado mejor mojabilidad que el resto de las muestras, demostraron una alta resistencia de adhesión con respecto a las otras probetas en el ensayo de corte. En cambio, las probetas lijadas (AA3) que habían presentado baja mojabilidad, demostraron una baja resistencia de adhesión. Sin embargo, se consideró que los resultados obtenidos durante el ensayo de corte pudieron haber sido afectados por los parámetros de fabricación de la prensa de platos calientes y se realizó una segunda prueba de fabricación. En esta oportunidad, se colocaron las probetas a la presión mínima permisible en la prensa de platos calientes, a la temperatura máxima recomendada por el fabricante del prepreg TC910 (275°C) y se aumentó al doble el tiempo de exposición (10 min).

Na segunda oportunidad, se fabricaron las probetas AA4 y el revestimiento de polímero no logró soportar las altas temperaturas y se fundió completamente, mezclándose con el prepreg y esparciéndose por toda la probeta. El mayor problema fue que las probetas se desalinearan dentro de la prensa de platos calientes.

Los resultados del ensayo ASTM-D1002 se presentan en la Tabla 9.

4.4 Resultados del Análisis de Ciclo de Vida

Se presentan a continuación las fases III, análisis del inventario del ciclo de vida, y IV, evaluación del impacto del ciclo de vida, del estudio de ACV para las unidades funcionales selecionadas.

4.4.1 Fase III: Breve análisis del inventario del ciclo de vida

En la Figura 8, se presenta una comparación del impacto ambiental de las dos rutas de fin de vida de los materiales seleccionados restantes.

Los laminados híbridos metal-TRF presentan un mayor consumo de energía y emisiones de carbono en la producción primaria que las del acero. Se espera que durante la fase de “uso” los laminados híbridos representen una ventaja económica por el ahorro de combustible y a la vez la reducción de las emisiones de carbono totales en 10 años.

4.4.2 Fase IV: Evaluación de los Impactos del Ciclo de Vida

Al comparar los impactos ambientales, de 1 m² de lámina de acero con 1 m² de laminados híbridos metal-TRF, se observó que la fase dominante del ciclo de vida es la fase de “uso” del laminado, donde se resalta la influencia de la masa de 1 m² de lámina en los resultados de consumo de energía y las emisiones de CO2 durante esta fase. En la Figura 9, se presenta el consumo de energía total del ciclo de vida de las láminas.

En la Figura 10, se observan las emisiones de CO2 totales que genera 1 m² de lámina durante todo su ciclo de vida, donde se destaca el acero por generar 100 menos emisiones de carbono que los laminados AGALCA v2, ALGAALCA y CAPEEKAL.

En la Tabla 10, se presenta la reducción de las emisiones de carbono de los laminados híbridos al comparar con la lámina de acero.

Al calcular el consumo de agua total, Figura 11, que considera el procesamiento primario y secundario en la producción de las láminas de acero, aluminio y TRF, el laminado que presentó mayor consumo de agua total fue CAPEEKAL y el menor es la lámina de acero.

Sin embargo, si se considera el costo total en todo el ciclo de vida, Figura 12, el laminado CAPEEKAL, es el laminado más costoso seguido del laminado UHMWPEAL con respecto al acero. El más económico de los laminados es CAPPAL v2.

4.4.3 Interpretación de los Resultados del ACV

Los laminados híbridos de metal-TRF con mayor contenido de fibra de carbono, requerían de un mayor consumo de energía, generaban mayores emisiones de CO2 y aumentaba el costo. El laminado híbrido metal-TRF que menor impacto en consumo de energía y emisiones de CO2 totales registró fue el laminado híbrido CAPPAL v2, siendo la reducción del impacto ecológico con respecto al acero del 40%, y una reducción de costo del 38%.

4.5 Discusión de los Resultados de Diseño de los Laminados Híbridos Metal-TRF

Se elaboró una matriz de decisión para ponderar y comparar atributos mecánicos como el peso, la rigidez y la fuerza máxima; y atributos de tipo ambiental como el consumo de energía total del ciclo de vida, las emisiones de carbono totales del ciclo de vida y el costo del laminado híbrido como factor económico. Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 11 y se observa que el laminado que cumple con los requisitos es el laminado CAPAAL.

5. Conclusiones

Alguno de estos aspectos, como la respuesta mecánica, el proceso de fabricación, la adhesión y el impacto ambiental del laminado híbrido metal-TRF fueron analizados en tres estudios: El primero fue una simulación numérica de un semi producto con distintos diseños de laminados híbridos de alta rigidez y resistencia, que demostraran un comportamiento mecánico a flexión similar o mejor que una lámina de acero de 1 mm. Se encontró que para obtener una rigidez superior a la del acero, el laminado debía poseer aproximadamente 3 mm de espesor y contener mayor porcentaje de volumen de metal o fibra de carbono, como en los laminados ALGAALCA y AGALCA v2 respectivamente.

El segundo fue un estudio experimental para evaluar el proceso de fabricación y la resistencia de adhesión entre el prepreg Toray Cetex® TC910 (60% fibra de carbono en PA6) y el aluminio con distintos tratamientos superficiales. Durante el proceso de fabricación, se observó que para lograr una completa mojabilidad de la superficie del aluminio se requiere alcanzar altas temperaturas para que el polímero se funda y una baja presión para evitar que la poliamida fluya fuera del laminado. Adicionalmente, se observó que el tiempo de mantenimiento (de presión y temperatura) debe ser mayor a 5 min si la lámina de acero es de 1 mm espesor y se debe realizar un enfriamiento lento, manteniendo la presión para reducir el efecto de contracción de los materiales y que se debilite la adhesión con el aluminio. En cuanto a los tratamientos superficiales realizados en el aluminio, se observó a través del ensayo de ángulo de contacto que la limpieza con limón permite una mejor mojabilidad de la superficie.

El tercer estudio fue un análisis de ciclo de vida comparando los impactos ambientales de los laminados híbridos con los de la lámina de acero en las categorías consumo de energía y emisiones de CO2. Se observó que el laminado CAPPAL v2 logró una reducción con respecto al acero del 40% en ambas categorías e incluso resultó más económico que la lámina de acero a lo largo del ciclo de vida. Otra ventaja que presentaron los laminados híbridos metal-TRF es su potencial de fin de vida útil, el cual fue mayor al del acero. Si se opta por el infrarreciclaje, se pueden crear nuevos productos con menor consumo de energía y menores emisiones de CO2 que los correspondientes a la fabricación de un producto con material virgen. Finalmente, al tomar en cuenta el comportamiento mecánico y el desempeño ecológico para seleccionar un diseño de laminado híbrido, se encontró que el laminado CAPAAL demostró tener el mejor potencial para sustituir el componente de acero debido a su reducción de peso, rigidez y consumo de energía. A pesar de los resultados obtenidos en este trabajo, los laminados híbridos de metal y termoplástico reforzado con fibra tienen un gran potencial de desarrollo en el sector automotriz por su ligereza, durabilidad y potencial de aprovechamiento del fin de vida, pero requieren de mayor innovación en tecnologías de fabricación de materiales compuestos de matriz termoplástica y técnicas de manufactura que permitan una unión resistente y duradera entre el metal y el polímero, sin comprometer el desempeño mecánico del laminado híbrido.

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