投资铸造表面饰面

1. 介绍

投资铸造 (也称为“失去蜡”演员) 因其生产复杂几何形状的能力而备受赞誉, 薄壁, 和精细的细节.

与其他铸造方法相比，其最显着的优势之一是其固有的优越铸态表面光洁度.

尽管如此, 在高价值行业中，“足够好”是不够的——表面光洁度直接影响机械性能, 合身, 外貌, 和下游制造成本.

本文从多个角度探讨熔模铸造表面光洁度: 指标和测量, 过程变量, 合金效应, 铸造后处理, 行业要求, 和新兴技术.

我们的目标是装备工程师, 铸造厂经理, 以及拥有专业技术的设计师, 对如何优化表面质量同时平衡成本和交货时间的权威理解.

2. 熔模铸造基础知识

失蜡工艺概述

经典的 投资铸造 工作流程包括四个主要阶段:

1. 蜡模式产生: 将熔融蜡注入可重复使用的金属模具中，形成最终几何形状的复制品.
   冷却后, 模型被移除并组装到浇口/立管系统上 (“树”).
2. 炮弹建筑: 将蜡组件反复浸入陶瓷浆料中 (通常是胶体二氧化硅或锆基) 并涂有精细耐火灰泥.
   多层 (通常 4-8 个) 产生 6-15 毫米厚的外壳, 取决于零件尺寸. 每次沉积后进行中间干燥.
3. 脱水和射击: 壳经过热循环以熔化并燃烧蜡, 留下空腔.
   随后进行高温浸泡 (800–1200°C) 烧结陶瓷壳, 赶走残留的粘合剂, 并对型腔表面进行底漆以进行金属填充.
4. 金属浇注和凝固: 熔融金属 (特定合金熔体 ± 20–50 °C 过热度) 倒入加热的外壳中.
   受控凝固后, 外壳被机械或化学敲除, 单个铸件从浇注系统中切割出来.

使用的典型材料和合金

熔模铸造适用于多种合金:

• 钢 & 不锈钢 (例如。, AISI 410, 17-4 ph, 316l)
• 基于镍的超级合金 (例如。, inconel 718, 海恩斯 282)
• 钴铬合金 (例如。, 用于医疗植入物的 CoCrMo)
• 铝合金 (例如。, A356, 7075)
• 铜 和黄铜合金 (例如。, C954青铜, C630黄铜)
• 钛 及其合金 (用于航空航天部件的 Ti-6Al-4V)

测量的铸态粗糙度通常范围为 RA 0.8 µm到RA 3.2 µm, 取决于外壳配方和图案细节.

相比之下, 砂型铸造通常产量 ~Ra 6 µm到RA 12 µm, 和压铸〜Ra 1.6 µm到RA 3.2 µm.

3. 表面光洁度指标和测量

粗糙度参数 (RA, Rz, Rq, 保留时间)

• RA (算术平均粗糙度): 粗糙度轮廓与中心线的绝对偏差的平均值. 最常指定.
• Rz (平均最大高度): 五个采样长度的最高峰和最低谷之和的平均值; 对极端情况更加敏感.
• Rq (均方根粗糙度): 偏差平方平均值的平方根; 与 Ra 类似，但偏差更大.
• 保留时间 (总高度): 在整个评估长度上最高峰和最低谷之间的最大垂直距离.

常用测量工具

• 接触式轮廓仪: 金刚石尖头的触笔在受控的力下在表面上拖动. 垂直分辨率 ~10 nm; 典型的横向采样 0.1 毫米.
• 激光扫描/轮廓显微镜: 使用聚焦激光点或共焦光学器件的非接触式方法. 通过快速数据采集实现 3D 地形测绘.
• 白光干涉仪: 提供亚微米垂直分辨率, 非常适合光滑表面 (<RA 0.5 µm).
• 具有结构光的视觉系统: 捕获大面积进行在线检查, 尽管垂直分辨率有限 (~1–2 微米).

行业标准和公差

• ASTM B487/B487M (钢熔模铸件——表面粗糙度)
• ISO 4287 / ISO 3274 (产品几何规格——表面纹理)
• 客户特定的公差——例如, 航空航天翼型根面: ra≤ 0.8 µm; 医疗植入物表面: ra≤ 0.5 µm.

4. 影响铸态表面光洁度的因素

蜡模质量

蜡配方和表面纹理

• 蜡成分: 石蜡, 微晶蜡, 和聚合物共混物决定灵活性, 熔点, 和收缩.
  优质蜡配方包括微填料 (聚苯乙烯珠) 减少收缩并提高表面光滑度.
• 模式注入变量: 模具温度, 注射压力, 冷却时间, 模具质量影响图案保真度.
  抛光模具 (~镜面处理) 将低粗糙度转移到蜡上 (~Ra 0.2–0.4 µm). 不合格的模具抛光可能会在外壳上留下微弱的顶针痕迹或熔接线.

模型制作方法 (注塑成型与. 3D打印)

• 传统注塑成型: 产量均匀, 当模具维护良好时，表面图案具有高度可重复性.
• 3D 打印聚合物图案 (粘合剂喷射器, SLA): 无需钢制工具即可快速改变几何形状.
  典型的印刷粗糙度 (~Ra 1.0–2.5 µm) 直接翻译成shell, 通常需要额外的平滑 (例如。, 浸入细浆中或涂上受控蜡涂层).

壳模的组成及应用

主要涂层和备用涂层: 粒度, 粘合剂

• 初级涂层 (“灰泥”): 精细耐火材料 (20–35 µm 二氧化硅或锆石). 更细的晶粒产生更低的铸态粗糙度 (Ra 0.8–1.2 微米).
  较粗的颗粒 (75–150 µm) 产量 Ra 2–3 µm，但提高了高温合金的抗热震性.
• 粘合浆料: 胶体二氧化硅, 硅酸乙酯, 或锆石溶胶粘合剂; 粘度和固体含量影响浆料在模型上的“润湿”.
  无针孔的均匀覆盖对于避免局部粗糙度峰值至关重要.
• 备份“灰泥”层: 增加颗粒尺寸 (100–200 µm) 每层都会牺牲表面保真度来换取外壳强度; 乙烯基或耐火粘合剂影响收缩和粘合力.

壳层数及厚度

• 薄壳 (4–6 层, 6–8毫米): 产量较低的厚度变化 (< ±0.2 mm) 细节更精细，但脱蜡过程中存在外壳破裂的风险. 典型铸态粗糙度: Ra 0.8–1.2 微米.
• 较厚的贝壳 (8–12 层, 10–15 毫米): 对于大型或放热合金更坚固，但会产生轻微的“透印”效果, 由于外壳弯曲而略微放大灰泥纹理.
  铸态粗糙度: Ra 1.2–1.6 微米.

脱蜡对壳完整性的影响

• 蒸汽高压釜脱蜡: 快速排蜡会在早期壳层中引起热应力, 导致在表面留下微裂纹.
  受控的升温速率和更短的周期 (2–4 分钟) 减少缺陷.
• 烤箱脱蜡: 较慢的倦怠 (6–10 小时升温至 873–923 K) 减轻压力但消耗更多时间, 增加成本.
• 对完成的影响: 破裂的壳体内表面可能会在铸件表面沉积细小的耐火碎片, 提高粗糙度 (例如。, 拉从 1.0 µm至 1.5 µm).

脱蜡和预热

蜡的热膨胀和外壳破裂的风险

• 蜡膨胀系数 (~800 × 10⁻⁶ /°C) vs. 陶瓷外壳 (~6 × 10⁻⁶ /°C): 如果排气不充分，蒸汽脱蜡过程中的膨胀差异可能会使外壳破裂.
• 通风配置: 通风口的正确放置 (树顶, 近部分薄片) 允许蜡逸出而不给内部加压.
• 表面光洁度影响: 在金属浇注过程中，未经检查的裂纹会沉积“灰泥灰尘”, 造成局部粗糙点 (RA > 2 µm).

控制烧坏以最大限度地减少外壳缺陷

• 斜坡浸泡曲线: 慢坡道 (50 ℃/小时) 到 500 °C, 然后保持2-4小时以完全消除粘合剂和蜡.
• 真空或燃尽炉: 减压环境降低蜡分解温度, 减少热冲击. 保持外壳完整性, 提高表面保真度.

熔化和浇注参数

熔体温度, 过热, 和流动性

• 过热 (+20 °C至 +50 °C 以上液体): 确保流动性, 减少冷射.
  然而, 过热度过高 (> +75 °C) 促进气体吸收和氧化物夹带, 导致亚表面粗糙度.
• 合金粘度变化:

• • 铝合金: 更低的熔体温度 (660–750°C), 高流动性; 铸态 Ra ~1.0 µm.
  • 镍高温合金: 熔化温度 1350–1450 °C; 流动性较低, 表面寒冷的风险——导致轻微的波纹 (Ra 1.6–2.5 µm).

• 助焊剂和脱气: 使用旋转脱气机或添加助熔剂可减少溶解氢 (al: ~0.66 mL H2/100 g，at 700 °C), 最大限度地减少可能影响感知表面粗糙度的微孔隙.

浇注速度和湍流控制

• Laminar vs. 湍流: 层流填充 (< 1 多发性硬化症) 防止氧化物截留. 适用于空心或复杂铸件, 使用陶瓷滤波器控制门控 (25–50 µm) 进一步平滑流动.
• 浇注技术:

• • 底部浇注: 最大限度地减少表面湍流; 薄壁航空航天铸件的首选.
  • 最适合: 氧化物风暴的风险; 使用中间包塞有助于调节流量.

• 表面冲击: 湍流产生附着在腔壁上的氧化物夹杂物, 造成微观粗糙度 (镭尖峰 > 3 µm 局部区域).

凝固与冷却

壳体导热率和冷却速率

• 壳体材料的热扩散率: 胶体二氧化硅壳 (~0.4 W/m·K) 比锆石壳冷却得慢 (~1.0 W/m·K).
  较慢的冷却可形成更精细的枝晶结构和更平滑的晶界 (~Ra 1–1.2 µm) 与较粗结构 (Ra 1.5–2.0 µm).
• 浇口位置和冷口: 策略性地放置寒意 (铜或钢) 减少热点, 由于收缩不均匀而减少表面波纹.

热点和表面波纹

• 大横截面内的放热芯: 局部热点可以延迟凝固, 当相邻的较薄部分较早凝固时，会产生微妙的表面“橙皮”纹理.
• 减轻: 使用绝缘进料或冷铁来控制局部凝固时间. 确保晶粒生长均匀, 保持表面光洁度 < RA 1.0 µm 关键区域.

外壳去除和清洁

机械外壳击倒 vs. 化学剥离

• 机械击倒: 振动锤击使外壳破裂, 但可以在金属表面嵌入细小的耐火碎片.
  最小的振动力减少了嵌入, 产生敲除后 Ra ~1.0–1.5 µm.
• 化学剥离 (熔盐浴, 酸性溶液): 无需机械力即可溶解二氧化硅基质, 通常保留更好的表面 (Ra 0.8–1.2 微米) 但需要严格的酸处理和处置协议.

残留耐火颗粒去除 (射击, 超声波)

• 射击: 使用玻璃珠 (200–400 微米) 在受控压力下 (30–50 psi) 去除残留颗粒和轻氧化皮, 表面细化至 Ra 0.8–1.0 µm.
  过度喷砂会导致表面喷丸, 改变微地形 (Ra~1.2微米).
• 超声波清洗: 洗涤剂水溶液中的空化可去除细小灰尘而不改变微观形状.
  通常用于粗糙度最小的医疗或航空航天铸件 (<RA 0.8 µm) 很关键.

5. 材料和合金注意事项

合金化学对表面氧化物和微观结构的影响

• 铝合金 (A356, A380): 快速氧化形成稳定的薄膜; 铸态晶界留下最小的起皱. Ra 可达 0.8–1.2 µm.
• 不锈钢 (316l, 17-4 ph): 浇注过程中形成钝化 Cr2O₃ 层; 微观结构 (铁矿与. 奥氏体比率) 影响“表面刻面”。 Ra 通常为 1.2–1.6 µm.
• 镍高温合金 (inconel 718): 液体较少, 更具反应性; 高温合金氧化物粘附更厚, 与壳合金反应可以诱导Ni“镀”在壳界面上.
  受控壳配方可将 Ra 降低至 1.6–2.0 µm.
• 钴基合金 (Cocmo): 更难, 铸造流动性较低; 表面光洁度通常约为 Ra 1.5–2.0 µm，除非投资外壳使用细晶粒的锆石/莫来石.

常见合金及其典型铸态表面处理

晶粒结构和收缩对表面纹理的影响

• 方向固化: 通过壳厚度和冷铁控制以实现均匀的晶粒尺寸 (<50 µm) 在表面上. 更细的颗粒产生更光滑的表面.
• 收缩冒口和热点: 不均匀凝固可能会在厚截面附近产生轻微的凹形“缩痕”或“凹坑”.
  适当的浇口和绝缘套管可减轻损害表面完整性的局部凸起 (保持Ra变化 < 0.3 零件直径 µm).

6. 铸造后表面处理

即使是最好的铸态表面处理也通常需要二次加工才能满足严格的规格. 以下是最常见的铸造后处理及其对表面光洁度的影响.

磨削和机械加工

• 工具 & 参数:

• • 碳化钨 & CBN 刀片 用于钢和高温合金; 铝用碳化钨工具.
  • 饲料率: 0.05–0.15 毫米/转用于车削; 0.02–0.08 毫米/转，用于铣削; 瞄准 Ra 时进给量低 < 0.4 µm.
  • 切削速度:

• • • 铝: 500–1000 米/米 (完成传球).
    • 防锈的: 100–200 m/I (完成传球).

• 表面完整性: 不正确的参数会引起颤振或积屑瘤, 将 Ra 提高至 1.0–1.5 µm. 优化参数实现 Ra 0.2–0.4 微米.

喷砂

• 媒体选择:

• • 玻璃珠 (150–300 µm): 产量更平滑, 哑光效果 (Ra 0.8–1.0 µm).
  • 氧化铝颗粒 (50–150 µm): 更具攻击性; 可以去除微小的表面凹坑，但可能会蚀刻合金, Ra 1.2–1.6 µm.
  • 陶瓷珠 (100–200 µm): 平衡去除和平滑; 不锈钢的理想选择, 达到 Ra 0.8–1.2 µm.

• 压力 & 角度: 30–50 psi，与表面成 45°–60° 时可实现一致清洁，无需过度喷丸.

抛光和抛光

• 连续的毅力进步:

• • 从 320–400 粒度开始 (Ra 1.0–1.5 µm) → 600–800 粒度 (Ra 0.4–0.6 微米) → 1200–2000 粒度 (Ra 0.1–0.2 微米).

• 抛光剂:

• • 氧化铝浆料 (0.3 µm) 最终完成.
  • 金刚石浆料 (0.1–0.05微米) 用于镜面 (RA < 0.05 µm).

• 设备: 旋转抛光轮 (用于凹面), 振动抛光机 (用于复杂型腔).
• 申请: 珠宝, 医疗植入物, 需要镜面反射的装饰部件.

化学和电化学表面处理

• 腌制: 酸性浴 (10–20% HCl) 去除水垢和亚表面氧化. 危险且需要中和. 典型的表面处理: Ra 改善自 1.5 µm 至 ~1.0 µm.
• 钝化 (用于不锈钢): 硝酸或柠檬酸处理去除游离铁, 增强Cr2O₃保护层; 净 Ra 降低 ~10–15%.
• 电力: 磷酸/硫酸电解液中的阳极溶解.
  优先平滑微小粗糙度, 达到 Ra 0.05–0.2 µm. 医疗常用, 航天, 和高纯度应用.

涂层和电镀

• 粉末涂料: 聚酯或环氧粉末, 固化至 50–100 µm 厚度. 填充微谷, 最终表面产生 Ra ~1.0–1.5 µm. 通常使用底漆来确保附着力.
• 电镀 (在, 铜, Zn): 化学镀镍 (〜2–5微米) Ra 通常为 0.4–0.6 µm. 需要预抛光至低 Ra 以避免微缺陷放大.
• 陶瓷涂料 (DLC, 物理气相沉积/化学气相沉积): 超薄 (< 2 µm) 和共形. 理想情况下 Ra < 0.05 磨损或滑动表面需要 µm.

7. 表面光洁度对性能的影响

机械性能: 疲劳, 穿, 应力集中

• 疲劳寿命: Ra 每加倍 (例如。, 从 0.4 µm至 0.8 µm) 可使疲劳强度降低约 5–10%. 尖锐的微峰充当裂纹萌生点.
• 戴阻力: 表面更光滑 (RA < 0.4 µm) 最大限度地减少滑动接触的磨料磨损. 较粗糙的表面处理 (RA > 1.2 µm) 捕获碎片, 加速二体磨损.
• 应力集中: 粗糙表面的微凹口在循环负载下集中应力.
  整理去除 >95% 微粗糙度对于高周疲劳零件至关重要 (例如。, 航空航天涡轮机壳体).

耐腐蚀性和涂层附着力

• 缝隙下的腐蚀: 粗糙的表面会形成含有水分或污染物的微缝隙, 加速局部腐蚀. 表面更光滑 (RA < 0.8 µm) 降低这种风险.
• 涂层附着力: 某些涂料 (例如。, 含氟聚合物涂料) 需要控制粗糙度 (Ra 1.0–1.5 µm) 实现机械联锁.
  如果太光滑 (RA < 0.5 µm), 需要附着力促进剂或底漆.

尺寸精度和装配配合

• 薄壁间隙公差: 在液压元件中, 一个 0.1 mm 间隙可以被微粗糙体占据，如果 Ra > 1.0 µm.
  机加工或精确的外壳控制可确保适当的间隙 (例如。, 活塞/气缸配合要求 Ra < 0.4 µm).
• 密封面: RA < 0.8 静密封面通常要求微米级 (管道法兰, 阀座); 更精细的Ra < 0.4 动态密封所需的微米数 (旋转轴).

美学和消费者认知

• 珠宝和装饰品: 镜面饰面 (RA < 0.05 µm) 传达奢华. 任何微小缺陷都会扭曲光反射, 降低感知价值.
• 建筑五金: 可见部分 (门把手, 斑块) 通常指定为 Ra < 0.8 µm 可防止变色并在直射照明下保持均匀的外观.

8. 行业特定要求

航天

• 发动机组件 (涡轮机壳, 瓦内斯): ra≤ 0.8 µm，防止空气动力学表面恶化并确保层流.
• 结构配件: ra≤ 1.2 µm 后铸, 然后机加工至 Ra ≤ 0.4 µm 用于疲劳关键部件.

医疗设备

• 植入物 (髋关节柄, 牙基台): ra≤ 0.2 µm 以最大限度地减少细菌粘附; 电抛光表面 (Ra 0.05–0.1 微米) 还增强生物相容性.
• 手术器械: ra≤ 0.4 µm 促进灭菌并防止组织堆积.

汽车

• 刹车卡钳 & 泵外壳: ra≤ 1.6 µm 铸态; 配合表面通常加工至 Ra ≤ 0.8 µm 确保适当的密封性和耐磨性.
• 美观的装饰: ra≤ 0.4 µm 后抛光或涂层可实现一致的油漆光泽和面板集成.

油 & 气体

• 阀体, 泵叶轮: 铸态 Ra ≤ 1.2 µm; 接触研磨液的表面有时会喷砂至 Ra 1.2–1.6 µm，以提高耐腐蚀性.
• 高压歧管: ra≤ 1.0 µm 可防止堆焊层或熔覆层下的微泄漏.

珠宝与艺术品

• 雕塑, 吊坠, 护身符: ra≤ 0.05 µm 用于镜面抛光——通常通过多级抛光和微砂磨料来实现.
• 古董饰面: 受控氧化 (轻拍) Ra ~0.8–1.2 µm 以突出细节.

9. 质量控制和检查

来料蜡模检验

• 目视检查: 寻找缩痕, 闪光线, 微弱的顶针痕迹.
• 轮廓测量法: 图案表面的随机采样; 可接受的 Ra ≤ 0.4 脱壳前 µm.

壳牌质量审核

• 壳厚均匀度: 关键部位的超声波测量; ±0.2毫米公差.
• 孔隙度检查: 小证人优惠券上的染料渗透剂; 任何 > 0.05 基层上的毫米孔引发返工.

铸态表面测量

• 接触式或非接触式轮廓测量: 在每个零件的五到十个位置测量 Ra——关键特征 (法兰, 密封面).
• 接受标准:

• • 关键航空航天零件: ra≤ 0.8 微米± 0.2 µm.
  • 医疗植入物: ra≤ 0.2 微米± 0.05 µm.
  • 一般工业: ra≤ 1.2 微米± 0.3 µm.

后处理后的最终检查

• 3D 地形测绘: 激光扫描整个表面; 识别局部高 Ra“尖峰”。
• 涂层附着力测试: 交叉影线, 拉力测试以验证特定 Ra 范围内的油漆或电镀性能.
• 微观图片分析: 扫描电子显微镜 (哪个) 确认关键表面不存在微裂纹或嵌入颗粒.

统计过程控制 (SPC)

• 控制图: 跟踪各个批次的 Ra — UCL/LCL 设置为过程平均值周围 ±1.5 µm.
• Cp/Cpk 分析: 确保工艺能力 (CP≥ 1.33) 针对关键表面特征.
• 持续改进: 失控信号的根本原因分析 (蜡缺陷, 外壳裂纹, 熔体温度异常) 减少变化.

10. 成本效益分析

权衡: Shell 复杂性 vs. 后期处理人工

• 优质外壳 (精细耐火材料, 额外的外套): 外壳成本增加 10–20 % 但可将铸后研磨/抛光减少 30–50 %.
• 基本外壳 (粗粒耐火材料, 更少的外套): 外壳成本降低 15 % 但为了达到相同的光洁度，会提高下游加工成本——如果需要大量返工，最终会提高零件总成本.

熔模铸造与熔模铸造的比较. 实体加工

• 薄壁, 复杂的几何形状: 铸造产生接近最终形状的 Ra 1.0 µm 铸态.
  锻造坯料的加工需要大量切削; 最终 Ra 0.4–0.8 µm，但材料和加工成本为 2–3 倍.
• 小批量原型: 3D打印的投资模式 (RA 2.0 µm) 可进行 CNC 后加工至 Ra 0.4 µm, 平衡交货时间和表面公差.

精益策略: 通过过程控制最大限度地减少表面返工

• 减少根本原因: 监控关键变量——蜡模温度, 壳室湿度, 浇注计划——使铸态 Ra 保持在目标 ± 范围内 0.2 µm.
• 综合规划: 协作设计审查可确保拔模角度和圆角避免容易出现波纹的薄截面.
• 模块化精加工单元: 喷砂专用单元, 研磨, 和电解抛光以集中专业知识并减少变异性, 切割返工废料 20 %.

11. 新兴技术和创新

增材制造 (3D 打印蜡/聚合物图案)

• 聚合图案 (SLA, 数字光处理): 提供层厚~ 25 µm; 打印 Ra 1.2–2.5 µm.
• 表面平滑技术: 蒸气平滑 (异丙醇, 丙酮) 将 Ra 降低至 ~ 0.8 脱壳前 µm. 减少对多层灰泥涂层的需求.

先进的外壳材料: 纳米二氧化硅, 树脂粘合壳

• 纳米颗粒浆料: 具有约 20 nm 颗粒的陶瓷溶胶可产生超光滑的底漆, 在图案上实现初始 Ra 0.3–0.5 µm.
• 树脂离子和沸石粘合剂: 提供更好的生坯强度和更少的空隙, 最大限度地减少微点蚀, 高温合金中的铸态 Ra 0.6–0.9 µm.

用于预测表面粗糙度的仿真和数字孪生

• 计算流体动力学 (参见): 模拟熔融金属流动, 预测与局部表面缺陷相关的再氧化区.
• 热固化建模: 预测局部冷却速率; 识别晶粒增大可能损坏表面的热点.
• 数字孪生反馈: 实时传感器数据 (外壳温度, 对于脾脏, 炉内气氛) 馈入预测算法——自动调整使 Ra 保持在 ± 0.1 µm.

壳牌建筑自动化, 浇注, 和清洁

• 机器人外壳浸渍站: 将浆料停留时间和灰泥施工厚度控制在±范围内 0.05 毫米.
• 自动浇注站: 精确测量熔体过热度和流量 (± 1 °C, ± 0.05 多发性硬化症), 最大限度地减少湍流.
• 超声波去壳和超声波清洗: 确保一致的外壳敲除和耐火材料去除, 产生可重复的 Ra ± 0.1 µm.

12. 结论

与其他铸造工艺相比，熔模铸造的特点是能够提供精细的表面细节.

但仍能获得并保持卓越的表面光洁度 (ra≤ 0.8 µm, 或更适合关键应用) 需要对每一个步骤进行严格控制——从蜡模设计到外壳建造, 铸件, 和后处理.

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