CN116198056A - 纤维复合材料的激光回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维复合材料的激光回收方法。包括以下步骤：将待回收材料放置透光容器中，放置后关闭所述透光容器使其密封；将激光器与所述透光容器内的所述待回收材料对应设置，设置离焦量；对所述透光容器内通入第一预设气体；启动激光器，对所述待回收材料进行激光扫描，分离所述待回收材料的各层纤维；各层纤维分离后，对所述透光容器内通入第二预设气体；其中，所述第二预设气体为氧气和惰性气体的混合气体；激光器对所述透光容器内的纤维进行扫描，清除纤维表面的树脂和积碳。各层纤维分离后，通入混合气体能够对分层后的纤维上表面残留的树脂和积碳进行清楚，并且不对纤维本身造成损伤，有利于进一步提高纤维的回收质量。

Description

纤维复合材料的激光回收方法

技术领域

本发明涉及纤维复合材料回收技术领域，特别是涉及一种纤维复合材料的激光回收方法。

背景技术

随着复合材料的发展，纤维增强复合材料具有许多优异的性能：质量轻，低密度，高强度，高刚度，耐腐蚀性强等，已经越来越广泛的被应用在航空航天，风力发电，汽车，体育娱乐等行业。随着各个行业对纤维复合材料需求的日益增长，纤维复合材料的废弃物也越来越多，然而由于热固性的纤维复合材料在固化成型时内部形成了不溶不熔的三维交联网状结构，使其废弃物难以降解，对环境和经济都会造成巨大的压力。

传统技术中，对于纤维复合材料的回收方法为机械回收、热解回收、化学回收、激光回收等方式，而现有的使用激光扫描方式对纤维复合材料进行回收时，回收后碳纤维力学性能差；回收过程中需要两种不同型号的激光器，成本昂贵；反应过程不可控。

发明内容

基于此，有必要提供一种纤维复合材料的激光回收方法，能够有效提高回收效率，提升纤维复合材料的回收质量。

其技术方案如下：一种纤维复合材料的激光回收方法，所述纤维复合材料的激光回收方法包括以下步骤：

将待回收材料放置透光容器中，放置后关闭所述透光容器使其密封；

将激光器与所述透光容器内的所述待回收材料对应设置，设置离焦量；

对所述透光容器内通入第一预设气体；其中，所述第一预设气体为惰性气体；

启动激光器，对所述待回收材料进行激光扫描，分离所述待回收材料的各层纤维；

各层纤维分离后，对所述透光容器内通入第二预设气体；其中，所述第二预设气体为氧气和惰性气体的混合气体；

激光器对所述透光容器内的纤维进行扫描，清除纤维表面的树脂和积碳。

上述纤维复合材料的激光回收方法，在工作过程中，激光器的光束透过透光容器对待回收材料进行激光扫描，由于热效应使待回收材料的温度升高，达到树脂基体热分解温度，使复合材料的各层纤维之间的树脂受纤维加热，分解气化，从而实现待回收材料中的各层纤维分离。在分离过程中，由于在密闭容器中通入了惰性气体能够形成无氧环境，有利于避免纤维氧化造成损伤，对纤维起保护作用，保证分离后纤维的力学性能。并且，在各层纤维分离后，通入混合气体能够对分层后的纤维上表面残留的树脂和积碳进行清除，无氧环境积碳无法通过氧化反应去除，通入少量氧气以实现积碳清除的同时，碳纤维未发生氧化反应，从而保护纤维，不对纤维本身造成损伤，有利于进一步提高纤维的回收质量。另外，处理过程无需更换激光器类型，步骤简单，操作便捷，有利于提高工作效率，降低分离回收成本。

在其中一个实施例中，所述第一预设气体为100％的氮气，所述第二预设气体为氧气和氮气的混合气体。

在其中一个实施例中，所述第二预设气体中，所述氧气的占比为0％～20％，所述氮气的占比为80％～100％。

在其中一个实施例中，所述步骤：将激光器与所述透光容器内的所述待回收材料对应设置，设置离焦量；具体包括以下步骤：

将激光器与待回收材料的上表面相对设置；

设置待回收材料的扫描区域；

通过激光测距仪测量激光器与待回收材料的距离，通过机械臂调整激光器与待回收材料的距离，设置离焦量。

在其中一个实施例中，所述离焦量的范围为25mm～35mm。

在其中一个实施例中，所述步骤：启动激光器，对所述待回收材料进行激光扫描，分离所述待回收材料的各层纤维；具体包括：

设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距、扫描次数；

启动激光器，按照扫描区域对待回收材料进行激光扫描；

扫描完成，分离待回收材料的各层纤维。

在其中一个实施例中，所述步骤：设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距、扫描次数中，所述输出功率的范围为30W～500W；所述脉冲重复频率的范围为40kHz～1000kHz；所述脉宽的范围为25ns～350ns；所述扫描速度为1000mm/s～6000mm/s；所述线间距的范围为0.01mm～1mm；所述扫描次数的范围为1-15次。

在其中一个实施例中，所述步骤：对所述透光容器内通入第一预设气体中，所述第一预设气体的通入流速为10ml/min～100ml/min。

在其中一个实施例中，所述步骤：各层纤维分离后，对所述透光容器内通入第二预设气体中，所述第二预设气体的通入流速为10ml/min～100ml/min。

在其中一个实施例中，所述步骤：激光器对所述透光容器内的纤维进行扫描，清除纤维表面的树脂和积碳中，具体包括以下步骤：

再次设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距、扫描次数；

启动激光器，对分离后的纤维进行激光扫描；

扫描完成，回收各层纤维。

在其中一个实施例中，所述步骤：再次设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距、扫描次数中，所述输出功率的范围为50W-80W；所述脉冲重复频率的范围为40kHz～100kHz；所述脉宽的范围为25ns～350ns；所述扫描速度为1000mm/s～3000mm/s；所述线间距的范围为0.01mm～0.03mm；所述扫描次数的范围为1-15次。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中所述的纤维复合材料的激光回收方法的整体步骤流程图一;

图2为一实施例中所述的纤维复合材料的激光回收方法的步骤流程图二。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参阅图1，图1示出了本发明一实施例中所述的纤维复合材料的激光回收方法的整体步骤流程图一；本发明一实施例提供了的一种纤维复合材料的激光回收方法，所述纤维复合材料的激光回收方法包括以下步骤：

S10：将待回收材料放置透光容器中，放置后关闭所述透光容器使其密封；

S20：将激光器与所述透光容器内的所述待回收材料对应设置，设置离焦量；

S30：对所述透光容器内通入第一预设气体；其中，所述第一预设气体为惰性气体；

S40：启动激光器，对所述待回收材料进行激光扫描，分离所述待回收材料的各层纤维；

S50：各层纤维分离后，对所述透光容器内通入第二预设气体；其中，所述第二预设气体为氧气和惰性气体的混合气体；

S60：激光器对所述透光容器内的纤维进行扫描，清除纤维表面的树脂和积碳。

上述纤维复合材料的激光回收方法，在工作过程中，激光器的光束透过透光容器对待回收材料进行激光扫描，由于热效应使待回收材料的温度升高，达到树脂基体热分解温度，使复合材料的各层纤维之间的树脂受纤维加热，分解气化，从而实现待回收材料中的各层纤维分离。在分离过程中，由于在密闭容器中通入了惰性气体能够形成无氧环境，有利于避免纤维氧化造成损伤，对纤维起保护作用，保证分离后纤维的力学性能。并且，在各层纤维分离后，通入混合气体能够对分层后的纤维上表面残留的树脂和积碳进行清除，无氧环境积碳无法通过氧化反应去除，通入少量氧气以实现积碳清除的同时，碳纤维未发生氧化反应，从而保护纤维，不对纤维本身造成损伤，有利于进一步提高纤维的回收质量。另外，处理过程无需更换激光器类型，步骤简单，操作便捷，有利于提高工作效率，降低分离回收成本。

可选地，所述待回收材料中纤维可以是碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、天然纤维、芳纶纤维或其它纤维材料类型。具体在本实施例中，待回收材料为碳纤维。

可选地，第一预设气体中的惰性气体可以为氮气、氩气、氦气、氖气、氪气或其它惰性气体类型。同样地，第二预设气体中的惰性气体可以为氮气、氩气、氦气、氖气、氪气或其它惰性气体类型。

具体地，所述第一预设气体为100％的氮气，所述第二预设气体为氧气和氮气的混合气体。如此，激光回收碳纤维复合材料时，空气中的氧气会对碳纤维造成氧化损伤，这是造成碳纤维力学性能下降的主要原因之一。在激光回收过程中向密封透光容器中通入惰性气体，能够制造无氧环境从而保护碳纤维。在100％的氮气的气体和环境中进行加工，可以在最大程度上减少分层处理过程碳纤维的氧化反应，有利于进一步提高碳纤维回收后的力学性能。

在一个实施例中，所述第二预设气体中，所述氧气的占比为0％～20％，所述氮气的占比为80％～100％。进一步地，所述氧气的占比为2％～8％，所述氮气的占比为92％～98％，能够取得较好的处理效果。例如，第二预设气体中，氧气占比为5％，氮气的占比为95％。如此，在表面处理阶段使用占比5％氧气配合占比95％氮气的混合气体进行加工，有利于实现积碳完全热解，且几乎不损伤碳纤维的力学性能，进一步保证纤维的力学性能。

可选地，透光容器的材质可以是多种类型，如硼硅酸盐玻璃、石英玻璃、高铝玻璃、钙钠玻璃、无碱玻璃或其它玻璃材质。

具体地，透光容器的材质为硼硅酸盐玻璃。如此，硼硅酸盐玻璃的透光率达92％。硼硅酸盐玻璃具有高透光性、耐高温性等优点，有利于提高透光容器的使用寿命，同时不影响激光加工复合材料的效果。

请参阅图2，图2示出了本发明一实施例中所述的纤维复合材料的激光回收方法的步骤流程图二，在一个实施例中，所述步骤：S20：将激光器与所述透光容器内的所述待回收材料对应设置，设置离焦量；具体包括以下步骤：

S21：将激光器与待回收材料的上表面相对设置；

S22：设置待回收材料的扫描区域；

S23：通过激光测距仪测量激光器与待回收材料的距离，通过机械臂调整激光器与待回收材料的距离，设置离焦量。

如此，将待回收材料放在透光容器中后，根据激光测距仪确定激光器光束焦点位置，通过机械臂控制面板控制机械臂的位置，调整激光器与待回收材料的距离，从而调整离焦量。离焦量越大光斑面积越大，扫描效率越高，能量密度越低。并且，有利于保证控制精度，能够得到较为合适的分离效果，使得各层纤维分离的同时不对表层以下的纤维层造成损伤，有利于提高工作效率和材料回收价值。

可选地，所述扫描区域的形状可以为圆形、矩形、椭圆形、三角形或其它不规则形状。

具体在本实施例中，扫描区域为矩形。如此，能够对不同的待回收材料，设置相应的扫描区域形状，从而提高材料的回收利用率，避免待回收材料的浪费。

在其中一个实施例中，所述离焦量的范围为25mm～35mm。如此，在此范围内，激光器能够对氮气环境中的待回收材料实现单层纤维的逐层分离或各层同时分层，并不对纤维材料本身产生较大损伤，保证纤维复合材料的分离质量。

具体地，离焦量为+30mm。如此，在此离焦量下，激光器能够达到较为合适的分离效果和效率，且待回收材料的纤维几乎无损伤，保证纤维材料的回收品质。

其中，待回收材料的分离过程，可以为一层一层逐层分离，能够保证回收得到的各层纤维的力学性能保持一致，或每次扫描后分离两层及以上纤维，扫描多次分离所有纤维，能够提高纤维的分层效率。又或者是一次扫描过程同时分离所有纤维，进一步提高分层效率。

在一个实施例中，所述步骤：S40：启动激光器，对所述待回收材料进行激光扫描，分离所述待回收材料的各层纤维；具体包括：

S41：设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距、扫描次数；

S42：启动激光器，按照扫描区域对待回收材料进行激光扫描；

S43：扫描完成，分离待回收材料的各层纤维。

如此，针对不同的分离方式，通过设置相应的加工调控参数，能够实现待回收材料的逐层分离回收或同时分离回收，在回收纤维的同时，不会因为能量过大导致表层和中层纤维造成损伤，保证纤维材料的回收质量。

在一个实施例中，所述步骤：S41：设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距、扫描次数中，所述输出功率的范围为30W～500W；所述脉冲重复频率的范围为40kHz～1000kHz；所述脉宽的范围为25ns～350ns；所述扫描速度为1000mm/s～6000mm/s；所述线间距的范围为0.01mm～1mm；所述扫描次数的范围为1-15次。如此，在此调控参数下，在氮气的工作环境中，采用较低扫描速度，较高频率，有利于使得所述待回收材料受热均匀。采用较小的线间距，较高的频率，有利于提升基体清除效率。

具体地，采用分层的工艺参数对碳纤维复合材料进行分层处理，采用+30mm离焦量、125W功率、50kHZ频率、100ns脉宽、2000mm/s扫描速度、0.01mm线间距工艺参数，能够有效使碳纤维复合材料分层。

在一个实施例中，所述步骤：S30：对所述透光容器内通入第一预设气体中，所述第一预设气体的通入流速为10ml/min～100ml/min。具体地，第一预设气体的通入流速为60ml/min，有利于够达到较为合适的效果与效率，使得氮气快速完全充满密闭容器。

在一个实施例中，所述步骤：S30：对所述透光容器内通入第一预设气体中，第一预设气体通入的时间在10min～15min，如此，有利于确保密封装置内空气完全排除。

在一个实施例中，所述步骤：S50：各层纤维分离后，对所述透光容器内通入第二预设气体中，所述第二预设气体的通入流速为10ml/min～100ml/min。具体地，第二预设气体的通入流速为60ml/min，有利于够达到较为合适的效果与效率，使得混合气体快速完全充满密闭容器。

进一步地，所述步骤：S50：各层纤维分离后，对所述透光容器内通入第二预设气体中，第二预设气体通入的时间在10min～15min，如此，有利于确保密封装置内的气体均为第二预设气体，且保证气体含量配比为预设值。

在一个实施例中，所述步骤：S60：激光器对所述透光容器内的纤维进行扫描，清除纤维表面的树脂和积碳中，具体包括以下步骤：

S61：再次设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距、扫描次数；

S62：启动激光器，对分离后的纤维进行激光扫描；

S63：扫描完成，回收各层纤维。

如此，只需调整工作参数，无需更换激光器类型，即可进行后处理操作，对分离后纤维上残留的积碳和树脂进行清除，有利于提高工作效率和操作便利性。

进一步地，所述步骤：S61：再次设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距、扫描次数中，所述输出功率的范围为50W-80W；所述脉冲重复频率的范围为40kHz～100kHz；所述脉宽的范围为25ns～350ns；所述扫描速度为1000mm/s～3000mm/s；所述线间距的范围为0.01mm～0.03mm；所述扫描次数的范围为1-15次。

具体地，根据工艺参数调控规律，采用清除树脂和积碳而不损伤纤维的工艺参数对分层后的碳纤维进行表面处理，采用+30mm离焦量、65W功率、50kHZ频率、100ns脉宽、2000mm/s扫描速度、0.02mm线间距工艺参数，能够有效清除表面积碳而不损伤纤维。

进一步地，步骤：S60：激光器对所述透光容器内的纤维进行扫描，清除纤维表面的树脂和积碳中，还包括：

将分层后的纤维翻面，对纤维反面进行扫描。如此，根据实际预处理后的碳纤维表面树脂残余量进行调整，正反至少各一次扫描有利于清除纤维两面的积碳和树脂。

可选地，所述激光器可以为CO₂激光器、Nd：YAG激光器、半导体激光器、光纤激光器或其它激光器类型。

可选地，所述激光器的光束类型为高斯光束、平顶光束或其它激光束类型。

具体地，激光器激发的光束为平顶光束。平顶光束是一种能量分布曲线平整而均匀的光束，在中心呈更高强度的高斯型分布。光束形状可以是任何形状：圆形、方形、线形、矩形或其他形状。加工区域的尺寸独立于激光脉冲能量，使锐利的边缘具有一致的性能，与高斯光束相比，平顶光束轮廓中没有两翼，但具有较陡的边缘过渡，因此能量传输效率更高，并且热影响区更小，从而有利于提高分离效率，保证分离后纤维的质量。

具体在本实施例中，激光器优选波长1064nm的红外光纤脉冲激光器。如此，具有较短的波长和较短的脉冲持续时间，输出功率高，脉宽窄，激光阈值低，输出光束质量好，易于系统集成，有利于对于不同的步骤调整激光束的输出功率，提高工作精度和分离效率。本实施例仅提供一种激光器的具体选择，但并不以此为限。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种纤维复合材料的激光回收方法，其特征在于，所述纤维复合材料的激光回收方法包括以下步骤：

将待回收材料放置透光容器中，放置后关闭所述透光容器使其密封；

将激光器与所述透光容器内的所述待回收材料对应设置，设置离焦量；

对所述透光容器内通入第一预设气体；其中，所述第一预设气体为惰性气体；

启动激光器，对所述待回收材料进行激光扫描，分离所述待回收材料的各层纤维；

各层纤维分离后，对所述透光容器内通入第二预设气体；其中，所述第二预设气体为氧气和惰性气体的混合气体；

激光器对所述透光容器内的纤维进行扫描，清除纤维表面的树脂和积碳。

2.根据权利要求1所述的纤维复合材料的激光回收方法，其特征在于，所述第一预设气体为100％的氮气，所述第二预设气体为氧气和氮气的混合气体。

3.根据权利要求2所述的纤维复合材料的激光回收方法，其特征在于，所述第二预设气体中，所述氧气的占比为0％～20％，所述氮气的占比为80％～100％。

4.根据权利要求1所述的纤维复合材料的激光回收方法，其特征在于，所述步骤：将激光器与所述透光容器内的所述待回收材料对应设置，设置离焦量；具体包括以下步骤：

将激光器与待回收材料的上表面相对设置；

设置待回收材料的扫描区域；

通过激光测距仪测量激光器与待回收材料的距离，通过机械臂调整激光器与待回收材料的距离，设置离焦量。

5.根据权利要求4所述的纤维复合材料的激光回收方法，其特征在于，所述离焦量的范围为25mm～35mm。

6.根据权利要求1所述的纤维复合材料的激光回收方法，其特征在于，所述步骤：启动激光器，对所述待回收材料进行激光扫描，分离所述待回收材料的各层纤维；具体包括：

设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距、扫描次数；

启动激光器，按照扫描区域对待回收材料进行激光扫描；

扫描完成，分离待回收材料的各层纤维。

7.根据权利要求1所述的纤维复合材料的激光回收方法，其特征在于，所述步骤：设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距、扫描次数中，所述输出功率的范围为30W～500W；所述脉冲重复频率的范围为40kHz～1000kHz；所述脉宽的范围为25ns～350ns；所述扫描速度为1000mm/s～6000mm/s；所述线间距的范围为0.01mm～1mm；所述扫描次数的范围为1-15次。

8.根据权利要求1所述的纤维复合材料的激光回收方法，其特征在于，所述步骤：对所述透光容器内通入第一预设气体中，所述第一预设气体的通入流速为10ml/min～100ml/min；和/或，

所述步骤：各层纤维分离后，对所述透光容器内通入第二预设气体中，所述第二预设气体的通入流速为10ml/min～100ml/min。

9.根据权利要求1所述的纤维复合材料的激光回收方法，其特征在于，所述步骤：激光器对所述透光容器内的纤维进行扫描，清除纤维表面的树脂和积碳中，具体包括以下步骤：

再次设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距、扫描次数；

启动激光器，对分离后的纤维进行激光扫描；

扫描完成，回收各层纤维。

10.根据权利要求9所述的纤维复合材料的激光回收方法，其特征在于，所述步骤：再次设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距、扫描次数中，所述输出功率的范围为50W-80W；所述脉冲重复频率的范围为40kHz～100kHz；所述脉宽的范围为25ns～350ns；所述扫描速度为1000mm/s～3000mm/s；所述线间距的范围为0.01mm～0.03mm；所述扫描次数的范围为1-15次。

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