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DE102023003409A1 - Bausatz, Baugruppe, Batteriemodul und Verfahren zum Fügen der Baugruppe - Google Patents

Bausatz, Baugruppe, Batteriemodul und Verfahren zum Fügen der Baugruppe Download PDF

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DE102023003409A1
DE102023003409A1 DE102023003409.6A DE102023003409A DE102023003409A1 DE 102023003409 A1 DE102023003409 A1 DE 102023003409A1 DE 102023003409 A DE102023003409 A DE 102023003409A DE 102023003409 A1 DE102023003409 A1 DE 102023003409A1
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DE
Germany
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welding
assembly
joining
web
Prior art date
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DE102023003409.6A
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English (en)
Inventor
Lars Schürrlein
Patrick Ruft
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bausatz zur Herstellung einer Baugruppe, umfassend ein erstes Bauteil (1), ein zweites Bauteil (2) und ein drittes Bauteil (3), wobei das erste Bauteil (1), das zweite Bauteil (2) und das dritte Bauteil (3) zumindest abschnittsweise flächig ausgebildet sind, wobei das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) jeweils einen Schweißsteg (4, 5) aufweisen, in dessen Bereich eine Dicke des ersten Bauteils (1) beziehungsweise des zweiten Bauteils (2) reduziert ist, wobei der Schweißsteg (4) am ersten Bauteil (1) höher ausgeführt ist als am zweiten Bauteil (2). Die Erfindung betrifft ferner eine Baugruppe, hergestellt durch Fügen der Teile des Bausatzes, wobei das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) einander parallel und benachbart angeordnet sind, wobei die Schweißstege (4, 5) des ersten Bauteils (1) und des zweiten Bauteils (2) in dieselbe Richtung weisen, wobei das dritte Bauteil (3) parallel zu einer Flächennormalen des ersten Bauteils (1) und des zweiten Bauteils (2) angeordnet ist, so dass der Schweißsteg (4) des ersten Bauteils (1) und der Schweißsteg (5) des zweiten Bauteils (2) an das dritte Bauteil (3) angrenzen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Fügen der Baugruppe unter Verwendung des Bausatzes.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Bausatz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Baugruppe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4, ein Batteriemodul gemäß Anspruch 5 und ein Verfahren zum Fügen der Baugruppe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
  • EP 2 795 713 B1 beschreibt ein Batteriemodul, umfassend ein Batteriemodulgehäuse mit Teilen aus Kunststoff und mehrere prismatische Batteriezellen, die ein Zellgehäuse mit vier Seitenwänden aufweisen, wobei zwei parallele Seitenwände größer sind als die beiden anderen Seitenwände, wobei - das Batteriemodulgehäuse ein Kühlsystem mit einer Kanalstruktur und einem fluiden Kühlmittel umfasst, - die Kanalstruktur mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass des Batteriemodulgehäuses in Fluidverbindung steht, - zwischen zwei benachbarten Batteriezellen eine Zwischenwand aus Kunststoff parallel zu den größeren Seitenwänden der Batteriezelle angeordnet ist, - ein Kanal der Kanalstruktur wenigstens teilweise in der Zwischenwand verläuft und mittels einer Ausnehmung der Zwischenwand gebildet ist, die mindestens zu einer benachbarten Seitenwand der Batteriezelle hin offen ist, - zwischen der Seitenwand der Batteriezelle und der Zwischenwand eine Kunststofftrennschicht, deren Material bevorzugt verschieden ist von dem Material der Zwischenwand und deren Dicke geringer ist als die Dicke der Zwischenwand, derart angeordnet ist, dass der mittels der Ausnehmung gebildete Kanal des Kühlsystems durch die Kunststofftrennschicht geschlossen ist, - die Zwischenwand einen Zwischenwandboden umfasst, der wenigstens teilweise unter die Batteriezellen ragt und bevorzugt gemeinsam mit anderen Zwischenwandböden den Boden des Batteriemodulgehäuses bildet, wobei die Zwischenwandböden bevorzugt derart korrespondieren, dass sie ineinandergreifen und besonders bevorzugt miteinander verrasten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Lösung für eine Baugruppe, insbesondere als Teil eines Batteriemoduls, und zu deren Herstellung anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Bausatz mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 4, durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und durch ein Verfahren zum Fügen der Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Es wird ein Bausatz zur Herstellung einer Baugruppe vorgeschlagen, umfassend ein erstes Bauteil, ein zweites Bauteil und ein drittes Bauteil. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das erste Bauteil, das zweite Bauteil und das dritte Bauteil zumindest abschnittsweise flächig ausgebildet sind, wobei das erste Bauteil und das zweite Bauteil jeweils einen Schweißsteg aufweisen, in dessen Bereich eine Dicke des ersten Bauteils beziehungsweise des zweiten Bauteils reduziert ist, wobei der Schweißsteg am ersten Bauteil höher ausgeführt ist als am zweiten Bauteil. Anders ausgedrückt ist der Schweißsteg am ersten Bauteil länger ausgebildet als der Schweißsteg am zweiten Bauteil, beispielsweise bei einer Querschnittsansicht des Bausatzes.
  • In einer Ausführungsform weist der Schweißsteg des zweiten Bauteils auf einer Seite, die in einer Montageposition dazu bestimmt ist, in Richtung des ersten Bauteils zu weisen, eine Fase, beispielsweise eine abgeschrägte Fläche bei einer Seitenansicht der Baugruppe, auf, die beispielsweise einen Winkel von etwa 10 Grad, beispielsweise einen Winkel von 10 Grad, zur übrigen Fläche des zweiten Bauteils betragen kann. Anders ausgedrückt kann ein Winkel von etwa 10 Grad zwischen einer Außenseite eines ersten Schweißstegs zu einer Außenseite eines zweiten Schweißstegs aufgespannt sein.
  • In einer Ausführungsform ist der Schweißsteg am ersten Bauteil um etwa 0,2 mm höher ausgeführt als am zweiten Bauteil. Der erste Schweißsteg am ersten Bauteil kann um 0,2 mm länger ausgebildet sein als der zweite Schweißsteg am zweiten Bauteil.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Baugruppe vorgeschlagen, hergestellt durch Fügen der Teile des Bausatzes wie oben beschrieben, wobei das erste Bauteil und das zweite Bauteil einander parallel und benachbart angeordnet werden/sind, wobei die Schweißstege des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils in dieselbe Richtung weisen, wobei das dritte Bauteil parallel zu einer Flächennormalen des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils angeordnet wird/ist, so dass der Schweißsteg des ersten Bauteils und der Schweißsteg des zweiten Bauteils an das dritte Bauteil angrenzen oder mit diesem verschmolzen werden/sind.
  • Die Baugruppe kann beispielsweise Teil eines Batteriemoduls sein. Das Batteriemodul kann beispielsweise Teil einer Antriebsbatterie für ein Fahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen, ein Nutzfahrzeug oder ein Bus, sein.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Fügen einer Baugruppe wie oben beschrieben unter Verwendung eines Bausatzes wie oben beschrieben vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird/ist das dritte Bauteil am Schweißsteg des ersten Bauteils anliegend parallel zu einer Flächennormalen des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils und vom Schweißsteg des zweiten Bauteils beabstandet angeordnet, wobei ein Schweißprozess ausgeführt wird, bei dem das dritte Bauteil in der Nähe der Schweißstege des ersten und zweiten Bauteils zumindest teilweise aufgeschmolzen wird/ist, wobei auf das dritte Bauteil in Richtung des ersten und des zweiten Bauteils eine Fügekraft ausgeübt wird, wobei vom dritten Bauteil mit zunehmenden Setzweg bei Ausübung der Fügekraft der Schweißsteg des zweiten Bauteils erreicht und mit dem noch verbleibenden Setzweg mit aufgeschmolzen wird.
  • In einer Ausführungsform wird der Schweißprozess mittels eines Laserstrahls ausgeführt.
  • In einer Ausführungsform beträgt der Setzweg des ersten Bauteils 0,3 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,4 mm.
  • In einer Ausführungsform beträgt ein Setzweg des zweiten Bauteils 0,2 mm bis 0,4mm, vorzugsweise 0,3 mm.
  • In einer Ausführungsform beträgt eine Laserleistung des Laserstrahls beim Schweißen etwa 360 Watt bis 420 Watt.
  • In einer Ausführungsform beträgt die Fügekraft etwa 4 N/mm2.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Lösung zum Einbringen, Befestigen (insbesondere Verschweißen) und Abdichten eines dritten Bauteils innerhalb eines mediendichten Batteriemoduls mit einem ersten und einem zweiten Bauteil bereit, um einen definierten Kühlmedienfluss ohne Leckagen zu ermöglichen. Durch die gleichzeitige Verschweißung der Bauteile kann ein separater Montage- und/oder Schweißprozess als auch eine weitere Dichtmaßnahme eingespart werden. Das Design ermöglicht eine Bauraumeinsparung im Längs- und Quer-Bereich sowie Kosten- und Zeitersparnis im Fertigungsprozess.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine zusätzliche Dichtung eingespart. Ferner wird ein zusätzlicher Fertigungsprozess eingespart. Darüber hinaus wird Bauraum durch Verschachtelung der Fügepartner eingespart. Ferner wird die Schweißverbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem dritten Bauteil verstärkt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht eines ersten Bauteils, eines zweiten Bauteils und eines dritten Bauteils beim Fügen der drei Bauteile, und
    • 2 eine schematische Ansicht des ersten Bauteils, des zweiten Bauteils und des dritten Bauteils nach dem Fügen der drei Bauteile.
  • Einander entsprechende Teile sind in beiden Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines ersten Bauteils 1, eines zweiten Bauteils 2 und eines dritten Bauteils 3 beim Fügen der drei Bauteile 1, 2, 3.
  • Die drei Bauteile 1, 2, 3 oder Fügepartner weisen eine spezielle geometrische Auslegung und Anordnung auf, um prozesssicher eine stoffschlüssige und mediendichte Schweißnaht in einem Prozessschritt zu generieren.
  • Dabei wird das dritte Bauteil 3 mit dem ersten Bauteil 1 und dem zweiten Bauteil 2 in einem Arbeitsgang verschweißt.
  • Die Bauteile 1, 2, 3 können Teile eines Batteriemoduls sein. Die stoffschlüssige Verbindung des ersten Bauteils 1 und des dritten Bauteils 3 ist kritisch für die Dichtheit des Gesamtsystems (Batteriemodul), um ein Austreten eines Kühlmediums (Lifetime Befüllung) aus dem Batteriemodul zu verhindern.
  • Die Verbindung des zweiten Bauteils 2 und des dritten Bauteils 3 ist kritisch für den Kühlmedienfluss innerhalb des Batteriemoduls und sorgt für eine definierte Strömungsrichtung (Kühlebenen im Batteriemodul) ohne modulinterne Leckagestellen zwischen den Fügepartnern (erstes Bauteil 1 und zweites Bauteil 2).
  • Das erste Bauteil 1 und das zweite Bauteil 2 sind beispielsweise zumindest abschnittsweise flächig ausgebildet und einander parallel und benachbart angeordnet, so wie es beispielsweise in den 1 und 2 veranschaulicht ist. Zur Ausbildung einer Fügestelle weisen das erste Bauteil 1 und das zweite Bauteil 2 jeweils einen Schweißsteg 4, 5 auf, in dessen Bereich eine Dicke, beispielsweise Materialstärke, des ersten Bauteils 1 beziehungsweise des zweiten Bauteils 2 reduziert ist. Die Schweißstege 4, 5 des ersten Bauteils 1 und des zweiten Bauteils 2 weisen in dieselbe Richtung. Das dritte Bauteil 3 ist beispielsweise zumindest abschnittsweise flächig ausgebildet und beispielsweise parallel zu einer Flächennormalen des ersten Bauteils 1 und des zweiten Bauteils 2 angeordnet, so dass der Schweißsteg 4 des ersten Bauteils 1 und der Schweißsteg 5 des zweiten Bauteils 2 zumindest nach dem Fügen mit dem dritten Bauteil 3 an dieses angrenzen.
  • Um die Verbindung der Bauteile 1, 2, 3 untereinander sicherzustellen ist der Schweißsteg 4 am ersten Bauteil 1 höher ausgeführt, beispielsweise um 0,2 mm höher (inklusive Toleranzgrenzlagen) als der Schweißsteg 5 am zweiten Bauteil 2. Damit wird in jedem Fall die Systemdichtheit des Batteriemoduls sichergestellt. Zu Beginn des Schweißvorgangs liegt das dritte Bauteil 3 daher am Schweißsteg 4 des ersten Bauteils 1 an und ist vom Schweißsteg 5 des zweiten Bauteils 2 beabstandet. Im Laufe des Schweißprozesses, bei dem das dritte Bauteil 3 in der Nähe der Schweißstege 4, 5 des ersten und zweiten Bauteils 1, 2 zumindest teilweise aufgeschmolzen ist/wird, beispielsweise mittels eines Laserstrahls L, wird mit zunehmenden Setzweg SW1 (in 2 dargestellt) und einer auf das dritte Bauteil 3 in Richtung des ersten und des zweiten Bauteils 1, 2, ausgeübten Fügekraft F der Schweißsteg 5 des zweiten Bauteils 2 erreicht und mit dem noch verbleibenden Setzweg SW1 der Fügeoperation mit aufgeschmolzen.
  • Der Schweißsteg 5 des zweiten Bauteils 2 weißt innenliegend, das heißt in Richtung des ersten Bauteils 1 eine Fase 6 auf, die die Schmelze in Richtung des ersten Bauteils 1 leitet, um den vorgehaltenen Zwischenraum zwischen den Enden der Schweißstege 4, 5 des ersten Bauteils 1 und des zweiten Bauteils 2 zu füllen, zusätzlich abzudichten und eine daraus resultierende Naht, die die Gesamtbreite des ersten Bauteils 1 und des zweiten Bauteils 2 aufweist, zu unterstützen. Gleichzeitig dient die Verbindung des zweiten Bauteils 2 und des dritten Bauteils 3 als Zugentlastung für auftretende Spannungen zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem dritten Bauteil 3 bei Beaufschlagung mit Innendruck durch einen Kühlmittelstrom, der beispielsweise zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem zweiten Bauteil 2 geführt sein kann. Es können mittels eines Schweißverfahrens effizient drei Bauteile miteinander gefügt werden.
  • 2 ist eine schematische Ansicht des ersten Bauteils 1, des zweiten Bauteils 2 und des dritten Bauteils 3 nach dem Fügen der drei Bauteile 1, 2, 3.
  • Der Setzweg SW1 des ersten Bauteils 1 kann beispielsweise 0,3 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,4 mm, betragen.
  • Ein Setzweg SW2 des zweiten Bauteils 2 kann beispielsweise 0,2 mm bis 0,4mm, vorzugsweise 0,3 mm, betragen.
  • Ein erster Setzweg SW1 des ersten Bauteils 1 kann größer sein als ein zweiter Setzweg SW2 des zweiten Bauteils 2.
  • Die Fase 6 am Schweißsteg 5 des zweiten Bauteils 2 kann beispielsweise etwa 10 Grad, beispielsweise 10 Grad, zur übrigen Fläche des zweiten Bauteils 2 betragen.
  • Eine Laserleistung des Laserstrahls L beim Schweißen kann beispielsweise etwa 360 Watt bis 420 Watt betragen.
  • Der Innendruck des Kühlmediums, beispielsweise Öl, kann beispielsweise etwa 200 Millibar (mbar) bis 250 mbar, beispielsweise 220 mbar, betragen.
  • Die Fügekraft F kann beispielsweise etwa 4 N/mm2 betragen.
  • Das erste Bauteil 1, das zweite Bauteil 2 und das dritte Bauteil 3 können beispielsweise aus einem Polymer, insbesondere ein glasfaserverstärktes Polyamid, gebildet sein.
  • Das Batteriemodul kann beispielsweise Teil einer Antriebsbatterie für ein (Elektro-)Fahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen, ein Nutzfahrzeug oder ein Bus, sein.
  • Die hierin in Bezug auf einen Bausatz beschriebenen Merkmale und deren Vorteile können sich ebenso auf eine hierin beschriebene Baugruppe, ein hierin beschriebenes Batteriemodul und ein hierin beschriebenes Verfahren beziehen und umgekehrt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    erstes Bauteil
    2
    zweites Bauteil
    3
    drittes Bauteil
    4
    Schweißsteg
    5
    Schweißsteg
    6
    Fase
    F
    Fügekraft
    L
    Laserstrahl
    SW1
    Setzweg
    SW2
    Setzweg
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2 795 713 B1 [0002]

Claims (10)

  1. Bausatz zur Herstellung einer Baugruppe, umfassend ein erstes Bauteil (1), ein zweites Bauteil (2) und ein drittes Bauteil (3), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1), das zweite Bauteil (2) und das dritte Bauteil (3) zumindest abschnittsweise flächig ausgebildet sind, wobei das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) jeweils einen Schweißsteg (4, 5) aufweisen, in dessen Bereich eine Dicke des ersten Bauteils (1) beziehungsweise des zweiten Bauteils (2) reduziert ist, wobei der Schweißsteg (4) am ersten Bauteil (1) höher ausgeführt ist als am zweiten Bauteil (2).
  2. Der Bausatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißsteg (5) des zweiten Bauteils (2) auf einer Seite, die in einer Montageposition dazu bestimmt ist, in Richtung des ersten Bauteils (1) zu weisen, eine Fase (6) aufweist, die beispielsweise etwa 10 Grad zur übrigen Fläche des zweiten Bauteils (2) beträgt.
  3. Der Bausatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißsteg (4) am ersten Bauteil (1) um etwa 0,2 mm höher ausgeführt ist als am zweiten Bauteil (2).
  4. Baugruppe, hergestellt durch Fügen der Teile des Bausatzes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) einander parallel und benachbart angeordnet sind, wobei die Schweißstege (4, 5) des ersten Bauteils (1) und des zweiten Bauteils (2) in dieselbe Richtung weisen, wobei das dritte Bauteil (3) parallel zu einer Flächennormalen des ersten Bauteils (1) und des zweiten Bauteils (2) angeordnet ist, so dass der Schweißsteg (4) des ersten Bauteils (1) und der Schweißsteg (5) des zweiten Bauteils (2) an das dritte Bauteil (3) angrenzen.
  5. Batteriemodul, umfassend mindestens eine Baugruppe nach Anspruch 4.
  6. Verfahren zum Fügen einer Baugruppe nach Anspruch 4 unter Verwendung eines Bausatzes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Bauteil (3) am Schweißsteg (4) des ersten Bauteils (1) anliegend parallel zu einer Flächennormalen des ersten Bauteils (1) und des zweiten Bauteils (2) und vom Schweißsteg (5) des zweiten Bauteils (2) beabstandet angeordnet wird, wobei ein Schweißprozess ausgeführt wird, bei dem das dritte Bauteil (3) in der Nähe der Schweißstege (4, 5) des ersten und zweiten Bauteils (1, 2) zumindest teilweise aufgeschmolzen wird, wobei auf das dritte Bauteil (3) in Richtung des ersten und des zweiten Bauteils (1, 2) eine Fügekraft (F) ausgeübt wird, wobei vom dritten Bauteil (3) mit zunehmenden Setzweg (SW1) bei Ausübung der Fügekraft (F) der Schweißsteg (5) des zweiten Bauteils (2) erreicht und mit dem noch verbleibenden Setzweg (SW1) mit aufgeschmolzen wird.
  7. Das Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißprozess mittels eines Laserstrahls (L) ausgeführt wird.
  8. Das Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Setzweg (SW1) des ersten Bauteils (1) 0,3 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,4 mm, beträgt.
  9. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Setzweg (SW2) des zweiten Bauteils (2) 0,2 mm bis 0,4 mm, vorzugsweise 0,3 mm, beträgt.
  10. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserleistung des Laserstrahls (L) beim Schweißen etwa 360 Watt bis 420 Watt beträgt und/oder dass die Fügekraft (F) etwa 4 N/mm2 beträgt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002337236A (ja) * 2001-05-14 2002-11-27 Honda Motor Co Ltd 樹脂部材の溶着方法
EP2795713B1 (de) 2011-12-21 2017-07-05 Alevo International S.A. Batteriemodul mit batteriemodulgehäuse und batteriezellen

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