Fusión por haz de electrones (EBM):impresión 3D de metal rápida con calidad CNC

La impresión 3D de metal ha transformado la forma en que se fabrican piezas y herramientas metálicas complejas. La fusión por haz de electrones, o EBM, es una buena alternativa al mecanizado CNC y la fundición de metales debido a su capacidad para imprimir piezas con la durabilidad y resistencia de los metales pero a las velocidades de la impresión 3D.

EBM es un proceso de fusión en lecho de polvo similar a SLM (fusión selectiva por láser) y SLS (sinterización selectiva por láser) en el sentido de que cada capa delgada de polvo metálico se deposita sobre un lecho calentado y luego se funde o sinteriza en su lugar. Sin embargo, la EBM se diferencia de esos procesos en que la fuente de energía que fusiona el polvo es un haz de electrones en lugar de un rayo láser, y el proceso se lleva a cabo al vacío en lugar de a presión atmosférica. Las aleaciones de cromo-cobalto y titanio son dos de los materiales más utilizados en la impresión 3D EBM.

La historia de la fusión por haz de electrones se remonta a 1993, cuando sus principios fueron patentados por primera vez por la empresa Arcam en colaboración con la Universidad Tecnológica de Chalmers en Gotemburgo, Suecia. Su objetivo era crear objetos tridimensionales, capa por capa, fundiendo polvos metálicos conductores de electricidad con un haz de electrones. En 1997, Arcam se reorganizó en Arcam AB, que continuó desarrollando y comercializando el proceso de impresión 3D EBM.

En este artículo, profundizamos en la fusión por haz de electrones y analizamos todo, desde qué es hasta sus ventajas y desventajas, y sus similitudes y diferencias con otros procesos de impresión 3D.

¿Qué es la fusión por haz de electrones (EBM)?

La fusión por haz de electrones es un proceso de impresión 3D que utiliza polvos metálicos eléctricamente conductores y haces de electrones para producir piezas capa por capa. Para que el proceso funcione, se debe crear un vacío de aproximadamente 0,0001 mbar en la cámara de impresión. En ausencia de vacío, los electrones de alta energía chocan con más frecuencia con las moléculas de gas, privando al haz de la energía que necesita para completar el proceso de impresión. Una vez que se obtiene el vacío, la plataforma de construcción se calienta a temperaturas extremadamente altas (alrededor de 600-1000 ℃) y el polvo metálico se deposita con precisión para formar la capa transversal actual de la pieza a imprimir. En ese punto, el haz de electrones se mueve meticulosamente por la plataforma de construcción y utiliza temperaturas aún más altas para derretir y fusionar selectivamente la nueva capa de polvo con las capas previamente impresas. Una vez que se completa una capa, la plataforma de construcción desciende una cantidad equivalente a una capa. Este proceso se repite hasta que se imprime toda la pieza.

Diagrama de fusión del haz de electrones

¿Cuál es la historia de la impresión EBM?

La tecnología del haz de electrones se remonta a 1869, cuando Johann Wilhelm Hittorf y William Crookes experimentaron con rayos catódicos (otro término para los haces de electrones) en gases para fundir metales. Sus experimentos llevaron a una serie de descubrimientos. Sin embargo, no fue hasta 1952 que el Dr. h.c. Karl-Heinz Steigerwald desarrolló los primeros procesos prácticos de haz de electrones para uso comercial. En aquel momento, los haces de electrones se utilizaban principalmente para aplicaciones de soldadura. Más de 40 años después, en 1993, los principios y la teoría de la MBE fueron patentados por primera vez por la empresa sueca Arcam. Esto fue posible gracias a la colaboración con la Universidad Tecnológica de Chalmers en Gotemburgo, Suecia. En 1997, la empresa se reorganizó en Arcam AB mientras continuaban desarrollando y comercializando el proceso de impresión 3D EBM. Arcam AB fue adquirida por GE en 2016 y se integró en GE Additive.

¿Cuál es el propósito de la fusión del haz de electrones?

El objetivo de la fusión por haz de electrones es fabricar piezas metálicas mediante impresión 3D (fabricación aditiva). Más precisamente, la fusión por haz de electrones es un método para construir un componente metálico fundiendo patrones específicos de material, una capa a la vez. Existen muchos enfoques diferentes para la fabricación aditiva, pero el propósito específico de la EBM es fabricar utilizando metales con un alto punto de fusión. Su aplicación es principalmente en la construcción de piezas complejas e intrincadas para los campos aeroespacial y médico.

¿Cuál es la importancia de la fusión del haz de electrones?

La importancia de la fusión por haz de electrones es que permite utilizar metales como el titanio y el acero para herramientas altamente aleado en aplicaciones de impresión 3D. Por tanto, la EBM abre nuevas posibilidades para los componentes que se pueden fabricar. La fabricación aditiva permite construir geometrías que antes eran imposibles, en particular piezas con partes internas complejas. Uno de los beneficios de esto es que se pueden fabricar múltiples componentes como un solo componente con fabricación aditiva, lo que simplifica el ensamblaje. Sin embargo, la fabricación aditiva se ha desarrollado principalmente con materiales termoplásticos, ya que son relativamente baratos y tienen puntos de fusión bajos. Esto limita gravemente la aplicación útil de las piezas impresas en 3D. La importancia de la fusión por haz de electrones es que puede fabricar piezas impresas en 3D a partir de metales como el titanio y las aleaciones de níquel. Los metales de alto punto de fusión, con su fuerza, biocompatibilidad y resistencia a la corrosión, abren la gama de aplicaciones que pueden beneficiarse de la fabricación aditiva.

¿En qué se diferencia la fusión por haz de electrones de los métodos de fabricación tradicionales?

La fusión por haz de electrones se diferencia de los métodos de fabricación tradicionales porque es un método de fabricación aditiva. Esto significa que la EBM se utiliza para fabricar agregando material sucesivamente (en un patrón específico) al componente que se está construyendo. Esto es fundamentalmente diferente de los métodos de fabricación tradicionales, que comienzan con un bloque de metal y eliminan material para lograr su forma final (es decir, fresado y mecanizado) o utilizan moldes para fundir metal fundido en una forma particular predeterminada. Estos métodos suelen tener una baja eficiencia de material (un alto porcentaje de material reprocesado) y tienen un largo plazo de entrega con costos de herramientas asociados. Con EBM, se puede fabricar un componente directamente a partir de un diseño digital y sin desperdicio de material. Sin embargo, todavía es una tecnología joven, por lo que los equipos y materiales siguen siendo relativamente caros. Se espera que estos costos disminuyan a medida que la tecnología madure.

¿Para qué se utiliza la fusión por haz de electrones?

La impresión 3D por fusión por haz de electrones se utiliza para la fabricación de lotes pequeños y la verificación de prueba de concepto de piezas con geometrías complejas. Los sistemas EBM y los polvos utilizados para la impresión son caros, por lo que el proceso rara vez se utiliza para la producción en masa. EBM produce piezas metálicas de alta resistencia, que se utilizan principalmente en las industrias aeroespacial, de deportes de motor y médica. Las piezas impresas con EBM se utilizan en piezas de alto rendimiento, como álabes de turbinas, componentes de motores, implantes médicos y prótesis.

¿A qué se parece la fusión por haz de electrones?

La fusión por haz de electrones es similar a otros procesos de impresión 3D por fusión en lecho de polvo, como la fusión selectiva por láser (SLM)  y sinterización selectiva por láser (SLS). EBM utiliza un haz de electrones para fundir y fusionar selectivamente polvos metálicos para formar piezas capa por capa. En SLM, un láser funde y fusiona selectivamente polvos metálicos en una plataforma de construcción calentada. SLS es un proceso casi idéntico; sin embargo, los polvos poliméricos en lugar de los polvos metálicos se sinterizan y fusionan selectivamente mediante un láser.

La EBM se diferencia de estos dos procesos en el uso de un haz de electrones para crear piezas en lugar de un láser, la necesidad de un vacío para imprimir las piezas y la necesidad de temperaturas más altas en la plataforma de construcción.

¿Cómo funciona la fusión por haz de electrones?

La impresión 3D EBM es posible gracias a un filamento de tungsteno que se calienta al vacío para crear el haz de electrones. Una vez que se obtiene el vacío, se crea el haz, se depositan polvos metálicos en la bandeja de construcción y se puede comenzar la impresión. Los pasos para producir una pieza impresa en 3D con EBM se describen a continuación:

1. El polvo metálico se deposita en la plataforma de construcción para formar la capa transversal actual de la pieza a imprimir.
2. La presión de la cámara de la impresora 3D se reduce a aproximadamente 0,0001 mbar.
3. Cuando se obtiene el nivel de vacío requerido, el haz de electrones se enciende y calienta toda la plataforma de construcción a la temperatura requerida (600-1000 ℃).
4. Una vez que la plataforma de construcción se calienta, el haz de electrones se mueve con precisión hacia la plataforma de construcción para derretir y fusionar las partículas de polvo metálico a temperaturas aún más altas.
5. Cuando se completa una capa, la plataforma de construcción desciende una altura equivalente a una capa.
6. Se deposita una nueva capa de polvo y el proceso se repite hasta que se haya impreso toda la pieza.
7. Las piezas se dejan enfriar (a menudo durante la noche) antes de sacarlas de la impresora.
8. Una vez enfriadas las piezas, se deben eliminar los restos de polvo semisinterizado y las estructuras de soporte.

¿Cuáles son los componentes principales de una máquina de fusión por haz de electrones?

Los siguientes son los componentes principales de una máquina de fusión por haz de electrones:

1. Pistola de haz de electrones: Esta es la fuente de energía para la fusión. El haz se crea a partir de un filamento de tungsteno, pero la pistola también incluye bobinas de enfoque y desviación para dirigirlo a ubicaciones precisas en el área de construcción para fundirlo.
2. Cámara de vacío (construcción): El proceso de fabricación tiene lugar dentro de la cámara de vacío, en la que se mantiene el vacío para evitar la oxidación del material.
3. Tolva de polvo: El material en polvo se mantiene dentro de una tolva de polvo, desde donde se dosifica para fundir.
4. Rodillo de polvo: El rodillo de polvo se mueve por el área de construcción para distribuir uniformemente una capa de polvo. Por lo tanto, el rodillo se mueve a través del área de construcción después de derretir cada capa, para preparar la fusión de la siguiente capa.
5. Crear plataforma: La plataforma de construcción es el soporte para el componente construido sucesivamente. La plataforma desciende en pequeños incrementos, de modo que el borde superior del componente esté a la altura adecuada para que se forme la siguiente capa de polvo.

¿Con qué precisión se funde el haz de electrones?

La impresión EBM es generalmente menos precisa que la impresión SLM. Esto se debe a que, en SLM, los polvos metálicos utilizados suelen ser más finos y las capas de construcción suelen ser más delgadas que en EBM. Las capas más gruesas de las piezas impresas con EBM pueden dar lugar a acabados superficiales más rugosos. Por lo tanto, es posible que se requiera un posprocesamiento para que las piezas impresas con EBM obtengan las tolerancias y los acabados superficiales deseados.

¿Qué materiales se pueden utilizar en la fusión por haz de electrones?

En la EBM sólo se puede utilizar una gama limitada de metales. El titanio y las aleaciones de cromo-cobalto son dos materiales comúnmente utilizados. También se pueden utilizar ciertos polvos de acero e Inconel 718. Debido a que la impresión 3D mediante fusión por haz de electrones requiere materiales conductores de electricidad para construir las piezas, no se pueden utilizar materiales poliméricos ni cerámicos.

¿Se puede utilizar la fusión por haz de electrones en plásticos?

No, la fusión por haz de electrones no se puede utilizar en materiales plásticos. La gran mayoría de los plásticos no pueden conducir la electricidad y, por tanto, no pueden atraer un haz de electrones. Además, las temperaturas que se alcanzan en la fusión por haz de electrones superan con creces el punto de fusión de la mayoría de los plásticos, lo que provocaría carbonización en lugar de fusión.

¿Se puede utilizar la fusión por haz de electrones en cerámica?

No, la fusión por haz de electrones no se puede utilizar en cerámicas típicas. Para atraer el haz de electrones, el material que lo recibe debe ser conductor de electricidad. Esto generalmente limita la tecnología a materiales metálicos y la mayoría de las cerámicas no son conductoras de electricidad. Aunque algunas cerámicas diseñadas son conductoras, ninguna de ellas ha sido desarrollada actualmente para su uso con EBM. 

¿Cuáles son las ventajas de la impresión por fusión por haz de electrones?

Las ventajas de la impresión 3D EBM son:

1. EBM imprime piezas de alta densidad con buenas propiedades mecánicas.
2. EBM puede imprimir piezas frágiles que de otro modo no podrían producirse mediante la impresión SLM debido al aumento de las temperaturas de impresión en EBM.
3. El polvo no utilizado se puede reciclar y utilizar en trabajos de impresión posteriores, lo que minimiza eficazmente los residuos y reduce los costes.
4. Los rayos de electrones utilizados en EBM son más potentes que los rayos láser utilizados en SLM porque el uso de vacío garantiza que ninguna molécula extraña pueda interferir con la impresión. Este mayor nivel de energía conduce a velocidades de impresión más rápidas para EBM en comparación con SLM.
5. EBM puede producir piezas de alta calidad comparables a los métodos de fabricación tradicionales como la fundición o el mecanizado CNC.

¿Cuáles son las desventajas de la impresión por fusión por haz de electrones?

Las desventajas de la impresión 3D EBM son:

1. La EBM puede ser un proceso excepcionalmente costoso debido a la tecnología de haz de electrones y los polvos metálicos utilizados.
2. Solo se puede imprimir un grupo limitado de metales mediante el proceso EBM.
3. Las piezas impresas con EBM tienden a tener una precisión dimensional menor en comparación con las piezas impresas con SLM debido a la diferencia en el tamaño de las partículas de polvo y la altura de la capa impresa.

¿A qué desafíos se enfrenta la fusión por haz de electrones?

EBM es un método de fabricación muy interesante y prometedor. Sin embargo, existen varias limitaciones con la tecnología actual que limitan su uso. Por un lado, la EBM solo está aprobada para su uso con una cantidad limitada de materiales. Más materiales en polvo y calidades adecuadas para su uso con EBM permitirán atender a un mercado más amplio. 

Otra limitación de la tecnología es que utiliza equipos bastante complejos. La forma en que el material en polvo se maneja dentro de la máquina y se distribuye uniformemente por la superficie de construcción durante cientos de capas requiere maquinaria más complicada que otros tipos de fabricación aditiva. El propio haz de electrones también es una fuente de energía compleja.

Estos aspectos se combinan para formar otra limitación de la EBM:sigue siendo una técnica de fabricación costosa. Por lo tanto, tiene un conjunto más limitado de casos de uso rentables, como componentes de alto valor o hechos a medida.

¿Cuál es el flujo del proceso de fabricación de una pieza mediante fusión por haz de electrones?

El primer paso en la fabricación mediante el proceso de fusión por haz de electrones es disponer de un modelo electrónico 3D. Luego, este modelo se procesa mediante un software de "corte" para reducir el componente 3D en capas individuales que se imprimirán una a la vez. Luego, el archivo 3D cortado se envía a la máquina EBM.

En la máquina, la primera parte del proceso es cargar el material en polvo con el que fabricar. Luego, la máquina creará un vacío en la cámara de construcción. Este vacío es necesario para garantizar que los electrones del haz de electrones no interactúen con ninguna partícula de gas, así como para garantizar que el metal fundido no se oxide. 

Una vez que comienza la fabricación, se extiende una fina capa de polvo por el área de construcción. Este polvo se precalienta primero y luego se utiliza el haz de electrones para fundir el polvo. El haz de electrones sigue un camino específico para fundir el polvo solo en las áreas necesarias para solidificar esa capa del componente que se está construyendo. Una vez que se completa la capa, la placa de construcción (y el componente) se bajan marginalmente y se extiende una nueva capa de polvo fresco sobre la parte superior. Este polvo se precalienta y luego el haz de electrones lo funde para crear la siguiente capa. Una vez que la pieza se ha fabricado completamente, capa por capa, se retira de la cámara de construcción y se elimina el exceso de polvo sin derretir.

¿Cuáles son las temperaturas necesarias para la EBM?

La parte de fusión del proceso de impresión 3D EBM puede requerir temperaturas superiores a 2000 ℃ para fusionar los materiales de alto punto de fusión que normalmente se utilizan en proyectos de impresión EBM, como el titanio. Las aleaciones de tungsteno pueden requerir fusión a más de 3000 ℃.

Incluso la fase de precalentamiento de la impresión EBM exige calentar la plataforma de construcción a 600-1000 ℃. Precalentar la plataforma de construcción a una temperatura alta minimiza las tensiones residuales en la pieza impresa, lo que da como resultado mejores propiedades mecánicas. Sin embargo, una temperatura más alta de la plataforma de construcción requiere una cantidad adecuada de soporte para evitar que los voladizos se deformen.

Los soportes ayudan a conducir el calor lejos de la pieza y hacia la plataforma de construcción, lo que reduce de manera efectiva las tensiones térmicas en toda la pieza.

¿Por qué el proceso de EBM se realiza en el vacío?

El proceso EBM se realiza al vacío para reducir las tensiones residuales en las piezas impresas y evitar la oxidación de las piezas impresas debido al aumento de temperaturas. Si no hay vacío, los electrones dentro del haz pueden chocar con las moléculas presentes en el aire.
Esto hará que los electrones colisionen con más frecuencia con las moléculas de gas, privando al haz de la energía que necesita para completar el proceso de impresión.
En la práctica normal, calentar metales a altas temperaturas como las que se encuentran en la impresión EBM puede provocar una mayor oxidación, lo que hace que el producto final se vuelva quebradizo. Sin embargo, en EBM, la impresión dentro de una cámara de vacío prácticamente elimina la oxidación y la falta de ductilidad y dureza que puede causar.

¿Qué tipos de productos se fabrican habitualmente mediante fusión por haz de electrones?

La fusión por haz de electrones se utiliza habitualmente para fabricar productos metálicos para aplicaciones especializadas, como álabes de turbinas para motores a reacción o componentes de turbocompresores personalizados para deportes de motor. Este tipo de productos se fabrican de esta manera porque pueden beneficiarse de las capacidades de EBM para fabricar piezas complejas con materiales que no son adecuados para la fundición típica. La EBM también se utiliza para imprimir en 3D componentes personalizados de titanio (biocompatibles) que se utilizan para implantes y prótesis en la industria médica.

¿Qué industrias utilizan predominantemente la tecnología de fusión por haz de electrones?

La tecnología de fusión por haz de electrones se utiliza normalmente en industrias que requieren componentes especializados de alto rendimiento, como:

1. Aeroespacial: La EBM se utiliza para construir álabes de turbinas para motores a reacción y otros componentes críticos en la industria aeroespacial.
2. Médico: EBM fabrica implantes de titanio para la industria médica, debido a la capacidad de la fabricación aditiva para crear geometrías personalizadas que se adapten a cada paciente.
3. Automoción y deportes de motor: Las piezas personalizadas de alto rendimiento se fabrican a partir de metales utilizando EBM, junto con un plazo de desarrollo más rápido que los métodos de fabricación tradicionales.

¿Cuáles son las aplicaciones de la fusión por haz de electrones?

Las aplicaciones de fusión por haz de electrones se centran en piezas especializadas que se fabrican a partir de metales de alto valor como el titanio o las aleaciones de níquel. Por lo tanto, las aplicaciones de EBM se encuentran principalmente en la industria aeroespacial para elementos como álabes de turbinas de motores a reacción, o en la industria de deportes de motor para componentes de turbocompresores personalizados. El hecho de que el titanio (que es biocompatible) pueda imprimirse en 3D mediante EBM también significa que tiene aplicaciones en el campo médico, particularmente en ortopedia para prótesis como reemplazo de articulaciones de cadera.

¿Cómo ha afectado la fusión del haz de electrones a la industria aeroespacial?

La fabricación de haces de electrones ha tenido un impacto en la industria aeroespacial al permitir fabricar componentes nuevos y más livianos con nuevos materiales. El proceso de fabricación de EBM es fundamentalmente diferente del proceso tradicional de fundición. La construcción de componentes capa por capa permite construir diferentes geometrías y utilizar diferentes materiales (como el aluminuro de titanio). Un ejemplo es la capacidad de fabricar álabes de turbina más ligeros para motores a reacción, que luego permiten ahorrar combustible debido al peso reducido. EBM también permite realizar cambios en el diseño entre unidades, algo que el casting no puede hacer.

¿Existen aplicaciones médicas para la tecnología de fusión por haz de electrones (EBM)?

Sí, existen aplicaciones médicas para la fusión por haz de electrones. Las aleaciones de titanio son un material común utilizado en la EBM, y el titanio también es común para implantes médicos debido a su biocompatibilidad y resistencia. La EBM se aplica principalmente en ortopedia, en la que los componentes impresos en 3D, como las articulaciones de la cadera, son comunes.

¿Se utiliza la fusión por haz de electrones (EBM) en la fabricación de componentes de motores?

Sí, la fusión por haz de electrones se utiliza en la fabricación de componentes de motores en la industria automotriz. Debido al costo de una pieza fabricada con EBM, su uso se limita a piezas especializadas de alto rendimiento, como turbocompresores personalizados. La EBM se utiliza más comúnmente en la industria aeroespacial para fabricar componentes para motores a reacción, como álabes de turbinas.

¿Cuál es la diferencia entre la impresión 3D EBM y SLM?

SLM (fusión láser selectiva) es un proceso LPBF (fusión de lecho de polvo láser). El nombre "SLS" fue originalmente una marca registrada de SLM Solutions (ahora Nikon SLM Solutions Group AG), pero a menudo se utiliza como término genérico para sistemas LPBF metálicos.

Las diferencias entre la impresión 3D EBM y SLM son:

1. EBM utiliza electrones para fundir polvos, mientras que SLM utiliza fotones de un láser para fundir polvos metálicos.
2. EBM requiere una aspiradora para imprimir piezas, mientras que SLM imprime piezas con un gas inerte a una presión casi atmosférica.
3. EBM procesa principalmente titanio, cromo-cobalto y algunas superaleaciones a base de níquel, mientras que SLM admite una gama más amplia de metales, incluidos acero inoxidable, aluminio y cobre.
4. EBM generalmente imprime piezas con menor precisión dimensional y superficie más rugosa que SLM debido a su mayor tamaño de partícula de polvo y las alturas de capa de impresión requeridas.
5. La EBM es más cara que la SLM debido a la tecnología EBM y a los polvos metálicos que se utilizan.

¿Cuál es la diferencia entre la impresión 3D EBM y DMLS?

DMLS (Sinterización directa por láser de metales) es casi idéntica a la impresión 3D SLM. El nombre DMLS es una marca registrada de EOS GmbH. A pesar del uso de la palabra "sinterización", el proceso en realidad funde partículas en lugar de sinterizarlas.

Aparte de algunas diferencias en los parámetros de impresión entre SLS y DMLS, son fundamentalmente las mismas tecnologías.

Las diferencias entre EBM y DMLS son, por tanto, bastante similares a las que existen entre EBM y DMLS.

1. EBM emplea un haz de electrones de alta energía para fundir polvos metálicos, mientras que DMLS utiliza un láser de alta potencia para lograr el mismo proceso.
2. EBM opera en un ambiente de vacío, mientras que DMLS funciona en una atmósfera de gas inerte (como argón o nitrógeno) a una presión casi atmosférica.
3. EBM se utiliza principalmente para materiales como titanio, cobalto-cromo y ciertas superaleaciones a base de níquel, mientras que DMLS se adapta a una variedad más amplia de metales, incluidos aceros inoxidables, aluminio, aceros para herramientas y titanio.
4. EBM tiende a ofrecer una precisión dimensional menor que DMLS debido a partículas de polvo más grandes y capas de impresión más gruesas, lo que da como resultado acabados superficiales más rugosos.
5. Las máquinas EBM son generalmente más costosas, aunque el gasto real varía según la aplicación prevista, la elección de materiales y las necesidades de producción.

Resumen

Este artículo resumió la tecnología de impresión 3D Electron Beam Melting (EBM), incluido cómo funciona, sus ventajas, materiales y cómo se compara con otros procesos de impresión 3D. Para obtener más información sobre la impresión 3D por fusión de haz de electrones y cómo puede aplicarla a sus proyectos, comuníquese con un representante de Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements es un Licenciado en Ingeniería Mecánica con honores y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye puestos importantes en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló un profundo conocimiento de los procesos de ingeniería y las innovaciones.

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