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美國國家增材制造創新機構的技術路線圖和項目概覽

時間：2016-01-19 15:35 來源：空天防務觀察作者：中國3D打印網閱讀：次

技術路線圖領域層

2015年9月14日，國家增材制造創新機構發布了公開版的技術路線圖，勾勒了未來5年的該機構乃至美國增材制造工業技術發展的路徑。路線圖包括設計、材料、工藝、價值鏈和增材制造基因組5個領域：

設計。包含3個子方向：生物啟發設計與制造，產品與工藝設計輔助手段/程序，成本與能耗因素分析/建模。旨在開發可共享的設計方法與工具，變革設計理念，使增材制造零件設計打破固有流程。設計領域要提出填補差距的解決方案，避免受到當前CAD/CAM/CAE/PLM工具和設計思維的約束，它們是為常規制造工藝開發的，因此從根本上存在局限。領域關注點和相關影響分析指標包括：復雜度開發，3D功能梯度材料，多材料集成，基于模型的檢測，產品個性化與定制化。

設計子方向的成熟化需求

材料。包含3個子方向：“非特定”增材制造技術包，材料性能表征，下一代材料。旨在圍繞增材制造性能表征基準，構建知識體系，消除成品材料性能的波動。材料領域要構建一個范本，以微尺度層面上對增材制造工藝的物理學控制，代替工藝參數和成品微結構控制，完全按照設計實現一致的、可重復的產品微結構和性能。領域關注點和相關影響分析指標包括：標準化的原材料，基準材料性能數據，“工藝-性能-結構”關系，工藝窗口邊界定義，后處理指南與規范。

材料子方向的成熟化需求

工藝。包含3個子方向：多材料輸送與沉積系統，下一代機床，工藝溫度梯度控制。旨在提升增材制造機床的速度、精度和細節分辨率，并且適應大批量生產，提高成品零件質量。工藝領域要開發“機床級”工藝性能提升所需的關鍵技術和相關子系統，類似于柔性制造系統。領域關注點和相關影響分析指標包括：制造速度，精度，細節制造能力，表面質量，最大零件尺寸。

工藝子方向的成熟化需求

價值鏈。包含6個子方向：先進感知與探測手段，數字線集成，智能機床控制方法，快速檢測技術，修理技術，標準/模式/協議。旨在逐漸降低端到端價值鏈成本，縮短增材制造產品的上市時間。價值鏈領域要開發快速合格鑒定/認證方法，以及從全盤角度，在整個產品壽命周期中集成相關技術，包括材料和產品可回收性。這一領域已經在國防部ManTech計劃先進制造企業（AME）投資科目中被確認為構建單一集成數字線的首要關注點，可以幫助確認所需的工人技能和使能手段，以及凸顯面向快速設計與檢測的新技術需求，比如提高生產率的設計輔助手段和計算機程序。領域關注點和相關影響分析指標包括：工藝成本，原材料成本，質量控制成本，工人生產率成本，能量效率成本。

供應鏈子方向的成熟化需求

增材制造基因組。包含3個子方向：基準驗證用戶案例，模型輔助的性能預測，基于物理學的建模與仿真。旨在逐漸減少增材制造新材料設計、開發與合格鑒定所需的成本和時間。基因組領域要開發新的計算方法，比如基于物理學的和模型輔助的材料性能預測工具；開發驗證計算預測方法所需的基準數據集；針對增材制造的每個新材料-工藝組合，開發材料性能表征的新概念，打破設計容許值的傳統開發路線。領域關注點和相關影響分析指標與美國國家材料基因組計劃相似，包括：計算機輔助材料開發，模塊化開放式仿真架構，訪問透明化的材料性能數據，多尺度數據管理和共享，高效的材料性能表征方法。

增材制造基因組子方向的成熟化需求

五個子方向的成熟化需求

領域	子方向	成熟化需求
設計	生物啟發設計與制造	用于Ti-64合金直接金屬激光燒結的蜂窩有限元分析技術模型
	生物啟發設計與制造	用于蜂窩結構的高效結構分析算法
	成本與能耗因素分析/建模	Ti-64合金直接金屬激光燒結工藝的生產成本建模
		Ti-64合金電子束熔化工藝的生產成本建模
		“搖籃到搖籃”壽命周期能耗建模
		產品/工藝族能耗建模
	產品與工藝設計輔助手段/程序	熔融沉積成形的ULTEM 9085工裝設計指南
		選區激光燒結的碳纖維增強靜電釋放聚醚酮酮拓撲優化指南
		集成的增材制造和二次加工支持指南
		熔融沉積成形的ULTEM 9085零件設計和制造路徑指南
		可連接CAD的專家設計顧問
		基于規則的面向制造的設計（DFM）方法與算法
		設計規范詢問算法
		工藝/材料/機床一致性的自動生成
		推薦快速合格鑒定/認證手段的設計顧問
材料	“非特定”增材制造技術包	Ti-64和Co-Cr的電子束熔化工藝驗證工藝路線圖
		Ti-64和Co-Cr的直接金屬激光燒結工藝驗證工藝路線圖
		Ti-64和IN718的激光近凈成形工藝窗口表征
		面向超聲無損檢測的電子束定向能沉積的Ti-64微結構
	材料性能表征	熔融沉積成形的ULTEM 9085 B基設計許用值
		選區激光燒結的碳纖維增強靜電釋放聚醚酮酮B基設計許用值
		選區激光燒結的聚醚酮酮表征
		選區激光燒結的Cu表征
		電子束熔化的Ti-64和Co-Cr給料與性能的關系
		直接金屬激光燒結的Ti-64和Co-Cr給料與性能的關系
		電子束熔化的Ti-64和Co-Cr絲線給料對微結構的影響
		直接金屬激光燒結的Ti-64和Co-Cr絲線給料對微結構的影響
		電子束熔化的Ti-64 B基設計許用值開發
	下一代材料	選區激光燒結的碳纖維增強靜電釋放聚醚酮酮可回收性指南
		低成本循環利用的Al材料規范
		鍛造工具耐磨涂層指南
		生物相容/生物可吸收的黏合劑噴射Fe-Mn材料
		材料可回收性指標
工藝	多材料輸送與沉積系統	3D梯度材料沉積控制
	工藝溫度梯度控制	工藝溫度實時分析方法
	下一代機床	模塊化激光近凈成形機床翻新系統
		低成本循環利用的Al材料桌面打印機
		微電感燒結試驗臺
		高產出的Ni和Ti激光熱絲線工藝
		增材與減材混合系統
		開源可編程邏輯控制架構
供應鏈	先進感知與探測手段	用于電子束熔化和激光近凈成形工藝的多傳感器熱成像系統
		熱成像數據的3D可視化手段
		激光粉末床熔融工藝缺陷的原位監測傳感器試驗臺
		激光粉末床熔融熱塑性塑料的紅外成像
	數字線集成	面向增材與二次加工集成的基于模型的企業（MBE）的手段
	數字線集成	“設計VS制造”公差的實時比較
	智能機床控制方法	工藝路線圖微結構控制算法
		變形補償控制算法
		集成的增材與二次加工控制
		激光粉末床熔融熱塑性塑料的熱成像控制
		基于模型的閉環反饋控制算法
	快速檢測技術	逐層的3D質量認證
		超合金激光粉末床熔融的原位質量保證手段
		激光粉末床熔融的無損評估后檢測
		Ti和Ni合金的X射線CT無損檢測程序
	修理技術	H13模鑄工裝修理與翻新指南
	修理技術	激光粉末定向能零件修理方法
	標準/圖表/協議	國家標準與技術研究院的輪詢調度協議
		激光粉末床熔融工藝控制的開放協議
		電子束定向能沉積的Ti-64超聲無損檢測協議
		數據存儲卡目錄與族譜
		工業專用合格鑒定/認證協議
		第三方數據記錄模板
		共享數據的存儲模式
增材制造基因組	基準驗證用戶案例	電子束定向能沉積的Ti-64超聲無損檢測試樣
	基準驗證用戶案例	Ti和Ni合金的X射線CT無損檢測參考試樣
	模型輔助的性能預測	集成計算材料工程和數據存儲靜態模型鏈接
	基于物理學的建模與仿真	電子束熔化的Al材工藝建模
		激光粉末床熔融的Al材工藝建模
		直接金屬激光燒結工藝數值仿真方法
		激光近凈成形的Ti-64 ABAQUS有限元分析設置腳本
		激光粉末床熔融的Ni，Co和Ti變形建模

作為首家建立的制造創新機構，國家增材制造創新機構（現名“美國造”）已經啟動三批共31個應用研究項目，以及5個特別主題項目。這些項目的設置完全依照機構制訂的技術路線圖，從設計、材料、工藝、供應鏈和增材制造基因組這5個領域，促進美國增材制造工業基礎與創新能力的提升。36個項目中，國防工業牽頭承擔了9項，參與了至少12項；大學牽頭承擔了19項；其它增材制造廠商以及非盈利機構牽頭8項。

國防工業牽頭項目

項目名稱	主要參與方	項目研究內容
復雜復合材料工裝的熔融沉積成形	諾斯羅普·格魯門，密蘇里科技大學	利用ULTEM 9085材料等高溫聚合物，快速且經濟地生產復合材料制造工裝。
高溫選區激光燒結技術和基礎設施成熟化	諾斯羅普·格魯門	為低成本高溫熱塑性塑料開發制造工藝，并且探索材料可回收性與再利用。
電子束熔化Ti-6Al-4V增材制造驗證和設計許用值開發	諾斯羅普·格魯門，GE	演示Ti-6Al-4V鈦合金組件的全尺寸電子束增材制造，開發一整套材料設計許用值，在全尺寸電子束增材制造驗證組件上驗證無損檢測方法；評估向航空航天結構以及推進裝置組件生產轉移的成熟度。
增材制造的數字線實施	波音，雷神，航空噴氣公司	開發集成的工藝和工具，通過減少材料沉積、組件精整工藝以及在工序間應用自動化，減少制造成本和周期；通過結合創新的原位工藝監測能力，將加工數據與整條數字線連接，為增材制造工藝提供更優質信息，驗證對加工成本、材料壽命周期成本、質量控制成本、人工成本和能耗降低的影響；通過比較無損檢測結果與設計和工藝信息，增材制造工藝中獲得的數據還將用于實施進一步改進。項目將得到直接影響和監測關鍵指標的成套信息以及支持增材制造工程與制造設計的信息，結合原位監測能力以及數字線信息的連接與分析，將縮短產品上市時間并減少全壽命周期成本。
用于增材制造無縫化設計、分析、制造和重新設計的多學科設計分析	雷神，GE，ANSYS，Autodesk，Altair	面向增材制造設計、分析、制造和重新設計的無縫化工作流程，進行多學科設計分析，以優化設計過程，讓工程和技術人員更方便地開發適合增材制造的、大規模定制化的工程解決方案。項目將開發“面向可制造性的設計（DFM）”標準與規則，實施增材制造CAD/CAM/CAE分析與設計優化；開發設計輔助手段的關鍵技術元素（CTE），為設計團隊在增材制造與傳統工藝間進行權衡提供關鍵知識；建立基線方法論，在多種增材制造“材料-工藝族”候選方案間進行權衡，實現更優決策。
航空航天組件激光粉末床生產的過程中質量保證（IPQA）	GE航空，霍尼韋爾航宇，航空噴氣·洛克達因	為航空航天增材制造組件的大批量生產開發商業可用、獨立平臺的質量保證技術，在開發中利用多種增材制造機床和超合金，對這種IPQA技術方案進行成熟化。
金屬粉末床增材制造的變形預測和補償方法開發	GE全球研究中心，霍尼韋爾，聯合技術公司研究中心	面向金屬粉末床增材制造，為基于物理學的熱變形預測與應對工具建立基準并且進行驗證，以減少開發時間。項目將建立一套標準的增材制造設計規則和變形應對實踐，以及對整個增材制造供應基礎的相關培訓。
形成健全的、用于金屬粉末床熔融增材制造系統第三方生態系統所需的柔性自適應開放式架構	GE全球研究中心，GE航空	開發并驗證粉末床燒結增材制造（PBFAM）的開放式架構控制系統。機床供應商的現有能力無法滿足工業界大批量生產的需求，很大程度上源自原始設備制造商采用的封閉式架構。一個柔性、易適應的PBFAM工藝的開放式架構將助力“功能應用生態系統”，讓輔助工藝所用的第三方硬件更容易集成到PBFAM機床中，加速增材制造的進步。項目將直接為GE全球研究中心的另一個開源項目提供支持。
粉末床增材制造研究的開源工藝控制*	GE全球研究中心，GE航空，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室	針對粉末床燒結激光增材制造（PBFAM），開發并驗證用于商業和客戶定制金屬增材機床的開源協議和機床控制器。工作核心是依據開源PBFAM社區的輸入開發稱為LAYER和SCAN的兩項新協議；采納LAYER和SCAN協議是一個快速獲取國際認可的戰略決策，因為兩項協議都是簡單而綜合、可升級、可擴展的，且獨立于各型PBFAM機床。為加速開發，團隊將利用已有的開源鋪層軟件以避免重復工作，一旦協議建立，將開發三個開源程序，基于STL文件驗證零件制造。

大學牽頭項目

項目名稱	主要參與方	項目研究內容
熔融沉積成形的復合材料制造和液壓成形用快速簡潔工裝	密蘇里科技大學，諾斯羅普·格魯門	利用簡潔工裝，減少復合材料工藝中的材料使用需求，快速且經濟地生產復合材料制造工裝。
用于工裝重置和翻新的增材制造工藝和工序的合格鑒定	西部保留地大學	開發、評估和鑒定工裝與模具的修理和重置方法，延長工裝使用壽命，減少能耗、成本和準備時間。
粉末床金屬增材制造工藝的快速合格鑒定方法	西部保留地大學	通過激光燒結和電子束熔化粉末床工藝研究，提升對微結構和力學性能的控制能力；建立基于工藝的、生產量可變的成本模型。
使用激光熱絲線工藝的高產出功能材料沉積	西部保留地大學，RTI國際金屬公司	面向不同的高產出功能材料沉積應用，評估一個激光輔助的、基于絲線的增材制造工藝，針對激光/粉末增材制造工藝建立基準。
用于增材制造過程監測和控制的熱成像	賓夕法尼亞大學	面向電子束直接制造和激光凈近成形工藝的過程監測和控制，拓展熱成像的應用，實現全局溫度場的3D可視化以及對電子束或激光粉末工藝的基于熱成像表征的實時控制。
粉末床增材制造研究的開源工藝控制*	賓夕法尼亞州立大學，諾斯羅普·格魯門，霍尼韋爾，3D系統公司	開發并驗證用于PBFAM的開源、分層協議，該協議將定義一系列在賽博物理系統中使用的通信結構，它們為定義和執行粉末床沉積工藝所需。協議每一層都將定義數據和通信結構的一方面，還將支持掃描路徑和工藝數據的規范和提取，實現在PBFAM系統與其它異種系統間的通信。訪問開源協議將允許研究人員接觸建模、感知、控制和工藝優化的關鍵數據，使工業界提升鑒定與認證能力，實現更高效創新的PBFAM工藝和材料開發。
開發能夠實現增材制造蜂窩結構有效設計的拓撲優化工具	匹茲堡大學，美鋁，ANSYS，ExOne	開發基于蜂窩結構的增材制造結構設計與優化軟件，創新地在有限元分析中利用微觀力學模型記錄蜂窩結構的有效行為。
用于醫療的生物可吸收金屬合金制生物醫學裝置的增材制造	匹茲堡大學，ExOne	開發增材制造方法，將鎂基和鐵基合金轉變為生物醫學裝置，如骨板和支架，并進行生物兼容性、生物吸收和力學試驗。
金屬合金給料功能支撐結構的參數化設計	匹茲堡大學	為金屬合金給料的功能支撐結構開發參數化設計方法，特別針對直接金屬激光燒結工藝中使用的支撐結構，要形成設計規則。
面向高潛力增材制造應用的集成設計工具開發	匹茲堡大學，聯合技術公司研究中心，霍尼韋爾，陸軍航空與導彈研發和工程中心，ANSYS，ExOne，RTI國際金屬公司	開發集成設計成套工具，包括面向多種增材制造可制造性要求的設計輔助功能，以及面向高潛力增材制造應用的拓撲優化新能力。增材制造技術能夠生產非常復雜的幾何外形與拓撲布局，極大提升設計空間，不過現有CAD/CAE軟件包無法充分施展這種設計自由度。項目將尋求開發一款能快速商業化的集成設計成套工具，縮短設計階段，降低制造成本，減少增材制造新產品上市時間。
必需的公差與表面光潔度	北卡羅來納州立大學，約翰·迪爾	開發一個增材制造和減法加工混合制造系統，能夠按最終幾何規范生產機械產品，使機械零件能夠“數字制造”以滿足必要的最終幾何精度。
3D打印多功能性:航空航天應用的增材制造	德克薩斯大學埃爾帕索分校，洛克希德·馬丁，諾斯羅普·格魯門，Stratasys	開發一套綜合制造方案，與基礎增材制造工藝集成，包括：多種耐用熱塑性塑料/金屬的模壓成形，微加工，激光燒蝕，在熱塑性塑料中嵌入絲線和細距網絡，機器人組件放置。通過多個集成制造系統的綜合，這些集成的技術將制造多材料結構以生產多功能產品，如可穿戴電子設備、生物醫學裝置和防務、航天與能源系統。
用于三維電子學制造的低成本工業級多元三維（Multi3D）系統	德克薩斯大學埃爾帕索分校，洛克希德·馬丁，諾斯羅普·格魯門，波音，霍尼韋爾	將下一代增材制造技術融入一個低成本工業多元3D系統，用于3D電子打印。項目將開發一個固結系統，包括一個集成進現有CNC龍門機床的柔性工裝臺，允許互換為執行以下功能：精密微加工，熱塑性塑料擠壓，帶有絲線管理功能的直接絲線嵌入，直接箔片嵌入。通過這些可互換的功能，系統能夠制造復雜外形的絕緣結構，其內部有密集分布的金屬網絡拓撲布局。
熱塑性塑料粉末床燒結的閉環工藝控制*	德克薩斯大學奧斯汀分校，Stratasys	驗證粉末床燒結中的反饋控制能夠提升零件質量和性能可預測性，同時減少不同機床制造條件下甚至同一制造工藝中的波動敏感性，使得熱塑性塑料增材制造技術能夠得到高度可重復的、經得起考驗的工藝結果。項目將利用一個高溫試驗臺，其架構中的核心部分就是反饋控制功能。
用于原型和生產的金屬合金和新型極低成本3D焊接打印平臺	密歇根理工大學	進行極低成本3D金屬打印機的商業化以及新型3D打印合金的開發，材料開發將關注鋁合金，最終目標是從回收廢品中開發出來。
定制踝足矯形器的賽博物理設計與增材制造	密歇根大學，Altair，Stratasys	優化面向增材制造設計的數字工作流，包括：基于OptiStruct優化軟件包開發增材制造專用的功能，生成獨特的填充圖案并對性能進行數字化驗證，同時在產量和材料輸送上實現關鍵提升，使用熔融沉積成形技術生產定制化的踝足矯形器。項目尋求利用基于云的設計和增材制造技術，在面向增材制造的設計、材料輸送和系統改進上得到提升，開發利用多尺寸尖端打印多種材料的方法以提供經濟、高質量的矯形器。
用于直接金屬增材制造的粉末性能與工藝產出的關聯數據庫	卡內基·梅隆大學，普·惠，聯合技術公司研究中心	首次建立關聯數據庫，關聯不同供應商的粉末性能（如平均顆粒直徑、顆粒直徑分布、顆粒形態、流動性指標）與工藝產出（如粉末鋪展性、粉末燒結能力、熔池尺寸、微結構、幾何精度、材料硬度）。針對至少一個無法立即在直接金屬機床中使用的粉末系統，確認所需的工藝變量修改，使該粉末系統的產出可與標準粉末相當。
通過增材制造粉末再利用實現下一代整形外科材料的經濟生產	圣母瑪利亞大學	通過增材制造中的粉末再利用，實現下一代整形外科材料的經濟生產，限制增材制造大批量生產的一個重要因素是如何在單個增材制造過程中提升零件制造數量，而又不影響零件質量。粉末又貴又未充分利用，典型制造過程中只有5%-20%的粉末燒結成零件，依靠材料和機床廠商可以實現粉末再利用，不過粉末暴露在增材制造機床的高溫工作環境下時會發生變化。上述所有困難都可以克服，但關鍵是必須知曉并理解再利用對粉末力學性能的影響，項目將特別針對Ti-6Al-4V、不銹鋼和尼龍材料進行研究。
增材制造的設計指導系統	喬治亞理工學院，洛克希德·馬丁，GKN航宇，西門子，Stratasys	開發增材制造設計指導系統，填補設計到打印工作流程的不足。當前，CAE工具在設計工作流中被強制插入與增材制造聯接，此外，一些高層級工作流類別或缺失或與當前流程不協調，包括用于制造工藝選擇和調整的決策工具、用于零件認證與驗證的有限元分析、與用于配置管理的產品壽命周期管理軟件的兼容性。項目將實現決策工具以及零件認證與驗證的工作流類別的嵌入，并提供近無縫化的軟件生態系統，通過通用有效載荷文件格式消除在多個軟件工具間切換的不連續，向完整和理想的工作流程前進。

其它機構/企業牽頭項目

項目名稱	主要參與方	項目研究內容
增材制造材料微結構優化以提升無損檢測能力	愛迪生焊接協會（EWI），洛克希德·馬丁，西亞基	高性能航空航天鈦合金組件在電子束定向能沉積及后續熱處理過程中形成復雜微結構，通過修改沉積工藝參數和改進超聲檢測技術，提升對組件的超聲檢測能力。
復雜金屬增材制造結構的無損評估*	愛迪生焊接協會	針對鈦合金和鎳基合金增材制造以及直接金屬激光融化和電子束融化工藝制造，在組件檢測中應用無損評估技術。依據工業界的輸入，形成由平面和立體缺陷以及內部不一致組成的缺陷矩陣，向所選增材制造組件中施加；研究中將對以預定類型、位置和尺寸制造平面和立體缺陷的兩項工藝進行鑒定。在各種無損評估形式中，選取了X射線CT來實施，以檢驗典型增材制造缺陷和條件下的樣本和組件；所選組件中的增材制造缺陷矩陣的設計和優化將由X射線CT性能的計算機建模與仿真來輔助，X射線CT性能將指明可能的最佳與最差檢測場景。
用于工業級增材制造的并行固結方法優化	斯通尼·克里克實驗室，雷神	開發增材制造新方法，即對一個零件上的許多點同時進行粉末固結。相關材料和工業數據將記錄在數據庫中，格式與機構的國家級存儲框架一致。數據庫將通過在線培訓、工人發展和公開發布等補充手段，傳播項目成果等信息，支持其商業化應用。
在美國鑄造行業加速應用增材制造技術	楊斯頓商業孵化器，美國鑄造協會，ExOne	支持黏合劑噴射增材制造向小型鑄造企業的轉移，允許其使用黏合劑噴射設備，并開發設計指南與工藝規范。
熔融沉積成形組件制造的成熟化	快速原型制造公司，戴頓大學	研究高溫聚合物ULTEM 9085的性能與應用，關鍵成果包括設計指南，關鍵材料和工藝數據，機床、材料、零件和工藝認證。
低成本“近凈成形引擎裝置”開發	Optomec，洛克希德·馬丁，陸軍貝內實驗室	為金屬激光沉積開發一款模塊化、經濟的，可安裝在任何現代機床中的“近凈成形引擎裝置”。為此，要在模塊化設計中嵌入最新的控制、路徑生成和質量監測功能，作為機床系統的一部分，易于升級和維護。
Ti-6Al-4V和IN718合金的沉積參數知識庫開發	Optomec	為金屬增材制造工藝參數確定提供高效和可重用的解決方案，使其實現無缺陷沉積。知識庫由工藝參數許用值組合的矩陣組成，盡可能減少工藝開發中的試錯過程。
熱塑性塑料粉末床燒結的閉環工藝控制*	3D系統公司，桑迪亞國家實驗室，洛克希德·馬丁	通過在軟硬件集成的閉環工程系統中加入預測性建模機制，實現關鍵工藝參數的原位控制，解決固有的加工難題，從而能夠在制造過程中廣泛采用熱塑性塑料粉末床燒結。項目將在桑迪亞的材料納米尺度仿真能力的基礎上制定基于模型的預測解決方案并與之集成，并利用洛·馬和桑迪亞的工藝傳感器選擇知識與增材制造系統集成經驗。

(責任編輯：admin)

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美國國家增材制造創新機構的技術路線圖和項目概覽

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