• Uni/Hochschule: c/o Institut für Spanende Fertigung Technische Universität Dortmund
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Dirk Biermann, Timo Bathe, Michael Kansteiner, Sebastian Goeke
  • Artikel vom: 16 November 2015
  • Seitenaufrufe: 8596
  • Artikel Nummer: 055-044-de
  • Kategorie(n): Werkzeuge nach Bearbeitungsart, WERKZEUG ANWENDUNGEN, Werkzeugschleifen, Schleifwerkzeug mit elastischer Bindung, Werkzeuge nach Schneidstoffen, Verbundwerkstoffe, Schleifen, Schleifwerkzeug nach Bindungsart, Gehärtete Werkstoffe, Schleifwerkzeug mit Kunstharz-Bindung, Polieren-Finishen-Feinstbearbeitung, Diamant-/diamantähnlich beschichtete Werkzeuge
  • Schlüsselbegriffe: Bandfinishen, finischen, Finishbänder, finishen, finishing, honen, Honprozess, Kunstharzbindung, Simulation, Superfinishing, Wolframkarbid
  • Entwicklungen zur Leistungssteigerung tribologisch beanspruchter Bauteile durch Oberflächenfeinstbearbeitung

    Die gezielte Strukturierung tribologisch beanspruchter Funktionsflächen durch Honen und Finishen stellt eine effiziente Möglichkeit zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer hoch beanspruchter Bauteile dar. Der Honprozess bietet vielfältige Möglichkeiten die Oberflächentopographie und einzelne Materialanteilskenngrößen spezifisch einzustellen. Am Institut für Spanende Fertigung (ISF) der TU Dortmund werden insbesondere zum Kurzhubhonen mit Finishbändern, auch Bandfinishen, Microfinishen oder Superfinishen genannt, diverse Ansätze verfolgt, um die Leistungsfähigkeit von Bauteilen und Werkzeugen über die eigentliche Oberflächenstrukturierung hinausgehend zu steigern.

    Durch die Verwendung elastischer Andrückrollen lässt sich beispielweise eine Gestaltoptimierung von Zerspanungswerkzeugen erzielen, während die hohe Reproduzierbarkeit des Prozesses Ansätze zur simulativen Abbildung der Oberflächentopographie ermöglicht. Einen unkonventionellen Ansatz bildet die Verwendung des Verfahrens als Verschleißtest von Beschichtungen, die sich aufgrund ihrer Schichtmorphologie mit derzeitigen Prüfverfahren nur bedingt bzw. mit geminderter Aussagekraft testen lassen.

    Gestaltoptimierung von Zerspanungswerkzeugen am Beispiel von Hartmetallproben

    Neben der etablierten Schneidkantenpräparation von Zerspanwerkzeugen durch das Nassstrahlspanen kann durch die Verwendung von innovativen Präparationsmethoden, wie dem Polierschleifen von Spannuten und der Verrundung von Schneidkanten an Wendeschneidplatten und Fräswerkzeugen, eine Erhöhung der Prozessqualität und Leistungsfähigkeit erreicht werden [1-3]. Ein anderer innovativer Ansatz ist das Microfinishen der Führungsleisten von BTA-Bohrköpfen (Boring & Trepanning Association), das durch eine Optimierung der Oberflächentopographie die adhäsiven Materialablagerungen reduziert und die Standzeit und Prozessqualität steigert [4]. Motiviert durch die Ergebnisse zur Prozessoptimierung durch angepasste Oberflächentopographien an Werkzeugen, werden im Folgenden die Ergebnisse unterschiedlicher Präparationsmethoden bei der Oberflächenfeinstbearbeitung von Hartmetall dargestellt. Der Fokus der vorgestellten Untersuchungen liegt auf der Quantifizierung des Einflusses der Präparationsverfahren auf die erzeugte Oberflächenstruktur sowie der Konturänderung der Umfangsform. Die Werkzeugfunktionsflächen, in diesem Fall die Führungsleisten der Einlippenbohrwerkzeuge, haben einen entscheidenden Einfluss auf die Oberflächengüten der erzeugten Bohrungen. Dies ist durch den asymmetrischen Aufbau der Werkzeuge begründet, da die auftretenden Zerspankräfte an der Schneide als Normalkraft über die Führungsleisten abgeleitet werden. Aus diesem Grund zeigt sich eine gezielte Optimierung der Führungsleistentopographie als zielführend für die Steigerung der Leistungsfähigkeit dieser Werkzeuge. Als Werkstücke dienen geschliffene Hartmetallstäbe, die mit der Umfangsform G eines Einlippenbohrers (siehe Abb. 1) hergestellt wurden. So können die gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse aus den Wirkzusammenhängen auf reale Zerspanwerkzeuge übertragen werden. Neben der Analyse der Oberflächentopographie ist die Beurteilung des Übergangs zwischen der Öltasche und der Führungsleiste (siehe Abb.1) von Interesse. Die Verringerung eines durch die Verfahrenskinematik beim Schleifen der Werkzeuge bedingten scharfkantigen Übergangs verbessert das Einlaufverhalten und die Benetzungsfähigkeit der Führungsleisten. Durch die Verrundung des Übergangs kann das Schmiermittel besser in die Kontaktzone zwischen der Führungsleiste und der erzeugten Bohrungswand strömen und während des Prozesses eine hydrodynamische Schmierung genutzt werden. Zur Veranschaulichung des Effektes dient die schematische Darstellung des Kühlmittelvolumenstroms in Abb.1.

    Zu den untersuchten Präparationsmethoden zählen das Nassstrahlspanen, das Polierschleifen mit elastischer Schleifbelagsbindung und das Bandfinishen. Die drei Verfahren zeichnen sich durch eine unterschiedliche Strukturierung der Oberflächen, wie in Abb.2 dargestellt, aus. Für das Nassstrahlspanen ergeben sich im Vergleich zu den anderen Verfahren hohe Einzelrautiefen von Rz ≈ 0,64 µm, die durch das Auswaschen der Kobaltbindematrix und die freigelegten scharfkantigen Wolframkarbide resultieren. Die sich ergebende Vergrößerung der Oberfläche unterschützt die Schichthaftung für spezielle Werkzeugbeschichtungen [5]. Beim Polierschleifen bildet sich eine Struktur mit geringen Profilspitzen und –riefen auf der Oberfläche des Hartmetallstabes aus. Die Oberflächenkennwerte werden im Vergleich zu den gestrahlten Proben halbiert, wodurch die Fähigkeit zur Erzeugung eines hydrodynamischen Schmierfilms gesteigert wird. Ein analoges Ergebnis ist bei der Bearbeitung durch das Bandfinishen feststellbar, da durch dieses Verfahren die höchsten Oberflächengüten erzeugt werden. Die rastelektronenmikroskopischen Aufnahmen unterstützen diese Ergebnisse, da neben der hohen Oberflächengüte die typische Kreuzriefenstruktur, die ein Ölrückhaltevolumen erzeugt, erkennbar ist. Die Einflüsse einer hohen Oberflächengüte und geringen Riefentiefe auf die Schichthaftung muss in weiteren Untersuchungen analysiert werden.

    Neben der Analyse der Oberflächentopographie haben die vorgestellten Präparationsmethoden einen divergenten Einfluss auf die Werkzeugkontur (siehe Abb. 4). Durch das Nassstrahlen wird keine Beeinflussung der Werkzeugkontur erreicht, da lediglich eine Änderung der Bauteiloberfläche stattfindet. Bedingt durch die elastische Bindung beim Polierschleifen und die hohe Deformationsneigung der Umlenkrolle beim Bandfinishen, passen sich diese an die Werkzeugkontur an und erzeugen an scharfkantigen Übergängen eine Verrundung. Die Verrundung dieser Bereiche hängt von der Härte der Bindung ab, wie bereits andere Untersuchungen gezeigt haben [6]. Der Materialabtrag durch die Feinstbearbeitung beim Polierschleifen und Bandfinishen ist lediglich im Bereich des scharfkantigen Übergangs feststellbar. Der Durchmesser des Werkzeuges wird bei der Bearbeitung nicht beeinflusst.

    Die vorgestellten Untersuchungen zeigen, dass die neuen Präparationsmethoden zur Oberflächenoptimierung von Zerspanwerkzeugen eine gezielte Einstellung der Oberflächentopographie zu lassen. Neben der Veränderung der Oberflächentopographie ergeben sich Möglichkeiten zur Beeinflussung der Schichthaftung, die in weiteren Untersuchungen analysiert werden soll. Weiterhin kann durch die Deformation des Bindungsbelages durch das Polierschleifen und das Bandfinishen eine Änderung der Werkzeugkontur erreicht werden, die die Benetzungsfähigkeit und damit die Verschleißbeständigkeit der mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Führungsleisten begünstigen kann. Zur genauen Untersuchung der Wirkzusammenhänge und des Einflusses der Verrundung auf diese Effekte sind weitere Untersuchungen notwendig.<7p>

    Simulation von Honprozessen

    Durch Hon- und Finishprozesse können sowohl Oberflächen mit geringen Rauheiten erzeugt werden, wie beim Präparieren von Bohrwerkzeugen gezeigt, als auch durch eine mehrstufige Bearbeitung plateauartige Strukturen mit ausgeprägten Riefen eingestellt werden. Zur bedarfsgerechten Konditionierung von Bauteiloberflächen, wie z.B. bei Motorenkomponenten, durch Hon- und Finishverfahren ist ein umfassendes Prozesswissen notwendig. Insbesondere durch die mehrstufige Prozessführung ist die Entwicklung der Bearbeitungsfolge zur Erzeugung der gewünschten Oberflächenstrukturierung zeit- und kostenintensiv. Die simulative Nachbildung von Zerspanungsprozessen ermöglicht eine Reduzierung der Entwicklungszeit, in dem die Anzahl an empirischen geprägten Untersuchungen gesenkt bzw. optimiert wird. Honwerkzeuge, sowohl Finishbänder als auch Honsteine, verfügen über eine große Anzahl an Schneidkörnern, welche gleichzeitig aber unterschiedlich ausgeprägt während der Bearbeitung im Eingriff stehen und somit am Materialabtrag beteiligt sind. Durch diese spezifischen Herausforderungen bei Schleif- und Honprozessen setzte die simulative Nachbildung von Schleifprozessen später ein, als dies bei Prozessen mit geometrisch bestimmter Schneide der Fall war [7]. Durch die simulative Nachbildung können Vorhersagen über das Einsatzverhalten und die Prozessgrenzen getroffen werden, wodurch die Anzahl an empirischen Versuchen gesenkt bzw. optimiert werden kann. Im Bereich der Schleifverfahren besteht bereits die Möglichkeit mechanische und thermische Belastungen oder Werkstückoberflächen unter definierten Einschränkungen simulativ abzubilden, wodurch das bestehende Prozessverständnis erweitert werden konnte [8]. Für die simulative Nachbildung der erzeugten Oberflächenstrukturen, die durch das Honen erzeugt werden, wurden bislang nur eingeschränkt gültige Prozessmodelle erstellt. Am Institut für Spanende Fertigung wird daher ein Simulationswerkzeug entwickelt, welches in der Lage ist weg- und kraftgeregelte Honprozesse bei der Außenrund- sowie Bohrungsbearbeitung nachzubilden und die sich einstellenden Oberflächentopographien simulativ zu berechnen [9-11]. Dieses Prozessmodell basiert auf Höhenfeldern, aus denen sowohl die Werkstück- als auch die Werkzeugoberfläche modelliert werden (siehe Abb. 5). Durch eine radiale Zustellung dieser Höhenfelder erfolgt eine dreidimensionale Verschneidung, wodurch es möglich ist, die Durchdringung der Oberflächen zu berechnen und auf deren Grundlage die sich einstellenden Prozesskräfte, den Materialabtrag und die Oberflächenstrukturen und -topographien nachzubilden (siehe Abb. 6). Durch die zeitdiskrete Nachbildung des Honprozesses werden diese Größen und die sich einstellende Oberflächentopographie des Werkstücks sukzessive berechnet. Beim kraftgeregelten Außenrund-Kurzhubhonen führt in der Regel das Werkzeug die Oszillationsbewegungen aus, während die Rotationsbewegung vom Werkstück ausgeführt wird. In der Simulation werden vereinfacht, alle Relativbewegungen durch das Werkzeug ausgeführt, wodurch sich in der Simulation das Werkzeug in Abhängigkeit der eingestellten Prozesseinstellgrößen (Tangential-, Axialgeschwindigkeit, axialer Hub) relativ zum Werkstück bewegt. Die makroskopischen Daten des Prozessmodells, wie Durchmesser und Längen ergeben sich durch die Werkstück- und Werkzeugdaten. Zur Reduzierung der notwendigen Rechenzeiten werden jedoch jeweils nur hinreichend große Ausschnitte des Werkzeuges und des Werkstücks simulativ nachgebildet.

    Die Modellierung der Werkstücke und Werkzeuge auf mikroskopischer Ebene erfolgt auf Grundlage von Höheninformationen, welche auf Messdaten realer Werkzeuge und Werkstücke basieren, die durch eine Digitalisierung mit Hilfe der Weißlichtmikroskopie erlangt wurden. Die Berechnung der Prozesskräfte und der radialen Zustellung erfolgt durch die Bestimmung der Verschneidungshöhen zwischen den beiden Höhenfeldern. Anhand dieser Abtragshöhenwerte und auf Grundlage der empirischen Kienzle-Gleichung, welche für die Berechnung der Prozesskräfte beim Drehen Anwendung findet, ist es möglich die Prozesskräfte bzw. Anpressdrücke und die radiale Zustellung für jeden Zeitpunkt der Honsimulation zu berechnen und damit die Oberflächenstrukturen zu simulieren.

    Bislang wird in der Simulation ein idealer geometrischer Materialabtrag angenommen, d.h. die Verschneidungshöhe zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück wird vollständig vom Werkstück abgetragen. Da jedoch elastische und plastische Deformationen, in Form von Furchungs- und Reibungsvorgängen einen wesentlichen Anteil am Materialabtrag besitzen [12], ist es angedacht in der aktuellen Förderperiode diese Abtragsmechanismen auch simulativ umzusetzen. So können beispielsweise Materialaufwürfe durch eine Umverteilung der Abtragshöhenwerte mit entsprechenden Funktionen auf nebenstehende Höhendaten simulativ nachgebildet werden und Deformationen in einer Historie gespeichert werden.

    Finishen alsVerschleißtest

    Alternativ zur Feinstbearbeitung von tribologisch beanspruchten Funktionsflächen werden am ISF Prozessstrategien für das Bandfinishen entwickelt, die eine Nutzung des Verfahrens zur Ermittlung der Verschleißbeständigkeit von anodischen Oxidschichten ermöglichen. Anodische Oxidschichten, in diesem Fall Eloxalschichten, werden vornehmlich zum Schutz von Aluminiumbauteilen vor korrosivem Verschleiß eingesetzt. Im Gegensatz zur natürlich entstehenden Oxidschicht, die lediglich wenige Nanometer dick ist, wird die Eloxalschicht mit Hilfe einer elektrolytischen Umwandlung der Werkstoffrandzone erzielt. Durch die Elektrolyse ist es möglich, eine 5-15 µm dicke Schutzschicht zu generieren. Als Weiterentwicklung der herkömmlichen Eloxalschichten bieten Harteloxalschichten aufgrund ihrer größeren Dicke und gesteigerten Härte einen erhöhten Widerstand gegen abrasiven Verschleiß und werden vornehmlich in industriellen Anwendungsfeldern eingesetzt [13].
    Nach derzeitigem Stand der Technik werden anodische Oxidschichten häufig durch das Taber Abraser-Testverfahren auf ihre abrasive Verschleißbeständigkeit geprüft. Das Testverfahren wurde ursprünglich für die Prüfung von Fußbodenbelägen entwickelt. Zwei abrasive Laufräder schleifen hierbei auf einer rotierenden Prüfplatte. Der resultierende Gesamtabrieb nach dem normierten Prüfablauf beträgt oft weniger als 1 µm. Dadurch kann zwar das Verschleißverhalten des äußeren Layers bewertet werden, eine Aussage zur gesamten Schicht ist auf diese Weise aber nicht möglich, da hartanodische Schichten in Richtung der Übergangszone zum Substrat zunehmend härter werden. Auswirkungen auf die Verschleißresistenz durch Imprägnierungen der Schicht mit Ölen, Fetten oder teflonartigen Substanzen sind durch den Taber-Test nicht zu erfassen. Schon nach wenigen Umdrehungen sind die Laufräder mit diesen schmierenden Medien benetzt und der Verschleiß sinkt unter messbare Werte - obwohl sich die positiven Effekte der so konstatierten Verschleißbeständigkeit in der Praxis oftmals kaum bestätigen lassen. Alternativ lässt sich das Verschleißverhalten in einem wiederkehrenden Gleitverschleißtest analysieren. Allerdings besteht auch hier die Möglichkeit, dass während des Versuchs eine Anpassung des Gegenkörpers stattfindet und eine Änderung der Belastungssituation entsteht, die wiederum zu einem unterschiedlichen Abtrag führt [14].

    Im Vordergrund der entwickelten Prozessstrategie für den Verschleißtest durch das Bandfinishen stehen daher sowohl die sichere Reproduzierbarkeit der Testergebnisse als auch eine robuste und effiziente Prozessstrategie. Durch den Einsatz von Finishbändern anstatt von Honsteinen ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Reproduzierbarkeit, da kontinuierlich neue, unverschlissene Schleifkörner in Eingriff gelangen. Der Vorschub des Finishbandes erfolgt dabei stetig, so dass konstante, lediglich von der Art des Finishbandes und den Prozesseinstellgrößen bestimmte Zerspanbedingungen vorliegen. Dementsprechend hat bei dieser Verfahrensvariante der Kornverschleiß keinen Einfluss auf das Prozessergebnis und ermöglicht reproduzierbare Ergebnisse [15-17]. Erste Ergebnisse aus den noch andauernden Untersuchungen belegen den hohen Einfluss der Zustellkraft des Werkzeugs sowie der Korngröße des Finishbandes. Durch die Variation dieser beiden Stellgrößen ergeben sich für einen vollständigen Abtrag der Schicht, wie in Abbildung 7 dargestellt, Unterschiede in den Prozesszeiten zwischen t = 5 min und t = 30 min. Um in der praxisnahen Anwendung ein aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten, wird eine möglichst große Differenz in der Höhe des Abtrags bei unterschiedlicher Schichtgüte angestrebt. Unter Verwendung verschiedener Schichtqualitäten – in diesem Fall beispielhaft durch die Proben A und B dargestellt – erfolgt eine zusätzliche Auswertung der Varianz des Abtrags sowie eine gezielte Anpassung der Prozessstrategie zur Erhöhung der Aussagekraft. Durch die Variation der Korngröße zwischen dK = 9 und 30 µm zeigten sich verschiedene Spanbildungsmechanismen beim Abtrag der Eloxalschicht. Während ein gröberes Korn zu einer Mikrospanbildung tendiert, ergeben sich bei geringer Korngröße zunehmend Mikrofurchungs- und Umformprozesse [18, 19]. Dabei ist die Korngröße in Kombination mit dem Bandvorschub zu betrachten, da der Verschleißzustand auf dem Finishband von entscheidender Bedeutung für den Abtragsmechanismus ist und sich durch die Variation der Bandvorschubgeschwindigkeit gezielt beeinflussen lässt. Der mit zunehmender Schichttiefe regressive Verlauf der Graphen deutet auf eine zunehmende Verschleißbeständigkeit in größerer Schichttiefe hin. Dies deckt sich mit den Erfahrungen aus der Hartanodisierpraxis. Besonderer Fokus bei der Ermittlung der Prozessstrategie liegt in der Möglichkeit, diese in eine prototypische Maschinenkonstruktion zu implementieren. Die konträren Forderungen nach einer präzisen Analyse der Schichtqualität sowie einer möglichst einfachen, gegenüber Störgrößen resistenten Prozessstrategie bilden zusätzliches Forschungspotenzial. Durch die intensive Kooperation mit Industriepartnern aus der Beschichtungstechnik (Fischer Oberflächentechnik GmbH), der Feinmechanik (Stromboli GmbH) sowie der Steuerungstechnik (MZT GmbH) wurde bereits ein erster Prototyp, dargestellt in Abb. 8, konstruiert und wird derzeit im industriellen Einsatz getestet. Die Nutzung des Bandfinishens als Verschleißtest hat über den derzeitigen Anwendungsfall der Eloxalschichten großes Potenzial für die Analyse und Weiterentwicklung von weiteren Beschichtungssystemen. Durch geringfügige Modifikationen in der Prozessstrategie ist eine Erweiterung auf eine Vielzahl alternativer Beschichtungssysteme möglich.

    Danksagung

    Die vorliegenden Ergebnisse wurden im Rahmen der Forschungsprojekte „Untersuchungen der Wirkzusammenhänge neuer Präparationsmethoden und resultierender Bohrungsoberflächen zur Optimierung von Einlippenbohrern“ mit der DFG Fördernummer DFG BI 498 22 und im Rahmen des Projektes BI 498/40-3 und KE 1885/3-3 „Experimentelle und simulationsgestützte Grundlagenuntersuchungen zur Oberflächenstrukturierung durch das Kurz- und Langhubhonen“ erarbeitet. Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung des Forschungsvorhabens bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Außerdem danken die Autoren dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, das im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) das Kooperationsprojekt „Entwicklung und branchenspezifische Erprobung eines tribologischen Testverfahrens zur Analyse der Verschleißbeständigkeit anodischer Oxidschichten“ fördert. Des Weiteren danken die Autoren den Projektpartnern: Fischer Oberflächentechnik GmbH, MZT GmbH sowie der Stromboli GmbH.


    Info

    Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann,

    Jahrgang 1963, studierte Maschinenbau an der Universität Dortmund und promovierte auf dem Gebiet der spanenden Fertigung. Während seiner achtjährigen Industrietätigkeit war er als Bereichsleiter Fertigung bei der Dr. SCHRICK GmbH in Remscheid für die Produktion von Verbrennungsmotoren verantwortlich. Seit April 2007 leitet er das Institut für Spanende Fertigung (ISF) und ist seit Januar 2014 Prorektor Forschung der Technischen Universität Dortmund. Prof. Biermann ist Associate Member der Internationalen Akademie für Produktionstechnik (CIRP) und Mitglied der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP).

    Dipl.-Ing. Timo Bathe,

    Jahrgang 1986, studierte Maschinenbau an der TU Dortmund. Seit November 2012 arbeitet er am Institut für Spanende Fertigung (ISF) in der Abteilung Schleiftechnologie. Sein Tätigkeitsbereich beinhaltet u.a. Werkzeugentwicklung und -schleifen sowie die Analyse neuer Präparationsmethoden zur Gestaltoptimierung von Führungsleisten an Einlippenbohrern.

    Dipl.-Ing. Michael Kansteiner,

    Jahrgang 1985, studierte Maschinenbau an der TU Dortmund. Seit November 2012 arbeitet er am Institut für Spanende Fertigung der TU Dortmund in der Abteilung Schleiftechnologie. Sein Tätigkeitsbereich beinhaltet u. a. die Untersuchung des Honverfahrens und die Analyse der Abbauvorgänge bei der Bearbeitung von Stahlbeton mit Schleifsegmenten.

    Dipl.-Wirt.-Ing. Sebastian Goeke,

    Jahrgang 1983, studierte Wirtschaftsingenieurwesen an der TU Dortmund. Seit Oktober 2010 arbeitet er am Institut für Spanende Fertigung der TU Dortmund in der Abteilung Schleiftechnologie. Sein Tätigkeitsbereich beinhaltet u. a. die gezielte Oberflächenkonditionierung tribologisch beanspruchter Funktionsflächen sowie die Endbearbeitung hochharter Verschleißschutzschichten durch das Microfinishen.

    c/o Institut für Spanende Fertigung
    Technische Universität Dortmund
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    www.isf.de

    Quellen

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    Biermann, D.; Heymann, T.; Rautert, C.: Polieren passt Hartmetallflächen der jeweiligen Anwendung an. MM Maschinenmarkt, 117 (2011) 45, S. 42-44
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