분말 베드 퓨전(PBF) 3D 프린터: 유형, 장점, 한계 및 작동 원리

제조업체가 복잡한 형상의 3D 프린팅 파트를 만들고자 할 때, 종종 분말 베드 퓨전(PBF) 기계를 찾습니다. 이러한 파트는 전통적 제조 방식으로는 만들기 까다롭거나(때로는 불가능) 합니다. 자세히 알아보겠습니다.

분말 베드 퓨전(PBF) 기계란?

PBF 기계는 다양한 산업의 다양한 애플리케이션을 위한 고품질, 복잡하고 정교한 파트를 제작할 수 있는 3D 프린터입니다. 레이저나 전자빔을 사용하여 금속 또는 플라스틱 분말 층을 녹여 융합함으로써, 분말 베드에서 층층이 파트를 빌드합니다. 고객의 특정 요구사항을 충족하는 강도나 내열성 같은 특정 특성을 가진 맞춤형 파트를 만들 수 있습니다. 아래 사진에서 이 기계의 모습을 볼 수 있습니다.

PBF의 장점은 출력 완료 후 여분의 분말을 회수하여 재활용하므로 일반적으로 폐기물을 최소화한다는 점입니다. 또한 설계에 대한 빠른 반복이 가능하여 엔지니어가 CAD 설계를 업데이트하고 결함이 있는 파트를 재출력할 수 있습니다. 복잡한 내부 형상을 가진 복잡한 파트의 경우, PBF가 선호되는 3D 프린팅 방식입니다. 금속 주조나 MIM 같은 다른 방식보다 완전한 파트를 설계, 제조, 테스트, 재설계, 재출력하는 것이 훨씬 빠릅니다. PBF 기계는 여러 파트를 동시에 생산할 수 있어 생산성을 높이고 파트 제조에 필요한 시간을 단축합니다.

PBF는 다양한 플라스틱과 금속으로 작업할 수 있으며, 출력 중인 파트는 출력 중 최소한의 서포트 구조만 필요합니다. 미사용 분말이 서포트 역할을 하기 때문입니다. 예를 들어 터빈 블레이드 내부의 냉각 채널을 만들 때 여분의 분말을 단순히 부어낼 수 있습니다. 하지만 PBF는 분말 예열, 진공 생성, 냉각 기간이 필요하여 출력 시간이 긴 비교적 느린 공정입니다. 또한 층별로 제작되기 때문에 PBF 파트의 구조적 특성은 일반적으로 다른 공정으로 만든 것만큼 강하지 않습니다. 표면 품질도 분말 입자 크기에 따라 달라지며, 모래 주조나 다이 캐스팅 같은 제조 공정과 유사할 수 있습니다.

열 왜곡으로 인한 제작 파트의 수축과 휨도 주의해야 합니다. 특히 폴리머로 만든 경우 그렇습니다. 일부에게 또 다른 단점은 높은 비용일 수 있습니다. 장비와 소재 모두 비쌉니다. 10만 달러 미만의 엔드투엔드 시스템을 찾는 것도 가능하지만, 가격은 일반적으로 15만~20만 달러에서 시작하며, 고급 모델은 때때로 100만 달러를 넘기도 합니다. 또한 에너지를 많이 소비하는 공정입니다. 출력 후 후처리에서 제거되는 미사용 분말은 효율적으로 재활용되어야 하지만, 예열은 여전히 일부 미사용 소재에 영향을 줄 수 있습니다.

분말 베드 퓨전(PBF) 기계는 어떻게 작동하는가?

PBF 3D 프린팅 공정의 단계는 다음과 같습니다:

1. CAD 모델을 생성하고 층으로 슬라이스해야 합니다. 3D 프린터는 출력 시작 전 빌드 시퀀스로 프로그래밍됩니다.
2. 얇고 균일한 분말 층(일반적으로 0.1mm)이 빌드 플랫폼에 펼쳐집니다.
3. 분말 베드를 소재 녹는점 바로 아래 온도로 가열하여 열 응력을 줄입니다.
4. 고출력 레이저나 전자빔이 디지털 모델에 기반하여 분말 층을 선택적으로 녹입니다. 소재는 냉각되면서 고체화됩니다.
5. 빌드 플랫폼이 한 층 두께만큼 내려가고, 파트가 완전히 형성될 때까지 공정이 반복됩니다.
6. 출력이 완료되면 파트를 분말 베드에서 제거하고 후처리 단계를 시작할 수 있습니다.

분말 베드 퓨전(PBF) 기계의 유형은?

파트를 출력하는 데 사용할 수 있는 PBF 기계에는 다양한 유형이 있습니다. 분말 베드 퓨전(PBF) 적층 제조 기술에는 레이저 빔(PBF-LB)과 전자빔(PBF-EB)이라는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 각 유형에는 관련된 상표 기술이 있습니다. 이들은 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 선택적 레이저 소결(SLS), 선택적 레이저 용융(SLM), 전자빔 용융(EBM)입니다. 공정은 사용되는 3D 프린팅 소재와 분말을 융합하는 열원에 의해 구분됩니다. PBF 방식은 레이저나 전자빔을 사용하여 분말 입자를 융합합니다. 각 방법은 다음 섹션에서 별도로 논의됩니다:

1. 직접 금속 레이저 소결(DMLS)

DMLS는 고출력 레이저를 사용하여 금속 분말을 선택적으로 융합하는 PBF 적층 제조 기술입니다. 공정은 SLS와 유사하지만 플라스틱 대신 금속 분말을 사용합니다. 레이저 빔이 금속 입자를 녹여 융합하여 층층이 고체 파트를 형성합니다. DMLS는 높은 정확도와 바람직한 기계적 특성을 가진 복잡한 금속 파트 생산을 위해 항공우주 및 의료 산업에서 일반적으로 사용됩니다.

2. 선택적 레이저 소결(SLS)

SLS는 고출력 레이저를 사용하여 분말 폴리머 소재(일반적으로 플라스틱 또는 나일론)를 선택적으로 융합하여 고체 객체를 만드는 3D 프린팅 기술입니다. 레이저로 각 층을 융합하면서 층층이 파트를 빌드합니다. 미융합 분말 소재가 빌드 과정에서 파트를 지지하여 서포트 구조가 필요하지 않습니다. SLS는 프로토타이핑, 제품 설계, 소량 생산에 널리 사용됩니다.

3. 선택적 레이저 용융(SLM)

SLM과 SLS는 둘 다 고출력 레이저를 열원으로 사용하여 PBF-LB 범주에 속한다는 유사점이 있습니다. 그러나 SLM은 레이저가 분말을 단순히 소결하는 것이 아니라 완전히 녹인다는 점에서 다릅니다. 이로 인해 더 조밀하고 강한 최종 파트가 생성됩니다. 이 공정은 티타늄 및 그 합금, 알루미늄 합금, 스테인리스 스틸 같은 금속 분말과 함께 일반적으로 사용됩니다. 텅스텐 같은 더 희귀한 금속도 가공 가능하지만 적용은 더 특수화되는 경향이 있습니다. 불활성 분위기(보통 아르곤)가 빌드 챔버에서 사용되어 응집된 소재의 산화나 질화를 방지합니다. SLM은 높은 기계적 특성과 복잡한 형상을 가진 파트 생산을 위해 항공우주, 의료, 자동차 산업에서 일반적으로 사용됩니다.

4. 전자빔 용융(EBM)

EBM은 금속 파트 제작에 사용되는 또 다른 분말 베드 퓨전 공정입니다. 레이저 대신 빔을 사용하여 금속 분말을 녹여 융합합니다. 레이저 기반 기술과 달리, EBM 프린터는 진공 상태에서 분말 베드에 전자를 발사하여 금속 소재를 녹이는 소규모 입자 가속기처럼 작동합니다. 대전된 전자가 분말 입자를 분산시킬 수 있기 때문에, 3D 프린팅 공정 시작 전에 각 소재 층을 일반적으로 예비 소결합니다. 또한 전체 프린트 베드는 빌드 내내 뜨겁게 유지됩니다. 3D 프린팅 공정 동안 파트는 반소결된 분말 케이크 안에서 빌드되며, 이는 지지를 제공하고 종종 추가 서포트 구조의 필요성을 없애줍니다. 느슨한 분말 내에서 파트를 소결할 수 있는 EBM 변형도 있다는 점은 주목할 만합니다.

EBM은 일반적으로 항공우주 및 의료 애플리케이션용 대형 복잡 금속 파트 생산에 사용됩니다. EBM은 다른 PBF 기술보다 더 높은 빌드 속도와 더 적은 잔류 응력을 제공하지만, 장비는 일반적으로 다른 기계보다 더 비쌉니다.

3D 프린팅에 분말 베드 퓨전(PBF) 기계 사용의 이점은?

• 유연함
• 복잡한 설계를 가진 파트의 제조 시간 개선
• 폐기물 감소로 인한 비용 및 환경 영향 감소
• 다양한 소재와 호환
• 출력 중 최소한의 서포트 구조 필요

3D 프린팅에 분말 베드 퓨전(PBF) 기계 사용의 한계는?

• 긴 출력 시간과 느린 공정
• 약한 구조적 특성
• 표면 질감이 분말 입자 크기에 의존
• 비싼 기계와 분말
• 열 왜곡
• 많은 에너지 사용

분말 베드 퓨전(PBF)의 제조 공정은?

PBF의 제조 공정은 다음 단계를 포함합니다:

1. CAD 파일을 설계하고 3D 프린터에 연결합니다. 설계는 수치적으로 층으로 슬라이스되고 실제 프린팅 시작 전 프린팅 시퀀스가 미리 결정됩니다.
2. 빌드 플랫폼에 분말을 펼칩니다. 얇은 분말 층이 빌드 영역 전체에 고르게 분포됩니다.
3. 전체 빌드 영역을 분말 입자 녹는점 바로 아래 온도로 가열합니다.
4. 미리 프로그래밍된 패턴에 따라 고출력 레이저나 전자빔으로 분말의 특정 영역을 선택적으로 녹입니다. 녹은 분말은 냉각되면서 고체화되어 고체 층을 형성합니다.
5. 빌드 플랫폼이 한 층 두께만큼 내려가고, 파트가 완성될 때까지 공정이 반복됩니다.
6. 프린팅이 완료되면 파트를 분말 베드에서 제거합니다. 서포트 구조 제거, 열처리, 가공, 폴리싱 등 다양한 후처리 단계를 거칩니다.

PBF의 후 제조 공정은 어떻게 되는가?

PBF 출력 파트의 후처리는 사용된 소재와 프린팅 공정에 따라 다릅니다.

금속 PBF 파트는 공정으로 인한 내부 응력 때문에 열처리가 필요합니다. 열처리 후 서포트 구조가 제거되고 추가 후처리가 진행될 수 있습니다. 고객 요구사항에 따라 CNC 가공, 폴리싱 등 여러 후처리 옵션이 있습니다.

금속 EBM 파트는 기판에서 자유롭게 떠 있으며 빌드 동안 반소결된 분말에 의해 지지됩니다. 열 제어나 후처리를 위해 희생 서포트가 추가될 수 있습니다. EBM 파트는 분말 케이크에서 꺼내야 하지만, 프린터 내부의 높은 온도로 인해 잔류 응력이 최소화되어 반드시 열처리 단계가 필요한 것은 아닙니다.

반면 플라스틱 파트는 미융합 분말 베드에서 제거되고, 비드 블라스트로 여분의 소재를 제거하여 일관된 표면 마감을 얻습니다. SLS 파트는 비드 블라스트 완료 후 그대로 두지만, 색상이 원하는 경우 추가 염색에 좋은 후보입니다.

PBF 기계는 다른 유형의 3D 프린터와 어떻게 다른가?

PBF 기계는 여러 면에서 다른 유형의 3D 프린터와 다릅니다. 가장 중요한 차이점은 분말 소재를 사용하여 층층이 파트를 빌드하는 방식입니다. PBF 기계는 고출력 레이저나 전자빔으로 금속 또는 플라스틱 분말을 선택적으로 융합하는 반면, 다른 3D 프린터는 압출이나 광중합 방식을 사용할 수 있습니다. PBF 기계는 높은 정밀도와 정확도로 매우 복잡하고 정교한 파트를 생산할 수 있습니다. 또한 다른 어떤 3D 프린팅 기술보다 뛰어난 기계적 특성을 가진 기능성 플라스틱 파트를 생산할 수 있습니다. 그러나 원하는 표면 마감을 얻기 위해 후처리가 필요한 경우가 많으며, 생산 가능한 파트 크기와 형상에 제한이 있을 수 있습니다. 또한 PBF 기계는 더 비싸고 운영에 더 전문적인 지식과 훈련이 필요합니다.

PBF 기계와 함께 사용할 수 있는 소재는?

PBF 3D 프린터는 아래에 나열된 다양한 소재를 지원합니다:

플라스틱

• 나일론(유리 및 미네랄 충전 포함)
• 폴리프로필렌
• 폴리에테르에테르케톤(PEEK)
• 폴리에테르케톤케톤(PEKK)
• TPU

금속

• 알루미늄 및 경량 합금
• 크롬-코발트 합금
• 귀금속(금, 은)
• 구리 및 합금(청동, 황동)
• 인코넬(Inconel®)
• 강철(연강, 합금강, 스테인리스 스틸 316L 및 17-4PH)
• 티타늄 및 합금
• 니켈 및 합금

다양한 산업에서 PBF 기계의 일반적인 애플리케이션은?

• 항공우주(터빈 블레이드, 연료 노즐, 가이드 베인)
• 의료(맞춤형 정형외과 파트, 티타늄 합금 두개골/비구 임플란트, 인공 고관절)
• 자동차(프로토타이핑, 모터스포츠용 냉각 덕트가 있는 브레이크 패드)
• 군용 항공기 컴포넌트

PBF 기계의 발전이 제조 산업에 미친 영향은?

분말 베드 퓨전(PBF) 기계의 발전은 제조 산업에 다양한 방식으로 혁명을 일으켰습니다. 가장 중요한 영향 중 하나는 제공하는 설계 자유도 증가입니다. PBF 기계는 전통적 제조 방식으로는 어렵거나 불가능한 복잡하고 정교한 형상 생성을 가능하게 합니다.

PBF 기계의 또 다른 핵심 영향은 더 빠른 프로토타이핑으로, 신제품 개발에 필요한 시간과 비용을 크게 줄였습니다. 빠른 프로토타이핑으로 제조업체는 설계 컨셉을 빠르게 테스트하고 생산 설계를 확정하기 전에 개선할 수 있습니다.

PBF 기계는 제조 폐기물 감소에도 기여했습니다. 파트 생성에 필요한 소재만 사용함으로써 PBF 기계는 폐기물을 줄이고 소재 비용을 낮춥니다. 이는 환경뿐만 아니라 제조업체의 수익에도 이롭습니다. 효율성 측면에서 PBF 기계는 여러 파트를 동시에 생산할 수 있어 생산성을 높이고 파트 제조에 필요한 시간을 단축합니다. 마지막으로 PBF 기계는 강도, 내구성, 내열성 같은 특정 특성을 가진 맞춤형 파트 생산을 가능하게 합니다. 이는 고객의 특정 요구를 충족하는 독특한 기능을 가진 신제품 개발로 이어졌습니다.

PBF 기계 가격은 DED와 비교하여 어떤가?

PBF 기계와 DED(지향성 에너지 증착) 기계의 비용은 제조사, 모델, 크기, 기능 같은 여러 요인에 따라 달라질 수 있습니다. 그러나 일반적으로 PBF 기계가 DED 기계보다 더 비쌉니다. PBF 기계는 더 진보된 기술을 사용하며 더 높은 정밀도와 더 나은 표면 마감의 파트를 생산할 수 있습니다.

PBF 기계 작동 시 따라야 할 안전 조치는?

대부분의 제조 공정과 마찬가지로 PBF로 파트를 만들 때 안전은 최우선이어야 합니다. 안전에 관한 몇 가지 고려사항은 다음과 같습니다.

1. PBF 기계는 흄과 미세 분진을 방출합니다. 흡입 위험을 최소화하기 위해 적절히 환기된 구역에서 작업하세요.
2. 분말 취급 및 기계 작동 시 장갑, 안전 안경, 호흡기 등 PPE를 착용하세요.
3. 가열된 컴포넌트나 출력 파트가 식을 때까지 만지지 말고, 특히 금속 출력물의 날카로운 모서리를 주의하세요.
4. 높은 온도와 스파크는 화재 위험을 초래하므로 소화기를 가까이 두고 인화성 물질을 작업 구역에서 치우세요.
5. 금속 분말은 위험할 수 있습니다. 주의 깊게 다루고 보호 장비를 사용하여 흡입이나 피부 접촉을 피하세요.
6. 정기적인 점검과 유지보수는 오작동을 방지하고 안전한 작동을 보장합니다.

PBF 후처리

PBF 출력 파트의 후처리 방법은 소재와 사용된 제조 공정에 따라 다릅니다. DMLS나 SLM으로 제작된 금속 PBF 파트는 일반적으로 프린팅 공정으로 인한 내부 응력을 완화하기 위해 열처리가 필요합니다. 열처리 후 서포트 구조가 제거되고, CNC 가공, 폴리싱, 표면 처리 같은 추가 후처리가 이어질 수 있습니다.

EBM으로 제작된 금속 파트는 레이저 기반 금속 PBF 방식과 달리 고체 기판이 아닌 반소결된 분말 케이크에 의해 지지됩니다. 분말 베드에서 추출해야 하지만, 높은 빌드 온도로 잔류 응력이 최소화되어 일반적으로 열처리가 필요하지 않습니다. 열 제어나 후처리를 위해 희생 서포트가 추가될 수 있습니다. 플라스틱 SLS 파트는 분말 베드에서 제거되고 여분의 소재를 제거하기 위해 세척되며, 균일한 마감을 위해 비드 블라스트가 자주 사용됩니다. 이들은 그대로 두거나 색상 커스터마이징을 위해 염색할 수 있습니다.

PBF는 적층 제조에 어떻게 기여하는가?

PBF는 여러 면에서 적층 제조에 기여합니다. 첫째, 전통적 제조 방식으로는 어렵거나 불가능한 복잡한 형상 생산을 가능하게 합니다. 둘째, 강도나 내열성 같은 특정 특성을 가진 맞춤형 파트 생성을 허용합니다. 셋째, 전통적 제조 방식보다 더 빠르고 적은 폐기물로 파트를 생산할 수 있습니다. 마지막으로, 특히 저량, 고부가가치 제품의 제조 비용을 줄일 잠재력이 있습니다.

PBF 기계는 비싼가?

네, PBF 기계는 꽤 비쌉니다. 10만 달러 미만의 엔드투엔드 시스템을 찾는 것도 가능하지만, 가격은 일반적으로 15만~20만 달러에서 시작합니다. 고급 PBF 기계는 100만 달러를 넘을 수 있습니다. 이 시스템 비용은 기계의 크기, 기능, 특징에 따라 달라집니다. 그러나 기술이 더 널리 보급되고 새로운 제조업체가 시장에 진입함에 따라 PBF 기계 비용은 시간이 지남에 따라 감소합니다. 또한 특정 애플리케이션에 PBF 기계를 사용하여 얻을 수 있는 잠재적 비용 절감과 효율성은 일부 기업에 투자를 정당화할 수 있습니다.

PBF 기계가 DED(지향성 에너지 증착) 기계보다 더 높은 품질의 솔루션을 생산하는가?

PBF 기계와 DED(지향성 에너지 증착) 기계는 각기 다른 강점과 약점이 있어, 어느 것이 더 높은 품질의 솔루션을 생산한다고 단정하기 어렵습니다. PBF 기계는 일반적으로 세밀한 디테일, 더 나은 표면 마감, 우수한 기계적 특성을 가진 고정밀 파트 생산에 더 적합합니다. 분말 베드 퓨전 공정은 복잡한 형상과 소재 분포에 대한 정밀한 제어를 가능하게 하여, 뛰어난 치수 정확도와 표면 마감을 가진 파트를 만듭니다(후처리가 때때로 필요하지만). PBF 기계는 금속, 세라믹, 플라스틱을 포함한 다양한 소재로 파트를 생산할 수도 있습니다.

반면 DED 기계는 항공우주 컴포넌트나 산업용 금형 같은 복잡한 형상의 대형 파트 생산에 더 적합합니다. DED 기계는 일반적으로 PBF 기계보다 빠르고 더 큰 파트 크기를 처리할 수 있지만, 동일한 수준의 정밀도나 표면 마감은 아닐 수 있습니다.

분말 베드 퓨전 기계에 대한 자주 묻는 질문

PBF 기계와 DED 기계의 차이점은?

PBF 기계와 DED(지향성 에너지 증착) 기계는 각기 다른 강점과 약점이 있어, 어느 것이 더 높은 품질의 솔루션을 생산한다고 단정하기 어렵습니다. PBF 기계는 일반적으로 세밀한 디테일, 더 나은 표면 마감, 우수한 기계적 특성을 가진 고정밀 파트 생산에 더 적합합니다. 분말 베드 퓨전 공정은 복잡한 형상과 소재 분포에 대한 정밀한 제어를 가능하게 하여, 뛰어난 치수 정확도와 표면 마감을 가진 파트를 만듭니다(후처리가 때때로 필요하지만). PBF 기계는 금속, 세라믹, 플라스틱을 포함한 다양한 소재로 파트를 생산할 수도 있습니다.

반면 DED 기계는 항공우주 컴포넌트나 산업용 금형 같은 복잡한 형상의 대형 파트 생산에 더 적합합니다. DED 기계는 일반적으로 PBF 기계보다 빠르고 더 큰 파트 크기를 처리할 수 있지만, 동일한 수준의 정밀도나 표면 마감은 아닐 수 있습니다. PBF와 DED 기계 비용은 제조사, 모델, 크기, 기능 같은 여러 요인에 따라 달라질 수 있습니다. 그러나 일반적으로 PBF 기계가 DED 기계보다 더 비쌉니다. PBF 기계는 더 진보된 기술을 사용하며 더 높은 정밀도와 더 나은 표면 마감의 파트를 생산할 수 있습니다.

PBF 기계는 다른 유형의 3D 프린터와 어떻게 다른가?

PBF 기계는 여러 면에서 다른 유형의 3D 프린터와 다릅니다. 주요 차이점은 필라멘트나 레진이 아닌 분말 소재를 사용하여 층층이 파트를 빌드한다는 점입니다. PBF 기계가 고출력 레이저나 전자빔으로 소재를 선택적으로 융합하는 반면, 다른 3D 프린터는 압출이나 광중합 방식을 사용할 수 있습니다. PBF 기계는 더 정밀하며, 다른 어떤 3D 프린팅 기술보다 뛰어난 기계적 특성을 가진 기능성 플라스틱 파트를 만들 수 있습니다. 그러나 원하는 표면 마감을 얻기 위해 후처리가 필요한 경우가 많으며, 크기와 형상 측면에서 제한이 있을 수 있습니다. PBF 기계는 또한 더 비싸고 운영에 더 전문적인 지식과 훈련이 필요합니다.

PBF 기계에 가장 좋은 소재는?

만드려는 것이 무엇인지, 예산 등 다른 요인에 따라 달라집니다. 각 소재는 고유한 특성, 강점, 약점이 있어 프린팅 공정에 영향을 줄 수 있습니다. 금속은 소재를 녹이고 고체화하기 위해 높은 온도와 에너지가 필요하여 출력 시간과 비용을 증가시킬 수 있습니다. 폴리머는 금속보다 낮은 온도와 에너지가 필요하여 더 빠른 출력 시간과 낮은 비용을 의미할 수 있습니다. 하지만 폴리머는 금속보다 기계적 특성이 낮을 수 있고, 휨과 변형에 더 취약할 수 있다는 점은 주목할 만합니다. 다시 말하지만, 프로젝트에 가장 좋은 소재는 필요한 특성과 예산에 따라 결정됩니다.

왜 PBF가 프로토타이핑에 좋은가?

PBF 기계는 더 빠른 프로토타이핑을 가능하게 하여 신제품 개발에 필요한 시간과 비용을 크게 줄입니다. 빠른 프로토타이핑으로 제조업체는 설계 컨셉을 빠르게 테스트하고 생산 설계를 확정하기 전에 개선할 수 있습니다.

작성자: Kat de Naoum

Kat de Naoum은 20년 이상의 경력을 가진 영국 출신 작가, 저자, 편집자, 콘텐츠 전문가입니다. 다양한 제조 및 기술 조직을 위한 글쓰기 경험이 있으며 엔지니어링 세계를 사랑합니다. 글쓰기 외에도 거의 10년간 패럴리걸로 일했으며, 그중 7년은 선박 금융 분야였습니다. 다수의 인쇄 및 온라인 출판물에 기고했습니다. 킹스턴 대학교에서 영문학 및 철학 학사, 창작학 석사를 취득했습니다.

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