Casting of Combustion Engine Pistons Before and Now on the Example of FM Gorzyce

엔진 피스톤 주조 기술의 혁신: 과거와 현재를 통해 본 성능 향상의 비밀

이 기술 요약은 M. Czerepak와 J. Piątkowski가 저술하여 [ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING] (2023)에 발표한 학술 논문 "[Casting of Combustion Engine Pistons Before and Now on the Example of FM Gorzyce]"를 기반으로 합니다.

키워드

• Primary Keyword: 엔진 피스톤 주조 기술
• Secondary Keywords: 영구 주형 주조, 실루민 합금, 피스톤 설계, 표면 처리, 자동차 주조

Executive Summary

• The Challenge: 엔진 효율 증대와 배기가스 저감 요구는 피스톤이 더 높은 열-기계적 부하를 견뎌야 함을 의미합니다.
• The Method: 본 논문은 FM Gorzyce 공장의 50년간 영구 주형 주조 기계와 피스톤 설계의 발전 과정을 비교 분석합니다.
• The Key Breakthrough: 복잡한 냉각 시스템을 갖춘 자동화된 주조 공정과 냉각 채널, 링 인서트, 특수 표면 처리를 특징으로 하는 첨단 피스톤 설계의 결합은 피스톤 성능과 생산 효율성을 극적으로 향상시켰습니다.
• The Bottom Line: 첨단 주조 자동화와 정교한 피스톤 부품 설계의 통합은 현대 고성능 엔진의 요구 사항을 충족시키는 데 매우 중요합니다.

The Challenge: 왜 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한가

최근 몇 년간 연소 엔진 피스톤에 대한 요구 사항은 체계적으로 증가해 왔습니다. 이는 주로 열-기계적 부하 증가, 낮은 연소 가스 배출 및 연료 소비 감소와 관련이 있습니다. 차량 질량 감소와 높은 엔진 회전 속도에 대한 필요성은 평균 및 최대 작동 챔버 압력과 관성력의 증가를 야기했습니다. 이러한 기대를 충족시키기 위해서는 연소 엔진의 심장부인 피스톤에 대한 최고의 요구 사항을 설정하는 실린더 내 온도 및 압력 값 증가와 같은 엔진 내부의 다양한 솔루션이 필요합니다. 과거의 단순한 설계로는 현대 엔진이 요구하는 내구성과 효율성을 달성하기 어려워졌으며, 이는 주조 기술과 피스톤 설계 자체의 근본적인 혁신을 요구하게 되었습니다.

The Approach: 방법론 분석

본 연구는 특정 실험을 수행하기보다는, 폴란드의 Federal-Mogul Gorzyce 공장에서 지난 50년간 이루어진 피스톤 주조 기술의 발전을 비교 분석하는 사례 연구 방식을 채택했습니다. 연구의 접근 방식은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

• 과거 기술 분석: 1970년대와 1980년대에 사용되었던 수동 주입 방식의 단일 영구 주형 주조기를 분석합니다. 당시에는 주 코어와 핀 코어로 구성된 단순한 금형과 AlSi12 합금이 주로 사용되었으며, 냉각 시스템 또한 주 코어만 냉각하는 단순한 형태였습니다.
• 현재 기술 분석: 현재 사용되는 완전 자동화된 주조 스테이션을 분석합니다. 주조 로봇이 정량의 용탕을 주입하고, 링 인서트와 솔트 코어를 배치하며, 주조품을 언로딩합니다. 특히, 수치 제어되는 8개의 냉각 회로를 갖춘 이중 영구 주형을 사용하여 균일한 응고와 최적의 공정 효율을 달성합니다.
• 피스톤 설계 비교: 과거의 무겁고 추가 부품이 없는 단순한 피스톤과, 현재의 복잡한 헤드 형상, 냉각 채널(솔트 코어 사용), 링 인서트("알핀" 인서트), 다양한 보호 코팅이 적용된 경량화된 피스톤 설계를 비교합니다.

이러한 비교 분석을 통해 기술 발전이 어떻게 현대 엔진의 엄격한 요구 사항을 충족시키게 되었는지 명확히 보여줍니다.

The Breakthrough: 주요 연구 결과 및 데이터

[본 논문의 결과 섹션을 바탕으로, 구체적인 데이터와 함께 가장 중요한 2-3가지 발견을 제시합니다.]

발견 1: 주조 공정의 자동화 및 냉각 시스템의 고도화

가장 큰 변화 중 하나는 주조 공정 자체의 진화입니다. 과거 수동으로 운영되던 단일 챔버 주조기는 이제 주조 로봇이 용탕 주입, 부품 삽입, 주물 추출까지 담당하는 완전 자동화된 스테이션으로 대체되었습니다. 특히 냉각 시스템의 발전이 두드러집니다. 과거에는 주 코어만 냉각하는 단순한 시스템이었지만, 현재의 금형은 수치 제어되는 전자 밸브가 장착된 8개의 개별 냉각 회로를 갖추고 있습니다(그림 6 참조). 이 시스템은 주물의 균일한 냉각을 보장하며, 피스톤의 응고 시간을 과거 약 60초에서 현재 약 13초 이하로 크게 단축시켰습니다. 이러한 변화는 생산 효율성을 극대화하고 일관된 품질의 주물을 생산하는 데 결정적인 역할을 합니다.

발견 2: 냉각 채널 및 링 인서트를 통한 피스톤 기능 강화

현대 피스톤 설계의 핵심은 열 부하를 효과적으로 관리하는 것입니다. 이를 위해 두 가지 핵심 부품이 도입되었습니다. - 솔트 코어(Salt Cores): 소결 방식으로 제작된 NaCl(99.9%) 코어를 금형에 장착한 후 주조합니다. 주조 후 물로 세척하면 코어가 있던 자리에 정교한 내부 냉각 채널이 형성됩니다(그림 10 참조). 엔진 작동 중 이 채널로 오일이 순환하며 피스톤 헤드와 링 섹션을 효과적으로 냉각시켜 내구성을 향상시킵니다. - "알핀" 링 인서트(Alfin Ring Inserts): 가장 높은 열 부하를 받는 상부 링 그루브를 강화하기 위해 오스테나이트계 주철(표 2 참조)로 만든 특수 링 인서트를 사용합니다. 이 인서트는 "알피네이팅"이라는 표면 처리 공정을 거쳐 알루미늄 피스톤 주물과의 확산층을 형성하여 접착력을 극대화합니다. 이를 통해 링 그루브의 마모를 방지하고 피스톤의 열팽창을 제어합니다.

발견 3: 기능성 표면 처리 기술의 다양화

기계 가공 후 피스톤은 다양한 표면 처리 공정을 거쳐 최종 성능이 결정됩니다. - 흑연 코팅(Graphite Coating): 피스톤 스커트에 스크린 인쇄 방식으로 특수 흑연 페이스트를 도포합니다. 5~15µm 두께의 이 코팅층은 피스톤과 실린더 사이의 마찰을 줄이고, 오일의 습윤성을 개선하며, 엔진 길들이기 중 소착을 방지하는 역할을 합니다(그림 12 참조). - 인산염 처리(Phosphatizing): 피스톤 표면에 화학적으로 변환층을 형성하여 부식을 방지하고 흑연 코팅의 접착력을 높입니다. 특히 망간 인산염 처리(MnP)는 강철 피스톤에 적용되어 링 그루브와 핀 구멍의 보호 성능을 향상시킵니다(그림 11 참조). - 아노다이징(Anodizing): 가솔린 엔진 피스톤의 첫 번째 링 그루브나 피스톤 헤드에 적용되며, 단단한 Al2O3 층(270 HV 이상)을 형성하여 변형과 마모를 방지하고 열 절연 효과를 제공합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

[본 논문의 토론 및 결론 섹션을 바탕으로, 다양한 전문 직책을 위한 조건부 통찰력을 제공합니다.]

• 공정 엔지니어에게: 이 연구는 다중 회로, 수치 제어 냉각 시스템의 도입이 사이클 타임을 (약 60초에서 13초로) 크게 단축하고 주물 균일성을 향상시킬 수 있음을 시사합니다.
• 품질 관리팀에게: 논문의 "알피네이팅" 공정에 대한 설명은 주철 링 인서트와 알루미늄 피스톤 본체 간의 강력한 접착력을 보장하는 것이 중요한 품질 검사 기준임을 보여줍니다.
• 설계 엔지니어에게: 연구 결과는 솔트 코어 냉각 채널 및 특정 크라운 형상과 같은 특징을 통합하는 것이 현대 엔진 설계에서 열 부하를 처리하는 피스톤의 능력에 직접적인 영향을 미친다는 것을 보여주며, 이는 초기 설계 단계에서 중요한 고려 사항입니다.

논문 상세 정보

[Casting of Combustion Engine Pistons Before and Now on the Example of FM Gorzyce]

1. 개요:

• Title: Casting of Combustion Engine Pistons Before and Now on the Example of FM Gorzyce
• Author: M. Czerepak, J. Piątkowski
• Year of publication: 2023
• Journal/academic society of publication: ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING
• Keywords: Casting, Silumins, Pistons, Permanent moulding casting machines, Surface treatment

2. 초록:

이 기사는 Federal-Mogul(FM) Gorzyce의 예를 통해 영구 주형 주조 기계의 구조, 엔진 피스톤 주조 방법 및 그 구조에서 가장 중요한 변화를 논의합니다. 현재 사용되는 영구 주형 주조 기계의 자동 냉각 시스템은 액체 합금을 붓는 로봇과 결합하여 피스톤의 균일한 결정화와 주조 공정의 최적 효율을 보장합니다. 엔진 효율을 개선하고 결과적으로 연료 소비와 유해 물질 배출을 줄여야 할 필요성의 결과로 피스톤의 구조도 변경되었습니다. 금속 금형에 중력 주조로 생산되는 피스톤 주물은 정반대의 변화를 겪었습니다. 가솔린 및 디젤 엔진용 일반적인 피스톤 설계는 피스톤의 가장 중요한 부분인 크라운(연소실) 및 가이드 부분(스커트)과 함께 표시됩니다. 엔진 유형에 따라 현재 피스톤은 다르게 형성된 크라운, 슬림화된 내부 구조 및 구성 요소 참여(냉각 채널 및 링 인서트)를 특징으로 하며 피스톤 스커트는 표면 처리 절차를 거칩니다.

3. 서론:

연소 엔진 피스톤에 대한 요구 사항은 최근 몇 년 동안 체계적으로 증가해 왔습니다. 이는 주로 열-기계적 부하 증가뿐만 아니라 낮은 연소 가스 배출 및 연료 소비와 관련이 있습니다. 차량 질량 감소와 높은 엔진 회전 속도에 대한 필요성은 평균 및 최대 작동 챔버 압력과 관성력의 증가를 야기했습니다. 이러한 기대는 예를 들어 엔진 내부에서 실현되는 다양한 솔루션을 통해 충족될 수 있습니다. 여기에는 실린더의 온도 및 압력 값 증가가 포함되며, 이는 연소 엔진의 심장, 즉 피스톤에 가장 높은 요구 사항을 설정합니다. 제2차 세계 대전 후, Rzeszów에 WSK(운송 장비 생산 공장)가 설립되어 자동차 및 항공기 산업을 위한 알루미늄, 마그네슘 및 구리 합금 주물을 생산했습니다. 1970년대에 WSK는 Al-Si-Mg 합금으로 림을 생산했으며 1980년대부터 Gorzyce 공장에서 핀, 링 인서트 및 피스톤이 생산되었습니다. 2001년에 WSK Gorzyce는 Federal-Mogul Powertrain에 인수되었으며 현재는 Tenneco(FMG)가 소유하고 있습니다. 초기에 액체 금속의 주조는 수직 시스템에서 중력 방식으로 금속 금형에서 이루어졌습니다. 단일 영구 금형이 주조기에 장착되었고 금형 충전은 특수 주조 국자를 사용하여 수동으로 수행되었습니다(그림 1). 금속은 간단한 냉각 시스템이 장착된 영구 금형에서 결정화되었습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

본 연구는 연소 엔진의 효율성 증대 및 환경 규제 강화라는 시대적 요구에 따라 피스톤 주조 기술과 설계가 어떻게 발전해왔는지를 다룹니다. 특히 폴란드의 한 주요 생산 공장(FM Gorzyce)의 50년에 걸친 실제 사례를 통해 그 변화를 구체적으로 추적합니다.

이전 연구 현황:

논문은 1970년대의 수동 중력 주조 방식과 단순한 구조의 피스톤을 초기 기술로 제시합니다. 당시에는 주로 AlSi12 합금이 사용되었고, 주조기는 단일 금형에 단순 냉각 기능만을 갖추고 있었습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 Federal-Mogul Gorzyce에서 50년간 이루어진 영구 주형 주조 기계의 구조와 실루민 엔진 피스톤 주물의 주요 변화를 조명하는 것입니다. 이를 통해 주조 기계, 금형 냉각 시스템, 디젤 및 가솔린 엔진용 피스톤 구조의 변화를 기술하는 것을 목표로 합니다.

핵심 연구:

연구의 핵심은 과거와 현재의 기술을 명확히 대비시키는 데 있습니다. 과거의 수동, 단일 금형, 단순 냉각 방식에서 현재의 로봇 자동화, 이중 금형, 다중 회로 정밀 냉각 방식으로의 전환을 상세히 설명합니다. 또한, 단순한 형태의 피스톤이 솔트 코어, 링 인서트, 다양한 표면 처리 기술이 적용된 복잡하고 기능적인 설계로 어떻게 진화했는지를 분석합니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 특정 공장을 대상으로 한 종단적 사례 연구(longitudinal case study) 설계를 따릅니다. 1970년대부터 현재까지 약 50년의 기간에 걸쳐 피스톤 주조 기술과 제품 설계의 변화를 기술하고 비교 분석합니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

데이터는 해당 기업(Federal-Mogul Gorzyce)이 보유한 기술 자료, 내부 문서, 도면 및 과거 생산 기록을 통해 수집되었습니다. 수집된 자료를 바탕으로 과거와 현재의 주조 기계, 금형, 피스톤 설계, 사용 합금, 표면 처리 방법 등을 비교하는 정성적 분석을 수행했습니다.

연구 주제 및 범위:

• 주조 기계 및 영구 주형 구조의 변화
• 주 금형 요소의 냉각 시스템 현대화
• 디젤 및 가솔린 엔진용 피스톤 구조의 변화

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 주조 공정 자동화: 과거 수동 주입 방식에서 로봇을 이용한 자동 주입, 부품 삽입, 주물 추출 방식으로 전환되어 생산 효율성과 일관성이 크게 향상되었습니다. (그림 5 참조)
• 주조기 및 금형 발전: 단일 금형 주조기에서 양쪽에 금형이 장착된 이중 영구 주형 주조기로 발전하여 생산량이 두 배로 증가했습니다. (그림 6 참조)
• 냉각 시스템 고도화: 과거의 단순한 주 코어 냉각에서, 현재는 8개의 수치 제어 냉각 회로를 갖춘 복잡한 시스템으로 발전하여 피스톤의 균일한 응고를 보장하고 응고 시간을 약 60초에서 13초 이하로 단축했습니다.
• 피스톤 설계 혁신:
  • 냉각 채널: NaCl 솔트 코어를 사용하여 피스톤 헤드 내부에 냉각 채널을 형성, 엔진 작동 중 오일 순환을 통해 피스톤을 효과적으로 냉각합니다. (그림 10 참조)
  • 링 인서트: 오스테나이트계 주철로 만든 "알핀" 링 인서트를 사용하여 가장 높은 열 부하를 받는 상부 링 그루브를 강화했습니다. (그림 10 참조)
• 표면 처리 기술 적용: 마찰 감소를 위한 흑연 코팅, 내식성 및 코팅 접착력 향상을 위한 인산염 처리, 내마모성 및 열 절연을 위한 아노다이징 등 다양한 표면 처리 기술이 적용되었습니다. (그림 11, 12 참조)
• 생산량 증가: 기술 발전과 자동화에 힘입어 2006년 이후 피스톤 연간 생산량이 크게 증가했습니다. (그림 13 참조)

Figure Name List:

• Fig. 1. Old method of casting pistons: a) manual casting; b) single permanent mould casting machine [7]
• Fig. 2. Permanent mould casting machine for casting single pistons [8]
• Fig. 3. Casts of an previous gasoline engine piston with diameter Ø 90 mm; a) after lowering the permanent mould casting machine; b) simply flat piston crown [7]
• Fig. 4. Cast of an old Diesel engine piston with a) diameter Ø 110 mm; b) piston casting after cutting off ingate system and riser [7]
• Fig. 5. Automatized station for casting piston MFGD (Multi Functional Gasoline Diesel) [7]
• Fig. 6. Model of a modern double permanent mould for piston casting (Gasoline) [7]
• Fig. 7. Exemplary pistons for engines with direct ejection: a-c) side view; d-f) piston head surface [7]
• Fig. 8. Exemplary pistons for Light Vehicles engines: a-c) side view; d-f) piston crown surface [7]
• Fig. 9. Internal construction of the present pistons: a-c) pistons from Figure 7; d-f) pistons from Figure 8 [7]
• Fig. 10. Modern pistons with a ring insert and a salt core for: a) a Diesel engine, b) a gasoline engine [7]
• Fig. 11. Pistons for a Diesel engine: a) aluminium before phosphatizing; b) aluminium after phosphatizing; c) steel before manganese phosphatizing; d) steel after manganese phosphatizing [7]
• Fig. 12. Piston skirt after graphite covering: a) for a Diesel engine; b) for a gasoline engine [7]
• Fig. 13. Piston production at Federal-Mogul 2006 - 2021 [7]

7. 결론:

오늘날 자동차 생산자들은 연료 소비와 유해 물질 배출을 줄이고 피스톤-링-실린더(PRC) 시스템 및 엔진 타이밍 기어 메커니즘의 마찰 손실을 줄임으로써 엔진의 전반적인 기계적 효율을 개선하는 것을 목표로 합니다. 솔트 코어 및 링 인서트와 같은 부품 사용, 피스톤 질량 및 높이 감소, 보호층 코팅(인산염 처리, 흑연 코팅, 주석 도금, 아노다이징, 크롬 도금 등)은 이러한 손실을 줄이는 해결책에 포함됩니다. 냉각 채널, 알핀 처리된 링 인서트 및 다양한 피스톤 헤드 형상의 사용은 1980년대와 1990년대에 생산된 피스톤 크라운에 비해 현재 피스톤 크라운 온도를 약 25-30°C 낮추었습니다. 크라운 온도 저하는 피스톤 내구성을 연장하는 데 핵심적인 중요성을 가집니다. 또한, 링 인서트의 적용은 상부 링의 온도를 250°C 이하로 낮추어 오일 소비를 제한하는 데 도움이 됩니다. 이 모든 발전은 더 높은 출력과 신뢰성을 갖춘 엔진을 생산하기 위한 첨단 피스톤 생산 기술의 필요성을 강조합니다.

8. 참고문헌:

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• [6] Oppenheim, A.K. (2004). Combustion in Piston Engines. Technology, Evolution and Control. Springer.
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• [9] Pietrowski, S. & Szymczak, T. (2006). The influence of selected factors on the cnstruction of the alfined layer on iron alloys. Archives of Foundry. 6(19), 251-266. (in Polish). ISSN 1642-5308.
• [10] Pietrowski, S. (2001). Structure of alifinishing layer on the gray cast iron. Archives of Foundry. 4(11), 95-104. (in Polish). ISSN 1642-5308.
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• [12] Crolla, D.A. (2009). Automotive engineering. powertrain, chassis system and vehicle body. United States of America: Butterworth-Heinemann.
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• [16] Piątkowski, J., Grabowski, A. & Czerepak, M. (2016). The influence of laser surface remelting on the microstructure of EN AC-48000 cast alloy. Archives of Foundry Engineering. 16(4), 217-221. DOI: 10.1515/afe-2016-0112.

Expert Q&A: 귀하의 주요 질문에 대한 답변

[기술 전문가가 할 법한 5-7개의 통찰력 있는 질문과 논문에서 직접 발췌한 답변을 만듭니다.]

Q1: 현대 피스톤에 "알핀(alfin)" 링 인서트를 사용하는 주된 이유는 무엇입니까?

A1: 알핀 인서트는 가장 높은 열 부하를 받는 상부 링 그루브를 보강하기 위해 사용됩니다. 오스테나이트계 주철로 만들어진 이 인서트는 피스톤 스커트의 열팽창을 제한하고 제어하는 것을 가능하게 합니다. 이는 피스톤의 내구성을 높이는 데 기여하지만, 스커트의 하부 섹션으로의 열 제거를 악화시키는 단점도 있습니다.

Q2: 논문에서 언급된 솔트 코어(salt core)의 목적은 무엇입니까?

A2: 솔트 코어는 피스톤 헤드 내부에 정교한 냉각 채널을 만들기 위해 사용됩니다. 이 코어는 99.9%의 NaCl로 만들어지며, 주조 후 물로 씻어내면 그 자리에 빈 공간, 즉 냉각 채널이 남게 됩니다. 엔진이 작동하는 동안 이 채널을 통해 오일이 압력 하에 순환하며 피스톤 헤드와 링 부분을 효과적으로 냉각시킵니다.

Q3: 영구 주형의 냉각 시스템은 어떻게 발전해왔습니까?

A3: 과거에는 주 코어(main core)만 냉각하는 단순한 시스템이었습니다. 이로 인해 피스톤의 결정화 속도가 부위별로 달랐습니다. 현재는 수치 제어되는 전자 밸브가 장착된 8개의 개별 냉각 회로를 갖춘 복잡한 시스템으로 발전했습니다. 이 시스템은 주물의 균일한 결정화를 보장하고, 주조 공정의 최적 효율을 달성하기 위해 냉각 시간을 새로운 용탕 주입 시간과 동기화합니다.

Q4: 피스톤 스커트의 흑연 코팅은 어떤 핵심적인 기능을 수행합니까?

A4: 흑연 코팅은 피스톤의 가이드 부분을 보호하고 피스톤과 실린더 사이의 마찰을 줄이는 역할을 합니다. 약 5~15µm 두께의 이 표면층은 오일의 습윤성을 향상시키고, 기판 재료 표면의 미세한 불규칙성을 채워 연삭 조건을 개선합니다. 특히 엔진 길들이기(breaking-in) 중 피스톤 스커트가 소착되는 것을 방지합니다.

Q5: 수년에 걸쳐 피스톤 설계에 큰 변화를 가져온 주요 동인은 무엇이었습니까?

A5: 주요 동인은 연료 소비 및 유해 물질 배출 감소를 통한 엔진 효율 개선에 대한 요구였습니다. 이는 실린더 내 온도와 압력의 증가로 이어졌고, 결과적으로 피스톤에 더 높은 열-기계적 부하가 가해졌습니다. 이러한 가혹한 작동 환경을 견디기 위해 더 가볍고, 더 강하며, 열 관리가 뛰어난 정교한 피스톤 설계가 필요하게 되었습니다.

Conclusion: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길

이 연구는 단순한 수동 공정에서 고도로 자동화된 시스템으로의 엔진 피스톤 주조 기술의 놀라운 여정을 보여줍니다. 과거의 거대하고 단순했던 피스톤은 이제 냉각 채널, 강화 인서트, 기능성 코팅을 갖춘 정밀 엔지니어링 부품으로 진화했습니다. 이러한 혁신은 단순히 더 나은 피스톤을 만드는 것을 넘어, 현대 연소 엔진의 효율성, 내구성 및 환경 성능에 대한 끊임없이 증가하는 요구를 충족시키는 데 필수적입니다.

"CASTMAN에서는 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최신 산업 연구를 적용하는 데 전념하고 있습니다. 이 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 당사 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오."

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