Leitfaden zum Rapid Prototyping für die Produktentwicklung

Prototyping ist ein wichtiger Teil des Produktentwicklungsprozesses, aber traditionell war es ein Engpass.

Produktdesigner und Ingenieure erstellten mit einfachen Werkzeugen provisorische Proof-of-Concept-Modelle, aber die Herstellung funktionaler Prototypen und Teile in Produktionsqualität erforderte oft die gleichen Prozesse wie Fertigprodukte. Herkömmliche Herstellungsverfahren wie Spritzguss erfordern kostspielige Werkzeuge und Einrichtung, was kundenspezifische Prototypen in kleinen Stückzahlen unerschwinglich macht.

Rapid Prototyping hilft Unternehmen dabei, Ideen in realistische Machbarkeitsnachweise umzuwandeln, entwickelt diese Konzepte zu High-Fidelity-Prototypen, die wie Endprodukte aussehen und funktionieren, und führt Produkte durch eine Reihe von Validierungsstufen bis hin zur Massenproduktion.

Mit Rapid Prototyping können Designer und Ingenieure schneller als je zuvor Prototypen direkt aus CAD-Daten erstellen und schnelle und häufige Überarbeitungen ihrer Designs basierend auf realen Tests und Feedback durchführen.

In diesem Leitfaden erfahren Sie, wie sich Rapid Prototyping in den Produktentwicklungsprozess, seine Anwendungen einfügt und welche Rapid Prototyping-Tools den heutigen Produktentwicklungsteams zur Verfügung stehen.

Was ist Rapid Prototyping?

Rapid Prototyping ist die Gruppe von Techniken, die verwendet werden, um schnell ein maßstabsgetreues Modell eines physischen Teils oder einer Baugruppe unter Verwendung von dreidimensionalen computergestützten Konstruktionsdaten (CAD) herzustellen. Da diese Teile oder Baugruppen im Gegensatz zu herkömmlichen subtraktiven Verfahren in der Regel mit additiven Fertigungstechniken hergestellt werden, ist der Begriff zum Synonym für additive Fertigung und 3D-Druck geworden.

Die additive Fertigung ist eine natürliche Ergänzung zum Prototyping. Es bietet nahezu unbegrenzte Formfreiheit, erfordert keine Werkzeuge und kann Teile mit mechanischen Eigenschaften herstellen, die mit verschiedenen Materialien mit traditionellen Herstellungsverfahren eng übereinstimmen. 3D-Drucktechnologien gibt es seit den 1980er Jahren, aber ihre hohen Kosten und Komplexität beschränkten den Nutzen meist auf große Unternehmen oder zwangen kleinere Unternehmen, die Produktion an spezialisierte Dienste auszulagern und Wochen zwischen den nachfolgenden Iterationen zu warten.

Mithilfe des 3D-Drucks können Designer schnell zwischen digitalen Designs und physischen Prototypen wechseln und schneller zur Produktion gelangen.

Das Aufkommen des Desktop- und Benchtop-3D-Drucks hat diesen Status Quo verändert und eine Welle der Akzeptanz ausgelöst, die keine Anzeichen für ein Aufhören zeigt. Mit dem hauseigenen 3D-Druck können Ingenieure und Designer schnell zwischen digitalen Designs und physischen Prototypen wechseln. Es ist jetzt möglich, innerhalb eines Tages Prototypen zu erstellen und mehrere Iterationen von Design, Größe, Form oder Montage basierend auf den Ergebnissen von realen Tests und Analysen durchzuführen. Letztendlich hilft der Rapid Prototyping-Prozess Unternehmen dabei, bessere Produkte schneller als ihre Konkurrenz auf den Markt zu bringen.

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Vorteile des Rapid Prototyping

Konzepte schneller erkennen und erkunden

Rapid Prototyping hebt erste Ideen in kürzester Zeit zu risikoarmen Konzeptexplorationen, die wie echte Produkte aussehen. Es ermöglicht Designern, über die virtuelle Visualisierung hinauszugehen, wodurch es einfacher wird, das Erscheinungsbild des Designs zu verstehen und Konzepte nebeneinander zu vergleichen.

Ideen effektiv kommunizieren

Physische Modelle ermöglichen es Designern, ihre Konzepte mit Kollegen, Kunden und Mitarbeitern zu teilen, um Ideen auf eine Weise zu vermitteln, die durch die bloße Visualisierung von Designs auf dem Bildschirm nicht möglich wäre. Rapid Prototyping erleichtert das klare, umsetzbare Benutzerfeedback, das für Entwickler unerlässlich ist, um die Benutzerbedürfnisse zu verstehen und dann ihre Designs zu verfeinern und zu verbessern.

Iterativ entwerfen und Änderungen sofort einbeziehen

Design ist immer ein iterativer Prozess, der mehrere Runden von Tests, Bewertungen und Verfeinerungen erfordert, bevor ein Endprodukt erreicht wird. Rapid Prototyping mit 3D-Druck bietet die Flexibilität, realistischere Prototypen schneller zu erstellen und Änderungen sofort umzusetzen, wodurch dieser entscheidende Trial-and-Error-Prozess verbessert wird.

Aufeinanderfolgende Iterationen eines Pick-and-Place-Robotergreifers, der auf Formlabs SLA-Druckern als Prototyp entwickelt wurde.

Ein gutes Modell ist ein 24-Stunden-Designzyklus:während der Arbeit entwerfen, Prototypteile über Nacht in 3D drucken, am nächsten Tag reinigen und testen, das Design optimieren und dann wiederholen.

Kosten und Zeit sparen

Beim 3D-Druck sind keine kostspieligen Werkzeuge und Einstellungen erforderlich; Mit der gleichen Ausrüstung können unterschiedliche Geometrien hergestellt werden. Das interne Rapid Prototyping eliminiert die hohen Kosten und Vorlaufzeiten, die mit dem Outsourcing verbunden sind.

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Gründlich testen und Designfehler minimieren

In der Produktentwicklung und -fertigung kann das frühzeitige Auffinden und Beheben von Konstruktionsfehlern Unternehmen dabei helfen, kostspielige Konstruktionsrevisionen und Werkzeugänderungen später zu vermeiden.

Rapid Prototyping ermöglicht es Ingenieuren, Prototypen, die wie Endprodukte aussehen und funktionieren, gründlich zu testen, um die Risiken von Benutzerfreundlichkeits- und Herstellbarkeitsproblemen zu reduzieren, bevor sie in die Produktion gehen.

Anwendungen des Rapid Prototyping

Dank einer Vielzahl verfügbarer Technologien und Materialien unterstützt Rapid Prototyping Designer und Ingenieure während der gesamten Produktentwicklung, von den ersten Konzeptmodellen über das Engineering, die Validierungstests und die Produktion.

Der Hardware-Entwicklungsprozess. Quelle:Ben Einstein, Bolt

Proof-of-Concept (PoC) Prototypen und Konzeptmodelle

Konzeptmodelle oder Proof-of-Concept (POC)-Prototypen helfen Produktdesignern, Ideen und Annahmen zu validieren und die Realisierbarkeit eines Produkts zu testen. Physische Konzeptmodelle können Stakeholdern eine Idee demonstrieren, Diskussionen anregen und Akzeptanz oder Ablehnung durch risikoarme Konzeptexplorationen fördern.

PoC-Prototyping findet in den frühesten Phasen des Produktentwicklungsprozesses statt, und diese Prototypen enthalten die minimale Funktionalität, die erforderlich ist, um Annahmen zu validieren, bevor das Produkt in die nachfolgenden Entwicklungsphasen überführt wird.

Ein Proof of Concept sollte einfach sein und gerade ausreichen, um zu imitieren, wie das Produkt funktioniert. Der POC für eine Ladestation kann beispielsweise nur ein 3D-gedrucktes Gehäuse sein, das an ein Standard-USB-Ladekabel angeschlossen ist.

Der Schlüssel zu einer erfolgreichen Konzeptmodellierung ist Geschwindigkeit; Designer müssen eine Fülle von Ideen generieren, bevor sie physikalische Modelle erstellen und bewerten können. In dieser Phase sind Benutzerfreundlichkeit und Qualität von geringerer Bedeutung und die Teams verlassen sich so weit wie möglich auf Standardteile.

Designer des Schweizer Design- und Beratungsstudios Panter&Tourron nutzten den SLA-3D-Druck, um in zwei Wochen vom Konzept bis zur Präsentation zu gelangen.

3D-Drucker sind ideale Werkzeuge, um die Konzeptmodellierung zu unterstützen. Sie bieten unübertroffene Durchlaufzeiten für die Konvertierung einer Computerdatei in einen physischen Prototyp, sodass Designer schnell zusätzliche Konzepte testen können. Im Gegensatz zu den meisten Werkstatt- und Fertigungswerkzeugen sind Desktop-3D-Drucker bürofreundlich, sodass kein eigener Raum benötigt wird.

Sieht aus wie Prototypen

Aussehend aussehende Prototypen stellen das Endprodukt auf einer abstrakten Ebene dar, können jedoch viele seiner funktionalen Aspekte vermissen. Ihr Zweck besteht darin, eine bessere Vorstellung davon zu vermitteln, wie ein Endprodukt aussehen wird und wie der Endbenutzer damit interagieren wird. Ergonomie, Benutzeroberflächen und die allgemeine Benutzererfahrung können mit optisch ansprechenden Prototypen validiert werden, bevor viel Zeit für Design und Entwicklung aufgewendet wird, um die Produktfunktionen vollständig zu entwickeln.

Die Entwicklung von Prototypen beginnt normalerweise mit Skizzen, Schaum- oder Tonmodellen und geht dann in die CAD-Modellierung über. Während die Designzyklen von einer Iteration zur nächsten fortschreiten, bewegt sich das Prototyping zwischen digitalen Renderings und physischen Modellen hin und her. Wenn das Design abgeschlossen ist, versuchen Industriedesign-Teams, aussehende Prototypen zu erstellen, die dem Endprodukt genau ähneln, indem sie die tatsächlichen Farben, Materialien und Oberflächen (CMF) verwenden, die sie für das Endprodukt angeben.

Sieht aus wie Prototypen des Form 2 SLA 3D-Druckers mit verschiedenen Lösungen für die Patronenplatzierung.

Funktionsähnliche Prototypen

Parallel zum industriellen Designprozess arbeiten Ingenieurteams an weiteren Prototypen, um die mechanischen, elektrischen und thermischen Systeme, aus denen das Produkt besteht, zu testen, zu iterieren und zu verfeinern. Diese werksähnlichen Prototypen mögen zwar anders aussehen als das Endprodukt, aber sie enthalten die Kerntechnologien und -funktionen, die entwickelt und getestet werden müssen.

Oft werden diese kritischen Kernfunktionen in separaten Untereinheiten entwickelt und getestet, bevor sie in einen einzigen Produktprototyp integriert werden. Dieser Subsystem-Ansatz isoliert Variablen, erleichtert es den Teams, Verantwortlichkeiten aufzuteilen und die Zuverlässigkeit auf einer detaillierteren Ebene zu gewährleisten, bevor alle Elemente zusammengelegt werden.

Frühe werksähnliche Prototypen des großformatigen SLA-3D-Druckers Form 3L.

Entwicklung von Prototypen

Der Konstruktionsprototyp ist der Ort, an dem sich Design und Konstruktion treffen, um eine minimal praktikable Version des endgültigen kommerziellen Produkts zu erstellen, das für die Fertigung (DFM) ausgelegt ist. Diese Prototypen werden für laborbasierte Benutzertests mit einer ausgewählten Gruppe von Lead-Benutzern verwendet, um die Produktionsabsichten an Werkzeugspezialisten in späteren Phasen zu kommunizieren und als Demonstrator in den ersten Verkaufsgesprächen zu fungieren.

In dieser Phase werden Details immer wichtiger. Der 3D-Druck ermöglicht es Ingenieuren, High-Fidelity-Prototypen zu erstellen, die das fertige Produkt genau darstellen. Dies macht es einfacher, Design, Passform, Funktion und Herstellbarkeit zu überprüfen, bevor in teure Werkzeuge investiert und die Produktion aufgenommen wird, wenn der Zeit- und Kostenaufwand für Änderungen immer unerschwinglicher wird.

Der Tauchkamerahersteller Paralenz nutzte den 3D-Druck, um funktionale Prototypen zu erstellen, die mehr als 200 Meter unter dem Meeresspiegel getestet wurden.

Fortschrittliche 3D-Druckmaterialien können das Aussehen, die Haptik und die Materialeigenschaften von Teilen, die mit traditionellen Herstellungsverfahren wie dem Spritzgießen hergestellt werden, genau anpassen. Verschiedene Materialien können Teile mit feinen Details und Texturen, weichen, glatten und reibungsarmen Oberflächen, starren und robusten Gehäusen oder klaren Komponenten simulieren. 3D-gedruckte Teile können mit Sekundärprozessen wie Schleifen, Polieren, Lackieren oder Galvanisieren fertiggestellt werden, um jedes visuelle Attribut eines endgültigen Teils zu reproduzieren, sowie mit Gewinden versehen, um Baugruppen aus mehreren Teilen und Materialien zu erstellen.

Ingenieure von Wöhler bauten einen optisch ansprechenden, funktionstüchtigen Prototyp eines Feuchtigkeitsmessers aus mehreren Materialien mit stabilem Gehäuse und Soft-Touch-Tasten.

Konstruktionsprototypen erfordern umfangreiche Funktions- und Usability-Tests, um zu sehen, wie ein Teil oder eine Baugruppe unter Belastungen und Bedingungen des Feldeinsatzes funktioniert. Der 3D-Druck bietet technische Kunststoffe für Hochleistungsprototypen, die thermischen, chemischen und mechanischen Belastungen standhalten.

Validierungsprüfung und Herstellung

Rapid Prototyping ermöglicht es Ingenieuren, Kleinserien, individuelle Einzellösungen und Unterbaugruppen für Engineering, Design und Produktvalidierung (EVT, DVT, PVT) zu erstellen, um die Herstellbarkeit zu testen.

Der 3D-Druck macht es einfacher, Toleranzen unter Berücksichtigung des tatsächlichen Herstellungsprozesses zu testen und umfassende In-House- und Feldtests durchzuführen, bevor sie in die Massenproduktion gehen.

3D-gedrucktes Rapid Tooling kann auch mit traditionellen Herstellungsverfahren wie Spritzgießen, Thermoformen oder Silikonformen kombiniert werden, um Produktionsprozesse durch Verbesserung ihrer Flexibilität, Agilität, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz zu verbessern. Die Technologie bietet auch eine effiziente Lösung für die Erstellung benutzerdefinierter Prüfvorrichtungen und Vorrichtungen, um Funktionstests und Zertifizierung durch das Sammeln konsistenter Daten zu vereinfachen.

Coalesce, das Designunternehmen für Medizinprodukte, verwendet kundenspezifische Vorrichtungen für interne Tests.

Beim 3D-Druck muss das Design nicht mit Produktionsbeginn enden. Rapid Prototyping-Tools ermöglichen Designern und Ingenieuren, Produkte kontinuierlich zu verbessern und mit Vorrichtungen und Vorrichtungen, die Montage- oder QS-Prozesse verbessern, schnell und effektiv auf Probleme in der Fertigungslinie zu reagieren.

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Rapid Prototyping Tools und Methoden

Additive Fertigung

Rapid Prototyping ist im Wesentlichen zum Synonym für additive Fertigung und 3D-Druck geworden. Es stehen mehrere 3D-Druckverfahren zur Verfügung, wobei die am häufigsten für das Rapid Prototyping verwendeten Verfahren Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithographie (SLA) und Selektives Lasersintern (SLS) sind.

Fused Deposition Modeling (FDM)

FDM 3D-Druck, auch bekannt als Fused Filament Fabrication (FFF), ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem Teile durch Schmelzen und Extrudieren thermoplastischer Filamente hergestellt werden, die eine Druckerdüse Schicht für Schicht im Baubereich ablegt.

FDM ist die am weitesten verbreitete Form des 3D-Drucks auf Verbraucherebene, angetrieben durch das Aufkommen von Hobby-3D-Druckern. Professionelle FDM-Drucker sind jedoch auch bei Designern und Ingenieuren beliebt.

FDM hat im Vergleich zu anderen Kunststoff-3D-Druckverfahren die niedrigste Auflösung und Genauigkeit und ist nicht die beste Option zum Drucken komplexer Designs oder Teile mit komplizierten Funktionen. Durch chemische und mechanische Polierverfahren können höherwertige Oberflächen erzielt werden. Einige professionelle FDM-3D-Drucker verwenden lösliche Träger, um einige dieser Probleme zu mildern.

FDM arbeitet mit einer Reihe von Standard-Thermoplasten wie ABS, PLA und deren verschiedenen Mischungen, während fortschrittlichere FDM-Drucker auch eine breitere Palette an technischen Thermoplasten oder sogar Verbundwerkstoffen anbieten. Für das Rapid Prototyping sind FDM-Drucker besonders nützlich für die Herstellung einfacher Teile, wie z. B. Teile, die normalerweise maschinell bearbeitet werden.

Stereolithographie (SLA)

SLA-3D-Drucker verwenden einen Laser, um flüssiges Harz in einem Prozess namens Photopolymerisation zu gehärtetem Kunststoff auszuhärten. SLA ist aufgrund seiner hohen Auflösung, Präzision und Materialvielfalt eines der beliebtesten Verfahren bei Profis.

Ein 3D-gedruckter Rapid-Prototyp einer Uhr, der mit dem Form 3 SLA 3D-Drucker neben dem Endprodukt hergestellt wurde.

SLA-Teile haben die höchste Auflösung und Genauigkeit, die klarsten Details und die glatteste Oberflächenbeschaffenheit aller 3D-Drucktechnologien für Kunststoff, was SLA zu einer großartigen Option für originalgetreu aussehende Prototypen und funktionale, werksähnliche Prototypen macht, die enge Toleranzen erfordern.

Der Hauptvorteil von SLA liegt jedoch in der Vielseitigkeit seiner Harzbibliothek. Materialhersteller haben innovative SLA-Photopolymer-Harzformulierungen mit einem breiten Spektrum an optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften entwickelt, die denen von Standard-, technischen und industriellen Thermoplasten entsprechen.

Mit Draft Resin ist der SLA-3D-Druck auch eines der schnellsten Prototyping-Tools, bis zu 10x schneller als der FDM-3D-Druck.

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Selektives Lasersintern (SLS)

Selektives Lasersintern ist die gebräuchlichste additive Fertigungstechnologie für industrielle Anwendungen, der Ingenieure und Hersteller in verschiedenen Branchen wegen ihrer Fähigkeit zur Herstellung starker, funktionaler Teile vertrauen.

SLS-3D-Drucker verwenden einen Hochleistungslaser, um kleine Partikel aus Polymerpulver zu verschmelzen. Das ungeschmolzene Pulver unterstützt das Teil während des Druckens und macht spezielle Stützstrukturen überflüssig. Dies macht SLS ideal für komplexe Geometrien, einschließlich Innenmerkmalen, Hinterschneidungen, dünnen Wänden und negativen Merkmalen. Mit SLS-Druck hergestellte Teile haben ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, mit einer Festigkeit, die der von Spritzgussteilen ähnelt.

SLS-3D-Druck kann starke, funktionale Prototypen und technische Prototypen für strenge Funktionstests von Produkten herstellen.

Beim Rapid Prototyping wird der SLS-3D-Druck hauptsächlich für werksähnliche Prototypen und technische Prototypen für strenge Funktionstests von Produkten (z. B. Kanäle, Halterungen) und Kundenfeedback vor Ort verwendet.

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CNC-Tools

CNC-Werkzeuge (Computer Numerical Control) sind – im Gegensatz zu FDM, SLA oder SLS – subtraktive Fertigungsprozesse. Sie beginnen mit massiven Blöcken, Stangen oder Stangen aus Kunststoff, Metall oder anderen Materialien, die durch Entfernen von Material durch Schneiden, Bohren, Bohren und Schleifen geformt werden.

Zu den CNC-Werkzeugen gehört die CNC-Bearbeitung, bei der Material entweder mit einem rotierenden Werkzeug und einem festen Teil (Fräsen) oder einem rotierenden Teil mit einem festen Werkzeug (Drehmaschine) entfernt wird. Laserschneider verwenden einen Laser, um eine Vielzahl von Materialien mit hoher Präzision zu gravieren oder zu schneiden. Wasserstrahlschneider verwenden Wasser gemischt mit Schleifmittel und hohem Druck, um praktisch jedes Material zu durchtrennen. CNC-Fräsmaschinen und Drehmaschinen können mehrere Achsen haben, wodurch sie komplexere Konstruktionen verwalten können. Laser- und Wasserstrahlschneider sind eher für flache Teile geeignet.

CNC-Werkzeuge können Teile aus Kunststoffen, Weichmetallen, Hartmetallen (Industriemaschinen), Holz, Acryl, Stein, Glas, Verbundwerkstoffen formen. Im Vergleich zu additiven Fertigungswerkzeugen sind CNC-Werkzeuge komplizierter einzurichten und zu bedienen, während einige Materialien und Konstruktionen möglicherweise spezielle Werkzeuge, Handhabung, Positionierung und Verarbeitung erfordern, was sie für Einzelstücke im Vergleich zu additiven Verfahren teuer macht.

Beim Rapid Prototyping sind sie ideale einfache Konstruktionen, Strukturteile, Metallkomponenten und andere Teile, die mit additiven Werkzeugen nicht machbar oder kostengünstig herzustellen sind.

Vergleich von Rapid Prototyping-Tools

	Fused Deposition Modeling (FDM)	Stereolithographie (SLA)	Selektives Lasersintern (SLS)	CNC-Tools
Auflösung	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
Genauigkeit	★★★★☆	★★★★★	★★★★★	★★★★★
Oberflächenfinish	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
Benutzerfreundlichkeit	★★★★★	★★★★★	★★★★☆	★★★☆☆
Komplexe Designs	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★	★★★☆☆
Volumen aufbauen	Bis zu 300 x 300 x 600 mm (Desktop- und Benchtop-3D-Drucker)	Bis zu 300 x 335 x 200 mm (Desktop- und Benchtop-3D-Drucker)	Bis zu 165 x 165 x 300 mm (industrielle 3D-Tischdrucker)	Abhängig vom Werkzeug
Materialien	Standardthermoplaste wie ABS, PLA und deren verschiedene Mischungen.	Harzsorten (Duroplaste). Standard, Engineering (ABS-ähnlich, PP-ähnlich, silikonähnlich, flexibel, hitzebeständig, starr), gießbar, dental und medizinisch (biokompatibel).	Technische Thermoplaste, typischerweise Nylon und seine Verbundstoffe (Nylon 12 ist biokompatibel + kompatibel mit Sterilisation).	Kunststoffe, Weichmetalle, Hartmetalle (Industriemaschinen), Holz, Acryl, Stein, Glas, Verbundwerkstoffe.
Anwendungen	Grundlegende Proof-of-Concept-Modelle, kostengünstiges Prototyping einfacher Teile.	Quick prototypes, high-fidelity looks-like prototypes and functional works-like prototypes requiring tight tolerances and smooth surfaces.	Complex geometries, functional works-like prototypes and engineering prototypes.	Simple designs, structural parts, metal components.
Price Range	Budget printers and 3D printer kits start at a few hundred dollars. Higher quality mid-range desktop printers start around $2,000, and industrial systems are available from $15,000.	Professional desktop printers start at $3,500, large-format benchtop printers at $11,000, and large-scale industrial machines are available from $80,000.	Benchtop industrial systems start at $18,500, and traditional industrial printers are available from $100,000.	Small CNC machines start around $2,000, but professional tools go well beyond that. Basic engravers are available for less than $500, while mid-range laser cutters start around $3,500. Water jet cutters start around $20,000.

Get Started With Rapid Prototyping

Rapid prototyping is used in a variety of industries, by Fortune 500 companies and small businesses alike, to speed up development, decrease costs, improve communication, and ultimately create better products.

While 3D printing traditionally had been complex and cost-prohibitive, desktop and benchop 3D printers have made the technology accessible to any business.

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