圧縮永久歪みの説明:圧縮永久歪みの概要、仕組み、グラフの解釈

圧縮永久歪みは、圧縮、熱老化、荷重解放、および回復後にエラストマーに残る永久変形を表し、この概念はゴム シール、シリコーン ガスケット、熱可塑性ポリウレタン (TPU) パッド、およびフォーム クッションに直接適用されます。圧縮永久歪みは、加えられたたわみに対する未回復の厚さの割合として測定され、値が低いほど弾性回復が強いことを示します。米国材料試験協会 (ASTM) D395 は、一般的な試験条件 (25% のたわみ、22 時間のエージング、70°C ～ 150°C、標準実験室温度での 3​​0 分の回復期間) を定義しています。 100°C で圧縮永久歪みが 12% のゴムコンパウンドは、同じ条件下で圧縮永久歪みが 40% のコンパウンドよりも優れたシール力を保持します。

圧縮永久歪みは、時間依存性のポリマー緩和、架橋再配列、および持続的な圧縮中に蓄積された弾性エネルギーを減少させる熱加速軟化を通じて機能します。圧縮永久歪みグラフは、y 軸に圧縮永久歪みのパーセンテージ、x 軸に老化時間または老化温度を読み取り、同一条件で材料を比較することによって解釈されます。 70 °C から 150 °C までの急な曲線は永久変形の急速な増加を示し、より平坦な曲線は反発保持力が優れていることを示します。 70 °C で 15% から 125 °C で 35% に上昇するガスケットは、同じ範囲内で 20% 未満にとどまるガスケットよりも漏れのリスクが高いことを示します。

圧縮永久歪みとは何ですか?

圧縮永久歪みは、圧縮荷重が取り除かれた後に弾性材料にどの程度の永久変形が残るかを示す標準化された尺度です。材料の機能的性能は弾性回復に依存しているため、この指標は主にエラストマーと柔軟なポリマー (ゴム、シリコーン、TPU、フォーム) に適用されます。圧縮永久歪みは、シール力の損失、防振性の低下、フィット感の変化を予測するため、実際の部品では重要です。低い圧縮永久歪みは圧力を保持する必要があるガスケットと O リングをサポートし、高い圧縮永久歪みは緩和を許容する部品 (パッド、バンパー) に適合します。設計者は、圧縮永久歪みデータを使用して同様の試験条件 (ひずみ、時間、温度) で材料を比較し、反発力を維持するコンパウンドを選択します。実際の例には、配管シール、自動車のウェザーストリップ、電子機器の筐体ガスケットなどがあります。

圧縮永久歪みグラフを理解するにはどうすればよいですか?

圧縮永久歪みグラフを理解するには、5 つの手順に従います。まず、y 軸を圧縮永久歪みパーセント (%) として特定し、値が低いほどテスト後の弾性回復が優れていると解釈します。次に、X 軸をエージング時間 (22 時間、70 時間、168 時間) またはエージング温度 (70 °C、100 °C、150 °C) として特定し、値が高いほど厳しい試験曝露として扱います。 3 番目に、たわみレベルが異なるとベースライン値が変化するため、テスト条件の詳細 (ASTM D395、たわみ 25%、回復 30 分) を確認します。 4 番目に、同じ時間および温度での変化率を読み取ることで材料曲線を比較し、目標使用条件での最低圧縮永久歪みによって材料をランク付けします。最後に、急な上向きの傾斜は永久変形の成長が速いと解釈し、より平坦な曲線は長期的なシール力の保持が優れていると解釈します。

圧縮たわみとは何ですか?

圧縮たわみは、圧縮試験中に適用される厚さの減少であり、開始時の厚さのパーセンテージとして報告されます。圧縮たわみは ASTM D395 圧縮永久歪み試験のひずみレベルを設定し、多くのエラストマー評価では 25% および 40% のたわみが使用されます。圧縮たわみは圧縮永久歪みとは異なります。たわみは荷重中に加えられる圧迫を表すのに対し、圧縮永久歪みは除荷後の未回復の厚さと定義された回復期間を表すためです。たわみレベルが大きくなると、エラストマーネットワークにかかる負担が大きくなり、通常、同一の老化条件 (22 時間、70 °C ～ 150 °C、30 分間の回復) で測定された圧縮永久歪みが高くなります。圧縮たわみは、ガスケット、O リング、パッド、防振装置に取り付けられた圧搾を表すために使用されます。設計者はアセンブリの圧迫に合わせてたわみ目標を選択し、圧縮永久歪みは経年劣化後の反発損失を定量化します。

たわみと圧縮ひずみの違いは何ですか? たわみは荷重中に加えられる厚さの減少であるのに対し、圧縮永久歪みは除荷および回復後に残る永久的な厚さの損失であるため、たわみは圧縮永久歪みとは異なります。たわみは、ASTM D395 エージング中のスクイーズ レベル (25% または 40%) を定義する制御入力として機能します。圧縮永久歪みは、回復後 (30 分) に報告される測定出力として機能します。たわみが大きくなると内部ひずみが増加し、同じ時間と温度の下で圧縮永久歪みが増加する傾向があります。

圧縮たわみはどのように測定されますか?

圧縮たわみを測定するには、5 つの手順に従います。まず、一貫した接触力を備えた校正済みの厚さゲージを使用して、初期の試験片の厚さを測定します。次に、目標たわみ率 (25% または 40%) を選択し、初期厚さから必要な圧縮厚さを計算します。 3 番目に、平らで平行なプラテンを備えた圧縮治具に試験片を置き、計算された厚さに達するまで圧縮を加えます。 4 番目に、テスト中にたわみレベルをロックするゲージ ブロック、スペーサー、または固定具のストップを使用して、圧縮された厚さを確認します。最後に、たわみの割合、治具の種類、試験片の厚さ、参照規格 (ASTM D395) を記録して、圧縮たわみの制御を再現可能にします。

圧縮永久歪みは 3D プリントにどのような関係がありますか?

圧縮永久歪みは 3D プリンティングに関連します。これは、フレキシブル プリント ポリマー (TPU、熱可塑性エラストマー (TPE)、エラストマー状樹脂) が持続的な荷重を受けると厚さの回復が失われ、シール、パッド、および減衰機能に影響を与えるためです。印刷パーツは、層の界面と気孔率が応力分布を変化させるため、成型ゴムとは異なる挙動を示します。

印刷設定によりボイド、層間結合の低下、または不均一な充填が生じると、印刷されたエラストマーの圧縮永久歪みが増加します。印刷されたガスケットが緩むとシール力が失われ、漏れのリスクが高まります。 TPU グレードは硬度と反発力が異なり、樹脂エラストマーは熱によりクリープするため、材料の選択は重要です。設計者は、3D プリントの圧縮永久歪みに関連する TPU グレードの肉厚を増やし (2 mm から 4 mm)、高品質の柔軟なフィラメントを選択し、60 °C から 80 °C を超える使用温度を避けることで、圧縮永久歪みのリスクを軽減します。

圧縮永久歪み試験の重要性は何ですか?

圧縮永久歪み試験の重要性は、制御された圧縮後の永久変形を定量化するプロセスであり、長期的なシールとクッション性能を予測します。エラストマーの破損は突然の破損ではなく、反発力の喪失によって徐々に発生するため、このテストは重要です。圧縮永久歪みデータは、O リング、ガスケット、振動マウント、医療用シールの材料選択をサポートします。テストにより、熱老化、油への曝露、および持続的な負荷に耐える化合物が特定されます。メーカーはテスト結果を使用して、硬化化学反応、充填剤の配合量、バッチの一貫性を検証します。設計者はデータを使用して、接触圧力を維持する材料を選択することで保証リスクを軽減します。テストは、熱にさらされ、緩和が加速する部分に関係します。

ASTM D395 とは何ですか?

ASTM D395 は、ゴムの圧縮永久歪みを測定するための標準試験方法であり、エラストマー試験片を規定期間圧縮し、熱老化させ、荷重を取り除き、制御された回復間隔を与えた後の永久的な厚さの損失を定量化します。この規格では、試験片のタイプ (タイプ 1 およびタイプ 2)、治具構成、および方法 A (一定の力) および方法 B (一定のたわみ) の圧縮永久歪み試験の報告要件が指定されています。一般的なテスト設定の多くは、材料の仕様に応じて、約 25% または 40% のたわみレベル、22 時間または 70 時間のような暴露時間、および約 70 °C から最大 150 °C の範囲のオーブン温度を使用します。この手順では、初期厚さを記録し、スペーサー制御または固定具ストップを使用して制御されたたわみを適用し、エージング中の圧縮を維持し、荷重を解放し、定義された回復期間後に回復した厚さを測定します。圧縮永久歪みのパーセントは、加えられたたわみに対する未回復の厚さの変化から計算されます。 ASTM D395 は、シール性能、反発保持力、長期応力緩和挙動に関するエラストマーの比較をサポートしています。

ASTM D395 はどのように実施されますか?

ASTM D395 を実施するには、6 つの手順に従います。まず、標準化された形状のゴム試験片を準備し、校正された厚さゲージを使用して初期の厚さを記録します。次に、試験方法 (方法 A、一定力または方法 B、一定たわみ) を選択し、目標圧縮たわみ (25% または 40%) を設定します。 3 番目に、平らな平行プラテン間の圧縮治具に試験片を置き、スペーサーまたは治具ストップを使用して圧縮を加えてたわみをロックします。第 4 に、圧縮された試験片を、定義された温度 (70°C、100°C、125°C、または 150°C) で定義された期間 (22 時間または 70 時間) エージングします。 5 番目に、熱いうちに試験片を治具から取り外し、荷重を解放し、標準実験室温度 (23°C) で規定の時間 (30 分間) 回復させます。最後に、最終的な厚さを測定し、加えられたたわみに対する未回復の厚さの変化から圧縮永久歪みの割合を計算します。

ASTM D395 は材料の選択に重要ですか?

はい、圧縮永久歪み性能は使用中の長期シール荷重と弾性回復に直接影響するため、ASTM D395 は材料の選択において重要です。 ASTM D395 は、シールやガスケットに使用される多くのエラストマー ファミリを含む、加硫ゴムおよびゴム状材料に対する一貫した圧縮永久歪み試験方法を提供します。この規格では、治具方法、たわみレベル (一般に 25% または 40%)、熱暴露時間 (多くの仕様では 22 時間または 70 時間)、暴露温度範囲、および回復タイミングが定義されており、有意義な化合物比較をサポートします。 100 °C で 22 時間後に 10% 圧縮永久歪みで測定された材料は、同じ条件下で 40% で測定された材料よりも回復可能な厚さを保持します。この結果は、持続的な圧縮下でのガスケットと O リングのシール力損失とパッドの厚さ損失を推定するのに役立ちます。 ASTM D395 データは、材料仕様、サプライヤー認定、圧縮負荷がかかるエラストマー用途における故障リスクの軽減をサポートします。

材料の圧縮永久歪みはどのように測定するのですか?

材料の圧縮永久歪みを測定するには、初期厚さを記録し、規定のたわみまで試験片を圧縮し、熱老化中に規定の時間と温度でたわみを保持し、荷重を解放し、規定の回復間隔を許容し、加えられたたわみに対する未回復の厚さのパーセントを計算します。 ASTM D395 はゴムおよびエラストマーの圧縮永久歪み試験の共通規格であり、方法 A および方法 B の治具および報告要件を定義しています。サンプルの前処理では、厚さのばらつきを減らし、再現性を向上させるために、平坦で平行な面を備えたダイカット試験片または成形ボタンを使用します。このテストでは、剛性プラテンとスペーサー制御を備えた圧縮永久歪み治具を使用して目標たわみレベルを維持します。一般的なたわみ設定は、方法と材料に応じて 25% または 40% です。エージングは​​温度制御されたオーブンで行われ、一般的な条件としては 70 °C ～ 150 °C で 22 時間、一部の仕様では長時間に及ぶものもあります。標準実験室温度で定義された時間後に回復が測定され、最終的な圧縮永久歪率は回復後の厚さの損失から計算されます。

圧縮試験機とは何ですか?

圧縮試験機は、材料試験片に制御された圧縮荷重または制御されたたわみを加えて、厚さの変化、力の応答、回復後の永久変形を評価する測定装置です。圧縮試験機のセットアップでは、平坦で平行なプラテン、校正済みの力または変位制御システム、および分解能 0.01 mm の厚さゲージまたは変位センサーを使用します。操作は、初期の試験片の厚さを測定することから始まり、定義されたたわみ (25% または 40%) または定義された力を加え、制御された温度 (70°C ～ 150°C) で設定された期間 (22 時間または 70 時間) 条件を保持し、定義された回復時間 (30 分) の後に最終的な厚さを測定します。正確な結果を得るには、0.05 mm 以内のプラテンの位置合わせ、潤滑された接触面、およびエッジ荷重を防ぐための再現可能な試験片の配置が必要です。圧縮試験機は、ゴム、シリコーン、EPDM、FKM、TPU の ASTM D395 圧縮永久歪み試験と圧縮たわみ力試験をサポートしています。

1.圧縮永久歪み A

圧縮永久歪み A は、一定の力の下で圧縮永久歪みを測定する ASTM D395 方法であり、指定された荷重でゴム試験片を圧縮し、老化および回復後の最終永久変形を測定します。方法 A では、バネまたは力制御された固定具を使用して、一定の厚さの減少ではなく目標の圧縮力を維持します。このセットアップは、取り付けられた部品が固定のたわみではなく、負荷の下で可変の圧迫を受ける場合に使用されます。実際の例としては、荷重や温度によって厚さがわずかに変化する持続的なクランプ力が見られるゴム製のパッドまたはマウントが挙げられます。圧縮永久歪み A の結果は、元の厚さのパーセンテージとして報告されます。

2.圧縮永久歪み B

圧縮永久歪み B は、熱老化中にエラストマーを一定のたわみに保持した後の永久変形を評価する ASTM D395 試験方法です。試験片は、規定の厚さ減少まで圧縮され、スペーサーまたは停止制御治具を介して目標のたわみで機械的に拘束されます。一般的なたわみレベルには、用途と材料クラスに応じて、元の厚さの 25% と 40% が含まれます。ガスケットと O リングは制御された荷重ではなく制御された圧搾下で動作するため、この方法はシーリング設計と一致しています。代表的なケースでは、O リングを 25% のたわみで 100 °C で 22 時間保持し、試験片を除荷し、規定の回復間隔を設け、未回復の厚さを測定して圧縮永久歪を計算します。方法 B は、治具の制御と反復可能なたわみが必要な場合にエラストマー コンパウンドを比較するために広く使用されています。

圧縮永久歪みに影響を与える要因は何ですか?

圧縮永久歪みに影響を与える要因は、温度、圧縮時間、圧縮たわみ、材料組成、硬化システム、充填剤パッケージ、および使用環境です。時効温度が高くなると永久変形が増加し、22 時間で時効温度が 70°C から 150°C に上昇すると、エラストマーは急激に高い圧縮永久歪を示します。負荷をかけた時間が長いほどセットは増加し、同じ温度で 70 時間の方が 22 時間よりも高い値が得られます。圧縮たわみが大きくなると全体の変形が増加しますが、圧縮永久歪率は通常、ほとんどのエラストマー評価で標準化された 25% たわみで比較されます。材料組成の変更は、ポリマーの種類、架橋密度、可塑剤の含有量によって設定されます。硬化システムは熱安定性に影響し、過酸化物硬化シリコーンと EPDM は 150°C で硫黄硬化システムよりも低い硬化を維持します。充填剤と酸化防止剤は、老化時の酸化と鎖切断を軽減することでリバウンドに影響を与えます。オイル、燃料、オゾン、湿度は、ポリマー ネットワークの膨張または劣化によって増加します。

高い圧縮永久歪率とは何を意味しますか?

圧縮永久歪みのパーセンテージが高いということは、圧縮力が取り除かれた後も材料が著しく平らなままであることを意味し、これは反発力が低いことを示しています。値を高くすると、ガスケットや O リングに保持されるシール荷重が減少し、パッドやバンパーの残りの高さが減少します。 100 °C で 35% の圧縮永久歪みで測定されたガスケットは、同じテストで 12% で測定されたガスケットよりも永久的な厚さの損失が大きくなります。回復厚さが減少すると接触圧力が低下し、静的な接合部での漏れのリスクが高まります。 40% の圧縮永久歪みで測定された振動パッドは、徐々に高さが失われ、アセンブリに振動が伝達されます。高い圧縮永久歪みは、熱、酸化、または流体への曝露 (オイル、燃料) によって引き起こされる迅速な応力緩和と一致します。

3D プリントでは高圧縮永久歪み材料を避けるべきですか?

はい、3D プリントでは高圧縮硬化材料を避けるべきです。パーツが持続的な荷重下でシール力やバネのような反発力を維持する必要がある場合、3D プリンティングでは高圧縮永久歪み材料は避けられます。 25% のたわみで 22 時間持続した圧縮中にポリマーの緩和が層界面効果と組み合わされるため、高セットで印刷されたエラストマーはより早く厚みを失います。熱老化 (70°C、22 時間、30 分回復) 後の圧縮永久歪みが 35% ～ 50% である印刷された TPU ガスケットは、20% 未満にとどまる材料よりも接触圧力が低下し、より早く漏れます。充填物と気孔率は、空隙によって応力が集中し、80% ～ 95% の充填物で有効断面積が 10% ～ 30% 減少するため、問題をさらに悪化させます。 TPU グレードでは、60°C を超える熱にさらされると硬化が促進されます。硬化度の低い柔軟な素材は印刷されたシールに適合し、硬化度の高い素材はバンパーや脚に適合します。 そこでは、厚さの損失による影響が小さくなります。 3D プリント。

より高い圧縮永久歪みを選択するべきですか?

はい、より高いまたはより低い圧縮セットを選択する必要があります。  圧縮永久歪みは、化合物の選択、硬化化学の変更、および加工制御によって改善されます。改善の大きさは、ポリマーファミリー、架橋システム、および目標使用温度によって異なります。クロスリンクの最適化により、ネットワークの安定性が向上し、セットが減少します。過酸化物硬化は、高温での弱い硬化システムと比較して、シリコーンおよび EPDM の硬化を減少させます。充填剤と添加剤の選択により、ポリマー主鎖が酸化に対して安定化するため、反発力が向上します。処理の改善と後硬化により、永久変形を引き起こすボイドと硬化勾配が減少します。 FKM またはシリコーンは高ヒートシールにおいて汎用ゴムよりも優れているため、材料の代替が依然として最大の要因となっています。現実的な改善目標は、同じ D395 条件に設定した場合、5% ～ 15% 低い範囲になります。

材料の圧縮永久歪みを改善できますか?

はい、圧縮永久歪みは、化合物の選択、硬化化学の変更、および加工制御によって改善できます。改善の大きさは、ポリマーファミリー、架橋システム、および目標使用温度によって異なります。クロスリンクの最適化により、ネットワークの安定性が向上し、セットが減少します。過酸化物硬化は、高温での弱い硬化システムと比較して、シリコーンと EPDM の硬化を減少させます。充填剤と添加剤の選択により、ポリマー主鎖が酸化に対して安定化するため、反発力が向上します。処理の改善により、永久変形を引き起こすボイドと硬化勾配が減少します。 FKM またはシリコーンは高ヒートシールにおいて汎用ゴムよりも優れていることが多いため、材料の代替が依然として最大の要因となっています。現実的な改善目標は、同じ D395 条件に設定した場合、5% ～ 15% 低い範囲になります。

ゴムの圧縮永久歪みは低いですか、それとも高いですか?

はい、ゴムの圧縮永久歪みは、配合設計、硬化化学反応、およびテストの厳しさに応じて低くなります。汎用ゴムコンパウンドは、70℃、22 時間で 15% から 35% に低下します。高級シーリング剤は、同じ条件下で 8% から 20% に低下します。熱にさらされると値が上昇するため、70°C で 15% と評価された化合物は 125°C で 30% を超えます。低セットゴムが O リングとガスケットのシール応力を維持します。ハイセットゴムは反発力を失い、漏れのリスクと厚みの損失が増加します。選択は、温度、油への曝露、および必要な耐用年数によって異なります。

シリコーンゴムの圧縮永久歪み率とは何ですか?

シリコーン ゴムの圧縮永久歪み率は、ASTM D395 スタイルの条件下では低から中程度の範囲にあり、多くの商用グレードは、100 °C で 22 時間、定義された回復間隔を保った後、25% のたわみで約 10% ～ 30% に達しますが、より高性能のコンパウンドは 1 桁の値に達します。シリコーンは、多くの汎用エラストマーよりも高温でも弾性を保持し、熱にさらされた後の反発をサポートします。高温試験 (125 °C ～ 175 °C) では、ポリマー主鎖が炭化水素ベースのゴムと比較して熱劣化に強いため、シリコーンの安定性が強調されます。多くのシリコーン グレードの一般的な使用温度能力は、配合と強化によって異なりますが、約 -60 °C ～ 230 °C の範囲に及びます。低圧縮永久歪みのシリコーンコンパウンドは、長期にわたる力の保持を必要とするシーリング用途 (オーブン用ガスケット、医療用シール、電子機器の筐体) に適しています。より高い圧縮永久歪みのシリコーン コンパウンドは、反発性能よりも熱安定性が重要な静的シール用途に依然として適しています。

シリコーンゴムの圧縮永久歪み率はどのように測定されますか?  

シリコーンゴムの圧縮永久歪みパーセントは、試験片を一定のたわみに荷重し、熱老化の間たわみを保持し、荷重を取り除き、制御された回復間隔を待って、永久的な厚さの損失を元のたわみのパーセントとして計算することによって測定されます。 ASTM D395 は標準的な試験フレームワークを提供し、試験片の寸法、治具の種類、たわみレベル、曝露温度、曝露時間、方法 A と方法 B の回復タイミングなど、結果に影響を与える重要なパラメータを指定します。シリコーン ゴムはプローブの圧力で変形し、測定値が歪むため、厚さ測定には低力測定が必要です。平行プラテンと適切な治具の位置合わせにより、誤解を招く回復厚さを生み出す不均一な歪みが軽減されます。回復時間の選択は、測定されたリバウンドに影響し、報告される圧縮永久歪値を変更します。完全なレポートには、ASTM 法、たわみ率、時効温度、時効時間、回復時間、および最終圧縮永久歪み率がリストされます。                                      

圧縮永久歪みとクリープ (変形) の違いは何ですか?

圧縮永久歪みとクリープ変形の違いは、荷重条件と測定エンドポイントによって定義されます。圧縮永久歪みは、材料を規定の時間および温度で圧縮し、荷重を解除し、制御された回復期間を与えた後の永久的な厚さの損失を測定します。クリープは、除荷せずに一定の応力または一定の荷重を加えたままにした場合の時間依存のひずみの増加を測定します。圧縮永久歪みは、ガスケットや O リングの長期シール力に直接影響する弾性回復損失に焦点を当てています。クリープは、負荷がかかる部品や固定アセンブリの寸法安定性に影響を与える、持続的な荷重下での漸進的な形状変化に焦点を当てています。圧縮永久歪み試験では、一定のたわみを適用し、エージング中にたわみを保持し、荷重を解放して、最終的に回復した厚さを測定します。クリープ試験では、一定の荷重または応力を加え、時間の関数として変形を追跡します。圧縮永久歪みは反発損失に関係するのに対し、長期的な寸法ドリフトはクリープ (変形) に関係するため、パフォーマンスのリスクは異なります。

圧縮永久歪みとクリープを区別することが重要なのはなぜですか?

圧縮永久歪みとクリープの 2 つの特性はエラストマーとポリマーの異なる破損モードを予測するため、これらを区別することが重要です。混乱は、材料の選択を誤ったり、予期せぬ機能の損失につながります。長時間の圧縮後に反発損失が接触圧力を低下させるため、シールの破損は圧縮永久歪みとより密接に関係しています。一定の負荷がかかると変形が増大するため、構造ポリマーブラケットの破損はクリープとより密接に関係しています。テストと仕様は異なるため、間違った指標を使用するとリスクが隠れてしまいます。明確な区別により、設計マージンと品質管理が向上します。

この 2 つを混同すると重大な失敗につながる可能性がありますか?

確かに、この 2 つを混同すると重大な失敗につながります。混乱の原因は、実際のサービスの動作を予測するために間違ったテスト データが使用されているためです。誤解すると、予想よりも早く部品が緩んだり、漏れたり、変形したり、フィット感が失われたりすることがあります。初期の弾性データのみを使用して選択されたガスケットは、荷重下での変形が少ないにもかかわらず、熱老化後に反発力が失われ、漏れが発生する可能性があります。

 圧縮永久歪みデータを使用して選択されたプラスチック部品は、除荷後に十分に反発する可能性がありますが、持続的な応力下では依然としてクリープし、寸法ドリフトを引き起こす可能性があります。プロパティを正しく選択すると、保証リスクが軽減され、長期的なパフォーマンスが向上します。

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