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鲜鸡蛋的整体包装设计资料
安徽农业大学
毕业设计
论文题目鲜鸡蛋的整体包装设计
姓名学号********
院系轻纺工程与艺术学院专业包装工程
指导教师职称讲师
中国·合肥
二o一二年五月
目次
鲜鸡蛋的整体包装设计
作者:
袁敏指导老师:
舒祖菊
安徽农业大学轻纺工程与艺术学院2008级包装工程合肥230036
摘要:
本文以鸡蛋为研究对象,调查市场上鸡蛋包装的优缺点,分析其形状、特性和脆值等参数,并测量计算其质量及相关尺寸。
选择瓦楞纸板作为包装材料,设计出一种单层纸板缓冲包装结构,这种结构放进外包装箱之后会折叠成瓦楞结构,结构单元两边的圆孔可以放置鸡蛋,再在上面加上一层规格一样的缓冲结构,使鸡蛋完全固定住,形成了一层完整的缓冲垫。
以缓冲垫的尺寸为依据计算外包装尺寸,再根据外包装的强度计算堆码高度并选择合适的托盘形成集合包装。
在运输过程中,包装产品常常因为受到振动、冲击等因素的影响而遭到破坏,利用ANSYS软件进行模拟跌落仿真试验,无损失得到测试结果,跌落过程中实际最大加速度为14.2,小于鸡蛋脆值,表明这套鸡蛋包装方案符合缓冲包装的各项要求。
关键词:
鸡蛋包装瓦楞纸板缓冲
1引言
鸡蛋是母鸡所产的卵,其外有一层硬壳,内则有气室、卵白及卵黄部分,它富含各类营养,是人们常食用的食品之一。
若鸡蛋有受精,约经过21天会孵出小鸡。
近年来,我国商业收购鲜蛋每年均在十亿公斤左右,这些蛋是从我国农村千家万户和养鸡场搜集起来,再经过包装运输,然后到达消费者手中,在这一流动过程中,因鲜蛋的机械损伤所造成的损失是相当严重的[1]。
当前市场上绝对大部分鲜鸡蛋的运输包装都采用纸浆模塑和吸塑包装。
纸浆模塑选材广泛,成本低廉,制品质轻,防护性能好,可回收利用,但是制品受潮后很快变形,强度下降,外观颜色明度低,表面较粗糙;吸塑包装保护性好,透明直观,使用方便,质量轻便,但是加工复杂,成本高,不易回收。
纸浆模塑是一种立体造纸技术。
它以纸浆为原料,在模塑机上由特殊的模具塑造出一定形状的纸制品。
纸浆模塑制品取材广泛;可通过模具进行各种不同的造型,使造型单调的纸包装得以丰富、改善,提高了市场适应能力;品质轻,防护性能好,纸浆模塑制品可回收利用,废弃物可自行降解、掩埋或焚烧,无有害气体。
纸浆模塑制品也存在明显的缺点,制品受潮后很快变形,强度也随之很快下降,外观颜色明度低、略显灰、黄色,表面也较粗糙,目前还难以被中高档包装用品采用。
吸塑包装采用一种塑料加工工艺,将平展的塑料硬片材加热变软后,借助真空吸附于模具表面,冷却后成型的产品,广泛用于塑料包装行业。
产品主要是以保护、分隔、防震、陪衬为目的的托盘、吸塑盒系列,包装的产品多为电子、IT、工业零件和化妆品,选用的材料多为PS(彩色、抗静电和植绒等),产品包括:
泡壳、托盘、内托、吸塑盒等。
但成本较高,加工工艺复杂,易造成环境污染。
瓦楞纸板在当前市场上应用极为广泛,它可加工性好,使用方便,具有刚柔兼备的保护性,利于促销,成本低廉,而且不会造成污染,符合可持续发展,是一种非常理想的包装制品[2]。
瓦楞纸箱具有质量轻、强度高、易加工成型、易折叠、便于储存和搬运、易回收和再生利用、印刷适性优良、成本低等优点,具备保护产品、方便储运和促进销售等包装功能,在运输包装中占有很大优势,是一种逐步代替木箱、塑料箱的运输包装容器[3]。
使用瓦楞纸板作为材料设计出鸡蛋的缓冲包装和外包装,可以在低成本、无污染的条件下实现缓冲保护、促进销售、方便运输的目的。
2鸡蛋的特性及流通环境分析
2.1鸡蛋特征分析
鸡蛋是卵圆形(一头大,一头小),但平时也能遇到各种其它形状的鸡蛋,蛋的大小重量与鸡的品种、饲料及产蛋季节有密切关系。
先后测定了鸡蛋的质量分布和外形尺寸以及壳厚,结果见表1。
表1鸡蛋外形质量测定结果
Tab.1Measuringresultsofmassandsizes
最大值
最小值
平均值
质量(g)
61.834
43.377
55.448
长径(mm)
60.74
51.64
56.15
短径(mm)
44.70
39.02
42.18
壳厚(mm)
0.392
0.232
0.330
蛋壳主要由碳酸钙组成,所以具有容易破碎的性质。
通常称蛋的大头为钝端,小头为锐端。
鸡蛋不同部位的壳厚是不一样的,一般钝端最薄,中间次之,锐端最厚。
鸡蛋的气室位于钝端,如果气室位置发生变化,则说明鸡蛋已经发生变质。
从这一结构特点出发,鸡蛋的包装应该锐端向下,钝端向上[4]。
除以上参数外,缓冲包装设计还需要产品的脆值,沿蛋的长轴和短轴两个方向进行冲击试验,可以测出鸡蛋两个方向的脆值。
从参考文献中可以得出短轴方向的脆值平均值为43.95,长轴方向的脆值平均值为=37.79,取平均值的80%作为设计参数使用,所以:
Gs=43.95×80%≈35;Gl=37.79×80%≈30。
l,s分别表示长、短轴。
从结果看,长轴方向脆值较小,故取长轴方向的脆值作为鸡蛋的脆值:
G=Gl=30[4]。
2.2流通环境分析
在装卸作业中,以人工装卸为主、机械装卸为辅。
因此,在此过程中,抛掷、堆垛倒塌、起吊脱落、装载机械的突然起动和过急的升降都会对包装件造成跌落冲击损害。
在产品流通过程中,运输工具的启动、变速、转向、刹车使货物改变速度,当货物堆垛松散时,它与车厢或相邻货物发生碰撞,导致货物或包装容器的冲击损坏;运输工具受路面状况、发动机振动、车辆避震性能等因素的影响,产生周期性上下颠簸和左右摇晃,导致鸡蛋的破损。
包装件结构不当、材料薄弱、封闭不严,在运输过程中经历不同气候区域,受到寒冷、炎热、干燥、潮湿、风雨等气候的影响,会使鸡蛋发生变质或损坏。
3包装材料的选择
目前,用于缓冲包装的材料很多,但以发泡塑料材料居多。
发泡塑料是高分子材料经发泡处理形成,具有很好的缓冲性能和防振能力,而且重量轻、易加工、保护性能好,成本低。
但因其具有废弃物不能自然风化,降解,焚烧处理会产生有害气体等缺点,近年来已成为加剧世界环境危机的严重公害[7]。
越来越多的国家立法禁止用发泡塑料作缓冲衬垫包装的商品进口。
所以泡沫塑料将会被其它环保缓冲材料所替代。
瓦楞纸板就是一种非常理想的环保型纸质缓冲包装材料[8]。
将瓦楞原纸加工成瓦楞形状以后按一定的方式与箱板纸粘合在一起而形成的多层纸板叫做瓦楞纸板[8]。
随着环保和可持续发展理念的渗入,瓦楞纸板以其环保的特性将会应用上更为广泛,微型瓦楞和重型瓦楞以及一些新兴的以瓦楞为基础的缓冲材料是瓦楞纸板工业发展的趋势,进而带来的瓦楞纸板等缓冲材料力学特性问题的研究将会更加深入和产业化[9]。
从结构上看,瓦楞纸板能较好的吸收外界冲击能力,延长包装物承受冲击脉冲的作用时间,具有良好的缓冲性能。
以其为材料制作的包装容器具有适合的容装功能。
而且其加工性能良好、成本低,有利于环境保护,又可回收再生、降低成本[10]。
3.1瓦楞纸板的原料
瓦楞纸板的主要原材料有瓦楞原纸、箱板纸和黏合剂,这些原料的质量决定了瓦楞纸板的强度[11]。
瓦楞原纸在生产过程中被压制成瓦楞形状,制成瓦楞纸板以后它将提供纸板弹性、平压强度,而且影响垂直压缩强度等性能;箱板纸用来制作瓦楞纸板的面层和里层,因此要求箱板纸具有较高的耐压、耐折、耐磨、耐戳穿等强度性能和一定的耐水性,纸质坚挺而富有韧性[5]。
为了使生产的瓦楞纸板不仅满足使用质量要求,而且成本合理,就必须正确选配瓦楞原纸和箱板纸。
实验表明,提高瓦楞原纸的定量有利于降低成本。
在保持强度不变的情况下,瓦楞原纸定量每增加1g/m2,箱板纸可以同时降低1g/m2,因此国际上目前出现了采用高定量瓦楞原纸来生产瓦楞纸板的趋势;但瓦楞原纸定量过高,瓦楞纸板会出现表面不平整,产生明显的瓦楞条纹,影响外观质量和印刷效果。
所以一般箱板纸和瓦楞原纸的定量比维持在2:
1的范围内比较好。
本文缓冲垫选择定量为280g/m2的箱板纸和140g/m2的瓦楞原纸。
3.2瓦楞纸板的结构
根据瓦楞的楞形形状,即从瓦楞纸板横截面看到的波浪形状,瓦楞纸板被分为三种类形:
U型、V型和UV型[12]。
V型瓦楞挺力好,强度高,用纸量较少。
但V型瓦楞的恢复能力差,弹性不好,几乎不采用。
U型瓦楞楞峰圆弧半径大,瓦楞纸板富有弹性,还原性能较好,但承受平面压力比较差。
UV型瓦楞的齿形弧度较V型瓦楞大,较U型瓦楞小,综合了两者的优点。
它的抗压强度高,弹性好,恢复力强,粘贴强度好,是目前用得最多的楞型。
实验表明,这三种瓦楞受不同的平面压力,变形较厉害的是V型,其次是U型,UV型最为稳定。
根据瓦楞楞型的高度,我国将瓦楞的类型分为A、C、B、E、F五种,他们的特征如表2示。
表中压楞系数γ的意义是压楞前瓦楞原纸长度与压楞后瓦楞芯纸长度之比。
表2瓦楞楞型及特征
Tab.2Corrugatedcordandcharacteristics
楞形
瓦楞高度
/mm
瓦楞宽度
/mm
楞数
/(个/300mm)
压楞系数
A
4.5—5.0
8.0-9.5
34±3
1.58
C
3.5-4.0
6.8-7.9
41±3
1.50
B
2.5-3.0
5.5-6.5
50±4
1.38
E
1.1-2.0
3.0-3.5
93±6
1.30
F
0.6-0.9
1.9-2.6
136±20
本课题缓冲结构选择B型瓦楞纸板,B型瓦楞低而密,单位长度上瓦楞个数多,平压和平行压缩强度高。
外包装选用五层纸板,楞型为AB楞,五层瓦楞纸板强度高,能承担重物的各向作用力,纸箱外表面光滑,印刷效果很好。
4缓冲结构设计
4.1缓冲包装设计步骤
鸡蛋的缓冲包装设计的步骤为以下几项[13]:
1收集鸡蛋流通环境可能导致产品损坏的数据;
2收集鸡蛋的资料,包括产品的形状与尺寸,重量及其分布情况,产品的冲击与振动脆值等;
3选择缓冲材料及设计其结构形式;
4确定物流各环节的影响,寻找在不影响缓冲性能前提下改进包装设计的可能性;
5制作试验用原型包装;
6按预先确定的试验标准进行仿真试验;
7如果不满足要求,重新设计;满足要求,则批准设计,并形成完整的设计文件。
4.2结构设计的作用
包装结构设计是包装工程设计的一项重要内容,在整个包装容器的设计过程中占有突出位置。
结构设计的重要地位与作用体现在以下几方面[14]:
1结构设计关系到包装容器的整体性能,将直接影响到容器使用过程中的强度、刚度和结构稳定性及可靠性等。
2结构设计将直接关系到容器产品的制造工艺性、人机环境协调性和产品的经济性等。
3如果结构设计先进、合理,将为容器艺术设计即造型设计和装潢设计创造良好基础条件,对其具有可靠的支撑作用[15]。
4.3缓冲结构设计
在进行结构设计时,根据表1统计的鸡蛋大小参数取鸡蛋长径为56mm,短径为42mm,根据此尺寸可计算得到鸡蛋顶角σ’的值:
求得σ’=74°,根据缓冲垫的结构要求取单元缓冲结构角度σ=80°。
根据鸡蛋短径42mm,单元结构底边长取45mm,由此可以算出图中的L:
单元缓冲结构如图1,通过6×6的排列组合形成整体缓冲结构。
图1缓冲结构单元
Fig.1Unitofbufferstructure
这种结构充分利用了瓦楞纸板的缓冲性能,节省空间,加工工艺简单,成本低,堆叠方便、稳固。
每个鸡蛋四个支撑面,每个支撑面2个支撑点,可以避免鸡蛋晃动。
一层需要上下两张缓冲垫,可放置36个鸡蛋。
缓冲垫在未使用的时候可以平展开,堆叠简单节省空间,放置进外包装箱以后固定成型,角度为80°。
缓冲垫三视图如图2。
图2缓冲衬垫三视图
Fig.2Threeviewdrawingofcushion
两层缓冲垫规格完全相同,相互呈90°放置,保护鸡蛋的同时便于箱内的整层堆叠,一层鸡蛋的包装效果见图3。
图3缓冲结构示意图
Fig.3Designsketchofthebufferstructure
5外包装设计
5.1瓦楞纸箱的设计
瓦楞纸箱尺寸计算与设计主要包括三个方面:
内径尺寸,制造尺寸和外径尺寸。
在进行瓦楞纸箱的尺寸设计与结构设计时,不但要考虑节约材料,在使用同样材料的情况下有较大的内径尺寸;同时要考虑有较好的力学结构,能承受外载荷尽可能大,而且要考虑有良好的造型,适合审美要求,最后还要满足有关箱型结构标准[14]。
内径尺寸:
Xi=Xmaxnx+d(nx-1)+K’+T
(1)
式中Xi——纸箱内径尺寸,mm;
Xmax——包装物最大外径尺寸,mm;
nx——包装物在纸箱内某一方向的排列数目;
d——包装物公差系数,mm;
K’——纸箱内径尺寸修正系数,mm;
T——格衬或缓冲件总厚度,mm。
表3瓦楞纸箱内径尺寸的修正系数
Tab.3Innersizeofthecorrugatedboxcorrectionfactor
Li
Bi
Hi
小型箱
中型箱
大型箱
3-7
3-7
1-3
3-4
5-7
鸡蛋长径取55mm,短径取40mm,缓冲垫规格为270mm×270mm,厚度2.5mm。
所以内径尺寸为:
Li=Bi=270+3=273mm,Hi=(55+5)×4=240mm。
制造尺寸:
X=Xi+t+K
(2)
式中:
X——瓦楞纸箱制造尺寸,mm;
Xi——纸箱内径尺寸,mm;
t——瓦楞纸板厚度,mm;
K——纸箱制造尺寸修正系数,mm。
箱高修正系数大于箱长和箱宽的伸放值,箱外高度的制造尺寸理论上等于包装要求的内径高度加上箱顶与箱底摇盖的厚度,而摇盖的总厚度为四个板厚。
摇盖合拢后会压扁和向外斜,所以实际计算箱内高制造尺寸时,在内径尺寸上再加上两个瓦楞纸板厚度值即可。
故制造尺寸为:
L1=273+9=282mm,L2=273+6=279mm;B1=273+9=282mm,B2=273+5=278mm;
H=240+18=258mm;接头J=35mm。
在摇盖对接封合的瓦楞纸箱箱型中,摇盖宽度制造尺寸理论值应等于箱宽制造尺寸的1/2.但由于摇盖有回弹作用,在摇盖对接处产生间隙,使封箱不够严密。
所以加入伸长系数xf,伸长系数参照见表4。
表402型纸箱摇盖伸长系数
Tab.402Cartonsrollcoverelongationfactor
A
B
E
AB
0201
2-3
1.5-2
0-1
4-5
0203
0-2
0-1
0
1-3
0204
2-3
1.5-2
0-1
4-5
根据F=B1/2+xf,可得摇盖尺寸F=282/2+4=145mm。
外包装结构展开图见图4。
图4纸箱结构展开图
Fig.4Cartonsstructureexpansionplan
用瓦楞纸箱包装物品进行储运时,所使用的计算方法以及箱面印刷所标体积均是以外径尺寸为依据的。
所以在设计时,应该计算出瓦楞纸箱的外径尺寸,外径尺寸是根据制造尺寸来计算的。
外径尺寸:
X0=X+K(3)
式中X0——纸箱外径尺寸,mm;
X——纸箱制造尺寸,mm;
K——纸箱外径尺寸修正系数,mm。
所以外尺寸为L0=B0=282+10=292mm;H0=245+10=255mm。
5.2集合包装设计
集合包装是指将一定数量的产品或包装件组合在一起,形成一个合适的运输单元,以便于装卸、存储和运输[6]。
运用Kellicutt公式计算纸箱的抗压强度。
(4)
式中:
PX——综合环压值,N/cm;ax2——瓦楞常数;J——楞型常数;Z——纸箱周长,cm;P——纸箱抗压强度,N。
(5)
R1——箱板纸的环压强度,N/m;
Rm——瓦楞原纸的环压强度,N/m;
γ——压楞系数。
根据缓冲垫和外包装的材质和楞型可知:
γA=1.58,γB=1.38,R1=10,Rm=7,Z=112.8,ax2=13.36,J=1.01。
根据上面的公式和数据可计算出P=5020,再使用公式P=KW(n-1)可计算得到最高堆码高度为4。
我国托盘尺寸分为1200×1000,1100×1100两种规格。
根据1200-292×4=32,1100-292×3=224,1000-292×3=124可以计算出这两种尺寸托盘的表面积利用率分别为:
1200×1000规格:
1100×1100规格:
托盘承载表面积的利用率一般应不低于80%,所以选择1200×1000的长方形托盘。
使用简单重叠法进行堆码,每个托盘可以堆叠3×4×4=48箱鸡蛋。
6包装缓冲性能分析
6.1有限元法介绍
随着现代力学、计算数学和计算机技术的发展,有限元法作为一个具有坚实理论基础和广泛应用效力的数值分析工具,可以解决绝大部分的工程问题。
而有限元法在包装工程方面应用有采用ANSYS/LS-DYNA的结构动力分析,对产品连带外包装的跌落过程进行模拟,得到结构的瞬态动力响应。
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
强大的有限元分析和优化设计功能使得ANSYS软件非常适合对包装工程中相关产品、材料和结构进行有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动仿真等方面的设计[16]。
设计缓冲包装的同时,可以通过ANSYS的优化分析模块对缓冲包装进行优化分析,以避免过度包装并节省包装成本。
这种方法不仅大大缩短缓冲包装研发周期,而且在很大程度上节省了研发费用,并使缓冲包装的研究更为科学可靠[17]。
6.2ANSYS的基本建模步骤
(1)建立有限元模型[18]
在ANSYS中建立有限元模型的过程大致可分为以下3个主要步骤:
①建立或导入几何模型
②定义材料属性
③划分网格建立有限元模型
(2)施加载荷并求解
在ANSYS中施加载荷及求解的过程大致可以分为以下3个主要步骤:
①定义约束
②施加载荷
③设置分析选项并求解
(3)查看分析结果
在ANSYS中查看分析结果的过程大致可以分为以下2个主要步骤:
1看分析结果
②检验分析结果
6.3跌落过程仿真
由于瓦楞纸板原纸材料为各向异性材料,受力十分复杂,且厚度非常小[7],其各项力学性能参数的测量对实验条件要求非常高,故对材料进行了简化,在UGNX中创建模型后导入ANSYS/LS-DYNA。
通过运用ANASYS有限元软件对鸡蛋受载状态下的应力进行分析,将对应力分布有更直观的了解。
图5为网格划分图。
图5整体包装网格划分图
Fig.5totalpackagingofmeshingpicture
鸡蛋平均尺寸为长轴2a=58.35mm、短轴2b=43.74mm、厚度δ=0.35mm。
采用弹性4结点shell93壳单元,密度为2500kg/m3,弹性模量为3100Pa,泊松比为0.25[19];瓦楞纸板的弹性模量为5.88×105Pa,泊松比为0.27[20].
进行跌落分析,设置参数见表6。
表6跌落分析基本参数设置
Tab.6Basicparametersofthedropanalysis
目标面参数
密度2500kg/m3;弹性模量5.5×107Pa;泊松比0.2
跌落高度/m
0.61
重力加速度
9.8
物体的跌落姿态
水平跌落
分析时间
0.05
结果文件和时间历程文件的输出步数
100与1000
如图6所示,整体包装件的仿真模型跌落后在冲击接触面和棱角出应变相对较大,但内部缓冲垫和外包装没有破损,因此该整体包装件的应变符合要求。
图6整体包装的应力分布
Fig.Stressdistributionoftotalpackaging
仿真跌落过程中,包装件的加速度见图7。
图7Z向加速度曲线
Fig.7AccelerationcurveofdirectionZ
利用Ansys/Ls-DYNA对跌落过程进行模拟仿真实验,得到整体包装的瞬态动力响应。
跌落仿真所得各图清晰展示了不同部位的变形、应力随时间的变化,还能给出外包装的加速度曲线及缓冲垫的吸能率等重要参数[9]。
根据图7可以看出,跌落过程中的最大加速度A=14.2,经过计算得实际加速度:
所以a 结论 通过以上的研究我们可以得出以下结论: (1)市场现有鸡蛋包装多为纸浆模塑和吸塑包装,前者外观粗糙不美观,后者不环保。 瓦楞纸板具有成本低廉、可加工性好、利于印刷、绿色环保的优点,以此设计的包装可以替代市场现有的包装。 (2)单层瓦楞纸板设计的缓冲垫结构简单,生产加工容易。 在使用之前可以大量堆叠,节省空间。 放入箱内成型后结构牢固,缓冲性能良好,每层缓冲垫放置36个鸡蛋,每箱可以放置4层鸡蛋。 (3)根据包装箱外尺寸选择1200×1000的托盘作为集合包装,使用简单堆叠法。 经计算得到最大堆码高度为4,所以集合包装排列3×4×4。 (4)使用ANSYS软件对整体包装进行有限元法跌落分析,结果跌落过程中的实际最大加速度a=14.2 图8鸡蛋整体包装 Fig.8Totalpackagingofeggs 致谢 经过三个月的分析、构思和撰写,本毕业论文终于完结。 毕业设计是对学习过的专业知识的一次综合应用、扩充和深化,也是将理论运用于实际设计的一次锻炼。 它让我们练习了综合运用所学专业知识,提高了我们的实践能力,是最后一个重要教学环节。 因为缺乏经验和知识掌握不全面,遇到了很多挫折与麻烦,感谢包装工程专业老师的关心和支持,尤其是我的指导老师舒祖菊老师。 她在繁忙的工作中抽出大量宝贵时间对我的设计进行细心的指导,在我遇到困难时及时给予解答和帮助,使我的论文能够顺利完成。 她细致严谨、一丝不苟的作风一直是我学习、工作中的榜样。 此外,我衷心感谢我的同学们对我的帮助和指点,没有他们的帮助和鼓励,这次毕业设计就不会如此顺利进行。 感谢他们及时的通知消息,以及本宿舍同学在设计中给予的无私帮助和谅解。 参考文献 [1]樊绪经.鸡蛋经营概述[M].食品工业出版社,1957.09 [2]彭国勋.瓦楞包装设计[M].北京: 印刷工业出版社,2007.08 [3]李小丽,郭彦峰.瓦楞纸箱在运输包装系统中的应用与设计[J];包装工程;2006年03期 [4]刘信芳,吴守一.鸡蛋力学特性实验分析[J].江苏: 江苏大学学报(自然科学版).1992年01期 [5]王建清.包装材料学[M].北京: 中国轻工业出版社,2009.1 [6]L.Beldie,G.SandbergandL.Sandberg。 PaperboardPackagesExposedtoStaticLoads-FiniteElementmodellingandExperiments,acceptedforpublicationinPackagingTechnologyandScience,2001 [7]NiclasStenberg,Mechanicalpropertiesinthethicknessdirectio
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