快速成型3d打印原理技术论文

快速成型3d打印原理技术论文

快速成型3d打印技术论文篇一：《试论3D打印技术》

摘要：3D打印又称为增材制造，近年来得到了快速发展，应用领域不断增加。本文对3D打印的原理及应用现状进行了分析，对3D打印在教学领域的应用模式进行了探讨。

关键词：3D打印;应用现状;教学领域

1 引言

3D打印，又称为增材制造，是快速成型技术的一种，被誉为“第三次工业革命的重要标志”，以其“制造灵活”和“节约原材料”的特点在制造业掀起了一股浪潮。近年来，随着3D打印技术的逐步成熟、精确，打印材料种类的增加，打印价格的降低，3D打印得到了快速发展，应用领域不断增加，不仅在机械制造、国防军工、建筑等领域得到广泛应用，也逐渐进入了公众视野，走进学校、家庭、医院等大众熟悉的场所，在教育、生物医疗、玩具等行业也得到了广泛关注及应用，作为教育工作者，本文将在介绍3D打印的原理、优势、应用现状的基础上，重点探讨3D打印在教育领域的角色及应用模式。

2 3D打印概述

2.1 3D打印原理

3D打印(3D printing，又称三维打印)，是利用设计好的3D模型，通过3D打印机逐层增加塑料、粉末状金属等材料来制造三维产

品的技术[1]。一般来说，通过3D打印获得物品需要经历建模、分割、打印、后期处理等四个环节[2]，其中3D虚拟模型，可以是利用扫描设备获取物品的三维数据，并以数字化方式生成三维模型，或者是利用AutoCAD等工程或设计软件创建的3D模型，有些应用程序甚至可以使用普通的数码照片来制作3D模型，比如123D Catch[3]。

2.2 3D打印的优势

与传统制造技术相比，3D打印不需事先制模，也不必铸造原型，大大缩短了产品的设计周期，减少了产品从研发到应用的时间，降低了企业因开模不当可能导致的高成本风险，使得特殊和复杂结构的模型的制作也变得相对简单，产品也更能凸显个性化。另外，3D打印是增材制造，使用金属粉或其他材料，使部件从无到有制造出来，大大减少了原材料和能源的消耗，生产上实行了结构优化。

2.3 3D打印的应用现状

近年来，3D打印得到了快速发展，几乎应用于各个领域。在模具加工和机械制造领域，使用3D打印相对快速地进行模具的设计与定制，打印复杂形状的各种零件，打印具有足够强度的个性化几何造型的物件。在航空航天、国防军工领域，3D打印应用于外形验证、关键零部件的原型制造、直接产品制造等方面。如空客公司从打印飞机小部件开始，逐步发展，计划在2050年左右打印出整架飞机。生物医疗领域，医学工作者利用3D打印技术打印出患者的心脏模型，缺损下颌骨模型，患者外伤性脑内血肿颅脑模型等，用于辅助诊断并制定术前手术方案，降低了手术难度，减少了手术时间，为患者带来

了精准化的治疗。人工椎体和人体气管软骨的打印让人体器官的3D 打印成为可能。3D打印的处方药产品SPRITAM(左乙拉西坦)片剂可用于各种癫痫疾病的治疗。建筑工程领域，3D打印建筑不需使用模板，打印的建筑物重量轻，强度大，时间短，产生的建筑垃圾及建筑粉尘少，且可以循环使用，绿色环保。3D打印在首饰、食品、玩具和日常用品的设计和生产中也有广泛应用，可以很好地彰显用户的个性化特点和需求。3D打印在太阳能电池板和特殊材料的制造方面的应用也有突破。

3 3D打印在教学领域的应用

3D打印在教学方面的探索性活动也已经展开，并应用在数学、航空、电子、设计、机电工程、生物医学、天文等大部分学科中，取得了良好的教学效果。基于3D打印的快速生成能力，使得数字化模型能快速转化为立体实物，借助立体实物的生成过程及使用可以提高教学效果，增强学生合作、设计、创新等能力。

3.1打印三维教具学具辅助教学

在课程教学中，借助于多媒体教学手段，一些抽象的图像可以相对直观的显示出来，但针对的是群体，形成的是暂时的视觉感受，印象并不是很深刻，也不易理解。借助3D打印，可以把数字化的图像转化成实物的教具和学具，每个同学都有机会亲手感受，而且还可以亲自设计、策划，无疑对知识点的理解，知识的掌握及应用有很大的促进作用。比如：数学课可以打印出几何曲面、剖面立体实物;动画设计可以打印出3D人物，动物角色模型，且可以根据实效及时修改;

语文课可以把要讲解的地域打印出来，如北京的胡同，同学们可以拿着模型理解胡同的特点，体验胡同文化，讲述胡同的来龙去脉;机械制造课可以根据课程内容打印相关的零件、齿轮、连杆等。

3.2 实习实践过程中辅助创新设计

职业学校实习实践教学活动较多，钳工实习、数控机床实习、电子电工实习、动画设计、物联网设计等，都需要借助相应的模型，并设计出一定的模型。借助于3D打印，同学们对需要设计的模型有一个大体的认识，然后经过集体分组的讨论、设计、修改等过程，不仅能增加学生的学习兴趣，促进学生交互学习，协作学习，且能提高学生的设计水平、思维能力和实践能力。比如在模具设计实习中，采用项目式教学法，应用3D打印，学生分组设计、分组打印，学生在亲眼目睹自己的设计零件打印成型的过程及成品后，学习兴趣大增，多次讨论修改的过程也大大提升学生的设计水平。在CAD课程实践环节中，使用3D打印机，可以根据教学需要来设计教学内容，对学生的设计作品3D打印出来进行评比并组装，不仅使学生熟练掌握设计软件建模的基本思路和流程，而且对如何从设计作品到具体的实物的生成有一个明确的认识，有利于日后学生进一步的学习和发展。

3.3 就业创业指导

近年来，大学毕业生人数急剧增加，就业压力增大，国家大力提倡大学生创业，整个社会也兴起了一股自主创业的热潮。对于职业学校的学生来说，有一定的专业知识，有较强的动手操作能力，有创业的热情与激情。借助于3D打印设备，创业指导老师可以指导学生创

办创意设计3D打印工作室，利用所学的专业知识，设计出相关产品并打印出来进行销售，同时也可为社会客户提供DIY服务，收取一定的培训费和制作费，也可以在校企合作的基础上为合作企业提供设计和3D打印服务。通过3D打印的上述创业实践活动，加深学生对专业知识的巩固、对设计过程的了解，并培养创新创业意识和能力。

3.4 图书馆应用

图书馆引入3D打印服务是图书馆从文献服务走向创新服务的途径。国外很多图书馆都开展3D打印服务，国内的综合图书馆，如上海图书馆、苏州图书馆也开展3D打印服务，高校中的上海交通大学图书馆也开展3D打印服务，并且通过举办3D打印设计大赛积极推广此项服务，通过比赛普及3D打印知识，让同学们了解3D打印前沿科技，启发学生们用创新思维发现问题、智慧解决问题。学校图书馆可以配备一两台3D打印机，并在保证健康和安全的基础上，充分考虑费用、提交步骤、等待和筛选时间等、制定详细的3D打印制度或政策，并鼓励学生打印原创作品，以发挥学生的专业特长，激发学生的创造力和想象力。

4 结束语

3D打印正从工业领域，走向各个应用领域。不久的将来，也会像电脑、手机、互联网一样进入我们的社会和每个家庭。教育工作者应积极利用这项新技术，促进教学模式和教学活动的创新，更好地提高教学质量和教学效果，提高学生的实践能力和创新水平。

参考文献

[1] 张飞相. 3D打印技术的发展现状及其商业模式研究[J]. 新闻传播，2016(2)：51-53.

[2] 李青，王青. 3D打印―一种新兴的学习技术[J]. 远程教育杂志2013(4)：29-35.

快速成型3d打印技术论文篇二：《浅议3D打印成型技术对模具制造技术的冲击》

摘要：近年来，3D打印市场如火如荼，在工业设计领域将发挥巨大的作用，尤其是在产品制造方面。随着3D打印技术的出现和普及，必将会冲击以模具制造为主的产业结构，优化产业链条。文章通过对比3D打印成型技术与传统模具制造技术的优缺点，客观地分析了3D打印成型技术对模具制造技术的冲击。

关键词：3D打印;模具制造;冲击

1 概述

3D打印技术(增材制造技术)是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，将材料逐层堆积制造出实物的新兴制造技术。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。3D打印技术综合了信息技术、数字建模技术、机电控制技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。

传统的模具制造技术是在接单后还需对接单项目进行评审，在确定了开发要求及工艺路线后，开始模具设计。加工之前需要按照设计的图纸备料。接着是粗加工，最后是试模验证。其加工流程如图1

所示。采用传统的模具制造技术制造加工出一个合格的模具所需要的人力、物力较多，生产时间也较长。

2 3D打印制造模具的优点

3D打印成型技术与传统模具制造业的最大区别在产品成型的过程上。在传统的模具制造业中，模具制造一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程成型。而3D打印则免去了那些复杂的过程，不用模具，一次成型。可以节约很多成本。还可以克服一些传统制造上无法达成的设计，从而制作出更复杂的结构模具。

2.1 模具生产周期缩短

3D打印模具缩短了整个产品开发周期，并成为驱动创新的源头。在以往，由于考虑到还需要投入大量资金制造新的模具，公司有时会选择推迟或放弃产品的设计更新。通过降低模具的生产准备时间，以及使现有的设计工具能够快速更新，3D打印使企业能够承受得起模具更加频繁的更换和改善。它能够使模具设计周期跟得上产品设计周期的步伐。

2.2 模具设计的改进为终端产品增加了更多的功能性

通常，金属3D打印的特殊冶金方式能够改善金属微观结构，并能产生完全致密的打印部件，与那些锻造或铸造的材料(取决于热处理和测试方向)相比，其机械和物理性能一样或更好。增材制造为工程师带来了无限的选择以改进模具的设计。此外，它能够整合复杂的产品功能，使高功能性的终端产品制造速度更快、产品的缺陷更少。3D打印可以实现任意形状的冷却通道，以确保实现随形冷却，更加

优化且均匀，最终导致更高质量的零件和较低的废品率。

2.3 定制模具帮助实现最终产品的定制化

更短的生产周期、制造更为复杂几何形状、以及降低最终制造成本的能力，使得企业能够制造大量的个性化工具来支持定制部件的制造。3D打印模具非常利于定制化生产，比如医疗设备和医疗行业，它能够为外科医生提供3D打印的个性化器械，比如，外科手术导板和工具，使他们能够改善手术效果，减少手术时间。

3 3D打印成型技术对模具制造技术的冲击

工业产品的更新换代非常快，一个新产品生产出来后，如果没有销路，那就得不偿失。传统模具制造技术开发一套模具需要几十万，甚至几百万元。而利用3D打印技术，可以把产品先开发出来，直接打印。使用3D打印技术的优势在于可以大大缩短生产的周期、节约生产成本。比如，一套手机模具，采用传统的制造技术，须经过大约12个工作日才能完成，有时还会造成材料的浪费。但利用3D打印技术几个小时就可以完成，而且还具有高精密度的特点，这样就能够不断提高市场竞争力，在发展中抢得先机。

3D打印的优势很明显：可免除制造刀具、夹具和模具的过程，直接进行产品加工，解决了生产工艺难以解决的问题，还节约材料、缩短时间。

4 3D打印成型技术短期内无法替代传统模具制造技术

3D打印诞生近三十年了，但产业化远未形成。虽然3D打印名气很大，但到今天还处于科普阶段。3D打印作为一项前沿的、先导

性较强的技术，可以满足个性化、定制化、复杂、高难度产品的需求，但不具有批量化、规模化的优势。

4.1 传统工业的成熟给3D打印制造门槛

传统工业大生产在过去200多年可以说非常成功，发展到今天，分工也非常细，配套非常充沛，可以说是环环相扣，形成了巨大的利益攸关体，形成了巨大的惯性。如果要打破这种惯性，成本非常高。这些3D打印无论是颠覆或者融入，门槛都特别高。

4.2 目前3D打印不适合批量生产

3D打印目前并不适合批量生产，例如3D打印技术生产1件产品和生产1万件产品的成本单价基本接近，而且3D打印需要更长的时间。一个喷头就对应生产一个产品，而且产品体积大了，成型速度几何性降低，几个小时才成型一个东西，粗糙度不满足，还要打磨，还要精加工。传统模具制造技术在我国大批量生产中占据明显的优势，在非批量、精密要求不是很高的产品制造领域，传统模具制造暂时不具备替代性。

4.3 3D打印技术的材料种类较少，而且价格较贵

尽管现在已有几百种材料能够被3D打印，但是高温塑料和一部分常用金属依旧不能被打印。尤其金属由于热处理的问题，很容易出现打印后变性的问题，现场EOS的代表提出的比如invar，就不能被打印，而这个材料在航空发动机中却是相当重要的材料。而且国内有能力生产3D打印材料的企业很少，特别是金属材料主要依赖进口，价格高。

4.4 3D打印技术的速度、效率、质量还有待提高

3D打印本身的技术原理就决定了制造精度和制造速度存在矛盾。3D打印是一层层来制作物品。如想提高打印精度就得增加打印层数，但是自然而然地降低了打印速度。而提高速度的话就会有精度问题：因为3D打印采用的是逐层堆积制造的方式，这种方式本身就存在“阶梯效应”，特别是所制造工件表面曲度较大的时候，阶梯效应就尤为明显，这会影响工件的精度。

3D打印技术和传统制造技术都存在优势和劣势，目前3D打印技术还不能替代传统制造技术。从长远来看，随着3D打印技术的不断发展，未来打印效率不断的提高及生产成本的降低，3D技术对模具行业的影响将不容小觑。

参考文献

[1]刘斌.关于3D打印技术中的几个问题与思考[J].模具工程，2015.

[2]王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012.

[3]陈兴龙.3D打印技术在模具行业中的应用研究[J].机械工程师，2016.

[4]李志君.3D打印技术在塑料加工成型及模具设计课程群教学改革中的应用探索[J].科教文汇旬刊，2015.

[5]厉成龙.3D打印技术在现代模具制造中的应用[J].装备制造技术，2015.

快速成型3d打印技术论文篇三：《试谈3D打印技术及其应用发展》

【摘要】本文通过分析3D打印机的原理，总结了几种典型的3D打印技术，分析其市场应用和发展方向，得出3D打印技术的发展会引领第三次工业革命的发展。

【关键词】3D;打印机;3D打印技术

1.前言

近来，三维(3D)打印技术[1]在发达国家兴起，前不久在网上流传的3D打印手枪，引来许多网友围观。3D打印现在已不再只是概念产物，全球已有不少公司推出了个人3D打印机，它已在平常生活中开始普及。2012年4月，英国《经济学人》刊文认为，3D打印技术将与其他数字化生产模式一起，推动第三次工业革命的实现。传统制造技术是“减材制造技术”，3D打印则是“增材制造技术”，它具有制造成本低、生产周期短等明显优势。

2.3D打印机的原理及技术

2.1 3D打印机

3D打印机是近年来在民用市场出现的一个新词。在专业领域有另一个名称叫“快速成形技术”[2]。快速成形技术诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种全新制造技术。它集分层制造技术、机械工程、数控技术、CAD、激光技术、逆向工程技术、材料科学于一体，可以直接、快速、自动、精确地将设计电子模型转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设

计思想的校验等方面提供了一种低成本而高效的实现手段。快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。

不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是基本原理一样，那就是“分层制造，逐层叠加”

[3]，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台“立体打印机”，因此得名。

2.2 3D打印机的原理

3D打印机根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。

每个截面数据相当于医学上的一张CT像片;整个制造过程就像一个“积分”的过程。

整个过程是在电脑的控制下，由3D打印系统自动完成的。不同公司3D打印使用的成形材料不同，系统的工作原理也有所区别，但其基本原理都是一样的，那就是“分层制造、逐层叠加”。这种工艺可以形象地叫做“增长法”。

2.3 3D打印技术

2.3.1 SLA技术

光固化成型法(SLA)是用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。

这样层层叠加构成一个三维实体。SLA是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂原料。其工艺过程是，首先通过CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动;激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面;然后升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。

SLA技术主要用于制造多种模具、模型等;还可以在原料中通过加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

2.3.2 SLS技术

选择性激光烧结技术(SLS)是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层，层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。

整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一

层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。

与其它3D打印机技术相比，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前，可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统，所以SLS的应用广泛。

2.3.3 PDM技术

熔积成型(FDM)法，该方法使用丝状材料(石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝)为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度(约比熔点高1℃)，在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。

该技术污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。成形

材料：固体丝状工程塑料;制件性能相当于工程塑料或蜡模;主要用于塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

2.3.4 LOM技术

分层实体制造法(LOM)，又称层叠法成形，它以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料，其成形原理如图所示，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。LOM技术的优点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。成形材料主要是涂敷有热敏胶的纤维纸;制件性能相当于高级木材;主要用途是快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。

3.3D打印技术的市场应用及发展方向

3.1 建筑设计领域

建筑模型的传统制作方式，渐渐无法满足高端设计项目的要求。全数字还原不失真的立体展示和风洞及相关测试的标准，现如今众多设计机构的大型设施或场馆都利用3D打印技术先期构建精确建筑模型来进行效果展示与相关测试[4]，3D打印技术所发挥的优势和无可比拟的逼真效果为设计师所认同。

3.2 磨具制造领域

玩具制作等传统的模具制造领域[5]，往往模具生产时间长，成本高。将3D打印技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。3D打印技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用3D打印技术直接堆积制造出模具，间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。

3.3 医学领域

在医学领域的应用近几年来，人们对3D打印技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础，利用3D打印技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值，近年来许多医院推出3D 打印胎儿服务。

3.4 航空航天领域

在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采用3D打印技术，根据CAD模型，由3D打印设备自动完成实体模型，能够很好的保证模型质量。

3.5 家电和食品领域

3D打印技术在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用，使许多家电企业走在了国内前列。美的、华宝、小天鹅、海尔等都先后采用3D打印技术来开发新产品，收到了很好的效果。

3D打印在食品领域也有成功的应用。做成的鲜肉特别有弹性，而且烹饪后肉质松散有嚼头，丝毫不逊于真正的肉，就连肉里的微细血管都能打印出来。人们吃到“3D肉”的日子不会太远，因为美国泰尔基金会近日已投资成立了“鲜肉3D打印技术公司”，希望能够为大众提供安全放心的猪肉产品。这种利用糖、蛋白质、脂肪、肌肉细胞等原材料打印出的肉具有和真正的肉类相似的口感和纹理，就连肉里的微细血管都能打印出来。

4.总结

3D打印是产业界自主创新的过程，政府主要负责引导方向，要让民营企业有充分的自主发展空间，同时对一些敏感行业或者产品要加强监管。3D打印技术市场潜力巨大，势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一。这些突破将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具，改由更加灵巧的电脑软件主宰，这便是第三次工业革命的到来的标志[6]。在这种势头下，传统的制造业将逐渐失去竞争力。

参考文献

[1]古丽萍.蓄势待发的3D打印机及其发展[J].北京：数码印刷，2011(10)：64-67.

[2]丁军涛.快速成形技术在企业实际生产中的应用[J].陕西：科技探索，2012(8).

[3]郑利文.Objet Geometries公司推出多种复合材料3D打印机[J].北京：模具工业，2008(2)：73.

[4]梁晨光.3D打印技术纵览“印”出来的真实世界[J].北京：微型计算机，2008(6)：106-109.

[5]乔益民，王家民.3D打印技术在包装容器成型中的应用[J].重庆：包装工程，2012(11)：68-72.

[6]丁博强.3D打印推动第三次工业革命[J].上海：创意产业，2013(2).

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