Lehrstühle und Professuren
Die Mitarbeitenden des Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) befassen sich forschungsseitig im Bereich der Additiven Fertigung mit der Verarbeitung von metallischen Werkstoffen. Zum Verfahrens-Portfolio zählen das pulverbettbasierte Schmelzen von Metallen mittels Laserstrahl (PBF-LB/M), die lichtbogen- und drahtbasierte Additive Fertigung (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM), das Pulver-Binder-Verfahren (Binder Jetting) sowie das Tintenstrahldrucken (Inkjet Printing). Komplettiert wird die Ausstattung am iwb durch innovative Eigenbau-Anlagen und Anlagen zur Verarbeitung von Kunststoffen. Die methodischen Kernkompetenzen der Abteilung Additive Fertigung umfassen die Prozessentwicklung, die Prozesssimulation auf unterschiedlichen Betrachtungsskalen und die Prozessüberwachung. Ergänzend hierzu bestehen Kompetenzen im Bereich der spanenden Nachbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen, welche zusammen mit der Abteilung Werkzeugmaschinen aufgebaut wurden.
Als beteiligter Lehrstuhl von TUM.Additive werden am Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik detaillierte numerische Simulationsmethoden für die Vorhersage der Thermofluiddynamik bei additiven Fertigungsverfahren entwickelt. Ziel der grundlagenorientierten Forschung ist die Verbesserung des Prozessverständnisses und Entwicklung neuer Fertigungstechnologien anhand von Detailsimulationen am virtuellen Zwilling.
Als Experten im Bereich der Fluiddynamik liegt der Fokus unserer Arbeit auf der numerischen Modellierung, bei der wir effiziente Methoden für die Berechnung der komplexen Strömungsdynamik und des Wärmehaushalts entwickeln. Unsere Simulationswerkzeuge sind speziell für High-Performance-Computing auf modernen Rechnerarchitekturen optimiert und ermöglichen hochauflösende Vorhersagen des realen physikalischen Prozessverhaltens. Unser Ziel ist es, mit unseren Erkenntnissen eine höhere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit in der additiven Fertigung zu erreichen. Bei der Simulation der additiven Fertigungsprozesse konzentrieren wir uns darauf, das Zusammenspiel aus Prozessparametern und Strömungsverhalten quantitativ vorherzusagen. Aus den Wirkmechanismen können dann Rückschlüsse auf die resultierenden Bauteileigenschaften auf makroskopischer Skale gezogen werden. Wir untersuchen insbesondere potenzielle Fehlerquellen und schlagen Prozessoptimierungen vor. Unsere Simulationsarbeit erstreckt sich über verschiedene Skalenbereiche, von der Betrachtung des Kristallwachstums, über die Schmelzbaddynamik, bis zur Schutzgasströmung in der Baukammer.
Unsere Forschungsarbeit in der additiven Fertigung trägt somit nicht nur zum Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen bei, sondern liefert auch wertvolle Erkenntnisse für die Weiterentwicklung und Anwendung dieser vielversprechenden Technologien. Wir arbeiten eng mit unseren Industriepartnern zusammen, um die Ergebnisse unserer Forschung schnellstmöglich in die Praxis umzusetzen und den Einsatz der additiven Fertigung in verschiedenen Branchen voranzutreiben.
Die Additive Fertigung stellt im Bauwesen eine mögliche Alternative zur überwiegend manuellen Konstruktion dar und bietet zahlreiche Vorteile. Die Anwendung der Additiven Fertigung in Bauprojekten muss jedoch sorgfältig geprüft werden, insbesondere in den frühen Phasen des architektonischen Entwurfs. Aus diesem Grund wurde ein System zur Unterstützung von Entwurfsentscheidungen (DDSS) entwickelt, um geeignete Bauelemente zu identifizieren, die mit bestimmten AM-Methoden hergestellt werden können. Dieses System basiert auf einer formalen Wissensbasis und hat Schnittstellen zu einem BIM-Authoring-Tool zur Bewertung der Machbarkeit von AM-Methoden mit Designanpassungen.
Der Lehrstuhl für Carbon Composites von Prof. Klaus Drechsler forscht an additiven Fertigungstechnologien, mit denen erhebliche Leichtbaupotentiale – etwa individuelle Faserverbundbauteile im robotergestützten Rapid Prototyping – realisiert werden können. Für Schlaganfallpatient:innen etwa soll so in einem vollautomatischen Prozess ein maßgeschneidertes Exoskelett der unteren Extremitäten in weniger als 24 Stunden hergestellt werden.
Am Lehrstuhl für Computergestützte Modellierung und Simulation (CMS) modellieren wir additive Fertigungsprozesse, um einen Einblick in die relevanten physikalischen Mechanismen zu erhalten, die den Prozess steuern. Wir modellieren auch Produkte der additiven Fertigung (AM), um ein Qualifizierungssystem für additiv hergestellte Teile zu entwickeln. Dabei untersuchen wir die strukturelle Leistung von Teilen, die durch AM mit mineral- oder metallbasierten Verfahren hergestellt wurden. Unsere Methoden gehen entweder von einem CT-Scan des fertigen Teils oder von volumetrischen Modellen aus, die online während des Produktionsprozesses erstellt werden.
Unsere Prozessmodelle konzentrieren sich derzeit auf Powder Bed Fusion von Metallen und beschreiben die thermische Entwicklung der Temperatur während der Produktion auf allen Skalen. Um die Mehrskaligkeit des Problems zu berücksichtigen und die Temperaturentwicklung auf der Teileskala in einer vertretbaren Rechenzeit berechnen zu können, entwickeln wir neue Methoden, wie z. B. die Raum-Zeit-Finite-Elemente-Methode.
Die Entwicklung effizienter Methoden zur Lösung der Wärmeentwicklung ermöglicht es uns auch, inverse Probleme anzugehen, wie z. B. die Berechnung von Prozessparametern, um eine bestimmte Schmelzbadform oder Temperaturverteilung zu erreichen. Inverse Probleme beschränken sich derzeit auf Probleme auf der Patch-Skala und auf thermische Probleme, doch werden zukünftige Arbeiten die Lösung inverser Probleme auf die Skala der Mikrostruktur sowie auf die Teileskala ausweiten.
Der Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik (fml) widmet sich im Bereich des Additiven Bauwesens der Prozess- und Maschinenentwicklung für den extrusionsbasierten 3D-Betondruck, insbesondere dem innovativen Near-nozzle-mixing Verfahren. Neben den Forschungsvorhaben sind stellt die Prototypenentwicklung von Design bis Wartung einen zentralen Aufgabenbereich dar. Im Zentrum der Forschung steht die Prozesstechnik, die sowohl die Optimierung als auch die Weiterentwicklung von additiven Fertigungsverfahren für den Betondruck umfasst.
Die Expertise des Lehrstuhls erstreckt sich auf die Entwicklung neuartiger Verfahren und die Optimierung bestehender Prozesse für den 3D-Druck von Betonstrukturen. In enger Kooperation mit Industriepartnern und anderen Lehrstühlen strebt der Lehrstuhl an, innovative Lösungen für den Einsatz von 3D-Betondruck in unterschiedlichen Anwendungsfeldern zu entwickeln und zu etablieren.
Die Erforschung und Entwicklung neuer additiver Fertigungsverfahren für Anwendungen im Bauwesen ist einer der Schwerpunkte am Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion. Dabei werden verschiedene Materialien (Beton, Holz) und Prozesse (Extrusion, Partikelbett) alternativ und vergleichend untersucht. Zusätzlich wird an der Standardisierung und Qualitätssicherung in der additiven Fertigung im Bauwesen gearbeitet. Darüber hinaus haben die Mitarbeitenden des Lehrstuhls die organisatorische Leitung des AMC-Lab, der zentralen Forschungseinrichtung für die additive Fertigung im Bauwesen der TUM School of Engineering and Design inne.
Am Lehrstuhl für Maschinenelemente bzw. der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme (FZG) werden additiv gefertigte Maschinenelemente untersucht. Hierzu zählt derzeit die intensive Erforschung im Bereich der Stirnräder. Die Untersuchungen fokussieren sich auf Tragfähigkeitsuntersuchungen und dem Verhalten im Vergleich zu konventionell gefertigten Zahnrädern, insbesondere auch unter Berücksichtigung von Möglichkeiten des Leichtbaudesigns, aber auch die Integration von Sensoren oder Kühl- und Schmierkonzepten werden betrachtet.
An der FZG selbst werden keine additiven Fertigungsanlagen betrieben. Aufgrund dessen kooperiert die FZG mit ihrer Kompetenz zur Auslegung, Prüfung und Analyse von Getriebesystemen mit anderen Forschungseinrichtungen mit deren Kompetenz zur Herstellung additiv gefertigter Komponenten.
Am Lehrstuhl für Massivbau werden die mechanischen Eigenschaften, die Statik und Modellierung, die Bewehrung sowie das großmaßstäbliche Verhalten von 3D-gedrucktem Extrusionsbeton für den Einsatz in Gebäuden und Infrastruktur untersucht. Das Labor ist mit mehreren Industrierobotern, Misch- und Pumpanlagen für normale und hochenergetische Mischungen sowie mit hochentwickelten Sensoren ausgestattet, um den Druckprozess im Detail zu verfolgen und mit dem mechanischen Verhalten zu korrelieren. Das Strukturobjektlabor ermöglicht Tests von Komponenten bis zu einem Maßstab von Gebäuden und die Anwendung spezieller Belastungsbedingungen.
Der Lehrstuhl Medizintechnische Materialien und Implantat arbeitet unter anderem an komplexen, silikonbasierten Strukturen zur Erstellung von biomimetischen Organmodellen. In solchen Modellsystemen können dann unter physiologischen Bedingungen die Implantate der Zukunft untersucht und optimiert werden, bevor diese beim Menschen zum Einsatz kommen. Daneben wird auch an mikrostrukturierten Topologie-Architekturen geforscht, mittels derer die Antworten menschlicher Zellen auf unterschiedliche Kultivierungsbedingungen untersucht werden, wie beispielsweise eine biomimetische Herzklappe. Hier kommt das additive Fertigungsverfahren Melt Electrowriting zum Einsatz.
Der Lehrstuhl für Metallbau beschäftigt sich mit der Erfassung und Bewertung der maßgebenden Einflussfaktoren auf die Fertigung von sicheren und langlebigen Stahlbauelementen mittels Laser-Strahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M). Insbesondere werden der Zusammenhang und die Abhängigkeiten zwischen PBF-LB/M-Prozess, Nachbehandlung und Geometrie mit der Mikrostruktur
und den mechanischen Eigenschaften untersucht und modelliert. Besonderer Fokus liegt auf der Ermüdung von PBF-LB/M-hergestellten austenitischen Stählen – die durch den Herstellungs-
prozess entstehenden Defekte (hohe Oberflächenrauheit, Porosität, besondere Mikrostruktur) werden vom Lehrstuhl für Metallbau genaustens in Bezug auf Ermüdung hin analysiert.
Am Institut für Numerische Mechanik (LNM) werden folgende Forschungsbereiche im Bereich der additiven Fertigung (AM) abgedeckt. Durch die Modellierung der verschiedenen Längenskalen, die AM-Prozesse bestimmen, wird ein grundlegendes Verständnis der zugrundeliegenden Physik erlangt und schließlich neue Prozessstrategien angeregt, die die Unzulänglichkeiten bestehender Prozesse überwinden. Der Gesamtansatz berücksichtigt insbesondere die Modellierung von Metallpulvern und Pulverausbreitungsprozessen, die Modellierung des Schmelzbades, die Modellierung der Teileskala und die Modellierung der Mikrostruktur in der additiven Metallfertigung. Während der Schwerpunkt auf dem laserbasierten Pulverbettschmelzen von Metallen liegt, können viele der entwickelten Modellierungs- und Simulationsansätze auf andere AM-Prozesse wie Binder Jetting, Directed Energy Deposition und Material Jetting übertragen werden.
Der Lehrstuhl für Produktentwicklung und Leichtbau behandelt die Gestaltung und Optimierung von technischen Systemen und Bauteilen, inklusive solchen, die additiv gefertigt werden. Das umfasst Berechnungs- und Optimierungsverfahren, wie die Topologieoptimierung, sowie das Design for Additive Manufacturing (DfAM). Sowohl die über AM nutzbaren geometrischen Freiheitsgrade als auch die AM-spezifischen Einschränkungen werden dabei in einen Gesamtentwicklungskontext eingebunden, um Leichtbau an der Grenze des Machbaren zu ermöglichen.
Mit dem Binder Jetting-Verfahren (Pulver-Binder-Verfahren) soll die additive Fertigung als hochinnovatives Werkzeug zur Herstellung von Formkörpern für die heterogene Katalyse genutzt werden. So können Formgebungsmöglichkeiten erschlossen werden, die mit keiner bislang etablierten Technologie möglich sind und die effizientere, ressourcen- und kostenschonendere katalytische Verfahren ermöglichen können. Zudem besteht dadurch auch das Potential, die wissenschaftlich-technischen Voraussetzungen zur Realisierung neuer Katalysewege zu schaffen.
Die Forschung am Lehrstuhl für Thermodynamik konzentriert sich auf das grundlegende Verständnis von Strömung, Wärme und chemischen Reaktionen in verschiedenen Materialbereichen mit Anwendungen in den Bereichen Verfahrenstechnik, Luft- und Raumfahrt, Energie und weiteren. Die fächerübergreifende Forschung ist das Herzstück des Lehrstuhls.
Mit einem großen historischen Fundus und hochmodernen Rechen- und Versuchsanlagen, die durch Multiskalensimulationen und -experimente unterstützt werden, verfügen wir über Fachwissen in folgenden Bereichen
- Mehrphasenströmung und Wärmeübertragung
- Multiskalenmodellierung und -simulation
- Verbrennung und Reaktionskinetik
- Technologien für erneuerbare Energien und Solarenergie
- Design von Nanowerkstoffen und Nanotechnik
- 3D-Druck von Nanostrukturen und Oberflächen
Wir entwickeln fortschrittliche Technologien zur Lösung von Problemen in den Bereichen Energie, Strom, Wasser, Fertigung, Luft- und Raumfahrt und darüber hinaus.
Am Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen (utg) wird die tropfenbasierte additive Fertigung von Metallbauteilen, engl. Material Jetting (MJT), untersucht und weiterentwickelt. Das Halbzeug für diesen Prozess ist drahtförmig und somit sowohl kostengünstig als auch einfach handhabbar. Im MJT-Druckkopf wird das Halbzeug über Widerstandsheizungen aufgeschmolzen und anschließend über eine Düse tropfenweise auf eine Bauplattform aufgebracht. Am utg befindet sich eine MJT-Versuchsanlage, mit der verschiedene Druckköpfe betrieben werden können. Im Rahmen mehrerer öffentlich geförderter Forschungsprojekte wurden Druckköpfe für Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen und Salze entwickelt und untersucht. Aktuelle Forschungsbereiche sind die Verarbeitung von Kupfer, die Umsetzung von Stützstrukturen sowie die numerische Simulation des Prozesses. Für die Prozessanalyse werden u.a. High-Speed-Kameras, Festigkeitsuntersuchungen, Metallografie, Kontaktwinkeluntersuchungen, Laser-Flash-Analysen und Dynamische Differenzkalorimetrie herangezogen.
Kern der Forschung am Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Additiven Fertigung ist die Analyse von Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in der Additiven Fertigung von metallischen Werkstoffen sowie die Nutzung dieser Erkenntnisse zur Entwicklung neuer Werkstoffe und Verarbeitungsmethoden. Im Fokus stehen dabei Hochleistungswerkstoffe wie z.B. hochfeste Aluminiumlegierungen und Legierungen für Hochtemperaturanwendungen, sowie Multi-Material-Bauteile, gradierte Werkstoffstrukturen und Metall-Matrix-Komposite. Während sich die werkstofftechnischen Fragestellungen auf sämtliche additiven Herstellungsverfahren erstrecken, liegt der Schwerpunkt der prozesstechnischen Forschung auf den Direct-Energy-Deposition-Verfahren (Laser- und Plasma-Pulver-Auftragschweißen sowie Wire Arc Additive Manufacturing) sowie dem Fügen additiv gefertigter Bauteile. Es stehen skalenübergreifende Werkstoffsimulation, exzellente Charakterisierungsmethoden, innovative Mess- und Prüftechnik sowie modernste KI-gestützte Datenanalyse zur Verfügung, um maßgeschneiderte Werkstofflösungen für anspruchsvollste Anwendungen zu liefern.
Am Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften wird an der additiven Fertigung von photopolymeren Materialien gearbeitet, die durch eine Wärmebehandlung nach dem Prozess in Metalle und Kohlenstoff umgewandelt werden. Die erreichbare Auflösung der Struktur reicht dabei von 100 nm bis in den cm-Bereich innerhalb eines Teils. Der Fokus liegt auf der Entwicklung von zähen, hochtemperaturstabilen und biokompatiblen Polymersystemen und der Heißlithographie, die einzigartig ist, weil sie Photopolymere bei Temperaturen von bis zu 120°C verarbeiten kann. Die hohe Temperatur ermöglicht die Verarbeitung eines breiten Spektrums von Materialien und Füllstoffen und bietet eine große Flexibilität und Leistung, die bei Raumtemperatur nicht erreicht werden kann. Unser derzeitiger Anwendungsschwerpunkt liegt auf Kohlenstoffelektroden für elektrochemische Geräte wie Brennstoffzellen und Durchflussbatterien, aber wir sind immer offen für interessante Herausforderungen in anderen Bereichen, in denen unsere Materialsysteme und Kompetenzen von Nutzen sein können. Vor kurzem haben wir begonnen, uns mit der Strukturierung und dem Sintern von Metallen und den oben erwähnten Skalen zu beschäftigen, eine Forschungsrichtung, die noch in den Kinderschuhen steckt.
Am Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung wird an der Anwendung der Zerstörungsfreien Prüfung in der Additiven Fertigung geforscht. Das Ziel besteht darin, Materialinhomogenitäten wie Risse, Poren oder Änderungen im Gefüge zu identifizieren. Hierfür steht eine Computertomografie-Anlage zur Verfügung, mit der Poren sehr genau detektiert werden können. Zusätzlich können mithilfe der Ultraschallmessung des Lehrstuhls auch Unterschiede in den Materialeigenschaften festgestellt werden. Auch in der Schallemissionsanalyse hat der Lehrstuhl sich eine Expertise aufgebaut. Diese kann verwendet werden, um schon während des Prozess Unregelmäßigkeiten zu detektieren.
Das Bioprinting von Stützstrukturen (Scaffolds) ist eine wichtige Technologie zur Erforschung der Herstellung von kultiviertem Fleisch, d. h. Fleisch, das aus tierischen Zellen gezüchtet wird und nicht aus Schlachtung von Nutztieren stammt. Biogerüste können zur Unterstützung des Wachstums und der Entwicklung der tierischen Zellen verwendet werden und ermöglichen die Produktion von kultiviertem Fleisch in einer kontrollierten Umgebung. Das Bioprinting ermöglicht die präzise Platzierung der tierischen Zellen und Biomaterialien, so dass komplexe und maßgeschneiderte Biogerüste geschaffen werden können, die die Struktur von natürlichem Fleischgewebe im kleinen Maßstab nachahmen. Weiterhin werden an der Professur für Cellular Agriculture mit dem FDM-Verfahren Perfusions-Bioreaktormodule hergestellt, die die tierischen Zellen kontinuierlich mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgen und so ein besseres Zellwachstum und eine bessere Gewebeentwicklung ermöglichen. Diese Technologie ist vielversprechend für die Zukunft der Cultivated Meat Forschung, da sie das Potenzial hat, flexible Scale-down Modelle von Perfusionsgewebreaktoren abzubilden.
Die Professur untersucht die architektonischen Implikationen der mobilen Robotik für Additive Fertigung (AM) im Bauwesen und entwickelt Methoden zu deren Umsetzung. Anhand der Materialauftragsmethode der Betonextrusion werden mobile teilbasierte AM-Strategien zur Herstellung großer Objekte untersucht, deren Größe den statischen Arbeitsbereich des Roboters übersteigt. Durch die Implementierung fortschrittlicher Sensor- und Steuerungslösungen werden autonome Lokalisierungs- und präzise Manipulationstechniken für mobiles AM erforscht. Darüber hinaus zielt diese Forschung auf die Skalierbarkeit von AM-Prozessen ab, indem der Einsatz von kooperativen Robotern zur Zusammenarbeit bei einzelnen Fertigungsaufträgen untersucht wird. Das Endziel dieser Forschung ist die Entwicklung mobiler AM-Technologie für den direkten Einsatz auf Baustellen. Ein weiteres Projekt ist die Entwicklung digitaler Planungswerkzeuge für die Erstellung standortspezifischer Fassadenumgestaltungen, die hohlraumabhängige Tierarten beherbergen können, und deren Umsetzung mit additiver Fertigung.
Die Professur für Laser-based Additive Manufacturing deckt ein breites Spektrum an Themen entlang der gesamten Prozesskette der Herstellung von Kunststoffen, Metallen und Hybridwerkstoffen mit laserbasierten additiven Fertigungsverfahren ab: Von der Materialentwicklung über neuartige Prozessstrategien bis hin zu Automatisierungslösungen und Qualitätskontrolle. Dieser ganzheitliche Ansatz stellt sicher, innovative Technologien im industriellen Umfeld umzusetzen. Die Forschungsgebiete der Professur gliedern sich in fünf Bereiche: Innovative Prozessstrategien für das laserbasierte Pulverbettschmelzen von Metallen (PBF-LB/M), Qualitätssicherung beim laserbasierten Pulverbettschmelzen von Kunststoffen (PBF-LB/P), Hybride Additive Fertigung, Laser-Material-Interaktion und Prozessüberwachung beim laserbasierten Pulverbettschmelzen von Metall (PBF-LB/M).
Das Microrobotic Bioengineering Lab (MRBL) nutzt Mikrofluidische Verfahren für die Herstellung von Mikrorobotern für die Zell Forschung. So werden Nanomaterialen, und fluoreszierende Sensoren in Hydrogele eingebaut. Damit gewährleisten wir Biokompatibilität und ermöglichen es, einzelne Zellen auf unterschiedliche Arten zu stimulieren und zu messen. Forschungsziele sind die Herstellung von unterschiedlichen Mikrorobotern, welche im Bereich der Mechanischen Biologie und Thermischen Biologie Einsatz finde.
Die Expertise des Lehrstuhls ist die Herstellung von Millionen homogener Mikroroboter durch Mikrofluidik. Je nach Aufgabenbereich, werden die Mikroroboter unterschiedlich funktionalisiert und finden Einsatz in der Stammzellenforschung, Krebsforschung und Herstellung von Gewebestrukturen.
Pilze spielen eine entscheidende Rolle als Destruenten in unserer Umwelt und leisten gleichzeitig als Symbionten einen unentbehrlichen Beitrag zum gesunden Wachstum fast aller Landpflanzen. In unserer Professur untersuchen wir biochemische und molekulargenetische Mechanismen, die Pilze bei der Erkennung, Umwandlung und dem Abbau von Holz und anderen Lignocellulosen anwenden. Außerdem isolieren und charakterisieren wir pflanzenförderliche Pilze und andere Mikroorganismen, die sich positiv z.B. auf das Pflanzenwachstum unter Trockenstress auswirken und untersuchen die Kommunikation von Pilzen und Pflanzen in der Rhizosphäre.
Parallel charakterisieren wir auch den Prozess der Besiedelung und des Durchwachsens von Holz und anderen lignocellulosischen Substraten durch Pilze auf morphologischer und biochemischer Ebene. Mit den gewonnenen Erkenntnissen entwickeln wir neue pilzbasierte Kompositwerkstoffe, die eine attraktive Alternative zu erdölbasierten Werkstoffen darstellen, da sie biologisch abbaubar und nachhaltig sind. Neben dem Einsatz als Verpackungs- oder Dämmmaterial beschäftigen wir uns auch mit der Anwendung von Pilzen in der additiven Fertigung, wie zum Beispiel dem 3D-Druck.
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