A viscosidade dos lubrificantes magnéticos é um parâmetro crucial em diversas aplicações industriais, especialmente em sistemas que envolvem movimento e tribologia. O comportamento da viscosidade desses fluidos, que depende de múltiplos fatores, tem sido amplamente estudado para entender seu desempenho em diferentes condições. Os lubrificantes magnéticos, como os baseados em nanopartículas de Fe3O4 e Ni0.5Zn0.5Fe2O4, apresentam variações significativas na viscosidade, que podem ser atribuídas à interação entre a temperatura, a concentração de partículas, o campo magnético, e outros fatores.

Vários estudos documentaram como a viscosidade dos lubrificantes magnéticos varia conforme a temperatura. Em um estudo de Sundar et al. [134], foi observada um aumento de viscosidade de 1,27 a 1,5 vezes em relação ao fluido base, quando a temperatura foi alterada de 20°C para 60°C. Da mesma forma, Wang et al. [117] investigaram um nanofluido à base de água com partículas de Fe3O4 e notaram uma diminuição de 52,94% na viscosidade à medida que a temperatura aumentava de 293K para 333K. A influência da temperatura sobre a viscosidade de outros materiais magnéticos, como Ni0.5Zn0.5Fe2O4, também foi analisada, revelando uma relação exponencial entre a viscosidade e a temperatura. No entanto, essa relação nem sempre é linear, e é importante observar que diferentes nanopartículas exibem comportamentos distintos, dependendo da faixa de temperatura estudada.

Além da temperatura, a concentração de partículas magnéticas é outro fator de grande influência sobre a viscosidade dos lubrificantes. Estudos mostram uma correlação positiva entre a concentração de volume e a viscosidade. À medida que a concentração de nanopartículas magnéticas aumenta, a formação de estruturas semelhantes a cadeias dentro do fluido base também se intensifica, resultando em um aumento na viscosidade [139]. Em particular, experimentos com Fe3O4 mostraram que, quando a concentração de volume variava de 0,5% a 5%, a viscosidade aumentava substancialmente, refletindo a maior quantidade de partículas suspensas no fluido. A análise de Lenin et al. [98] revelou uma relação quase linear entre a viscosidade relativa e a porcentagem de volume das nanopartículas magnéticas, demonstrando a importância desse parâmetro na formulação de lubrificantes magnéticos eficientes.

O efeito do campo magnético sobre a viscosidade também não pode ser subestimado. A intensidade do campo magnético tem um impacto significativo sobre a viscosidade dos lubrificantes, inicialmente promovendo um aumento na viscosidade à medida que a intensidade cresce. Esse comportamento é explicado pela formação de estruturas droplet-like ou aglomerações de partículas magnéticas dentro do fluido, que aumentam a resistência ao fluxo. No entanto, ao atingir uma intensidade de campo magnético crítica, a viscosidade estabiliza-se, uma vez que as partículas magnéticas atingem a saturação magnética [98, 141]. Por exemplo, em experimentos conduzidos por Hu et al. [131], a viscosidade de um lubrificante magnético baseado em NiFe2O4 aumentou com o campo magnético, mas se estabilizou em intensidades acima de 80 mT.

Outro fator relevante para a viscosidade é a taxa de cisalhamento, que tem mostrado um comportamento de espessamento e afinamento. Liu et al. [59] demonstraram que, para fluidos com uma concentração de partículas magnéticas abaixo de 1%, a viscosidade decresce com a taxa de cisalhamento. Contudo, quando a concentração de partículas ultrapassa 1%, a viscosidade diminui de maneira significativa, o que reflete a complexidade das interações entre as partículas magnéticas e o fluido base em diferentes condições de fluxo.

Além desses fatores, é essencial considerar o tamanho das partículas magnéticas e os dispersantes utilizados para estabilizar a suspensão. Por exemplo, o uso de dispersantes, como o ácido oleico, tem mostrado reduzir a viscosidade ao evitar a aglomeração excessiva das partículas [125]. A estabilidade da suspensão de nanopartículas e sua distribuição homogênea no fluido são cruciais para manter as propriedades desejadas de viscosidade ao longo do tempo. O tamanho das partículas também tem um impacto direto, com partículas menores, geralmente, promovendo um comportamento mais eficiente na modulação da viscosidade.

O entendimento profundo dessas variáveis é vital para otimizar o desempenho dos lubrificantes magnéticos em diversas aplicações, especialmente em sistemas que exigem alta eficiência e controle preciso das propriedades do fluido. O comportamento da viscosidade sob diferentes condições de temperatura, concentração de partículas, intensidade do campo magnético e outros fatores pode ser modelado matematicamente para prever e ajustar o desempenho desses lubrificantes de acordo com as necessidades do sistema. As equações e modelos de viscosidade, como os desenvolvidos por Ren et al. [120] e Jian et al. [121], são fundamentais para essa previsão e para o desenvolvimento de novos materiais com propriedades ajustáveis.

Além disso, é importante que o leitor compreenda que a viscosidade não é uma propriedade isolada, mas interage com diversos aspectos do comportamento do fluido, como a estabilidade das partículas, a fluidez sob diferentes condições de fluxo, e a resposta a estímulos externos, como campos magnéticos. Cada aplicação pode exigir um equilíbrio delicado entre esses fatores, o que implica na necessidade de uma abordagem multifacetada ao projetar e testar lubrificantes magnéticos para aplicações específicas.

Como o Atomizador Eletrostático Impacta o Desempenho de Usinagem e Qualidade Superficial

A transferência de calor durante o processo de usinagem é um dos aspectos mais críticos a ser gerido, especialmente quando se lida com materiais de alta temperatura, como a liga de titânio Ti-6Al-4V. A pesquisa de Jia et al. investigou diversas condições de lubrificação durante o processo de retificação deste material e observou que, sob resfriamento convencional por inundação, a temperatura máxima de usinagem foi mais baixa do que sob as condições de lubrificação mínima (MQL, do inglês Minimum Quantity Lubrication). Isso pode ser explicado pela alta viscosidade dos óleos vegetais utilizados, o que limita a eficiência da transferência de calor. Além disso, as condições de baixa pressão de ar reduziram a transferência de calor por convecção e diminuíram o volume de fluido de corte na zona de corte, resultando nas temperaturas de retificação mais altas sob MQL.

Por outro lado, a lubrificação eletrostática mínima quantidade de lubrificação (EMQL) apresenta uma inovação importante ao usar um bocal de carga que gera um vento de corona sob a influência de pressão de ar e campo elétrico. Esse mecanismo acelera a rotação do fluido e melhora a transferência de calor, interrompendo a camada limite de condutividade térmica. Isso resulta em temperaturas de retificação mais baixas e no menor fator de distribuição de fluxo térmico em comparação com outros métodos.

A aplicação de EMQL com uma voltagem de -5 kV mostrou um aumento de cerca de 77,8% na vida útil da ferramenta quando comparado ao processo de usinagem a seco e 60% em relação ao MQL convencional. Bartolomeis et al. obtiveram um aumento de 72% na vida útil da ferramenta ao usar EMQL em comparação com o MQL durante o fresamento da liga Inconel 718. O uso de EMQL também apresentou uma redução significativa no desgaste da ferramenta em outros processos, como a torção da liga AISI-304, onde a redução no desgaste foi de 100% em comparação com os resultados de atomização pneumática MQL.

A melhoria no desempenho de usinagem com EMQL também foi observada em diferentes tipos de desgaste de ferramenta. No fresamento de AISI-304, por exemplo, a redução no desgaste da face da ferramenta foi significativa em comparação com o MQL, com o desgaste abrasivo e adesivo diminuindo notavelmente com a aplicação de EMQL. Já sob as condições de corte a seco, o desgaste abrasivo se intensifica, uma vez que a ferramenta entra em contato direto com o material da peça, o que aumenta a abrasão devido ao calor gerado na área de corte. Embora o MQL forneça uma quantidade limitada de fluido de corte, o efeito de lubrificação é inferior ao da inundação, resultando em desgaste abrasivo similar ao corte a seco.

O uso de atomização eletrostática também demonstrou vantagens em termos de qualidade superficial da peça usinada. No estudo realizado por Jia et al., a rugosidade da superfície durante a retificação de uma liga de níquel GH4169 foi comparada em diferentes condições de lubrificação. A retificação a seco gerou as maiores rugosidades, devido à ausência de lubrificação e resfriamento adequados, resultando em maior atrito e desgaste da superfície da peça. O MQL, embora mais eficaz do que o corte a seco, não alcançou a mesma qualidade superficial da lubrificação por inundação. Por outro lado, o EMQL produziu a melhor qualidade superficial, com redução de cerca de 31,1% na rugosidade Ra e 37,3% na RSm, em comparação com a retificação a seco, e 17,1% e 25% em relação ao MQL, respectivamente.

Além disso, ao usar o fluido de corte baseado em água com SiO2 transportado por EMQL no fresamento de aço inoxidável AISI-304, a rugosidade da superfície foi reduzida em cerca de 47% em comparação ao MQL. Esses resultados destacam o potencial da atomização eletrostática em melhorar tanto a vida útil da ferramenta quanto a qualidade superficial da peça usinada, permitindo um controle mais preciso da temperatura de usinagem e uma distribuição mais eficiente do fluido de corte.

A análise de superfícies usinadas com EMQL revelou que, em comparação com o MQL, a utilização de uma voltagem de +4 kV resultou em uma superfície mais suave. Estudos de microscopia eletrônica de varredura (SEM) indicaram que, em superfícies usinadas com EMQL, havia uma diminuição no conteúdo de carbono e um aumento no conteúdo de ferro, sugerindo mudanças microestruturais nas zonas de corte. Isso ocorre devido à migração de lacunas carregadas negativamente para a superfície, o que acelera a difusão de átomos de carbono e diminui o conteúdo de cementita, resultando em uma microestrutura mais favorável.

Esses achados não apenas destacam a eficácia do EMQL em reduzir o desgaste da ferramenta e melhorar a qualidade superficial, mas também indicam que o controle de parâmetros como a voltagem aplicada pode influenciar significativamente as propriedades da peça usinada, como dureza e microestrutura.

Além disso, é importante entender que, enquanto a lubrificação por atomização eletrostática apresenta vantagens claras em termos de eficiência de resfriamento e redução de desgaste, ela também exige um controle mais rigoroso dos parâmetros do processo, como a voltagem e a quantidade de fluido de corte, para garantir que as melhorias no desempenho da usinagem não sejam ofuscadas por efeitos adversos como a instabilidade do fluxo de fluido ou a aderência inadequada do fluido ao material.

Mecanismos de Atomização Eletrostática e Lubrificação de Mínima Quantidade no Processo de Usinagem: Desafios e Avanços Tecnológicos

A atomização eletrostática aplicada à lubrificação de mínima quantidade (MQL) representa uma fronteira inovadora para a melhoria das condições de usinagem, combinando eficiência no resfriamento e lubrificação de superfícies. Essa técnica se destaca por sua capacidade de melhorar a qualidade da superfície usinada, reduzir o desgaste das ferramentas e, simultaneamente, promover uma abordagem mais ecológica e econômica no processo de fabricação. Embora os resultados experimentais sejam promissores, o mecanismo correspondente à interação entre os campos elétricos, partículas carregadas e o comportamento dos fluidos ainda não foi completamente explorado. Essa lacuna no entendimento abre possibilidades para novas investigações sobre como melhorar a coexistência de resfriamento e lubrificação.

O estudo dos canais capilares microscópicos, utilizando os efeitos de eletrossmose e eletro- molhamento, oferece novas perspectivas sobre o movimento das partículas carregadas e o comportamento dos gotículas durante o processo de usinagem. Tais estudos podem revelar os mecanismos essenciais para a eficácia da atomização e contribuir para o avanço da teoria sobre o fenômeno. Contudo, a ausência de um modelo teórico abrangente, que analise aspectos como a distribuição do tamanho das partículas, a morfologia das gotículas e a interação entre elas e as interfaces, ainda limita o entendimento completo desses processos. Além disso, a aplicação de campos magnéticos no fluido e sua interação com as gotículas carregadas durante o processo de usinagem também permanecem insuficientemente exploradas, o que evidencia a necessidade de mais pesquisas.

Embora os modelos preditivos de comportamento de atomização tenham sido propostos, estes se limitam a aspectos como o tamanho das partículas e não consideram fatores externos, como a influência dos campos magnéticos. O uso combinado do efeito eletrocalórico com a atomização eletrostática também não foi amplamente estudado, e a interação entre esses dois fenômenos ainda necessita de uma compreensão mais profunda. Outro aspecto que precisa ser melhor investigado é a influência de campos magnéticos em nanofluidos magnéticos, especialmente em relação ao comportamento das gotas carregadas na zona de corte. As futuras pesquisas devem se concentrar em otimizar os parâmetros de regulação entre esses campos de energia múltiplos, promovendo uma utilização mais eficiente e coordenada dessas variáveis no processo de usinagem.

No entanto, o processo de atomização eletrostática não é isento de desafios operacionais e técnicos. A utilização de campos elétricos de alta voltagem envolve questões significativas de segurança, embora, na prática, a corrente de descarga seja suficientemente baixa para garantir a segurança dos operadores. A regulação da voltagem e outros parâmetros de atomização, como pressão do ar e fluxo de lubrificante, ainda são limitados pelas tecnologias existentes, o que dificulta a adaptação a condições variáveis de trabalho. Em termos de usinagem, a coordenação entre as ferramentas de controle, como o código NC da máquina de usinagem e os sistemas MQL, ainda não está completamente integrada, o que exige uma solução mais abrangente e coordenada.

Uma possível solução para superar essas barreiras seria a criação de bancos de dados que integrem as informações de usinagem, parâmetros de lubrificação e resfriamento de maneira interativa. A utilização de uma base de dados na nuvem poderia permitir a execução de processos de usinagem mais eficientes, com uma adaptação automática a diferentes condições operacionais. No entanto, para isso, seria necessário superar as barreiras técnicas relacionadas ao controle coordenado entre a posição do bico, parâmetros de atomização, e as condições de corte, como a velocidade de corte e a profundidade de corte.

Além disso, os esquemas experimentais do futuro precisam focar em otimizar os parâmetros envolvidos na atomização. A pesquisa sobre o desempenho de diferentes meios de atomização e a influência dos bio-lubrificantes com alta viscosidade sobre o ângulo de contato das gotas pode contribuir para uma melhoria substancial do processo de resfriamento e lubrificação. A verificação experimental da coexistência de propriedades que aumentam tanto o resfriamento quanto a lubrificação também representa um avanço importante nesse campo.

No que diz respeito ao uso de biolubrificantes, sua grande vantagem é a sustentabilidade ambiental, além da competitividade em condições de usinagem de baixo parâmetro. No entanto, sua limitação em condições de alta pressão e fricção extrema impede que sejam adotados de forma mais ampla nas indústrias. O uso de nanopartículas pode solucionar essas deficiências, melhorando a estabilidade e a resistência ao desgaste, mas ainda existem questões sobre seu custo, segurança e estabilidade que restringem sua aplicação comercial. O desenvolvimento contínuo de bio-lubrificantes mais eficientes, com melhor resistência a condições severas de usinagem, e a aplicação de nanopartículas com características adequadas para essas condições pode representar uma importante inovação na indústria de usinagem.

Como a Assistência de Vibração Ultrassônica e Campos Magnéticos Influenciam a Lubrificação em Processos de Usinagem?

O avanço das tecnologias de usinagem, especialmente aquelas que envolvem vibração ultrassônica ou campos magnéticos, tem mostrado um impacto significativo no desempenho de lubrificação e no controle de temperatura, dois fatores cruciais para a eficiência e a sustentabilidade no processo de corte. Com a aplicação dessas tecnologias, é possível otimizar a infiltração de lubrificantes e reduzir a geração de calor, problemas comuns, especialmente em materiais de difícil usinagem, como ligas de titânio, aço de alta resistência e ligas à base de níquel.

A vibração ultrassônica aplicada à usinagem tem se mostrado particularmente eficaz na redução do valor Ra da superfície tratada, que atingiu um mínimo de 0,241 μm a um ângulo de 45°, 24,5% abaixo dos valores observados com vibração tangencial. Isso ocorre porque a vibração ultrassônica, ao interagir com a superfície da peça e com o fluido de corte, cria uma rede de microcanais que varia periodicamente, promovendo um efeito de bombeamento que facilita o reabastecimento de lubrificante. Esse efeito é importante, pois o fluido de corte não apenas lubrifica, mas também ajuda a dissipar o calor gerado pelo processo de usinagem.

Além disso, a vibração ultrassônica modifica a infiltração de microgotículas de fluido na superfície da peça de trabalho, alterando o ângulo de contato. A pesquisa revelou que essa alteração facilita a propagação e infiltração dessas gotículas, melhorando a eficácia do processo de lubrificação e, consequentemente, a vida útil da ferramenta.

A introdução de campos elétricos e magnéticos também tem sido uma abordagem promissora para melhorar a penetração de lubrificantes nas áreas de contato durante o processo de corte. No caso de campos elétricos, a teoria do fluxo eletroosmótico explica como o potencial eletrostático gerado pelo atrito pode induzir uma avalanche de elétrons que, por sua vez, cria um campo eletrostático auto-excitante. Este campo facilita a penetração do lubrificante nas microcanais da interface de fricção. No estudo de Xu et al., foi observado que gotas carregadas são mais eficazes na infiltração desses canais, tornando a formação de uma película de lubrificante mais provável.

Os campos magnéticos, por sua vez, têm mostrado um grande potencial na melhoria da infiltração do lubrificante em zonas de corte. O uso de fluidos magnéticos nanoenhanced em processos de usinagem de materiais como Ti–6Al–4V, quando combinados com um campo magnético, resultaram em menores forças de corte. A introdução de partículas magnéticas no estreito espaço entre a ferramenta e a peça de trabalho aprimora o efeito de resfriamento e lubrificação, o que é particularmente útil em materiais de alta dureza, como ligas de titânio.

Essas técnicas, quando combinadas, oferecem uma solução prática para superar os desafios impostos pela usinagem de materiais difíceis, ao melhorar a transferência de calor e otimizar a lubrificação. Entretanto, a aplicação de campos magnéticos em usinagem ainda exige uma compreensão mais profunda dos mecanismos envolvidos na infiltração de lubrificantes, especialmente em interfaces com características de micro e nano escamas.

Outra abordagem interessante para a melhoria da eficiência de usinagem de materiais difíceis é a usinagem assistida por criogenia, onde é utilizado um meio criogênico (como gás ou líquido nitrogenado) para resfriar a zona de corte a temperaturas extremamente baixas. A tecnologia criogênica melhora a capacidade de troca térmica, fundamental para evitar danos térmicos durante o corte de materiais como ligas de titânio. O uso combinado de lubrificantes bio-nanoenhanced com criogenia não apenas melhora a eficiência da lubrificação, mas também contribui para a longevidade das ferramentas de corte, o que é crucial quando se trabalha com materiais de alta resistência ao desgaste.

As propriedades tribológicas dessas tecnologias, quando analisadas no contexto de materiais difíceis de usinar, ajudam a reduzir a geração de calor, uma das principais fontes de desgaste das ferramentas de corte. O aumento da viscosidade dos lubrificantes a baixas temperaturas, por exemplo, permite a formação de um filme protetor nas superfícies em contato, aumentando a eficiência da lubrificação e protegendo a peça de trabalho e a ferramenta. Além disso, os efeitos da troca de calor por ebulição, que ocorre quando o fluido atinge temperaturas baixas, também ajudam a melhorar o desempenho geral da usinagem, especialmente em processos como a moagem.

A combinação de várias fontes de energia (vibração ultrassônica, campos magnéticos e criogenia) com o uso de lubrificantes aprimorados permite uma abordagem mais integrada e eficaz para enfrentar os desafios impostos pela usinagem de materiais difíceis. No entanto, para que essas tecnologias se tornem viáveis em uma escala industrial, mais estudos são necessários para aprofundar o entendimento sobre os mecanismos de infiltração de lubrificantes e como os diferentes campos de energia interagem durante o processo de corte.

Quais os Desafios e Soluções para o Uso de Óleos Vegetais como Lubrificantes?

Os óleos vegetais, amplamente utilizados na indústria como lubrificantes ecológicos, apresentam uma série de desafios que precisam ser superados para garantir sua eficácia em condições extremas. Embora ofereçam vantagens ambientais e de sustentabilidade, a tendência dos óleos vegetais de se oxidarem facilmente e seu desempenho limitado sob alta pressão exigem modificações químicas e aditivas para ampliar sua eficácia.

O principal problema do uso de óleos vegetais como lubrificantes está relacionado à sua propensão à oxidação. Este processo é iniciado quando os óleos são expostos ao calor e ao oxigênio, o que leva à decomposição da estrutura dos ácidos graxos presentes no óleo. O resultado é o aumento da quantidade de peróxidos, substâncias instáveis que, apesar de oferecerem alguma resistência à pressão extrema, não são suficientes para atender às demandas de lubrificação sob cargas elevadas. A adição de 2,5% de hidroperóxido, por exemplo, consegue reduzir o desgaste em até 40% em comparação com o óleo vegetal puro sob altas cargas (75–95 kg). No entanto, quando os óleos vegetais são submetidos a pressões extremas (126 kg), o coeficiente de fricção aumenta de 20% a 107% em comparação com os óleos minerais. Essas mudanças indicam que, embora haja melhorias, os óleos vegetais ainda não atendem completamente aos requisitos de estabilidade à oxidação e desempenho sob pressão extrema.

Em relação aos métodos de modificação dos óleos vegetais, a transesterificação se destaca como uma abordagem eficaz para melhorar suas propriedades. Óleos vegetais ricos em ácidos graxos monoinsaturados, como o óleo de canola, são particularmente adequados para a formulação de lubrificantes de alta temperatura. O processo de epoxidação, que envolve a abertura do anel da molécula de epóxido, permite a introdução de cadeias laterais por isomerização, o que melhora as propriedades antioxidantes, reduz o ponto de fluidez e aprimora a performance antidesgaste dos óleos vegetais. No entanto, à medida que o comprimento das cadeias laterais aumenta, a estabilidade à oxidação tende a diminuir, como no caso do óleo de soja epoxidado, que apresenta um ponto de oxidação inicial de 175 °C.

Outro avanço importante é a utilização de aditivos antioxidantes, que variam conforme o tipo de óleo vegetal. Por exemplo, o óleo de rícino, devido ao grupo hidroxila polar em sua estrutura, apresenta uma maior afinidade com antioxidantes. A escolha de antioxidantes de alto peso molecular e com longas cadeias alquiladas resulta em maior estabilidade térmica e uma eficácia antioxidante superior. A sinergia no vínculo molecular, com aditivos como o BMA3, tem mostrado resultados promissores, aumentando a capacidade de varredura de radicais livres a mais de 90% e reduzindo o desgaste de superfícies de contato em até 22%. A utilização de antioxidantes multifuncionais, que não apenas retardam a oxidação, mas também reduzem o atrito, é um caminho promissor para o desenvolvimento de lubrificantes de alto desempenho.

A adição de nanopartículas aos óleos vegetais representa uma das estratégias mais inovadoras para melhorar a performance sob condições de alta pressão. Em comparação com óleos puros, os lubrificantes à base de óleos vegetais e nanopartículas conseguem reduzir a força de corte, a temperatura de corte, o desgaste das ferramentas e a rugosidade da superfície em 19,2–33,8%, 21%, 20–36% e 25–30%, respectivamente. O uso de aditivos nanoparticulados não só melhora a resistência à pressão extrema, mas também oferece uma alternativa ecológica e eficaz às substâncias à base de enxofre, fósforo e cloro, que são comumente usadas para essa finalidade, mas que apresentam impactos ambientais significativos.

Apesar dos avanços no uso de óleos vegetais como lubrificantes, ainda existem muitos desafios a serem superados. A combinação de diferentes óleos vegetais, com propriedades físicas e químicas distintas, oferece um potencial significativo para melhorar tanto a estabilidade à oxidação quanto a performance sob alta pressão. No entanto, o ideal ainda não foi alcançado, uma vez que o equilíbrio perfeito entre as propriedades de diferentes óleos não foi totalmente determinado. A modificação dos óleos vegetais e a adição de antioxidantes, como discutido anteriormente, têm mostrado ser estratégias eficazes para melhorar a estabilidade à oxidação, mas sua combinação ainda não é completamente otimizada.

Além disso, o uso de nanofluídos, que podem potencialmente melhorar as propriedades de lubrificação e resfriamento dos óleos vegetais, ainda precisa de mais estudos. As propriedades físico-químicas dos nanofluídos e suas interações com os parâmetros do processo sob diferentes condições de trabalho ainda não são completamente compreendidas. Isso exige uma abordagem mais sistemática para entender a relação entre os nanofluídos e os óleos vegetais, especialmente no contexto de fabricação de precisão e operações industriais de alta performance.

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