Types de technologies d’impression 3D (Guide du débutant)

Types de technologies d’impression 3D (Guide du débutant)

Dans cet article, vous allez découvrir les types courants de technologies d’impression 3D. Si vous êtes débutant, vous aurez une bonne compréhension de ce qu’est l’impression 3D et de son fonctionnement à la fin de cet article.

Cet article n’a pas la prétention d’être scientifique. Il s’agit plutôt d’une petite introduction à l’impression 3D pour les débutants.

Qu’est-ce que l’impression 3D ?

Au début des années 1980, de nouvelles méthodes utilisées dans la production de pièces ont commencé à se développer. Ces méthodes n’étaient pas basées sur l’enlèvement de matière, comme c’est le cas avec les technologies d’usinage traditionnelles, mais sur l’ajout de matériaux couche par couche.

Les produits étaient fabriqués sur la base de modèles 3D obtenus à partir de logiciels de CAO, en ajoutant des matériaux sous forme de plastique, de céramique, de poudres métalliques et autres. Ces matériaux étaient liés par des méthodes thermiques, de diffusion ou de collage.

Qu’est-ce que cela signifie en pratique ? Cela signifie simplement qu’il est devenu possible de créer des objets physiques d’une manière totalement nouvelle.

La première personne à avoir breveté cette technologie est Chuck Hull, en 1984. Hull a également créé 3D Systems en 1986, qui est toujours l’un des leaders du secteur.

La première imprimante 3D commerciale, la 3D Systems SLA-1, a été lancée en 1987.

Nous ne nous étendrons pas sur l’histoire de l’impression 3D, car nous avons déjà abordé ce sujet auparavant. Mais si vous êtes intéressé par un résumé rapide, regardez la vidéo ci-dessous :

Types de technologies d’impression 3D

Après cette introduction, nous en arrivons à la première technologie d’impression 3D, et peut-être la plus prometteuse, à savoir l’impression sur résine photopolymère. Au départ, cette technologie était appelée SLA. Toutefois, au fil du temps, ce nom s’est avéré ne pas être tout à fait correct.

Impression photopolymère

L’impression 3D photopolymère consiste à durcir une résine photopolymère liquide sous l’effet de la lumière pour former un modèle 3D. À l’origine, un laser servait de source de lumière et la technologie était appelée SLA ou stéréolithographie.

Malgré son apparente simplicité, 3D Systems a mis plus de 10 ans pour commercialiser le premier produit commercial à part entière. Il a fallu pour cela modifier d’autres produits technologiques, comme les lasers à solide, qui utilisent une substance solide comme milieu actif.

Sans entrer dans la jungle technologique, nous pouvons dire qu’il a fallu environ 25 ans de développement progressif de cette technologie jusqu’en 2013-2014. À cette époque, les imprimantes 3D SLA coûtaient des centaines de milliers de dollars et n’étaient disponibles que pour les grandes entreprises. Leur utilisation était également très limitée en raison de leur coût élevé ainsi que des matériaux onéreux.

En 2011, une startup appelée FormLabs a réimaginé les idées de Chuck Hull et a développé la première imprimante 3D SLA de bureau. L’imprimante a été dévoilée sur le marché au prix de 3 000 dollars. Cette imprimante à bas prix a permis à de nombreux consommateurs de se lancer dans l’impression 3D.

Au fil des ans, FormLabs a livré des dizaines de milliers de ses imprimantes sur le marché. L’entreprise est devenue la première licorne de l’impression 3D, avec une capitalisation boursière de plus d’un milliard de dollars. Cette histoire marque l’un des deux tournants de la percée réalisée ces dernières années dans les technologies d’impression 3D.

Cependant, d’autres entreprises faisaient également de la recherche et du développement. Certaines entreprises ont réalisé que l’utilisation d’un laser comme source de lumière pour éclairer une résine photopolymère n’était pas la seule solution. Elles ont proposé une autre façon de former un modèle. Cette méthode a été baptisée DLP (Digital Light Processing).

Sans entrer dans les détails techniques, les avantages de cette technologie résident dans une productivité accrue due à l’illumination de toute la couche en une seule fois. Ceci contrairement au laser qui doit physiquement illuminer l’ensemble du modèle, ce qui implique que le modèle doit être constamment déplacé.

Il est facile d’expliquer cette technologie d’impression 3D à l’aide d’un exemple simple.

Disons que vous voulez imprimer une bague. Cette tâche prendra à peu près le même temps sur les imprimantes 3D SLA et DLP. Cependant, si vous devez imprimer 10 anneaux en même temps, la technologie DLP aura un avantage car vous pourrez imprimer tous les anneaux en même temps. D’autre part, une imprimante SLA passera un certain temps à imprimer chaque anneau un par un, bien que leur qualité soit bien supérieure.

Comparons quelques chiffres.

L’imprimante SLA Form2 mettra 11 heures 22 minutes pour imprimer 55 modèles d’anneaux. Cela signifie que chaque anneau est imprimé en 12,4 minutes.

L’imprimante 3D Uniz Slash Plus, qui repose sur la technologie DLP, ne met que 3 heures 51 minutes pour imprimer 60 anneaux. Cela signifie que chaque anneau est imprimé en seulement 3,8 minutes.

La technologie DLP a commencé à gagner en popularité et à concurrencer l’imprimante 3D SLA traditionnelle. Toutefois, avant qu’elle ne devienne la norme, une nouvelle révolution s’est produite : les imprimantes 3D LCD ont fait leur apparition.

La technologie d’impression 3D LCD rend l’impression de modèles 3D encore plus simple. Avec cette technologie, une puissante lampe LED, renforcée par un système de lentilles, éclaire une matrice LCD. La matrice projette ensuite l’image souhaitée sur un bain de résine, où le modèle 3D est formé.

Lorsque cette technologie a été perfectionnée en 2016, le prix des imprimantes 3D a été divisé par 10 par rapport à l’imprimante FormLabs Form 2 qui a fait un tabac à l’époque. Le prix des imprimantes 3D LCD économiques commençait à environ 300 dollars. Cette réduction spectaculaire des coûts a considérablement élargi l’éventail des acheteurs et a donné aux utilisateurs à domicile et aux petits studios d’impression la possibilité d’essayer cette technologie pour leurs besoins.

Quels sont les avantages de la technologie d’impression 3D LCD par rapport aux autres, hormis le prix ?

Les LCD, comme les imprimantes DLP, éclairent la couche immédiatement. Cela leur confère un avantage en termes de performances. Cependant, au départ, la qualité des modèles produits par les imprimantes 3D LCD n’était pas très bonne. Mais en 2019, des imprimantes 3D dotées d’une matrice LCD 2K ont été introduites. Elles ont été suivies plus tard par celles dotées d’une matrice 4K. Les imprimantes 3D LCD 2K et 4K ont résolu le problème de la mauvaise qualité des impressions.

Aujourd’hui, les imprimantes LCD surpassent à la fois la DLP et la SLA en termes de vitesse d’impression et d’épaisseur minimale des couches.

Quelques bons exemples d’imprimantes avec une résolution 2K comprennent : Elegoo Mars , Anycubic Photon S , Wanhao GR1 , Phrozen Shuffle Lite , Phrozen Shuffle 2019 , Phrozen Shuffle XL 2019 , Phrozen Sonic , avec une résolution 4K – Phrozen Shuffle 4K , et Phrozen Transform .

L’introduction de matrices 8K, ainsi que l’utilisation de matrices monochromes spéciales qui augmentent la vitesse d’impression, ont rendu cette technologie dominante sur le marché des imprimantes 3D. Un bon exemple d’imprimante 3D LCD avec matrice 8K est la Phrozen Sonic Mega 8K.

 

LES TECHNOLOGIES D’IMPRESSION 3D EN PHOTOPOLYMÈRE :

Voilà les différences entre ces technologies d’impression 3D.

Dans cette section, nous allons voir pourquoi l’impression 3D SLA/DLP/LCD est populaire. Avant de commencer, nous devons diviser les imprimantes 3D en imprimantes industrielles et imprimantes de bureau.

Imprimantes 3D industrielles

Les imprimantes 3D industrielles sont principalement utilisées pour le prototypage à grande échelle ainsi que pour la production en petites séries et le moulage de moules. Avec une productivité assez élevée et des produits finis de bonne qualité, ces unités sont utilisées dans les industries automobile et aérospatiale.

Les imprimantes sont également utilisées pour l’impression d’objets massifs, comme cet os de mammouth imprimé par Materialize en coopération avec l’Institut royal des sciences naturelles de Belgique à Bruxelles.

Imprimantes 3D de bureau

Les imprimantes SLA/DLP/LCD de bureau sont devenues très répandues et sont principalement utilisées dans la dentisterie, la fabrication de bijoux, l’industrie maritime et la modélisation d’avions. Ces imprimantes sont également utilisées pour la fabrication de cadeaux et de souvenirs uniques. Vous pouvez en savoir plus sur leurs applications dans les guides ci-dessous :

Le niveau de détail élevé et la qualité des surfaces de finition font de cette technologie d’impression 3D un excellent moyen de résoudre de nombreux problèmes qui devaient auparavant être résolus par des moyens beaucoup plus longs et coûteux.

Impression de photopolymères sur une imprimante 3D en dentisterie.
Impression 3D photopolymère en bijouterie. À droite, un modèle maître de bracelet imprimé en 3D.
Impression photopolymère pour le prototypage
Création de souvenirs par impression 3D photopolymère

Technologie d’impression 3D FDM

Le deuxième père de l’impression 3D est S. Scott Crump. En 1988, Crump a breveté la technologie FDM (Fused Deposition Modeling). En 1989, avec sa femme, il a créé Stratasys, qui est toujours l’une des principales entreprises du secteur.

L’abréviation FFF (Fused Filament Fabrication) est également souvent utilisée pour désigner cette technologie. Cependant, ne vous laissez pas induire en erreur. L’essence des technologies est la même, mais les noms sont différents afin d’éviter les conflits de brevets.

Alors, qu’est-ce qui a été réellement inventé ?

L’idée était que le filament est introduit dans une extrudeuse, où il fond à haute température et forme un modèle en couches à travers une petite buse.

Sur la base de cette invention, Stratasys a commencé à produire des imprimantes 3D industrielles. Ces imprimantes étaient principalement utilisées de la même manière que les premières machines SLA. Elles étaient principalement utilisées dans les secteurs de l’automobile et de l’aérospatiale pour l’apparition de divers types de plastiques durables, tels que le polycarbonate (PC), le polyéther éther cétone (PEEK), le polyétherimide (PEI, Ultem) et le polyphénylsulfone (PPSF/PPSU). Les imprimantes étaient principalement utilisées pour le prototypage fonctionnel.

La technologie ne s’est généralisée que plus de 20 ans plus tard, avec l’apparition du projet RepRap (Replicating Rapid Prototyper). RepRap est un mécanisme d’auto-réplication pour le prototypage rapide.

L’idée originale de RepRap était de créer une imprimante 3D qui pouvait être imprimée par une autre imprimante 3D. Sur la photo ci-dessus, toutes les pièces en plastique de l’imprimante “enfant” sont imprimées sur l’imprimante “parent”.

Eh bien, quelque chose de complètement différent s’est produit. Un groupe de passionnés a réussi à créer une imprimante 3D économique pour la maison ou le bureau en utilisant la technologie RepRap. L’idée a rapidement été reprise par trois geeks new-yorkais qui ont créé MakerBot et commercialisé des imprimantes 3D FDM de bureau.

C’est le deuxième tournant de l’histoire moderne de l’impression 3D.

Le coût des imprimantes 3D Makerbot FDM était d’environ 1000 $. Ce prix était tout à fait abordable pour de nombreux amateurs d’impression 3D et technologues passionnés par l’idée d’imprimer en 3D des ingénieurs et des étudiants.

En 2013, MakerBot a été rachetée par Stratasys pour un montant record de 400 millions de dollars. Le résultat de tout cela a été que le monde a reçu une technologie très intéressante pour créer des objets physiques.

L’un des grands avantages de la technologie FDM est son faible coût et le grand choix de matériaux d’impression qu’elle permet d’utiliser. Ces matériaux ont commencé à apparaître en grande quantité après la diffusion de l’impression 3D. Les imprimantes FDM se sont principalement répandues parmi les utilisateurs privés, qui ont commencé à faire de nombreuses expériences d’impression à domicile. Pour plus de détails, voir l’article L’impression 3D comme passe-temps.

En outre, l’impression FDM a trouvé sa principale application professionnelle dans le prototypage. Une fois imprimée en 3D dans ce processus, elle ne sera plus jamais la même.

Le prototypage est devenu nettement moins cher et plus rapide. Cela a permis aux ingénieurs d’essayer de nombreuses idées pour créer des produits détaillés et de haute qualité. Pour en savoir plus, consultez notre article sur l’impression 3D et le prototypage.

Il existe également des tentatives actives d’introduire l’impression 3D FDM dans la production à petite échelle. Cette tentative a été observée lors de l’épidémie COVID-19, lorsque les médecins ont eu besoin de produire d’urgence des pièces de rechange pour les ventilateurs, ainsi que des supports de masque pour les médecins qui sont obligés de les porter pendant des journées entières.

L’impression 3D FDM a pu démontrer pleinement ses principaux avantages par rapport à la production classique. Ses avantages étaient la modélisation rapide d’une nouvelle pièce et son lancement en série dans les plus brefs délais, généralement en moins d’une journée.

Un autre avantage majeur de l’impression FDM est la grande variété de matériaux disponibles pour l’impression. Ces matériaux vont du PLA biodégradable au PEEK qui peut être stérilisé à haute température et sous pression.

Dans un avenir proche, nous prévoyons la généralisation des “fermes d’impression 3D”, qui seront en mesure de mettre en œuvre le concept de “production flexible”. Dans le cadre de la production flexible, une ferme peut produire n’importe quel produit disponible, sans se spécialiser dans la fabrication de produits spécifiques, comme c’est le cas dans la production classique. Aujourd’hui, vous pourriez imprimer des pièces détachées pour de vieux modèles de wagons de chemin de fer, et demain, des supports de masques médicaux ou des coupes souvenirs pour les gagnants de concours.

En attendant, continuons notre histoire sur les différents types d’impression 3D qui sont apparus avec le développement des deux technologies principales, à savoir SLA/DLP/LCD et FDM.

De nombreux ingénieurs et entrepreneurs de différents pays ont réalisé qu’ils pouvaient commencer à utiliser les principes de l’impression 3D en utilisant différents matériaux et méthodes de formation de modèles. Et c’est ce qu’ils ont fait.

Autres types de technologies d’impression 3D

Voici quelques-unes des autres technologies d’impression 3D qui ont vu le jour.

Fusion sélective par laser

La fusion sélective par laser est également appelée DMLM et LPBF. Le principe de l’impression 3D ici est que sous l’influence d’un laser puissant, la poudre métallique fond et forme un modèle 3D. Cela permet de créer des modèles aux formes complexes et très résistants.

Cette technologie a été appliquée dans l’aérospatiale et la médecine. Une fusée n’est pas un produit de masse et certains éléments sont beaucoup plus pratiques et rentables à imprimer en 3D qu’à fraiser ou à couler.

La photo ci-dessus montre le plus grand moteur de fusée imprimé au monde. Il a été imprimé sur une imprimante SLM 800 de SLM Solutions pour la société aérospatiale britannique Orbex. Le moteur est fabriqué sous la forme d’un produit entièrement métallique en alliage de nickel. L’impression 3D SLM 3DSLM a permis de réduire les délais de 90% et les coûts de 50% par rapport aux machines CNC.

En médecine, l’impression 3D métallique a commencé à être utilisée pour créer des implants individuels en titane fabriqués directement pour un patient spécifique. Cela augmente considérablement les chances de guérison.

EBM (fusion par faisceau électronique)

L’EBM (Electron Beam Melting) est une technologie similaire à la SLS/DMLS. Toutefois, avec cette technologie, l’objet est formé en faisant fondre une poudre métallique à l’aide d’un faisceau d’électrons sous vide.

SLS (frittage sélectif par laser)

Le frittage sélectif par laser est une autre technologie intéressante. Le processus de formation du modèle est le même que dans le SLM. Toutefois, au lieu d’une poudre métallique, on utilise une poudre de polyamide ou de nylon. Cela permet de former des produits très solides, résistants à l’usure et de formes complexes. Les modèles peuvent être principalement utilisés comme prototypes fonctionnels de futurs produits en métal ou en plastique durable.

Collecteur de moteur imprimé SLS
Meubles imprimés sur une imprimante SLS

MJF (Multi Jet Fusion)

MJF (Multi Jet Fusion) est une technologie originale développée par HP qui reprend essentiellement le principe du SLS, mais n’utilise pas de laser. Cela donne un avantage certain dans les performances de l’imprimante par rapport à la technologie laser, car elle cuit la couche immédiatement, comme cela se passe avec les imprimantes 3D LCD.

En tant que l’un des géants mondiaux de la technologie, HP a rapidement fait irruption sur le petit marché de l’impression 3D et a rapidement pris une grande part dans le segment industriel des équipements. Malheureusement, en 2020, HP n’a pas commencé à expédier ses imprimantes 3D dans le monde entier.

Bloc d’instruments chirurgicaux et de cylindres imprimés par MJF

PolyJet

Le PolyJet est une technologie similaire à l’impression à jet d’encre classique. Avec cette technologie, un polymère liquide est projeté par de nombreuses petites buses sur la surface du lit d’impression. Il est ensuite durci à l’aide de lumière ultraviolette. U

vec cette technologie, vous pouvez créer des maquettes et des prototypes en couleur de haute qualité, avec un niveau de détail maximal et une qualité de finition comparable à celle des échantillons de production commerciale. Malheureusement, le coût élevé des équipements et des matériaux ne permet pas une introduction plus large de cette technologie.

MJM (Multi Jet Modeling)

MJM (Multi Jet Modeling) est une technologie de modélisation à jets multiples similaire à PolyJet. Toutefois, la cire peut également faire office de matériau ici. Cette technologie a été développée par 3D Systems et porte donc un nom différent pour la protection du brevet.

L’impression à la cire est largement utilisée en bijouterie pour la fabrication de modèles individuels sur commande et la création de modèles maîtres. Il existe également des imprimantes spécialisées de SolidScape qui impriment avec de la cire à deux composants et font ensuite fondre le matériau de support dans de l’eau chaude.

CJP (impression à jet d’encre)

La CJP (Color Jet Printing) est une technologie qui permet de coller et de colorer, couche par couche, une poudre à base de gypse ou de plastique. Grâce à cette technologie, il est possible de créer des produits en couleur.

Cette technologie est le plus souvent utilisée pour l’impression de maquettes d’architecture et de figurines de personnes. Le coût d’impression dans ce cas est inférieur à celui de la technologie PolyJet, ce qui donne plus de possibilités pour son utilisation plus large.

LOM (fabrication d’objets stratifiés)

La LOM (Laminated object manufacturing) est une technologie similaire à la CJP. Cependant, ici, les matériaux de construction sont du papier. Chaque feuille de papier est collée à la précédente, peinte avec une imprimante à jet d’encre et perforée. On obtient ainsi un modèle 3D en couleur.

Cette technologie est également bien adaptée aux modèles architecturaux et décoratifs.

Une autre technologie offrant de grandes perspectives est la technologie combinée de l’impression 3D et des métaux. Cette technologie combine 3 étapes de création d’un modèle :

  • Impression sur une imprimante FDM avec un filament composite spécial, où le métal et le polymère sont mélangés dans certaines proportions.
  • Le polymère fond
  • Cuisson d’un modèle métallique

Sur la base de cette technologie, les sociétés américaines DeskTop Metal et MarkForged ont déjà créé leurs modèles d’imprimantes 3D commerciales et ont commencé à les vendre en Amérique et en Europe. Toutefois, jusqu’à présent, la technologie est très rudimentaire et ne garantit pas des produits finis de bonne qualité. Néanmoins, son énorme avantage est le prix nettement inférieur des imprimantes et des produits finis.

Nous n’avons pas encore testé ces systèmes. Nous attendons l’occasion d’évaluer indépendamment leur qualité et leur efficacité.

Studio System + by Desktop Metal

Comment cela fonctionne :

L’impression 3D de céramique est également une tendance prometteuse dans diverses industries. Il existe un certain nombre d’entreprises qui produisent des équipements pour l’impression de modèles en céramique. Différents fabricants utilisent pour cela la DLP et la SLA, ainsi qu’une technologie de modélisation multi-jet légèrement adaptée, le Ceramic binder jetting (CBJ).

Cette technologie est utilisée en dentisterie, en bijouterie, ainsi que pour créer des prototypes de haute qualité avec les propriétés fonctionnelles nécessaires. De même, sur la base des imprimantes FDM, ils créent des imprimantes qui impriment avec de l’argile pour créer des produits en céramique d’une nouvelle manière. Par exemple, l’entreprise italienne WASP propose depuis plusieurs années de tels systèmes sur la base de ses imprimantes delta qui impriment avec du filament.

Les imprimantes 3D de construction utilisent également le même principe de construction que les imprimantes FDM. Cependant, au lieu du filament fondu, ces imprimantes utilisent du béton liquide. Ces imprimantes peuvent construire les murs d’une maison de 100 mètres carrés en 3 jours environ. C’est beaucoup plus rapide que les méthodes de construction standard. En outre, les imprimantes peuvent fabriquer des objets de formes complexes.

Bien sûr, cette orientation est prometteuse. Cependant, jusqu’à présent, les imprimantes 3D de construction n’ont pas été utilisées à grande échelle. Mais en Chine, les imprimantes ont été utilisées dans la construction rapide de blocs autonomes pour l’auto-isolement de patients atteints de coronavirus léger qui n’ont pas eu de place dans les hôpitaux, mais qui se trouvaient chez eux.

Un fait intéressant est que le projet de logement le plus prometteur sur Mars est également reconnu comme une méthode d’impression 3D.

Maison imprimée par la société Irkutsk à Dubaï en 3 jours
Boîtes pour les patients atteints de coronavirus en Chine. 15 pièces ont été fabriquées en 1 jour.

L’impression 3D alimentaire est une autre façon d’utiliser la technologie FDM. Cependant, ici, ce sont des matières premières comestibles qui font office de matériau. Les imprimantes 3D alimentaires les plus populaires sont celles qui impriment avec du chocolat. Le chocolat est tempéré, entre dans l’extrudeuse et forme un modèle 3D en couches à travers la buse.

Contrairement au plastique, le chocolat est un matériau très délicat qui n’est pas facile à imprimer. Cependant, il permet de créer rapidement des chefs-d’œuvre culinaires personnalisés ou des desserts aux formes inhabituelles. Outre le chocolat, il est possible d’imprimer avec de la purée de pommes de terre, de la pâte ou de la confiture.

Cette technologie en est encore à un stade précoce de développement. Dans un avenir proche, nous verrons peut-être des équipements plus avancés qui pourront être utilisés à grande échelle. L’une des meilleures imprimantes 3D pour imprimer du chocolat est Choc Creator .

Enfin, le dernier type d’impression 3D, qui est loin d’être le plus important et sur lequel on fonde de très grands espoirs pour l’avenir, est la bio-impression 3D.

Il s’agit essentiellement d’une impression couche par couche, où des cellules vivantes servent de matériau. Il s’agit d’un type d’impression 3D relativement nouveau. Les premières expériences ont été menées en 2000 par le bioingénieur Thomas Boland, qui a modifié des imprimantes de bureau classiques pour imprimer des fragments d’ADN.

Au cours des 20 dernières années, l’industrie a fait de grands progrès. Aujourd’hui, outre les prototypes d’organes humains, on imprime avec succès des implants, des tubes vasculaires, des valves cardiaques, des oreillettes, du cartilage, du tissu osseux et de la peau en vue d’une transplantation ultérieure.

Cette impression 3D est utilisée avec succès pour créer des “simulateurs” pour les médecins, sur lesquels ils peuvent répéter des opérations, ou pour les étudiants, qui peuvent s’exercer en direct. Bien entendu, l’un des principaux objectifs de la bio-impression est l’impression d’organes internes en état de fonctionnement en vue d’une transplantation à partir du biomatériau du patient.

Pour l’instant, cette orientation en est au stade du développement et des essais et n’est pas pleinement utilisée pour le traitement des patients. Cependant, un grand nombre d’expériences réussies ont déjà été réalisées. Par exemple, le sceau du cœur réalisé par des scientifiques israéliens en 2019 est encore de taille très minuscule, mais l’essentiel est qu’il soit capable de remplir ses fonctions.

La bio-impression est également très prometteuse pour les tests expérimentaux de produits pharmaceutiques fabriqués par des sociétés pharmaceutiques.

Bien sûr, je n’ai pas pu parler de toutes les technologies d’impression 3D dans cet article. Mais après l’avoir lu, même sans être un expert technique, vous pourrez vous faire une première idée de l’impression 3D, de ses différentes technologies et de ses méthodes d’application.

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