商鑫龍
摘要:3D打印技術(shù)起源于美國(guó),其隨著計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)升級(jí)、信息產(chǎn)業(yè)革命的推進(jìn)以及新材料的廣泛應(yīng)用,而獲得突飛猛進(jìn)的成長(zhǎng)并逐漸走進(jìn)公眾視野。現(xiàn)在3D打印技術(shù)已經(jīng)成為零部件制造和現(xiàn)代模型模具制造等領(lǐng)域的龍頭技術(shù),其基于計(jì)算機(jī)疊層技術(shù)和材料累加技術(shù)實(shí)現(xiàn)制作對(duì)象的快速成形,具備不受模型復(fù)雜程度影響和數(shù)字化控制的優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞:傳統(tǒng)文物復(fù)制、修復(fù);3D打印技術(shù);新材料的結(jié)合應(yīng)用
引言:在信息技術(shù)高度發(fā)達(dá)的當(dāng)下,3D打印技術(shù)已在多個(gè)不同的領(lǐng)域展現(xiàn)了其所具備的高效與便捷性,并且由于3D打印技術(shù)帶有的非接觸性掃描的工作性能,使其適應(yīng)了文物保護(hù)修復(fù)任務(wù)的精確性與細(xì)致性。文物作為古人智慧的結(jié)晶,存在時(shí)間久遠(yuǎn),材質(zhì)易受損害,導(dǎo)致修復(fù)保護(hù)工作停滯不前。3D打印技術(shù)通過“個(gè)性化定制”和“無實(shí)物接觸”的方式在修復(fù)文物的同時(shí)避免了二次損害。
●? ?3D打印技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)
(一)3D打印技術(shù)進(jìn)行文物修復(fù)的工作原理
3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)90年代的美國(guó),本質(zhì)上是綜合運(yùn)用了光固化和紙層疊等技術(shù)完成模擬對(duì)象的快速成形。后期隨著信息技術(shù)革命的開展,計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)不斷完善,3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相融合實(shí)現(xiàn)了從圖像到三維立體模型的構(gòu)建。3D打印技術(shù)中所運(yùn)用的材料不同于傳統(tǒng)的打印機(jī),其主要包括工程塑料、樹脂材料和石膏粉末等物質(zhì),統(tǒng)稱為新材料。3D打印機(jī)是由控制、機(jī)械組件、打印頭、新材料和介質(zhì)等組成的。在打印機(jī)與電腦連接后,通過在電腦控制端掃描輸入模型圖紙,再將新材料層層疊加最終形成模型的復(fù)制。在電腦前端設(shè)計(jì)三維立體圖形再分層打印輸出的工作模式,有助于保證復(fù)制工作的精確性。在文物復(fù)制工作中,工作人員先采用三維掃描儀對(duì)文物表面進(jìn)行掃描以得到準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù),同時(shí)三維掃描儀所使用的是與自然光強(qiáng)度相似對(duì)文物表面色彩影響小的白光掃描儀。在數(shù)據(jù)測(cè)量完畢后,結(jié)果會(huì)自動(dòng)上傳到電腦端的矢量建模軟件中。工作人員事先在軟件中編寫好計(jì)算公式,當(dāng)數(shù)據(jù)上傳成功后,計(jì)算機(jī)將進(jìn)行分析計(jì)算把所需的數(shù)據(jù)等比例進(jìn)行放大或縮小,方便滿足使用需求進(jìn)行3D打印。最后由于其所使用的材料的特殊性導(dǎo)致不同技術(shù)和材料具備各自不同的建模速度、模型強(qiáng)度、外觀分辨率以及細(xì)節(jié)的精細(xì)程度,并相差甚遠(yuǎn)。所以工作人員要依據(jù)實(shí)際需要對(duì)其進(jìn)行選擇,完成從數(shù)據(jù)藍(lán)圖到立體模型的轉(zhuǎn)變。
(二)3D打印技術(shù)的特點(diǎn)
第一點(diǎn),3D打印技術(shù)具有個(gè)性化定制的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)打印機(jī)最主要的不同之處在于,3D打印機(jī)所使用的材料具有特殊性,包括工程塑料、樹脂等工業(yè)原料,所以其能夠滿足立體建模的需要。在利用3D打印機(jī)進(jìn)行文物的修復(fù)與復(fù)制工作時(shí),要先對(duì)破損文物開展全面的掃描,將涉及到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如文物材質(zhì)、長(zhǎng)寬高等精準(zhǔn)測(cè)量并錄入到與打印機(jī)相連的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中。針對(duì)文物相關(guān)信息的復(fù)雜程度的不同,工作人員掃描所用的時(shí)間也有所不同。通常情況下,高度為20厘米的陶瓷罐大致需要10分鐘。計(jì)算機(jī)中的建模系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理,同樣依據(jù)工作人員對(duì)結(jié)果精確性需求的不同,處理時(shí)間也有差異,一般情況下數(shù)據(jù)精確度在0.3毫米需要10到20分鐘。由此得出的三維數(shù)據(jù)是矢量的,即建模的大小可以進(jìn)行等比例的縮放。CAD建模對(duì)打印機(jī)要求比較低可以兼容多種類型,如常見的光敏樹脂也稱液化打印、粉末化打印和絲化打印。液化打印是將液體材料利用激光進(jìn)行固化,特點(diǎn)是精確度高、堅(jiān)固性強(qiáng),可以進(jìn)行打磨拋光。后者則是通過數(shù)字化的圖形信息不斷增加材料而建模,其特點(diǎn)是增材制造可塑性強(qiáng)、成本較低,但也存在著建模的牢固性和精確性不足的問題。據(jù)上述所列,工作人員在實(shí)際應(yīng)用中從使用材料、成本、大小、建模的復(fù)雜性、精確度和牢固性等幾個(gè)角度考量完成個(gè)性化定制。
第二點(diǎn),3D打印技術(shù)在開展文物的復(fù)制與修復(fù)工作時(shí)主要采用無實(shí)物接觸掃描的方式。文物作為前人智慧的結(jié)晶,承載著大量的歷史人文信息,對(duì)于考古工作的推進(jìn)有深遠(yuǎn)影響。由于文物本身所具有的寶貴的文化價(jià)值以及歷史久遠(yuǎn)所導(dǎo)致的材料的脆弱性,對(duì)在保護(hù)文物的前提下收集相關(guān)三維數(shù)據(jù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的打印機(jī)進(jìn)行文件掃描時(shí),需要將文件放置于打印機(jī)制定的掃描屏幕上,而3D打印機(jī)已經(jīng)配備了可移動(dòng)的掃描儀并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的立體掃描,即利用3D打印技術(shù)掃描時(shí)其激光可以穿過物體本身構(gòu)建立體數(shù)據(jù)庫,同時(shí)無需與實(shí)物相接觸,避免了為進(jìn)行掃描而移動(dòng)文物所造成的二次損壞。除此之外,3D打印技術(shù)主要是采用白光掃描儀。因?yàn)槲奈镄迯?fù)工作的特殊性導(dǎo)致其只能在室內(nèi)進(jìn)行,受室內(nèi)光線等因素的影響,傳統(tǒng)打印機(jī)在掃描后會(huì)出現(xiàn)文物顏色失真嚴(yán)重現(xiàn)象頻發(fā)。白光掃描儀的光譜與自然光相似,所以利用白光掃描得到的結(jié)果與原物最為相近,精確度更高。同時(shí)傳統(tǒng)打印機(jī)的掃描光譜以藍(lán)光為主,其帶有一定的輻射性。在對(duì)如古代書籍、字畫等紙質(zhì)文物進(jìn)行復(fù)制和修復(fù)工作時(shí),極易導(dǎo)致文物因受到過度輻射而造成二次受損。3D打印技術(shù)使用白色光譜因與自然光的亮度和輻射強(qiáng)度相似,所以對(duì)紙質(zhì)文物的二次損害風(fēng)險(xiǎn)最小。綜上,3D打印技術(shù)因具有無實(shí)物接觸的特性使其能夠兼顧文物的修復(fù)與保護(hù)。
第三點(diǎn),3D打印技術(shù)基于逆向工程進(jìn)行CAD建模。與傳統(tǒng)的打印技術(shù)相比,其先進(jìn)性和高效性主要體現(xiàn)在把所需的加工材料直接堆積逐層累加而快速地得到目標(biāo)物,所以節(jié)省了大量的中間步驟,實(shí)現(xiàn)制作工期的縮短和能源損耗降低的目的。在開展文物復(fù)制與修復(fù)工作時(shí),由于具體情況下的需求不同,采用逆向工程即根據(jù)實(shí)物獲得數(shù)據(jù)模型進(jìn)行反求的過程。包括兩大步驟:信息采集以及模型建立。為保護(hù)所要掃描的文物,信息的采集工作依靠力、光、電、磁等物理手段推進(jìn)。其中物體幾何信息的收集主要是通過力和光的接觸,來構(gòu)建空間坐標(biāo)系,然后將獲得的文物的相關(guān)信息標(biāo)注在坐標(biāo)系中,形成由幾何信息構(gòu)建的實(shí)體模型。使用最為廣泛的建模軟件是CAD建模軟件對(duì)于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的物體可以直接建立模型。逆向工程的主要步驟包括以下幾點(diǎn),以器的復(fù)制為例。首先,在初步掃描完成后利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)的分析和器的底稿上傳工作。通過對(duì)幾何物體的分析得知該瓷器為軸對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),所以為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)收集工作只需要對(duì)其的側(cè)面曲線、高度、厚度建立模型即可。接下來利用CAD軟件中的“SKETCH”功能查看上傳的底稿,即瓷器的前視圖片。同時(shí)輸入之前得到的數(shù)據(jù),如瓷器的高度、厚度等,調(diào)整坐標(biāo)系至前視圖,修改設(shè)置為“含材料顏色”。把文物移動(dòng)到坐標(biāo)系的對(duì)稱軸上,完成模型樹Printing 1的構(gòu)建。之后,建立幾何模型。根據(jù)上傳的底稿可以通過曲線擬合獲得瓷器的輪廓,雖在數(shù)據(jù)的精度上仍有一定的上升空間,但是其掃描建模的效率得到很大程度上的提升。選定模型樹PRODUCE1制作零部件,繪制建模的曲線草圖,將得到的草圖進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)并依據(jù)厚度抽殼完成整個(gè)模型的構(gòu)件。最后進(jìn)行模型的處理以及外觀渲染工序。工作人員利用上述的坐標(biāo)系導(dǎo)出瓷器各項(xiàng)具體的細(xì)小數(shù)據(jù)信息著重處理。如打磨、作舊、拋光、上色。為還原和增加復(fù)制品的視覺效果,還應(yīng)同時(shí)開展模型渲染工序。點(diǎn)擊進(jìn)入CAD軟件的產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)渲染功能,增設(shè)點(diǎn)光源、定點(diǎn)光源和聚光源等。綜上所述,逆向工程適應(yīng)了文物修復(fù)工作精細(xì)化處理的需要,在色彩、細(xì)節(jié)等方面基本實(shí)現(xiàn)一比一的復(fù)原。
●? ?3D打印技術(shù)在文物保護(hù)工作中的應(yīng)用
(一)技術(shù)應(yīng)用前景
3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相比,把加工材料依據(jù)形狀的不同分為粉末、線性和面型;依據(jù)材料不同分為金屬、非金屬無機(jī)材料和塑料材料等,這就省略了很多中間步驟,縮短所需的工期,減少能源損耗,降低技術(shù)的門檻需求?,F(xiàn)代化的信息技術(shù)在文物修復(fù)工作中的運(yùn)用,體現(xiàn)在對(duì)文物進(jìn)行三維激光掃描得到文物的具體點(diǎn)集后,上傳到計(jì)算機(jī)終端的控制系統(tǒng)上進(jìn)行信息過濾和建模。目前,3D打印技術(shù)主要用于古建筑、石窟、古書籍字畫掃描構(gòu)建,完成數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存為接下來各項(xiàng)工作的推進(jìn)奠定基礎(chǔ)。3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:第一點(diǎn),考古現(xiàn)場(chǎng)文物幾何模型細(xì)節(jié)上的全真保存??脊努F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜,同時(shí)空間跨度較大并且以大量的幾何物體信息為主,囊括了從細(xì)小顆粒物到巨型古建筑等。使用3D打印實(shí)現(xiàn)了根據(jù)具體的需求將文物放大或縮小,然后打印出文物的幾何模型。第二點(diǎn),快速?gòu)?fù)制考古現(xiàn)場(chǎng)的文物。傳統(tǒng)的打印技術(shù)對(duì)于部分體積較小的文物可以實(shí)現(xiàn)復(fù)制展覽,但是對(duì)于一些體積較大并且易碎的文物如古代家具、瓷器、文書等,參觀者無法近距離進(jìn)行觀賞。在使用3D打印技術(shù)后,只需要選擇塑料材質(zhì)的復(fù)制品就可以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、展示和近距離接觸。第三點(diǎn),考古現(xiàn)場(chǎng)文物的永久保存。由于考古現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜,人流量大產(chǎn)生的氧氣和二氧化碳等對(duì)長(zhǎng)時(shí)間保存在地下密封環(huán)境中的文物有一定的影響,可能導(dǎo)致其褪色、風(fēng)化。同時(shí)考古現(xiàn)場(chǎng)的自然環(huán)境與埋藏時(shí)的環(huán)境相比已經(jīng)有很大的變化,風(fēng)力、溫度、光照等因素都是使文物頻發(fā)二次損害的主要原因。除此之外,文物都是出產(chǎn)年代久遠(yuǎn)的物品,在開挖或民間傳遞的過程中將不斷老化,材質(zhì)的損耗程度有較大的差異。使用3D打印技術(shù)建立虛擬模型的方式,由于所使用的材料是金屬、非金屬無極材質(zhì)和塑料材質(zhì)等,其強(qiáng)度較高可以實(shí)現(xiàn)文物全部信息的保留,為日后研究工作的進(jìn)一步開展提供信息數(shù)據(jù)支持。綜上所述,隨著3D打印數(shù)據(jù)的成熟,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)完成考古現(xiàn)場(chǎng)文物虛擬模型的構(gòu)建和信息化儲(chǔ)存,進(jìn)而對(duì)模型開展管理和應(yīng)用將成為可能,因此具有廣闊的發(fā)展前景 。
(二)技術(shù)難點(diǎn)
使用3D打印技術(shù)采集文物數(shù)據(jù)信息進(jìn)行虛擬模型的建立的一般流程為:建立虛擬模型、處理虛擬模型和虛擬模型的打印三個(gè)步驟。建立虛擬模型的時(shí)間占據(jù)總流程的90%,因此模型的數(shù)據(jù)處理是一個(gè)極為復(fù)雜的過程。剩余的全部時(shí)間都分配給模型的打印工作。根據(jù)掃描對(duì)象的幾何特點(diǎn)的不同,現(xiàn)今應(yīng)用快速建模技術(shù)主要分為:大尺寸文物、三維曲度文物和二維文物建模三大類。在大尺寸建模類型中主要以古建筑物、洞窟和地下墓群虛擬模型的構(gòu)件為主,具有一定的難度和挑戰(zhàn)性。但當(dāng)建筑物屬于簡(jiǎn)單幾何體時(shí)可以直接利用CAD軟件進(jìn)行構(gòu)建,隨后組裝為一個(gè)整體。在三維曲度文物建模中,主要采用掃描手臂完成激光掃描的工作,現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的是美國(guó)FARO公司出品的掃描手臂和奧地利RIEGL公司出品的三維掃描激光儀。兩者可以用于從汽車到硬幣等不同大小的物品的三維掃描,也可以用于飾品、家具、車馬、建筑等文物的掃描。在二維文物的建模中,主要是針對(duì)如紡織品、書籍字畫、壁畫、石窟雕塑等二維文物的掃描儲(chǔ)存。利用的技術(shù)包括攝影技術(shù)和掃描技術(shù)。
文物的3D打印技術(shù)基本上是通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)端的指令全自動(dòng)進(jìn)行,所以進(jìn)行文物復(fù)制的時(shí)間與3D打印機(jī)的工作效率緊密相關(guān)?,F(xiàn)在需要攻克的技術(shù)難關(guān)集中于代碼的生成與轉(zhuǎn)換和3D打印具體實(shí)施階段。前者是利用CAD軟件中保存好的文物信息文件轉(zhuǎn)換為打印機(jī)識(shí)別的STL、STP等格式,但是由于文物的體積以及材質(zhì)等的廣泛性,數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有的信息在實(shí)際操作過程中難以滿足新出土類型文物的需要,導(dǎo)致在代碼的轉(zhuǎn)換中容易出現(xiàn)亂碼、無法識(shí)別的問題。對(duì)此應(yīng)通過專業(yè)的軟件如REPLICATION對(duì)文物從高度、材質(zhì)、厚度等方面進(jìn)行自動(dòng)切片保存,在數(shù)據(jù)庫中開展對(duì)比工作,幫助工作人員盡快識(shí)別新材料,借助相似程度較高的材質(zhì)進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)形成新的代碼,隨后轉(zhuǎn)化為打印機(jī)可以識(shí)別的代碼類型。最后還可以估計(jì)打印時(shí)間,保存到專門的儲(chǔ)存卡中備用,完善文物修復(fù)中的方面的具體信息。后者則是在完成代碼的轉(zhuǎn)換后,把儲(chǔ)存卡插入到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。3D打印機(jī)自動(dòng)開展底板的加熱功能,為模型的出品奠定基礎(chǔ)。但是在實(shí)際操作中,由于打印機(jī)的長(zhǎng)期使用而導(dǎo)致加熱功能不穩(wěn)定時(shí)常發(fā)生。對(duì)此,工作人員應(yīng)通過長(zhǎng)期的工作和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫信息的不斷完善,對(duì)文物打印所需的溫度和時(shí)間有一個(gè)大致的了解,并在建模的過程中實(shí)時(shí)觀測(cè)溫度變化,一般情況下基本控制在110℃左右即可,其中加熱噴嘴的溫度可以略高達(dá)到220℃左右最為適宜。在解決這兩大難題后,將有助于3D打印技術(shù)的進(jìn)一步推廣和文物保護(hù)的順利進(jìn)行。
●? ?利用3D打印技術(shù)進(jìn)行文物復(fù)制
以帶蓋黑陶罐的復(fù)制為例,應(yīng)按照三維數(shù)據(jù)的高精度獲取,利用三維軟件進(jìn)行建模和三維數(shù)據(jù)成果輸出,完成3D打印三個(gè)步驟逐步推進(jìn)。首先,復(fù)制一件歷史久遠(yuǎn)并且工藝較為復(fù)雜的帶蓋黑陶罐之前,需要其具體的三維數(shù)據(jù),主要通過三維掃描儀進(jìn)行收集。白光掃描儀對(duì)帶蓋黑陶罐的外形輪廓線進(jìn)行初步掃描,由于其呈現(xiàn)出軸對(duì)稱的特點(diǎn),所以只需要采集到一部分,并在數(shù)據(jù)上傳后把帶蓋黑陶罐的虛擬模型移動(dòng)到坐標(biāo)系的中心軸上,旋轉(zhuǎn)360度后即可得到原物的輪廓前視圖底稿。接下來工作人員導(dǎo)出掃描出的標(biāo)的物的細(xì)節(jié)信息,標(biāo)記到坐標(biāo)系中得到完成的虛擬模型。然后根據(jù)所得到的三維數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)的矢量性進(jìn)行相應(yīng)比例的放大或縮小。對(duì)于本次復(fù)制工作中對(duì)帶蓋黑陶罐的需求僅進(jìn)行一比一的還原即可,并且因?yàn)橹恍枰獙?duì)陶器的外形進(jìn)行復(fù)制,為了節(jié)約成本投入、縮短工期、降低能耗,原材采用材質(zhì)較輕的光敏樹脂最為合適,還原了帶蓋黑陶罐外形壁較薄的特點(diǎn)。同時(shí)為了增加復(fù)制品的真實(shí)性和質(zhì)感,要在復(fù)制品的內(nèi)部均勻鋪設(shè)一層石膏,使其的壁厚和重量增加。粉末化材質(zhì)的牢固性與強(qiáng)度皆不如光敏樹脂耐用性好,不符合帶蓋黑陶罐紋飾和細(xì)節(jié)的復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)。在復(fù)制品初步完成后,應(yīng)進(jìn)行復(fù)制品的補(bǔ)色和細(xì)節(jié)方面的打磨、拋光。在白色復(fù)制品的表面涂上一層混合黃土、香灰和含有一定水分的白膠組成的調(diào)和液。在混合液半干后用濕布擦去混合液殘留在其表面的黃色,但紋飾縫隙上已經(jīng)保存了干涸的黃色涂料,呈現(xiàn)出“塵土”的形態(tài)及顏色。直至調(diào)和液完全干透后,再在整個(gè)復(fù)制品上噴涂按照帶蓋黑陶罐本身顏色所調(diào)的深色染料。最后等到第二次噴涂的深色染料也干透后,用如尖頭竹刀等器具剔除掉紋飾表面的黑色染料。由于底下已有一定量的含有附著力不強(qiáng)的白膠黏附的黃土調(diào)和物,導(dǎo)致其很容易就復(fù)原出與泥土相似的顏色。為保護(hù)帶蓋黑陶罐不受復(fù)雜自然環(huán)境的影響,所以對(duì)其的三維掃描主要在室內(nèi)進(jìn)行,導(dǎo)致復(fù)制品掃出的顏色與原物相比有差別,失真現(xiàn)象頻發(fā)。同時(shí)帶蓋黑陶罐本身的紋路較為復(fù)雜,三維掃描對(duì)帶蓋黑陶罐表面顏色的調(diào)整和控制所需的技術(shù)要求較高,通常情況下不容易打印出理想的效果。所以在光敏樹脂打印中采用白色材料并在模型初建后,用傳統(tǒng)的手繪工藝還原帶蓋黑陶罐的原有成色以及用土沁的方式,進(jìn)行作舊復(fù)原其歷史風(fēng)貌。此時(shí)和原件仔細(xì)對(duì)比,在大致的外貌形態(tài)、層次感和斑駁感等方面已和原件達(dá)到了真假難辨的程度。一件長(zhǎng)達(dá)幾千年的歷史文物就這樣栩栩如生地展現(xiàn)在觀賞者的面前。
●? ?總結(jié)
3D打印技術(shù)以其“個(gè)性化定制”和“無實(shí)物接觸掃描”的工作原理適應(yīng)了文物修復(fù)與復(fù)制工作的需要,在修復(fù)文物的同時(shí)有效避免了二次損害的發(fā)生,已經(jīng)作為一項(xiàng)成熟的修復(fù)手段得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的修復(fù)手段相比,具有高效、精準(zhǔn)、無損害的優(yōu)勢(shì),能夠在不同的需求下自主進(jìn)行選擇,對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)而言具有跨時(shí)代的意義。
(作者單位:安徽徽博文物修復(fù)研究所有限公司)
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