Moulage par Injection du PEEK et des Plastiques Haute Performance — Guide Technique pour Environnements Exigeants
Un ingénieur conception d’un fabricant de dispositifs médicaux spécifie le boîtier d’un instrument chirurgical implantable qui sera autoclavé à 134 °C entre les procédures. La pièce mesure 65 mm de long avec des parois de 2,2 mm, quatre inserts filetés et un couvercle à clip. Le premier prototype a été usiné à partir de barre de PEEK et a parfaitement fonctionné — mais à 380 $ par pièce usinée, le modèle de coût de production ne tient pas à 5 000 unités par an. La réponse évidente est le moulage par injection. La réponse moins évidente est que mouler le PEEK n’est pas la même chose que mouler de l’ABS avec un fourreau plus chaud.
Un autre ingénieur — chez un fournisseur d’instrumentation pétrolière et gazière — conçoit un boîtier de capteur de fond de puits qui doit survivre à une exposition continue à 180 °C, 15 MPa de pression et au sulfure d’hydrogène. La liste restreinte des matériaux qui fonctionnent dans cet environnement comporte exactement une entrée : le PPS. Mais le PPS se transforme à 320–340 °C, attaque l’acier de moule standard par des émanations corrosives et a la viscosité à l’état fondu du miel froid. L’atelier de moulage local a chiffré le travail avec des hypothèses de temps de cycle ABS standard et s’est retiré en voyant la fiche technique du matériau.
Les thermoplastiques haute performance — PEEK, PPS, PEI (Ultem), LCP, PSU (polysulfone) et PES — occupent un univers différent de l’ABS, du PP et du nylon qui remplissent la plupart des plannings de production de moulage par injection. Ils exigent des températures de fourreau de 300 °C à 420 °C, des températures de moule de 120 °C à 200 °C, des alliages d’acier spécialisés qui résistent à la fois à la chaleur et à la corrosion, et une discipline de procédé qui ne laisse aucune marge d’erreur. Ce guide couvre ce qui change lorsqu’on passe des résines techniques au niveau haute performance.
Ce Qui Rend un Plastique « Haute Performance »
L’industrie des plastiques classe les thermoplastiques en trois niveaux selon la température de service continu et le coût :
| Niveau | Temp. de Service Continu | Gamme de Prix ($/kg) | Exemples |
|---|---|---|---|
| Commodité | <80 °C | $1,50–3,00 | PP, PE, PS, PVC |
| Technique | 80–140 °C | $3,50–8,00 | ABS, PC, PA6/66, POM, PBT |
| Haute performance | >150 °C | $25–120+ | PEEK, PPS, PEI, LCP, PSU, PES, PAI, PI |
La frontière entre technique et haute performance n’est pas seulement la température. C’est la difficulté de transformation et le coût par kilogramme. Quand un matériau coûte 80 $/kg, une injection de 20 g pèse 1,60 $ rien qu’en matière première — avant d’ajouter le temps machine, la main-d’œuvre et les frais généraux. Un système de canal froid qui gaspille 40 % de l’injection devient un problème de coût que les conceptions standard de canal froid n’ont jamais été conçues pour gérer. Une seule injection courte avec du PEEK à 80 $/kg coûte plus en matière gaspillée que le taux de rebut d’une journée entière avec de l’ABS.
Les plastiques haute performance partagent quatre caractéristiques qui définissent l’approche de moulage :
- Températures de fourreau supérieures à 300 °C — approchant le seuil de dégradation thermique du polymère lui-même, laissant une fenêtre de transformation étroite.
- Températures de moule supérieures à 120 °C — nécessitant un chauffage à l’huile ou des cartouches chauffantes électriques au lieu de l’eau, et éliminant le refroidissement standard par eau.
- Émanations corrosives — composés soufrés du PPS, traces de fluor des polymères fluorés et sous-produits acides qui attaquent le P20 et les aciers de moule standard.
- Viscosité à l’état fondu élevée — le PEEK à 380 °C s’écoule plus comme du polycarbonate froid que comme de l’ABS chaud, exigeant des pressions d’injection plus élevées et des points d’entrée plus grands malgré la température élevée.
Ce ne sont pas des matériaux que l’on peut traiter sur une presse universelle avec un moule P20 standard et espérer des pièces de qualité production.
Profils de Matériaux — Quand Utiliser Lequel
PEEK (Polyétheréthercétone)
Le thermoplastique haute performance le plus connu et celui que la plupart des ingénieurs rencontrent en premier lorsque leur application dépasse les matériaux standard.
| Propriété | PEEK Non Chargé | PEEK 30 % Fibre de Verre | PEEK 30 % Fibre de Carbone |
|---|---|---|---|
| Résistance à la traction | 95–100 MPa | 155–170 MPa | 210–230 MPa |
| Module de flexion | 4,0 GPa | 9,5–10,5 GPa | 13–15 GPa |
| HDT @ 1,8 MPa | 152 °C | 315 °C | 320 °C |
| Temp. de service continu | 250 °C | 250 °C | 260 °C |
| Temp. de transformation | 360–400 °C | 370–400 °C | 380–410 °C |
| Temp. de moule requise | 160–190 °C | 170–200 °C | 180–200 °C |
| Prix ($/kg) | $80–110 | $65–85 | $90–130 |
La caractéristique déterminante du PEEK est sa combinaison de température de service continu élevée (250 °C), d’excellente résistance chimique (résiste à presque tout sauf aux acides sulfurique et nitrique concentrés) et de propriétés mécaniques approchant celles de l’aluminium à un cinquième du poids. Le PEEK de qualité médicale (Invibio PEEK-OPTIMA, Solvay Zeniva) ajoute la biocompatibilité ISO 10993 pour les applications implantables et chirurgicales.
Le défi de transformation : le PEEK est semi-cristallin, ce qui signifie qu’il doit être moulé dans un moule à 160–200 °C pour permettre aux chaînes de polymère de s’organiser en structures cristallines pendant le refroidissement. Si le moule est trop froid, la pièce se fige dans un état amorphe avec des propriétés mécaniques réduites, une résistance chimique moindre et une instabilité dimensionnelle accrue lors des expositions thermiques ultérieures. Une pièce en PEEK moulée à 100 °C de température de moule aura environ 20–30 % de cristallinité ; à 180 °C, elle atteint 35–40 % — et la différence de résistance à l’usure et de résistance chimique est suffisamment significative pour déterminer si la pièce passe ou non la qualification.
PPS (Sulfure de Polyphénylène)
Le cheval de bataille pour les applications de traitement chimique et sous capot automobile. Moins cher que le PEEK ($12–25/kg) et intrinsèquement ignifugé sans additifs.
| Propriété | PPS Non Chargé | PPS 40 % Fibre de Verre |
|---|---|---|
| Résistance à la traction | 70–85 MPa | 150–170 MPa |
| Module de flexion | 3,8 GPa | 12–14 GPa |
| HDT @ 1,8 MPa | 110 °C | 260 °C |
| Temp. de service continu | 200 °C | 220 °C |
| Temp. de transformation | 310–340 °C | 320–345 °C |
| Temp. de moule requise | 130–150 °C | 135–150 °C |
Le PPS est le plus résistant chimiquement des plastiques haute performance abordables — résistant à pratiquement tous les solvants, acides et bases en dessous de 200 °C, y compris les environnements de sulfure d’hydrogène et de saumure rencontrés dans les équipements de fond de puits pétroliers et gaziers. Alors que le PEEK coûte $80–110/kg, le PPS chargé à 40 % de fibre de verre à $8–15/kg rend la résistance chimique à haute température économiquement viable pour les volumes de production.
La contrainte de transformation : le PPS génère des gaz contenant du soufre pendant le moulage qui corrodent l’acier de moule standard. Les moules P20 traitant du PPS montrent une piqûration de surface visible en 5 000–10 000 injections. La solution est un acier de moule résistant à la corrosion — H13 chromé, inoxydable 420, ou pour les séries plus longues, des nuances à durcissement par précipitation comme le 1.2083 ou le M340. Le surcoût de l’acier est compensé par l’absence des cycles de réfection d’outillage que le P20 exigerait.
PEI (Polyétherimide, nom commercial Ultem)
Le cheval de bataille technique transparent-ambré qui fait le pont entre les niveaux technique et haute performance. Le PEI offre une température de service continu de 170 °C à environ $15–25/kg.
| Propriété | PEI Non Chargé | PEI 30 % Fibre de Verre |
|---|---|---|
| Résistance à la traction | 105 MPa | 150–160 MPa |
| Module de flexion | 3,3 GPa | 8,5–9,0 GPa |
| HDT @ 1,8 MPa | 200 °C | 210 °C |
| Temp. de transformation | 340–400 °C | 350–400 °C |
| Temp. de moule requise | 130–165 °C | 135–165 °C |
Le PEI est le choix par défaut pour les dispositifs médicaux devant résister à la stérilisation répétée en autoclave à vapeur à 134 °C — poignées d’instruments chirurgicaux, boîtiers de pièces à main dentaires et plateaux de stérilisation. Il possède les certifications de biocompatibilité ISO 10993 et USP Classe VI, est intrinsèquement ignifugé (UL 94 V-0 à 0,4 mm) et offre une transparence pour les applications où l’inspection visuelle des composants internes est requise.
La mise en garde de transformation : le PEI est hygroscopique et absorbe rapidement l’humidité de l’air ambiant. Transformer du PEI avec une teneur en humidité supérieure à 0,02 % produit une hydrolyse pendant la fusion, qui dégrade les chaînes de polymère et produit à la fois des stries visibles en surface et des propriétés mécaniques réduites. Les exigences de séchage sont strictes : 150 °C pendant au moins 4 heures dans un dessiccateur à circuit fermé avec un point de rosée inférieur à −30 °C. Un séchoir de trémie n’est pas suffisant — le matériau doit être séché dans un système dessiccatif à circuit fermé et transporté vers la presse sous air sec.
LCP (Polymère à Cristaux Liquides)
Le spécialiste des composants électroniques à paroi mince et haute précision. Le LCP remplit des parois aussi fines que 0,2 mm et offre une stabilité dimensionnelle qu’aucun autre thermoplastique ne peut égaler.
| Propriété | LCP Non Chargé | LCP 30 % Fibre de Verre |
|---|---|---|
| Résistance à la traction | 140–180 MPa | 150–180 MPa |
| Module de flexion | 9–12 GPa | 13–16 GPa |
| HDT @ 1,8 MPa | 250–310 °C | 270–320 °C |
| Temp. de transformation | 300–350 °C | 330–380 °C |
| Temp. de moule | 80–120 °C | 80–120 °C |
Le LCP est unique parmi les thermoplastiques haute performance car il peut être moulé avec des plages de température de moule conventionnelles — 80–120 °C est atteignable avec de l’eau sous pression, éliminant l’exigence de chauffage à l’huile qui complique l’outillage PEEK et PPS. Le LCP s’écoule comme de l’eau à la température de transformation car la structure moléculaire en bâtonnets s’aligne dans la direction du flux, créant un comportement auto-renforçant qui produit une résistance exceptionnelle dans la direction du flux.
Le compromis : les propriétés du LCP sont fortement anisotropes. La résistance à la traction dans la direction du flux peut être 3–4× supérieure à celle dans la direction transversale. Les lignes de soudure dans le LCP sont des points faibles mécaniques parce que l’orientation moléculaire ne traverse pas l’interface de soudure — contrairement aux matériaux semi-cristallins où les chaînes de polymère peuvent partiellement diffuser à travers l’interface. La position du point d’injection pour le LCP doit être conçue pour éviter les lignes de soudure dans les régions mécaniquement sollicitées.
Conception de Moule pour la Transformation à Haute Température
Sélection de l’Acier
L’acier de moule standard P20 (1.2311) est conçu pour des températures de fonctionnement de moule jusqu’à environ 180 °C. Au-dessus de cette température, le P20 subit un adoucissement par revenu — la dureté chute des 28–32 HRC initiaux, et l’acier perd sa résistance à l’usure au niveau du plan de joint, des alésages d’éjecteurs et des zones d’entrée.
| Acier de Moule | Temp. Max. de Moule | Résistance à la Corrosion | Application Typique |
|---|---|---|---|
| P20 (1.2311) | ~180 °C | Faible | Non recommandé pour les polymères haute performance |
| H13 (1.2344) | ~250 °C | Faible | Courtes séries PEEK (<50k injections) |
| H13 chromé | ~250 °C | Moyenne | Séries moyennes PEEK, PEI |
| Inoxydable 420 (1.2083) | ~250 °C | Élevée | Séries de production PPS, PEEK |
| M340 / M333 | ~280 °C | Très Élevée | Longues séries PEEK, PPS, PEI |
| H13 nitruré | ~260 °C | Moyenne-Élevée | Séries prolongées PEEK/PPS, usure améliorée |
Pour la fabrication de moules avec des matériaux haute performance, la recommandation par défaut est H13 (48–52 HRC) avec chromage sur les surfaces de cavité pour le PEEK et le PEI, et inoxydable 420 ou M340 pour le PPS où la résistance à la corrosion est obligatoire.
Gestion Thermique
Un moule fonctionnant à 180 °C exige une approche de gestion thermique fondamentalement différente de celle d’un moule fonctionnant à 60 °C :
Chauffage à l’huile, pas à l’eau. L’eau à pression atmosphérique bout à 100 °C. Les systèmes d’eau sous pression peuvent atteindre 140–160 °C mais nécessitent une plomberie dimensionnée en pression, des soupapes de sécurité et une maintenance continue. Pour les températures de moule supérieures à 160 °C, les thermorégulateurs à huile sont la solution standard, faisant circuler de l’huile caloporteuse jusqu’à 200–220 °C.
Plaques isolantes. Un moule fonctionnant à 180 °C monté directement sur un plateau de presse agit comme un dissipateur thermique dans le bâti de la machine, créant des gradients de température entre le centre et les bords du moule. Des plaques isolantes (généralement 10–15 mm en composite phénolique ou renforcé de fibre de verre) entre la base du moule et les plateaux de la presse réduisent la perte de chaleur vers la machine de 60–70 % et améliorent l’uniformité de température dans l’empreinte.
Cartouches chauffantes pour zones locales. L’huile chaude fournit la température de base du moule, mais les zones locales — noyaux profonds, sections d’acier minces, zones éloignées des lignes d’huile — nécessitent des cartouches chauffantes électriques supplémentaires avec régulation PID indépendante. Une approche de refroidissement conforme utilisant des inserts imprimés en 3D avec des canaux de chauffage conformés peut fournir un chauffage uniforme aux géométries de cavité complexes que les lignes d’huile droites percées ne peuvent pas atteindre.
Conception de l’Entrée et du Canal
Les matériaux haute performance changent l’économie des systèmes de canaux. À 80 $/kg pour le PEEK, un canal froid qui consomme 30 g par injection et les rebroye ajoute 2,40 $ par injection en matière à récupérer. Mais le broyé de PEEK ne peut pas simplement être réincorporé à 100 % — l’historique thermique de chaque cycle de moulage dégrade légèrement les chaînes de polymère, et la plupart des transformateurs de PEEK limitent le broyé à 20–30 % de la charge de matière vierge pour maintenir les propriétés mécaniques.
Le résultat : pour le PEEK et les matériaux également coûteux, un système de canal chaud qui élimine complètement le canal s’amortit rapidement. Le coût d’un système de canal chaud — généralement $3 000–8 000 par buse pour les systèmes capables de haute température — est récupéré en économie de matière en 1 000–3 000 injections aux prix du PEEK.
Les systèmes de canal chaud pour matériaux haute température doivent être conçus pour un fonctionnement continu à 380–420 °C, utiliser des composants résistants à la corrosion dans le chemin de fusion et maintenir une uniformité de température de ±2 °C sur toutes les buses. Les systèmes de canal chaud standard conçus pour 300 °C échouent rapidement lors du traitement du PEEK — les joints internes, les colliers chauffants et l’isolation des thermocouples ne sont pas conçus pour un fonctionnement soutenu à 400 °C.
Paramètres de Transformation — Ce Que la Fiche Technique ne Dit Pas
Les fabricants de matériaux publient des fenêtres de transformation recommandées, mais la réalité pratique de la mise en œuvre de ces matériaux est plus étroite que ce que la fiche technique implique :
Réalité de la Transformation du PEEK
| Paramètre | Gamme Fiche Technique | Fenêtre Pratique | Pourquoi |
|---|---|---|---|
| Temp. du fourreau | 340–400 °C | 370–390 °C | En dessous de 370 °C, la viscosité à l’état fondu est trop élevée pour les parois minces. Au-dessus de 390 °C, la dégradation commence en 5–8 minutes de temps de séjour |
| Temp. du moule | 140–220 °C | 170–190 °C | En dessous de 170 °C, la cristallinité tombe sous 30 %. Au-dessus de 190 °C, le temps de cycle dépasse les limites pratiques pour la plupart des géométries de pièces |
| Vitesse d’injection | Moyenne-Rapide | Rapide | La masse fondue de PEEK se solidifie rapidement au contact de toute surface inférieure à 350 °C. Un remplissage lent produit des marques d’hésitation à chaque transition d’épaisseur de paroi |
| Pression de maintien | 60–100 MPa | 80–100 MPa | Le PEEK a une densité moulée élevée (1,30–1,55 g/cm³ selon la charge) et un retrait volumique correspondant. Une faible pression de maintien produit des vides dans les sections épaisses |
| Temps de refroidissement | Variable | Aussi court que possible | La phase de « refroidissement » avec le PEEK est en réalité la phase de cristallisation — le moule est à 180 °C, donc la pièce ne refroidit pas sous Tg au sens traditionnel. Le facteur déterminant le cycle est le temps pour atteindre une cristallinité suffisante pour la stabilité dimensionnelle à l’éjection |
Le Problème de la Cristallinité
Les polymères haute performance semi-cristallins — PEEK, PPS et dans une moindre mesure PEI — tirent leurs propriétés mécaniques et de résistance chimique de la structure cristalline qui se forme pendant le refroidissement contrôlé depuis la masse fondue. Le degré de cristallinité est déterminé par la vitesse de refroidissement depuis la température de fusion jusqu’en dessous de la température de transition vitreuse :
- Refroidissement rapide (moule froid, paroi mince) : faible cristallinité → résistance moindre, résistance chimique moindre, changement dimensionnel accru lors du chauffage ultérieur
- Refroidissement lent (moule chaud, paroi épaisse) : cristallinité élevée → résistance supérieure, résistance chimique supérieure, stabilité dimensionnelle au chauffage
- Recuit : le traitement thermique post-moulage peut augmenter la cristallinité des pièces moulées avec une température de moule insuffisante, mais ajoute une étape de procédé secondaire et risque un changement dimensionnel pendant le cycle de recuit
L’implication pratique : une pièce en PEEK moulée à 140 °C de température de moule et exposée ultérieurement à 200 °C en service subira une cristallisation supplémentaire à la température de service, produisant un changement dimensionnel pouvant atteindre 0,5–1,0 %. Une pièce moulée à 180 °C de température de moule aura déjà atteint une cristallinité proche de l’équilibre et montrera un changement dimensionnel négligeable à 200 °C. La température du moule n’est pas qu’un paramètre de procédé — elle détermine si la pièce s’adaptera dans l’assemblage après le premier cycle thermique sur le terrain.
Applications et Logique de Sélection
Dispositifs Médicaux
Le PEEK est le matériau par défaut pour les poignées d’instruments chirurgicaux, les composants de dispositifs endoscopiques et les boîtiers de dispositifs implantables qui nécessitent une stérilisation répétée en autoclave à vapeur. Le cycle d’autoclave à 134 °C élimine les plastiques techniques standard — l’ABS et le PC se ramolliraient et se déformeraient ; le nylon 6/6 s’hydrolyserait en 50–100 cycles. Le PEEK survit à des milliers de cycles d’autoclave sans dégradation mesurable des propriétés.
Le PEI (Ultem) est l’alternative transparente pour les dispositifs médicaux où l’inspection visuelle des composants internes à travers le boîtier est requise. La transparence ambrée naturelle du PEI et sa résistance à la vapeur en font le matériau standard pour les plateaux de stérilisation et les boîtiers de pièces à main dentaires.
Aérospatial
Le PEEK et le PEI sont en concurrence pour les composants intérieurs d’aéronefs où les exigences d’ininflammabilité de la FAA (14 CFR 25.853) éliminent la plupart des plastiques de commodité et techniques. Le PEEK satisfait aux exigences les plus strictes de dégagement de chaleur OSU sans additifs ignifugeants — un avantage sur le PEI, qui repose sur sa chimie FR inhérente mais peut produire une densité de fumée légèrement plus élevée dans certaines qualités.
Le PEEK renforcé de fibre de carbone est de plus en plus utilisé pour le remplacement des métaux dans les supports structuraux d’aéronefs, remplaçant l’aluminium usiné par des pièces moulées par injection avec une réduction de poids de 70 %. L’économie de la conversion métal-plastique est convaincante lorsque l’économie de poids se traduit par une réduction de la consommation de carburant sur la durée de vie de l’aéronef.
Pétrole et Gaz
Le PPS domine les boîtiers d’instrumentation et de capteurs de fond de puits. La combinaison d’un service continu à 180–200 °C, de la résistance au H₂S, à la saumure et aux hydrocarbures, et d’un coût viable pour les volumes de production ($12–25/kg pour les qualités chargées) fait du PPS le matériau de choix pour cette industrie. Le PEEK est utilisé lorsque l’exigence de température dépasse 220 °C ou lorsque des charges mécaniques plus élevées sont présentes, mais à un coût matière 4–8× supérieur.
Électronique et Connecteurs
Le LCP est le matériau standard pour les connecteurs électriques haute densité, les supports de composants montés en surface (CMS) et les boîtiers de puces. La combinaison de la capacité de paroi de 0,2 mm, de la stabilité dimensionnelle aux températures de brasage sans plomb (pic à 260 °C) et de l’ignifugation inhérente rend le LCP irremplaçable dans les applications électroniques de précision.
Contrôle Qualité pour les Pièces Haute Performance
Le contrôle qualité pour les pièces plastiques haute performance ajoute plusieurs contrôles au-delà du protocole d’inspection standard :
- Vérification de la cristallinité — La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) sur des éprouvettes moulées mesure le degré de cristallinité et la température de transition vitreuse. Sur échantillonnage 1:1 000 pour les pièces PEEK et PPS où l’application implique des cycles thermiques ou une exposition chimique.
- Contrôle des contraintes résiduelles — L’inspection en lumière polarisée ou l’essai de fissuration sous contrainte par immersion dans un solvant (selon ASTM D543) détecte les contraintes figées par le moulage qui pourraient provoquer une fissuration sous contrainte environnementale en service. Pertinent pour les dispositifs médicaux en PEI et PSU exposés aux agents de nettoyage et désinfectants.
- Contre-essai de l’indice de fluidité (MFR) — Chaque lot de matière doit être testé en MFR avant utilisation. Les matériaux haute performance qui ont absorbé de l’humidité ou ont été stockés de manière inappropriée montreront un écart de MFR par rapport à la valeur de certification du fournisseur — indiquant une dégradation du polymère avant même que le matériau n’entre dans le fourreau.
- Stabilité dimensionnelle après conditionnement thermique — Dimensions critiques mesurées avant et après un étuvage de 2 heures à la température maximale de service pour détecter les pièces moulées avec une cristallinité insuffisante. Accepté/Refusé : Δ dimension <0,2 % après exposition thermique.
- 100 % visuel sous grossissement — À un coût matière de $80+/kg, les attentes du client en matière de qualité cosmétique sont proportionnellement élevées. Les stries, les points de contamination et les lignes d’écoulement qui seraient acceptables sur une pièce en ABS sont motifs de rejet sur un composant de dispositif médical en PEEK.
L’ingénieur du fabricant de dispositifs médicaux a finalement reçu un moule de production en acier inoxydable 420, système de canal chaud, chauffé à l’huile à 180 °C, transformant du PEEK de qualité médicale non chargé à 385 °C de température de fourreau avec un temps de cycle de 48 secondes. Le coût unitaire est tombé de $380 (usiné) à $18,50 (moulé) — et la pièce a passé 1 000 cycles d’autoclave sans changement dimensionnel.
L’ingénieur en instrumentation pétrolière et gazière est passé au PPS chargé à 40 % de fibre de verre dans un moule H13 chromé à 145 °C, transformant à 330 °C de température de fourreau. Le boîtier de capteur a passé le test de qualification 180 °C / 15 MPa du client et est entré en production en volume à $28 par boîtier — contre l’alternative en acier inoxydable usiné à $320.
Les thermoplastiques haute performance récompensent la discipline de procédé. La fenêtre est plus étroite, l’acier coûte plus cher et le matériau est moins indulgent — mais le résultat est une pièce plastique qui fonctionne dans des environnements où la plupart des métaux ont besoin d’une chemise de refroidissement.
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