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塑料制品的设计

塑料制品的设计

塑料制品的设计不仅要满足使用要求,而且要符合塑料成型的工艺特点,并且尽可能的使模具简单化。

这样既是成型工艺稳定,保证塑料制品的质量,又可以降低生产成本。

塑料制品要考虑一下因素。

1、塑料性能:

塑料的物理学性能和工艺性能。

2、成型方法:

要看具体的成型工艺要确定设计法案。

3、模具结构和制造工艺:

要利于模具结构简化和方便制造。

一、塑料制品结构设计的一般原则

1、力求使制品结构简单,避免侧向凹凸结构,使模具结构简单,易于制造;

设计塑料制品时,应满足塑料制品功能的要求的前提下,力求使制品结构简单,尤其是要尽量避免侧向凹凸结构。

因为侧向凹凸结构需要模具增加侧向抽心或斜顶机构,使得模具变复杂,并增加成本。

不合理

合理

如果侧向凸凹结构不可避免,则应该使侧向凸凹结构简单化,这里有两种方法可以避免模具采用侧向抽心或斜顶机构:

强行脱模和对插。

•注:

关于强行脱模:

1) 当侧向凹凸较浅且允许有圆角时,可强行脱模;

2)可强行脱模的塑料有PE、PP、POM和PVC等;

上图的W不宜小于1/3H。

制品设计时除了尽量避免侧向抽心外,还力求时模具的其它结构也简单耐用,主要包括一下几方面。

(1)模具成型零件上不得有尖利和薄弱结构。

模具上的尖利或薄弱结构会影响模具强度及使用寿命。

制品设计时应尽量避免这种现象出现。

(2)尽可能使成型零件简单易加工。

(3)尽量使分型面变得简单。

简单的分型面使模具加工容易,生产时不易产生飞边,容易切除水口。

2、壁厚均匀,避免出现过厚或过薄的胶位

壁厚均匀为塑料制件设计的第一原则,应尽量避免出现过厚或过薄的胶位。

这一点即使在转角部位也非常重要。

因为壁厚不均会使制件冷却后收缩不均,造成凹陷,产生内应力、变形及破裂等。

另外,成型制件的冷却时间取决于壁厚角厚的部分,壁厚不均会使成型周期延长,降低生产效率。

当壁厚有较大的差别时,应抽取厚的部位,力求均匀化。

在减胶时,应尽可能地加大内模型芯,这是为小内模型芯的温度增高会使成型周期加长。

壁厚减胶后,若引起强度或装配的问题,可以增加骨位或凸起去解决。

如果厚壁难以避免,应用渐变去代替壁厚的突然变化。

壁厚改进的方法:

不合理

合理

3、保证强度和刚度

塑料制品的缺点之一是其的强度和刚度远不如钢铁制品。

如何提高塑料制品的强度和刚度,使其满足产品功能的要求,时设计必须考虑的。

提高制品强度和刚度最简单实用的方法就是设计加强筋,而不是简单的增加壁厚的办法。

因为增加壁厚不仅大幅的增加制件的重量,而且易产生缩孔、凹痕等缺陷,而设计加强筋不但能提高制件的强度和刚度,还能防止和避免塑料的变形和曲翘。

设计加强筋的方向应与料流方向尽量保持一致,以防止充模时料流受到搅乱,降低制件的韧性或外观质量。

加强方式有侧壁加强、底部加强和边缘加强等。

对于容器类的制品,提高强度和刚度的方法通常都在边缘加强,同时底部加圆骨或做拱起等结构。

4、装配间隙合理

各制品之间的装配间隙应均匀,一般制品间隙(单边)如下:

(1)固定件之间配合间隙0.05~0.1mm。

(2)面、底壳止口间隙0.05~0.1mm。

(3)规则按钮直径φ≦15mm的活动间隙(单边)0.1~0.2mm;规则按钮直径φ>15mm的活动间隙(单边)0.15~0.25mm;异形按钮的活动间隙0.3~0.35mm。

5、其它原则

(1)根据制品所要求的功能决定其形状、尺寸、外观及塑料,当制品要求较高时,应先通过外观造型在设计内部结构。

(2)尽量将制品设计成回转体或对称形状。

这种形状结构工艺性好,能承受较大的力,模具设计时易保证温度平衡,制品不易产生曲翘变形。

(3)设计制品时应考虑塑料的流动性、收视率及其它特性,在满足使用要求的前提下制品的所有转角尽可能设计成圆角,或用圆弧过渡。

如下图:

碰穿会阻碍溶胶的流动性

(4) 在保证制品性能和使用要求的情况下,尽量选用价廉、且成型性能好的塑料。

二、制品的尺寸和精度

1、制品的尺寸

制品的尺寸首先受到塑料的流动性的限制。

在一定的设备和工艺条件下,流动好的塑料可以成型较大的塑料制品;反之能成型的塑料制品尺寸较小。

其次,塑料制品尺寸还受成型设备的限制。

注塑制品尺寸要受到注射机的照射量、锁模力和模板尺寸限制。

2、制品的精度

影响塑料制件尺寸精度的因素主要有以下几方面:

(1)、塑料收缩率的波动:

(2)、成型工艺参数:

成型工艺条件如料温、模温、注射压力、保压压力、塑化背压、注射速度、成型周期等参数都会影响成型收缩率的大小和波动范围。

(3)、模具的制造精度:

模具的结构如分型面选择、浇注系统的设计、排气、模具的冷却和加热等以及模具的刚度等都会影响制件尺寸精度。

(4)、模具的老化:

模具在使用过程中的磨损和模具导向部件的磨损也会直接影响制件的尺寸精度。

产品设计者在确定尺寸公差时要考虑以下方面:

(1)、应根据制件的使用要求和塑料材料的特性合理确定制件的尺寸公差。

塑料原料本身的特性,一般结晶型和半结晶型的塑料的收缩率比无定型的大,范围也宽,因此制件尺寸精度也就有差异。

大部分的塑料成形品皆能维持相当紧密之尺寸公差,对于高收缩性的材料如PE,PP,Nylon,POM,EVA及软质PVC,必须指定较大之容许公差方行,因为其尺寸公差很难藉模具设计予以补救。

(2)、不能简单地套用机械零件的尺寸公差

对于工程塑料制件、尤其是以塑代钢的制件,设计者 往往简单地套用机械零件的尺寸公差,这是很不合理的,许多任务业化国家都根据塑料特性制定了塑 料制件尺寸公差。

我国也于1993年发布了GB/T14486-93《工程塑料模塑塑料件尺寸公差》,设计 者可根据所用的塑料原料和制件使用要求,根据标准中的规定确定制件的尺寸公差。

先确定用什么样的塑料,塑件尺寸大小,公差等级,查表得到公差范围。

公称尺寸

精度等级

1

2

3

4

5

6

7

8

公差数值

-3

0.04

0.06

0.08

0.12

0.16

0.24

0.32

0.48

>3-6

0.05

0.07

0.08

0.14

0.18

0.28

0.36

0.56

>6-10

0.06

0.08

0.10

0.16

0.20

0.32

0.40

0.64

>10-14

0.07

0.09

0.12

0.18

0.22

0.36

0.44

0.72

>14-18

0.08

0.10

0.12

0.20

0.26

0.40

0.48

0.80

>18-24

0.09

0.11

0.14

0.22

0.28

0.44

0.56

0.88

>24-30

0.10

0.12

0.16

0.24

0.32

0.48

0.64

0.96

>30-40

0.11

0.13

0.18

0.26

0.36

0.52

0.72

1.0

>40-50

0.12

0.14

0.20

0.28

0.40

0.56

0.80

1.2

>50-65

0.13

0.16

0.22

0.32

0.46

0.64

0.92

1.4

>65-85

0.14

0.19

0.26

0.38

0.52

0.76

1.0

1.6

>80-100

0.16

0.22

0.30

0.44

0.60

0.88

1.2

1.8

>100-120

0.18

0.25

0.34

0.50

0.68

1.0

1.4

2.0

>120-140

0.28

0.38

0.56

0.76

1.1

1.5

2.2

>140-160

0.31

0.42

0.62

0.84

1.2

1.7

2.4

>160-180

0.34

0.46

0.68

0.92

1.4

1.8

2.7

>180-200

0.37

0.50

0.74

1.0

1.5

2.0

3.0

>200-225

0.41

0.56

0.82

1.1

1.6

2.2

3.3

>225-250

0.45

0.62

0.90

1.2

1.8

2.4

3.6

>250-280

0.50

0.68

1.0

1.3

2.0

2.6

4.0

>280-315

0.55

0.74

1.1

1.4

2.2

2.8

4.4

>315-355

0.6

0.82

1.2

1.6

2.4

3.2

4.8

>355-400

0.65

0.9

1.3

1.8

2.6

3.6

5.2

>400-450

0.70

1.0

1.4

2.0

2.8

4.0

5.6

>450-500

0.80

1.1

1.6

2.2

3.2

4.4

6.4

注:

1、本标准的精度等级分成1-8共8个等级。

   2、本标准只规定公差,而基本尺寸的上下偏差可按需要分配。

   3、未注公差尺寸,建议采用本标准8级精度公差。

4、标准测量温度18-22度,相对湿度60%-70%(在制品成形24H后测量)

塑料制品精度等级的选用

类别

材料名称

建议采用的精度等级

高精度

一般精度

低精度

1

PS/ABS/PMMA/PC/聚砜/聚苯醚/酚醛塑料粉/氨基塑料粉/30%玻璃纤维增强塑料

3

4

5

2

PA6/PA66/PA610/PA9/PA1010/硬PVC/氯化聚醚

4

5

6

3

POM/PP/HDPE

5

6

7

4

LDPE/软PVC

6

7

8

(3)在保证使用要求的前体下,精度设计的尽量低一些。

随着公差的严格要求,其制造加工精度与模具价格亦相对提高,所以产品设计者在图面上记入公差时,要注意公差的使用条件。

(4)、要考察同行同类产品的制造精度,高精度代表高质量。

(5)、要综合考虑工厂生产和加工设备精度及技术水平

3、制品的表面质量:

(1)包括制造质量:

型腔省模抛光,一般模具型腔粗糙度为Ra0.02—1.25um,制品的粗糙度比模具型腔粗糙度低1-2级。

(2)注塑质量:

水花,蛇纹,熔接痕,顶白变形,黑斑,披锋、凹痕等。

(3)烤柒质量:

(4)电镀质量:

(5)丝印质量:

(6)拉丝质量:

(7)抛光质量:

(8)汤金质量

(9)贴纸质量

(10)贴片

三、塑料制品的常见结构设计

1、脱模斜度

由于塑料冷却后产生收缩,会紧紧地包在凸模、抽芯、型芯上,或由于沾粘作用,塑料制品紧贴在凹模型腔上。

为了便于脱模,防止塑料制品表面在脱模时划伤等,在设计时必须使塑料制品内外表面沿脱模方向应有合理的脱模斜度。

确定脱模斜度时要注意一下几点。

(1)为不影响制品装配,一般往减胶方向加脱模斜度。

因此,加脱模斜度后所标的尺寸外部(型腔)尺寸为大端尺寸;内部(型芯)尺寸为小端尺寸。

(2)一般来说,凹模脱模斜度a大于凸模脱模斜度b。

目的是保证制品在开模时留在动模部分,但制品较高时,这样会导致壁厚不均,因此实际工作中大多都取a=b。

(3)不同种类的塑料其脱模斜度不同。

硬料比软料的脱模斜度大;收缩率大塑料比收缩率小的塑料的脱模斜度大;曾强塑料宜取大一点的脱模斜度;自润滑的塑料可取脱模斜度小一点。

常用塑料的脱模斜度见下表。

塑料名称

斜度

型腔a

型芯b

聚乙烯、聚丙烯、软聚氯乙烯

45′~1°

30′~45′

ABS、尼龙、聚甲醛、氯话聚醚、聚苯醚

1°~1°30′

40′~1°

硬聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚砜

1°~2°

50′~1°30′

热固性塑料

45′~1°

20′~50′

(4)制品的几何形状对脱模斜度也有一定的影响。

制品高度越高,孔越深,为了保证精度要求,脱模斜度宜取小一点;形状较复杂,或成型孔较多的塑料制品取较大的脱模斜度;壁厚大的制品,可取大一点。

(5)其它因素。

硬质塑料比软质塑料脱模斜度大一些;塑料越高,孔越深,则取较小的脱模斜度;壁厚增加,内孔抱紧力越大,脱模斜度也应取大一些;精度要求越高,脱模斜度要小一些。

在不影响塑料制品品质的前提下,脱模斜度越大越好。

(6)脱模斜度不包括在公差范围之内。

(7)型腔表面粗糙度不同,脱模斜度也不同。

对3D文件中没有脱模斜度的部分,参照技术说明中一般斜度的要求。

制品外观表面要求光面或纹面,其脱模斜度也不同,斜度值如下:

1)透明制品,模具型腔表面镜面抛光;小制品脱模斜度大于1度,大制品脱模斜度大于3度。

2)制品表面要求嗮纹,模具型腔表面要喷砂或腐蚀:

Ra<6.3um,脱模斜度大于3度;Ra≥6.3um脱模斜度大于4度。

具体可以参照下表:

3)制品表面要求火花纹,模具型腔表面在电极加工后不再抛光:

Ra<3.2um,脱模斜度大于3度;Ra≥3.2um脱模斜度大于4度。

2、塑料制品外形及壁厚

塑料制品尽量采用流线外形,避免突然变化,以免成型时因塑料在此处流动不顺引起气泡等缺陷,并且此处模具易产生磨损。

塑料制件的壁厚取决于塑件的使用要求,确定壁厚大小及形状时,需要考虑制品的结构、强度及脱模斜度等因素。

太薄会造成制品的强度和刚度不足,受力后容易产生 翘曲变形,成型时流动阻力大,大型复杂的制品就难以充满型腔。

反之,壁厚过大,不但浪费材料,而且加长成型周期,降低生产率,还容易产生气泡、缩孔、翘曲等疵病。

在满足性能及成型的情况下,尽量薄一些。

因为壁薄对于成型周期更为有利,且节省塑料。

设计制品壁厚时还应考虑塑料的流动性、收缩率及其它特性。

因此制件设计时确定 制件壁厚应注意以下几点:

1)结构强度和刚度是否足够。

在满足使用要求的前提下,尽量减小壁厚。

2)脱模时能否经受推出机构的推出力而不变形,成型顶出时能承受冲击力的冲击。

3)能否均匀分散所受的冲击力。

4)有嵌入件时,能否防止破裂,如果产生融合线是否会影响强度。

5)成型孔的融合线是否会影响强度。

6)能否承受装配时的紧固力。

承受紧固力部位必须保证压缩强度。

7)棱角及壁厚较薄部分是否会阻碍材料流动,从而引起填充不足。

壁厚应尽量均匀一致,避免突然变化,以减小内应力和变形,避免过厚部位产生缩孔和凹陷。

8)常见壁厚1.5—2mm,一般壁厚1—4mm,大型塑件壁厚6—8mm。

料名

合适壁厚/mm

料名

合适壁厚/mm

聚苯乙烯(PS)

1.5~3

聚丙烯(PP)

1.5~2.5

高抗冲击聚苯乙烯(HIPS)

2~3

聚酰胺(PA)

2~3.5

苯乙烯-丙烯腈共聚物(AS或AN)

1.5~3

聚甲醛(POM)

2~3.5

苯乙烯与丁二烯共聚、叫K料(BS)

1.0~6.0

聚碳酸酯(PC)

2~3.5

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)

1.8~3.0

聚氯乙烯(PVC)

2~3.5

有机玻璃(PMMA)

1.5~4.0

聚苯醚(PPO)

2~3.5

聚乙烯(PE)

1.0~2.5

聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)

1.5~4

(1)壁厚必须合理

壁厚太小,融融塑料在模具型腔中的流动阻力较大,难填充、强度刚度差;壁厚太厚易产生气泡,外部易产生收缩凹陷,且冷却时间长,料多也增加成本。

制品壁厚的大小取决于塑料流动性和制品大小。

下表为常用塑料的壁厚值:

塑料名称

最小壁厚/mm

小型制品推荐壁厚/mm

中型只凭推荐壁厚/mm

大型制品推荐壁厚/mm

聚酰胺

0.45

0.75

1.6

2.4~3.2

聚乙烯

0.6

1.25

1.6

2.4~3.2

聚苯乙烯

0.75

1.25

1.6

3.2~5.4

改性聚苯乙烯

0.75

1.25

1.6

3.2~5.4

聚甲基丙烯酸甲酯

0.8

1.5

2.2

4~6

硬聚氯乙烯

1.15

1.6

1.8

3.2~5.8

聚丙烯

0.85

1.45

1.75

2.4~3.2

聚碳酸酯

0.95

1.8

2.3

3~4.5

聚苯醚

1.2

1.75

2.5

3.5~6.4

醋酸纤维素

0.7

1.25

1.9

3.2~4.8

聚甲醛

0.8

1.4

1.6

3.2~5.4

聚砜

0.95

1.8

2.3

3~4.5

ABS

0.75

1.5

2

3~3.5

(2)通常壁厚小于1mm时为薄壁。

薄壁制品要高压高速来注塑,其热量很快被模具镶件带走,有时无须设计冷却水路。

(3)举例说明:

3、圆角

(1)圆角的作用

塑料制品的尖锐转角不安全,有对成型不利,在尖角处模具容易产生应力开裂。

消除塑料制品尖锐的转角,不但可以降低该处的应力集中,提高塑料制品的结构强度,也可以使得塑料材料成型时具有流线型的流路,以及成易于顶出。

另外,从模具角度来看,圆角也有利于模具的加工和模具强度。

(2)圆角对成品的设计有以下的一些有优点:

1)圆角使得成型品提高了强度以及降低了应力。

在制件的转角处易产生应力集中,在受力或受冲击、振动时会发生破裂,尤其像常用的工程塑料聚碳酸酯,如果成型条件不当或制件结构不合理,则会产生很大的内应力,特别容易产生应力开裂。

2)改善流动性,消除内应力。

在塑件结构设计中应避免在料流方向的尖角!

这样会产生局部应力且有注塑缺陷!

第二种为改良方案,消除了尖角!

圆角的好处是避免集中。

提高塑件的强度,改善塑件的流动性!

尖锐转角的消除,自动地降低了龟裂的可能性,可以提高对突然的震动或冲击的抵抗能力。

3)圆角可有利于充模和脱模。

塑料的流动阻力大为降低,圆形的转角,使得塑料能均匀,没有滞留现象及较少应力地流入型腔的截面,并改善了成型品断面密度的均匀性。

对于一些流动性差的塑料或加入填料的塑料,制件设计圆角尤为重要,不仅可改善充模性能,而且可提高制品使用性能。

4)圆角有利于模具制造,提高模具强度

制件上设计了圆角,模具的对应部位也呈圆角,这就增加了模具的坚固性,模具在淬火或使用时不致因应力集中而开裂,因而也增加了模具的强度。

模具强度获得改善,以避免模具内产生尖角,造成应力集中,导致龟裂等,特别时对于需要热处理或受力较高的部分,圆弧转角更为重要。

5)圆弧还使得塑料制品安全美观。

(4)圆角大小的确定。

塑料制品的内侧和外侧的周边转角圆弧都必须尽可能地大,以消除应力集中。

但是太大的圆弧可能造成收缩,特别是在加强筋或凸柱根部的转角圆弧。

原则上最小的转角圆弧为0.5~0.8mm。

1)为了增加边角的强度及增进充模的能力,内半径必须在壁厚的25%到75%之间,通常为50%,如图2-5所示,R内=0.25T,R外=1.25T。

T为壁厚。

2)若R/T<0.3,则易产生应力集中;若R/T>0.8T,则不会产生应力集中。

4、加强筋

为满足制件的使用所需的强度和刚度单用增加壁厚的办法,往往是不合理的,不仅大幅增加了制件的重量,而且易产生缩孔、凹痕等疵病,在制件设计时应考虑设置加强筋,这样能满意地解决 这些问题,它能提高制件的强度、防止和避免塑料的变形和翘曲。

设置加强筋的方向应与料流方向尽量保持一致,以防止充模时料流受到搅乱,降低制件的韧性或影响制件外观质量。

(1)加强筋的作用

1)增加制品的强度和刚度:

在不增加壁厚的情况下,加强塑料制品的强度和刚度,避免塑料制品曲翘变形。

2)改善熔体填充:

合理布置加强筋还可以改善充模流动性,减少制品内应力,避免气孔、缩孔和凹陷等缺陷。

3)用于装配:

在装配中用于固定或支持其它零件。

4)加强筋应用实例:

平板类零件防变形;螺丝柱防变形拉断。

5)适当的利用肋与角板不仅能够节省材料,减轻重量及减短成形周期,更能消除如厚横切面所造成的成形问题。

6)避免双台阶圆柱,应改为加筋台阶

(2)加强筋的设计要点

1)加强筋的尺寸:

加强筋之间的间距:

L≥4T

加强筋H宜小于3T。

加强筋太高还会增加模具的排气负担,同时增加塑料也不利于生产成本的控制。

加强筋的宽度(大端):

S=(0.5~0.7)T,加强筋太厚,制品背后易产生收缩凹痕。

加强筋根部倒角:

R=(1/8-1/4)T。

倒角可以改善溶胶流动性,避免制品产生应力开裂,但倒角太大会在制品背面产生收缩凹痕。

加强筋尽量使用最大的脱模斜度,以利于脱模。

加强筋的脱模斜度a一般0.25°~2°塑料制品表面有蚀纹或结合复杂的应加大脱模斜度,最大可达2°,这是因为形状复杂的制品脱模阻力大,如拔模角不够大会出现拉花现象。

2)加强筋尽量对称分布,避免塑件局部应力集中。

3)加强筋交叉处易产生过厚的胶位,导致反面产生收缩凹痕,应注意在此处减胶。

4)加强筋应布置在塑件受力较大或易受力之处,以改善塑件的强度。

5)各条加强筋的尺寸尽量相同或相近,可用同一个铜公打火花;避免塑件熔体局部集中而引起缩痕和汽孔。

CUT圆孔

6)在满足刚度、强度条件下,加强筋应尽可能设计的矮一些!

有利于脱模。

同时加强筋(骨位)太高,成型模具的相应镶件要组合镶拼,低于5mm时可不镶。

5、凸起

凸起的作用:

减少配合接触面积,不至于因制品变形而造成装配困难。

同时也使模具制作和修改更加方便。

凸起的高度约为0.4mm,一般3~4个。

当凸起或骨位引起制品内部收缩,表面出现凹陷时,可在凹陷位增设花纹等造型。

6、孔的设计

(1)孔的分类

孔包括圆孔、异形孔及螺纹孔,而任何一种孔又包括通孔、台阶孔和盲孔(不通孔)。

 

孔的形状和位置的选择,必须以避免塑料制品在强度上的减弱以及在生产上的复杂化为原则。

不管从模具结构上看,还是从熔胶流动性来看,圆孔都壁异形孔好,因此能用圆孔则不用异形孔。

螺纹孔用于制品间的连接,从模具结构上看他是最复杂的,因此有时候也用金属嵌件代替。

从模具结构上看,通孔比盲孔好,因为前者的型芯可以采用插穿,而后者的型芯只能做悬臂结构,在熔体的冲击下容易变形。

但从溶胶填充角度看,盲孔不通孔好,因为制品常会在通孔旁边形成熔接痕,影响外观。

熔接痕

浇口

(2)通孔:

通孔的作用:

一般用于通风散热,装配定位。

通孔的成型方法:

碰穿,插穿和前、后模镶针的碰插穿。

圆孔设计要点:

1)孔与孔之间距离B宜为孔径A的2倍以上。

2)孔与成品边缘之间距离F宜为孔径A的3倍以上。

3)孔与侧壁之间C不应小于孔径A。

4)通孔周边的壁厚宜加强(尤其时针对有装配性,受力的孔),切开的孔孔周边也宜加强。

(3)盲孔:

一般用于装饰外观,装配定位、固位。

盲孔设计要点:

盲注射成型时针易被冲弯,孔深度不宜超过孔径的4倍,而对于孔径在1.5mm以下的盲孔,孔深更不得超过孔径的2倍。

若加深盲孔则可用台阶孔。

如下图:

若孔径又小又深时,可注塑后再进行机械加工。

制品上的螺丝柱孔通常情况下是盲孔,但孔深往往大于4倍的直径,由于自攻螺钉攻进孔内深度只有6~8mm,型芯上端有点变形不会影响装配。

(4)异形孔:

一般用于通风散热,装饰外观。

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