CAD / CAM im Modellbau - Von der Idee bis zum Frästeil
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fmt-workshop
CAD / CAM im Modellbau
Von der Idee bis zum Frästeil Historisches
Seitdem Menschen etwas gebaut
haben, hatten sie sich zuvor durch
Jochen Zimmermann Skizzen und Pläne eine Übersicht
über das Projekt verschafft. Schon
Die Technische Zeichnung ist bei unserem hobby mo- aus frühen Kulturen sind neben
dellbau ebenso die Grundlage für die Fertigung wie in Darstellungen des täglichen Le-
der industrie. Dort ist bei der Konstruktion (caD) bens auch detaillierte Konstrukti-
onszeichnungen von technischen
und der herstellung von Bauteilen (cam) der einsatz Dingen erhalten.
von computer und nc-maschine längst Standard. Während ich bei dem Wandbild
Die heutigen möglichkeiten von caD/cam im modell- aus Ägypten etwas nachhelfen mus-
ste J, um den Bezug zur Fliegerei
bau aufzuzeigen ist inhalt dieses dreiteiligen Work- zu bekommen, haben Ikarus und
shops.als Übungssoftware steht eine FmT-Sonderediti- Dädalus sicherlich eine Menge kon-
on der deutschen caD-Software megacaD zum Down- struiert, bevor sie mit dem Bau ihrer
Ikarus und Dädalus gelten gemäß Flügel begonnen haben. Nur leider
der griechischen Mythologie als
load (30-Tage-Testversion) zur Verfügung. ist von diesen Unterlagen nichts
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die ersten Flieger mehr erhalten. Zudem ist ja auch
nicht so ganz eindeutig geklärt, ob
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Die 3-Tafel-Projektion beschreibt Bauteile durch mehrere Ansichten. Hohl-
räume oder Hinterschnitte werden zusätzlich durch Schnitte beschrieben.
Die Isometrie vermittelt zusätzlich ein plastisches Bild.
Leonardo da Vinci gilt als Wegbereiter der technischen Dokumentation Vektoren (links) behandeln Geometrien als Ganzes während Pixelpro-
und Konstruktion gramme Punkte darstellen (rechts), die keinen funktionellen Zusammen-
hang haben
CAD – Die Technik von Kreta aufs Festland damals und internationaler Ebene bis heute des PC unter DOS waren die Wei-
Beim Umgang mit grafischen Infor- genau so stattgefunden hat. weiterentwickelt. Arbeitsmittel für chen für die Nutzung von CAD auf
mationen in Softwareprogrammen Leonardo da Vincis Ideen und Planung und Konstruktion war viele breiter Basis gestellt. Die ersten
können prinzipiell zwei gegen- Versuche sind keinesfalls sagenum- Jahrzehnte lang das Zeichenbrett. Systeme fanden Mitte der 80er
sätzliche Techniken zum Einsatz woben und für die Fliegerei sicher- Dieses wurde mit der Entwicklung Jahre ihren Einzug in die Konstruk-
kommen, die hier erklärt werden lich bahnbrechend. Hätten zu seiner der Rechentechnik von CAD-Pro- tionsabteilungen von Unterneh-
müssen. Man unterscheidet zwi- Zeit die technischen Möglichkeiten, grammen nach und nach abgelöst. men und in Ingenieurbüros. Mit
schen Pixel-orientierter und Vektor- speziell die passenden Werkstoffe Der Begriff CAD kommt – wie so wachsender Rechenleistung des
orientierter Arbeitsweise. zur Verfügung gestanden, so hätte vieles rund um Computer – aus dem PC und mit großen Anstrengungen
Der Begriff ‚Pixel’ bezeichnet die Geschichte der Fliegerei viel- Englischen und bedeutet Computer seitens der Softwarehersteller zur
in der Informationstechnik einen leicht mehrere Jahrhunderte früher Aided Design, also Computer un- einfacheren Bedienung der CAD-
Punkt (dot) als kleinste darstell- begonnen. terstütztes Zeichnen. Systeme ist heute die Konstruktion
bare Größe. Diese kann sich auf Die überlieferten Dokumente Anfangs waren die Berechnun- und Planerstellung am Bildschirm-
die physikalische Darstellbarkeit enthalten die wesentlichen Merk- gen in CAD-Programmen nur von Arbeitspatz in Unternehmen zum
im Sinne der Auflösung am Bild- male von Konstruktionszeichnun- leistungsfähigen Großrechnern zu Standard geworden.
schirm, Drucker oder Scanner be- gen, wie sie auch heute noch erstellt beherrschen, weswegen für die Die Vereinheitlichung von Be-
ziehen oder auch auf die Feinheit, werden: Darstellung in mehreren rechnergestützte Konstruktion in dienweisen durch Windows und
mit der eine Software intern die Ansichten (Draufsicht, Seiten- und der Regel die Anbindung an ein die Umstellung auf grafische Be-
Darstellung von Grafiken berech- Vorderansicht, Schnitt) sowie der Rechenzentrum benötigt wurde. nutzeroberflächen in den Software-
net. Schnell wird klar, dass diese Perspektive zur besseren Verständ- Auch die später folgende ‚Mitt- Programmen erlauben heute auch
Auflösung immer endlich ist, d. h. lichkeit. lere Datentechnik’ mit UNIX als Gelegenheitsanwendern den Ein-
egal wie fein hier berechnet wird, Im Rahmen der Industrialisie- Betriebssystem war im Handling satz von CAD. Die hier vorgestellte
es ergibt sich bei der Darstellung rung wurden Ende des 19. Jahrhun- recht aufwändig und kostenin- deutsche CAD-Software MegaCAD
von schrägen Linien oder Bögen derts Konventionen für die Zeich- tensiv. Damit war der Einsatz von hat diese Entwicklung seit Ende
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immer eine – mehr oder weniger nungserstellung festgelegt. Diese CAD automatisch auf Großfirmen der 80er Jahre entscheidend be-
sichtbare – Stufigkeit. wurden in Normen auf nationaler beschränkt. Mit der Entwicklung einflusst.
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Hierzu ein Beispiel: Ein Foto,
von einer modernen Digitalkamera
mit 6 Megapixel aufgenommen be-
steht aus 2.848×2.136 Bildpunkten.
Wenn Sie diese Fotografie auf einem
guten Monitor mit einer Auflösung
von 1.280 (horizontal) × 1.024
(vertikal) betrachten, kann das Bild
in seiner wahren Qualität nur Ab-
schnittsweise dargestellt werden.
Wollen Sie die Fotografie komplett
sehen, muss der Bildschirm interpo-
lieren. Dieses Zusammenfassen von
mehreren Bildpunkten zu einem
führt unweigerlich zu einer Ver-
schlechterung der Darstellungsgüte.
Vektoren – dieser Begriff ist
vielleicht dem einen oder anderen
noch aus der Schulzeit bekannt
– sind dagegen eine mathema-
tische Berechnungsmethode. Es
werden Elemente wie Linien, Der Varioprop: Design, technische Konstruktion und Fer- Animation einer Bewegung: Darstellung des ein-
Kreise oder Bögen definiert, die tigung mit MegaCAD und MegaNC und ausgefederten Fahrwerks einer Catalina und
durch wenige Bestimmungswerte Phasen des Einziehvorganges (Konstruktion: Tech-
zu beschreiben sind. Die Grafik nik und Design Ramoser; Animation: 4CAM GmbH)
soll hier die Technik veranschau-
lichen. Die Linie links ist durch
die Angabe der Punkte A1 und gilt für den Kreisbogen. Aus den entscheidungen, ob das Kästchen einen Kreisbogen interpretieren, ist
B1, d. h. durch die Vektoren vom Punkten A2 und B2 ergibt sich (Pixel, dot) weiß oder schwarz nur der wunderbaren Kombination
Nullpunkt des Koordinatensystems über den Kreismittelpunkt MP2 ist. Mit dieser Datenmenge ist aus Sinneswahrnehmung und Intel-
zum Anfangs- bzw. Endpunkt der automatisch der Radius und die aber erst diese grobe Darstellung ligenz des Menschen zu verdanken.
Linie eindeutig definiert. Hinzu Bogenlänge. Damit ist es zu erklä- erfasst. Soll die Linie weniger stufig Damit erkennt man, dass die
kommt die Information, dass es ren, dass bei der Darstellung durch und dünner beschrieben werden, Präzision und die Schnelligkeit in
eine Gerade sein soll, die zusätzlich Vektoren die abgebildete Grafik wächst die Datenmenge schnell der Berechnung und Darstellung
durch mehrere Attribute näher durch zwei einfache Textzeilen zur ins Unermessliche. von technischen Zeichnungen am
beschrieben ist. Diese Attribute Definition der Linie und des Bogens Unser Beispiel ging jetzt von PC (CAD) nur mit der Vektorgrafik
sind die Linienart (ausgezogen oder als Datensatz gespeichert werden einer schwarz-weißen Grafik aus. erreicht werden können.
gestrichelt), die Linienstärke, die kann. Die Information dagegen, die Was muss der arme PC erst für eine Die bisherigen Erläuterungen
Farbe oder die Zugehörigkeit zu die Pixelgrafik rechts beschreibt, Menge abspeichern, wenn noch die haben sich auf die 2-dimensionale
einem Layer (Ebene). Gleiches besteht aus 40×40=1.600 Einzel- üblichen 16,7 Millionen Farben (32 Zeichnung bezogen. Im 3D, auf das
bit Farbtiefe), die jeder einzelne wir hier nur am Rande eingehen
Punkt haben kann, hinzukommen! wollen, kommt in der CAD-Soft-
Während der Arbeit an einer ware noch die Mengenlehre hinzu
Konstruktion werden ständig die (keine Angst, diese ist hier sehr
gezeichneten Linien oder Kreise schön verpackt und leicht verständ-
mit anderen bzw. neu hinzu kom- lich). Damit lassen sich plastische
menden Zeichnungselementen in Objekte und deren Lage im Raum
Beziehung gebracht. So können bei- beschreiben. Aus dem 3D-Modell
spiels-weise Schnittpunkte ermittelt lassen sich dann beliebige Ansichten
oder Elemente verlängert oder ge- und Schnittdarstellungen ableiten,
kürzt werden. Die Vektorrechnung die letztlich als Werkstattzeichnung
die auf geometrischen Grundlagen bzw. Datensatz die Grundlage für
aufbaut kann dies leisten. In der die handwerkliche oder NC-gestütz-
Pixelgrafik im rechten Bild hingegen te Fertigung darstellen.
wissen zwei benachbarte Punkte
nicht, dass sie zur gleichen Linie Nichts mehr
gehören! Für den ‚dummen’ PC doppelt machen
handelt es sich hier einfach um Neben der Präzision von Konstruk-
Wiederkehrende Bauteile oder Konstruktionshilfen können aus Bibliothe- eine wahllose Menge von weißen tionen, die mit CAD möglich ist
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ken geladen werden. Diese Sammlungen können beliebig erweitert oder oder schwarzen Punkten. Dass wir gibt es natürlich noch weitere ent-
angepasst werden. diese eindeutig als eine Linie oder scheidende Gründe für den Einsatz
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MegaNC-Eingabemaske für die Technologie Kontur: Werkzeugdaten und CNC-Fräse KOSY in Aktion – hier entstehen Rippen einer Nemere
Bearbeitungsparameter werden mit CAD-Daten verbunden
der Software. Ein gewichtiges Ar- natürlich wie bei anderen Program- Verschiebeachsen virtuell erprobt Im Folgenden und in den beiden
gument ist sicherlich die Tatsache, men auch nicht groß genug sein. Ab und der Einbausituation angepasst Praxisteilen dieses Workshops will
dass man das beinahe unendliche 17 Zoll Bildschirmdiagonale kann werden. ich die Begriffe und Arbeitsschrit-
Gedächtnis des PC nutzt, um immer man aber schon recht gut arbeiten. te am Beispiel von MegaNC, einer
wiederkehrende Arbeiten zu verein- Daten für die Fertigung CAM-Erweiterung für MegaCAD
fachen. Teile die einmal gezeichnet Beispiele aus der Praxis Betrachten wir nun eine weitere und der Fräsmaschine KOSY er-
sind, werden als Baugruppen abge- Der erst kürzlich in der FMT vor- Möglichkeit der Verwendung der läutern. Die Vorgehensweise ist
legt und stehen dann per Mausklick gestellte Verstellpropeller Varioprop CAD-Daten. Der sich anschließen- natürlich weitgehend auf andere
jederzeit für einen weiteren Einsatz aus dem Hause Technik und Design de Schritt hin zur Fertigung steht Produkte übertragbar.
zur Verfügung. Gleiches gilt für Ramoser soll hier als Referenz für unter dem Begriff CAM (Computer Wie kommt nun eine Fräsma-
Normteile (Schrauben, Stifte, etc.) einen erfolgreichen Einsatz von Aided Manufacturing). Die industri- schine dazu, die Ergebnisse meiner
oder Komponenten. Herstellerkata- CAD in der Modelltechnik stehen. ellen Herstellungsverfahren sind Konstruktionsarbeit herzustellen?
loge stehen teilweise in Symbolbi- Die Konstruktion der Propeller- dabei vielfältig. Fräsen, Drehen, Der Weg zum Bauteil benötigt ab
bliotheken zur Verfügung oder sind blätter sowie der Naben und des Lasern, Brennschneiden oder Stan- hier noch folgende Schritte:
gleich in die Software integriert. gesamten Innenlebens des Props zen stehen für die Herstellung von 1. den Zeichenelementen Techno-
Gleichzeitig können eigene Archive wurden auf der Vollversion von Bauteilen aus Halbzeugen wie Klöt- logiedaten zuweisen
angelegt und gepflegt werden. MegaCAD durchgeführt. Die zen, Rundmaterial oder Blech. Es 2. ÜbersetzenderFräsbefehlein
Konstruktionsdaten dienen dabei müssen aber auch die inzwischen die geeignete Maschinensprache
Ausstattung nicht nur für die Ableitung der etablierten Verfahren aus dem Be- durch den Postprozessor der Soft-
Lange galt CAD als teuer, schwer zu mittels CNC-Technik gefertigten reich des Rapid Prototyping genannt ware
bedienen und ‚hardware-hungrig’. Werkzeuge. Zusätzlich stehen die werden. Bei der Stereolithographie, 3. Einrichten des Werkstük-
Das trifft nicht für MegaCAD zu. 3D-CAD-Daten für das Marketing dem FDM (Fused Deposition Mo- kes auf dem Maschinentisch
Auf einem handelsüblichen PC, der zur Verfügung. Prospekte und der delling) oder dem Lasersintern wer- 4. Starten der DNC-Übertragung
auch gerne ein paar Jahre auf dem Internetauftritt können damit schon den Bauteile beliebiger Geometrie Unter Technologiedaten ver-
Buckel haben darf ist die 2D-Version mit Bildmaterial bestückt werden, hergestellt. Dabei wird in einer steht man einen Satz von Anweisun-
problemlos zu betreiben. Für den bevor die erste Form hergestellt ist. mit flüssigem Kunstharz gefüllten gen, der beschreibt wie das CAD-
3D-Einsatz gibt die Herstellerfirma Wanne der Kunststoff per Laser Element (Linie, Bogen, 3D-Körper,
MegaTech Software GmbH eine Als die Bilder punktuell gehärtet und so schicht- …) bearbeitet werden soll. Die
Mindestanforderung von 500 MHz laufen lernten weise das 3D-Modell aufgebaut (Ste- wichtigsten Parameter die bestimmt
CPU bei 256 MB Arbeitsspeicher Neben der rein bildlichen Darstel- reolithographie). Das FDM arbeitet werden müssen sind: Durchmesser
an. Bei großen Projekten und bei lung von Konstruktionen finden wie eine ‚High-Tech-Klebepistole’, und Form des Fräsers, Drehzahl
der Modellierung von Freiformflä- 3D-Daten eine weitere sinnvolle indem es auch Schicht für Schicht und Vorschub (wie schnell soll
chen darf es dann gerne auch mehr Verwendung in der Simulation von feinste Kunststoffbahnen aufbringt im Werkstück gefahren werden),
Leistung sein. Bewegungsabläufen. Die folgende und so einen Prototypen aus Poly- Bahnkorrektur (auf der Linie, recht
Vorbei sind die Zeiten, wo man Abbildung zeigt das Fahrwerk einer amid oder Polycarbonat entstehen oder links davon), Frästiefe und
für den CAD-Einsatz zwei Moni- Catalina (Konstruktion: Ramoser lässt. Dieser hat bereits annähernd die Zustellung (wie tief darf das
tore und ein Tablett benötigte. Technik und Design, Animation: die Werkstoffeigenschaften des spä- Werkzeug auf einmal eintauchen).
Die heutigen Programme werden 4CAM GmbH). Die Lagerpunkte teren Serienbauteils. In der Werkzeugbibliothek lassen
über grafische Menüs mit der Maus von Fahrwerksschwinge und Knie- sich Fräser oder Bohrer einrichten.
bedient. Hinzu kommen Hotkeys strebe und deren Geometrie sind MegaNC und KOSY Diesen wird neben ihren Geome-
(Schnelltasten auf der Tastatur zum entscheidend für einen korrekten Für den Modellbau ist sicherlich triedaten auch ein Vorgabewert für
Aufruf von Funktionen), die die Ar- Einziehvorgang. Im Softwaremo- das Fräsen die interessanteste und die Vorschübe und – falls in der
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beit erheblich beschleunigen. Der dul Kinematik kann die Bewegung praktikabelste Methode, um von der Steuerung möglich – die Drehzahl
Monitor (Röhre oder TFT) kann durch die Definition von Dreh- oder Zeichnung zum Bauteil zu kommen. zugewiesen. Somit können die
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Werkzeuge gleich passend zu den
MegaNC 2005 als FMT-Edition
Werkstoffen vorgewählt werden. Im Rahmen dieses FMT-Workshops bietet die Firma 4Cam GmbH die NC-Version von MegaCAD als
Bei den Werten für die Bearbeitung Sonderausgabe MegaNC 2005 fmt.edition an. Das 2D-Konstruktions- und CAM-Werkzeug können
beeinflusst natürlich die Erfahrung Sie zum Sonderpreis von 750,- erwerben. Die 3D-Variante kostet als fmt.edition 999,- .
des Anwenders im Umgang mit der Diese Versionen enthalten neben den leistungsfähigen Konstruktionsfunktionen bereits die
Möglichkeit NC-Datensätze zu erstellen bzw. diese direkt im DNC-Betrieb an die CNC-Fräse KOSY zu
Materie unmittelbar die Lebensdau-
senden.Ebenso beinhaltet die Software Bibliotheksteile für den Einsatz im Modellbau.Gegenüber den
er des Fräsers. Wer sich hier mit MegaCAD-Versionen für die 2D- und 3D-Konstruktion im gewerblichen Einsatz (1.850,- bis 6.350,- )
dem Grundsatz „von den kleinen Vor dem eigentlichen Fräsvorgang besteht lediglich eine Einschränkung im Funktionsumfang. Dieser wirkt sich nur unwesentlich auf
Werten zu den großen“ an das wird das Werkzeug eingerichtet die Möglichkeiten der 2D- oder 3D-Konstruktion aus, sondern bedeutet lediglich Einschränkungen
Optimum herantastet, wird sicher und das Bauteil angetastet beim Komfort, was für den Einsatz im Hobby vertretbar ist.
Im Downloadbereich der FMT-Homepage (www.vth.de) finden Sie einen Link zum kostenlosen
keinen Schiffbruch erleiden.
Download einer zeitlich beschränkten Test-Version.
Neben der Technologie Kontur mitgeteilt. Eine Feinjustierung (mit Auf Grund der relativ hohen Datenmenge können Sie auch eine CD anfordern:
stehen die Taschenbearbeitung, einer Genauigkeit von wenigen 4CAM GmbH, MegaCAD Competence Center, Hauptstr. 18, 86756 Reimlingen, Tel.: 09081 8050670,
Bohrungen, 3D-Körper und sogar Hundertsteln) erfolgt dann durch Internet: www.4cam.de
steuerungsspezifische Zyklen zur das sogenannte Antasten. Dabei
Verfügung. wird die Maschine mit der Hand-
Der Postprozessor ist ein Pro- steuerung in Z-Richtung verfahren, Ausgängen zur Automatisierung Befehl zum Weiterarbeiten mit ei-
grammteil das im Hintergrund wer- bis der Fräser die Werkstückober- gewandelt. nem anderen Fräser erfolgt je nach
kelt. Passend zur Steuerung der an- fläche berührt. Dieser Arbeitsschritt Bei der Steuerung der KOSY Ausstattung ein manueller oder
zusprechenden Maschine werden erfolgt automatisch mit dem Start ist der PC zusätzlich in das Si- automatischer Werkzeugwechsel.
die Technologiedaten in Maschi- des eigentlichen Fräsjobs. cherheitskonzept der Anlage inte- Mit dem letzten Steuerungsbefehl
nencode (G-Code) übersetzt. Ist die Die Anlage ist jetzt schon im griert. Während der Abarbeitung fährt die Spindel in eine definierbare
An-lage einmal richtig konfiguriert DNC-Betrieb (direct numerical des NC-Programms steht er für Parkposition (Werkstückwechsel-
bekommt der Anwender gar nichts control). Der PC übernimmt die andere Aufgaben oder Programme position), um das fertige Bauteil
von diesem wichtigen Arbeitsschritt Eigenschaft des Bedienpultes der nicht zur Verfügung. Die Bear- auszuspannen.
mit. Die Software MegaNC ist so Maschine und sendet die Befehle beitungsschritte werden auf dem Soweit die theoretischen Grund-
ausgelegt, dass sie sich an belie- paketweise direkt an deren Steue- Bildschirm angezeigt, jede Tasta- lagen, in der nächsten Ausgabe
bige Steuerungen anpasst. Das rungselektronik. Dort werden diese tureingabe bedeutet ein Notaus für folgen nun praktische Übungen zum
NC-Programm, das in Textform in Signale für die Antriebe der drei die Maschine. Umgang mit CAD. Im dritten Teil
die Maschinenbefehle enthält wird Achsen, der Relais für die Spindel, Die CNC-Fräse arbeitet satzwei- des Workshops wird dann Schritt
dabei normgerecht entsprechend den Werkzeugwechsel oder das se das Programm ab. Es können Pau- für Schritt beschrieben, wie aus
DIN 66025 ausgegeben. Damit sind Kühlmittel oder für die Überwa- sen zum Entfernen von Spänen oder unseren CAD-Daten gefräste Bau-
nicht nur die kleinen Fräsanlagen chung von angeschlossenen Ein-/ Bauteilen vorgesehen werden. Beim teile entstehen.
der KOSY-Klasse anzusprechen,
sondern jede beliebige Werkzeug-
maschine aus dem industriellen
Umfeld.
Bevor die Daten nun auf die
Maschine losgelassen werden muss
das Werkstück auf dem Maschi-
nentisch befestigt werden. Dazu
stehen vielfältige Techniken zur
Verfügung. Die Bandbreite reicht
dabei vom Doppelklebeband über
die Klemmung mittels eines Ex-
centerspanners, Schaubstocks oder
Spannpratzen bis zur Vakuum-
spanntechnik. Den Ausschlag über
die beste Methode geben die Werk-
stückgeometrie, der Werkstoff, die
Anordnung der Fräsbahnen und die
zu bearbeitende Stückzahl.
Ist das Bauteil fixiert und auch
ein Werkzeug eingespannt, muss
der Maschine noch mitgeteilt wer-
den, wie hoch sich die Nullebene (in
der Regel die Oberfläche) des Werk-
stücks über dem Maschinentisch
befindet und welche Ausspann-
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länge der Fräser hat. Beides wird Für die 3D-Konstruktion wird auf Scan-Daten zurückgegriffen. Über die Rumpfquerschnitte in der 3-Seitenansicht
gemessen und der Software (grob) wird der Rumpf als 3D-Modell erstellt und ein exakter Strak ermöglicht.
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