La electrónica que perdura: cómo construí una laptop reliquia - 💡 Fix My Ideas

La electrónica que perdura: cómo construí una laptop reliquia

La electrónica que perdura: cómo construí una laptop reliquia


Autor: Ethan Holmes, 2019

Novena Heirloom es un sistema de envolvente personalizado de edición limitada que construí para usar con la computadora de código abierto Novena diseñada por Bunnie Huang y Sean Cross. Fue financiado por el público en cooperación con Crowd Supply, con sede en Portland, Oregon.

Varios conceptos prototipo fueron desarrollados para la campaña. Después de consultar con Huang, decidimos renunciar a un diseño de caballete a favor de un portátil con concha de almeja más tradicional. El requisito para que los usuarios accedan a los componentes internos defendió un teclado extraíble e impulsó el resultado final. El empuje del concepto de diseño es informado y, con suerte, sirve como un homenaje a los diseños antiguos de alta fidelidad realizados por Dieter Rams. El diseño final de Heirloom se mantiene sustancialmente fiel al prototipo del concepto original.

Construcción compuesta

El diseño de Heirloom se desarrolló con un compuesto de chapa de madera, tela de e-glass, corcho y epoxi para los paneles principales del gabinete. Influido por el uso de laminados de madera con bandas cruzadas para los diseños de mi cámara, me embarqué en una serie de pruebas con combinaciones de materiales que llevaron al proceso de fabricación utilizado para la computadora Heirloom. Este material demostró tener un equilibrio deseable de durabilidad, resistencia, peso, apariencia e impacto ambiental. Un beneficio adicional que se deriva del uso del corcho, a diferencia de la madera u otro material duro, para el material del núcleo, es una resistencia al impacto significativamente mejorada.

La construcción Heirloom utiliza madera en forma de madera sólida junto con los paneles compuestos. Mientras que el material compuesto se usa para las áreas de mayor superficie del panel LCD, la carcasa inferior y el panel de altavoz / interruptor trasero, se usa material sólido donde se requiere una fijación mecánica (los puntos de montaje de la bisagra inferior), se produce una conformación significativa ( rieles superiores e inferiores del panel LCD), o donde se requiera un borde más ancho (los largueros a lo largo de ambos lados del panel LCD).

Después de inspeccionar los ejemplos iniciales del material compuesto, Huang decidió enviar una muestra a sus asociados en el MIT para realizar pruebas estructurales. Una de sus publicaciones en el blog ilustra los resultados obtenidos de las pruebas.

El compuesto Heirloom es un material en capas cuyos constituyentes individuales contribuyen con un conjunto particular de propiedades deseables al resultado final. Esos materiales, en la secuencia estructural, son:

Chapa de madera de 0,7 mm

Paño de vidrio E6 de 5.6 oz

Núcleo compuesto de corcho de 3 mm 20 kg / m3.

Paño de vidrio E6 de 5.6 oz

Chapa de madera de 0,7 mm

La combinación se ensambla con una resina epoxi de alto módulo utilizando moldes personalizados en una configuración de molde sólido de dos partes o un sistema de sujeción de bolsa de vacío usado con un molde de una parte. Para formas curvas, a menudo utilizo un sistema de sujeción de banda accionado neumáticamente o una máquina de sujeción por presión de aire, pero ninguno de ellos resultó ser aplicable a este conjunto de componentes.

Especies de madera

Se eligieron cuatro especies de madera basándose en un equilibrio, su idoneidad para la tarea y las propiedades estéticas que aportarían al producto final. Estos son Makore, Walnut, Black Limba y Afrormosia.

Miré inicialmente al Nogal Occidental cosechado localmente. Una empresa con sede en Portland fabrica el material tanto en madera como en chapa, lo que resulta conveniente para un diseño que utiliza ambos. Con una figura y un color un poco más atractivos en mi opinión que el Nogal Oriental más común, este material tiene un carácter impresionante lleno de profundidad y color.

Un proyecto reciente me presentó a la Afrormosia, que antes era desconocida, una especie similar en apariencia a la Teca pero con su propio paladar y carácter de color único. Se oscurece con el tiempo hasta obtener un rico color marrón dorado y tiene las cualidades adecuadas para combinarse con la sensación del diseño de la herencia.

Una especie familiar para mí de mis diseños de cámara de madera es Makore. Tiene una hermosa figura de cinta, un tono rojo intenso y propiedades físicas apropiadas.

El Limba negro tiene una apariencia sorprendentemente única con rayas marrones serpenteantes que recorren un fondo de tonos amarillos. Afortunadamente, un proveedor local tenía un stock de la madera para ir con la chapa de origen de mi comerciante de chapa habitual.

La producción de un compuesto apropiado a partir de estas carillas requirió una experimentación extensa. Los candidatos epóxicos, aditivos tales como cab-o-sil y microesferas, y las técnicas de aplicación se ajustaron para minimizar el sangrado y optimizar el rendimiento. Se necesitaron tres estaciones de ensamblaje para cortar el tamaño del material, mezclar y aplicar epoxi, y moldear el material para darle la forma final. La chapa de nogal más gruesa se dimensionó al grosor (aproximadamente 0,7 mm) para que coincida con las otras carillas utilizando una lijadora de banda ancha. Normalmente un activo, la chapa de nogal más gruesa planteaba un desafío, tanto en la adaptación de las dimensiones dentro del proceso como en la obtención del radio de curvatura utilizado para dos de los paneles compuestos.

corcho

La industria del corcho ha estado expandiendo activamente su base de aplicaciones en los últimos años, por lo que el corcho se ha utilizado en productos que de otra manera podrían haber usado madera de nido de abeja o balsa para material de núcleo. Mi experimentación condujo a una serie de pruebas con corcho fácilmente disponible, pero finalmente requirió la compra de un rollo grande de corcho especial de 3 mm para fabricar los componentes Heirloom. Las propiedades naturales del corcho, que se cosechan durante mucho tiempo como un material sostenible, lo convierten en un excelente ajuste como material de núcleo compuesto para el Heirloom, al tiempo que contribuye a una menor huella ambiental.

Montaje

El panel LCD y los componentes del gabinete principal se ensamblan utilizando técnicas de sujeción de bolsas de vacío. Después de ensamblar las capas de los paneles en la estación de encolado, el conjunto se transfiere a la estación de moldeo donde se coloca en una bolsa con costura y se sella con una varilla de rodillo y abrazaderas. Luego se usa una bomba de vacío especial para evacuar la bolsa y permitir que la presión atmosférica cierre las capas mientras se cura el aglomerante epóxico. Para muchas aplicaciones de paneles, esta es la técnica más simple y rentable. Sin embargo, en el caso del panel posterior que transporta los altavoces e interruptores y es compatible con la parte posterior del teclado, el radio de curvatura es más estrecho de lo que puede manejarse de manera confiable con vacío. Aunque tengo un laminador de presión de aire que es capaz de presiones de sujeción mucho más altas que la bolsa de vacío, en este caso fue más sencillo crear un par de formas de doblado para laminar las piezas. Una cara de las formas de flexión tiene una superficie delgada de espuma de uretano para asegurar una presión completa y uniforme a través del laminado, ya que admite pequeñas variaciones en el espesor del material. Las formas se sujetan entre sí sobre las laminaciones preparadas utilizando abrazaderas de carpintería estándar.

Para aumentar la resistencia, mejorar la disipación de calor y realzar las propiedades estéticas del gabinete principal de Heirloom, elegí usar una forma ondulada en todo el ancho del panel inferior. La onda ligera proporciona una estructura semi-monocasco que refuerza la sección plana de la caja, al tiempo que proporciona una medida del flujo de aire a través de la parte inferior de la caja. Un detalle visual descubierto solo en una inspección completa es una ventaja adicional.

Componentes de metal

Con mi amplia experiencia en el diseño de combinaciones de metal y madera, e inspirado en el trabajo del diseñador alemán Dieter Rams, elegí incorporar aluminio para las dos placas laterales en el diseño de Heirloom.

Estas placas están diseñadas con una brida integral que se utiliza para unirlas al panel inferior compuesto ondulado del gabinete. Una segunda sección de la brida sostiene el panel trasero a cada lado. La placa lateral izquierda está empotrada y perforada para permitir que la PCB pase a través de una placa de puerto ajustada que incluye aberturas para cada conector en la matriz de puertos. La placa de puerto también incorpora pequeñas ranuras en la superficie interior que soportan el extremo del puerto de la placa PCB donde los orificios de los tornillos originales son inaccesibles debido a la profundidad de la placa lateral. Una gran faceta a lo largo de los bordes superior e inferior de cada placa reduce la masa y mejora el atractivo visual del recinto principal.

Disposición interna El montaje de los PCB principales y de la batería, la batería y el SSD en el gabinete se complica ligeramente debido a la forma ondulada de la base del gabinete. Consideré la instalación de insertos roscados de diferentes alturas para presentar una superficie superior plana para soportar los PCB, pero rápidamente pasé a considerar la instalación de una placa unificadora en la parte inferior del gabinete para acomodar todos los componentes que se instalarían allí. Como Huang había incorporado la matriz de Peek roscada en su diseño para un recinto Novena, decidí seguir su ejemplo y diseñar una placa de aluminio Peek para el recinto Heirloom.

En ese momento, estaba investigando posibles soluciones de enfriamiento pasivo y parecía que una gran superficie de aluminio podría ser útil en esa aplicación. Esta placa de aluminio se adhiere al compuesto a través de tres filas de insertos roscados instalados en el compuesto utilizando un enfoque similar al utilizado en los paneles LCD y Altavoz / Interruptor. En cada caso, un orificio perforado acepta un inserto de latón roscado pegado en su lugar utilizando uretano y adhesivo de cianoacrilato endurecido con caucho.

Una serie de ubicaciones de orificios en la placa Peek aceptan separadores cautivos estándar de acero inoxidable para proporcionar ubicaciones de montaje para las PCB y el SSD. Las ubicaciones de inserción restantes crean la matriz Peek. Debido al diseño abierto, estos resultaron ser problemáticos para el proceso de instalación de tuercas cautivas estándar, así que diseñé una solución de inserción roscada alternativa que tiene el beneficio adicional de un área de superficie superior más grande para aplicaciones de montaje discretas.

La batería, el ensamblaje del ventilador y una tabla de ruptura específica para la reliquia ocupan parte de la matriz Peek, dejando una pequeña cantidad de espacio para las instalaciones del usuario. Diseñé y coloqué soportes personalizados para el SSD y los montajes de batería.

El ventilador centrípeto que utilizamos para la refrigeración de la CPU tenía disposiciones de montaje que no funcionaban y no había una forma de atar a los disipadores de calor que Huang había obtenido. Así que diseñé y diseñé en CNC un diseño de placa de aluminio que reemplaza una cubierta en el ventilador y proporciona ubicaciones de montaje de placa Peek, un montaje para el disipador de calor y la posibilidad de una futura cámara de transferencia de calor.

Panel LCD El LCD elegido para el proyecto Novena tiene una superficie relativamente grande sin imágenes en la parte inferior que requería una solución para cubrir esa área y permitir el enrutamiento de cables en el diseño del panel. Además, las bisagras necesitaban ser unidas a través de un espacio de captura de hilos relativamente poco profundo y, a la vez, proporcionan una rigidez a largo plazo para la acción de giro. Decidí que una placa de aluminio resolvería perfectamente ambos problemas. El diseño está ahuecado en la superficie interior al tiempo que proporciona ubicaciones de profundidad completa para montar las bisagras y los tornillos de montaje que sujetan la placa de la bisagra a la cubierta del panel LCD más grande.

La placa de la bisagra resultante está enchapada para coincidir con el resto de la envoltura Heirloom y tiene el riel del panel LCD de fondo sólido unido y sujeto mecánicamente a su borde inferior. Colocar el panel LCD en el gabinete principal sería interesante.

Bisagras

Un aspecto particularmente desafiante del proceso de diseño de Heirloom fue el suministro de bisagras adecuadas para el concepto de diseño. Quizás haya cuatro proveedores principales de las bisagras de torsión especiales necesarias para sostener una pantalla de computadora portátil en cualquier posición elegida. La mayoría de estos están diseñados para ocultarse dentro de los componentes de plástico moldeado de un diseño típico de computadora portátil y, por lo tanto, no son particularmente presentables en un diseño como el de Heirloom. Algunos de estos diseños también incluyen disposiciones para el enrutamiento del cable LCD, lo que complica aún más su aspecto. Además, los medios de unión generalmente se basan en componentes metálicos ocultos que se utilizan para absorber las fuerzas de torsión ejercidas sobre la hoja de la bisagra de área pequeña que se encuentra comúnmente en estas bisagras estándar. Estaba buscando una bisagra que se asemejaría a una bisagra de joyero estándar. La combinación de esa idea con la pequeña producción de Heirloom creó una propuesta de abastecimiento desafiante.

Un poco de investigación finalmente encontró bisagras de stock que cumplían con el requisito de apariencia. Pero el demonio en los detalles demostró cuán pocas bisagras tenían un diseño de hoja adecuado. Los meses transcurrieron a medida que transcurrían las conversaciones con los proveedores sobre las opciones de bisagras semi-personalizadas. Eventualmente, pude organizar un pedido personalizado sin demandas mínimas excesivamente notorias ni costos unitarios de partes. Tras una espera ansiosa por su llegada, el diseño resultante de la bisagra cumplió con todos los requisitos. Después de diseñar e implementar una solución de enrutamiento de cables y la fabricación por CNC de los morteros más bajos para las bisagras, el panel LCD se unió con éxito al gabinete principal.

Debido a que la fricción de torsión de las bisagras no permitirá que el panel LCD se cierre completamente contra el gabinete inferior, un conjunto de imanes incrustados en los miembros del marco de madera del panel LCD y los lados de aluminio del gabinete proporcionan la atracción magnética suficiente para alentar la Cierre completo de la tapa.

Manejo del calor

Las primeras discusiones con Huang llevaron a un deseo compartido de crear una solución de enfriamiento pasivo para el caso Heirloom. El recinto abierto utilizado en el diseño de la caja Novena de Huang significaba que había poca necesidad de un sistema de enfriamiento mejorado. Aunque el Heirloom está diseñado para permitir una aplicación abierta con el teclado colocado en frente del gabinete (lo que permitiría una gran cantidad de aire de enfriamiento), quizás se use más frecuentemente con el teclado apoyado en el gabinete. Esto crea un sistema cerrado con poco flujo de aire natural. Las pruebas en esta configuración cerrada confirmaron que el calentamiento de la CPU podría convertirse en un problema.

Así que empecé a investigar las posibilidades de un sistema de enfriamiento pasivo para la reliquia. Finalmente, comencé una larga serie de conversaciones con ingenieros de proveedores de sistemas de refrigeración como Aavid y Enertron sobre la transferencia de calor de la CPU a un área de disipador de calor más grande a través de la tecnología de tubería de calor.

El objetivo inicial de la investigación fue la importante masa de aluminio presente en las placas laterales, en particular la placa lateral izquierda más cercana a la CPU. Así que comencé a diseñar una serie de placas de evaporador y condensador y crear vías de tubería de calor entre ellas. El primer intento, con un conjunto de aletas de enfriamiento (calculado por un ingeniero) cortado en el borde superior o inferior de la placa lateral, finalmente resultó insatisfactorio debido a la corta duración del acoplamiento de la superficie de enfriamiento con el extremo del condensador del tubo de calor y la extensa Trabajo de máquina requerido para implementar las aletas de enfriamiento.

Con la placa lateral derecha demasiado alejada de la CPU para una solución de tubería de calor, se generó una serie adicional de conceptos en cooperación con dos ingenieros. En cada caso, un requisito crítico no estaría a la altura de las expectativas. El ritmo lento de este proceso de diseño y el impacto potencial en los elementos de diseño críticos del resto del caso, me llevaron a considerar solo una última opción antes de concluir que se necesitaría algún tipo de enfriamiento activo.

Acababa de completar la primera iteración del diseño de la placa Peek en aluminio y todavía me preguntaba si esta superficie de aluminio bastante grande podría servir como un disipador de calor. Dibujé otro concepto con una trayectoria de tubo de calor que conduce al área no comprometida debajo del SSD. Había una gran cantidad de área para obtener una longitud significativa de acoplamiento para el extremo del condensador de las tuberías de calor. Y el arreglo recordaba las fotos que me envió uno de los ingenieros que se refirió a él como un "plato frío".Pero cuando se presentó para revisión, uno de los dos ingenieros indicó que la falta de suministro y de aire de escape y el flujo de asistencia a través de la placa harían de esta una solución inadecuada. El otro ingeniero indicó que sí que parecía una posible opción. Ante esta diferencia de opinión, y con una cantidad considerable de tiempo invertido en lo que podría ser un callejón sin salida, decidí ver qué pensaría Huang sobre el uso de una solución de enfriamiento activa.

Anteriormente había contactado a otro ingeniero para que desarrollara una nueva tecnología de enfriamiento de factor de forma pequeño basada en diafragma, y ​​confiaba en que podríamos encontrarla adecuada para la tarea. Tenía la ventaja de ser una adición simple a un disipador de calor montado en la CPU estándar, por lo que las restricciones espaciales eran mínimas. Pero los continuos fallos en el proceso de desarrollo de la producción para el fanático lo dejaron fuera de la mesa para su consideración. Entonces, después de una consulta con Huang, él consiguió el pequeño ventilador centrípeto que trabajamos en una solución.

Disipación de calor basada en ventiladores Cuando Huang llegó a Portland durante una semana para resolver algunos de los detalles de Heirloom, ya habíamos elaborado el diseño general de un ensamblaje de ventilador / disipador de calor / tubería de calor. Una posible preocupación era cómo dirigir el aire de escape fuera del caso. Comenzamos las pruebas sin una solución en su lugar, esencialmente moviendo aire dentro del estuche. Las pruebas indicaron que el sistema estaba funcionando como se desea, incluso sin la placa de condensador personalizada unida térmicamente al disipador de calor o el disipador de calor debidamente canalizado al ventilador. Las placas laterales de aluminio de la caja parecían estar haciendo un trabajo razonable de disipar el calor con cualquier alojamiento especial. Así que empecé a trabajar en una solución para conectar el ventilador a la matriz Peek y al disipador de calor. Después de un par de rápidos prototipos CNC en aluminio, una versión final hizo el truco al tiempo que permitía la modernización de una cámara de escape en caso de que fuera necesario.

Huang tiene un dispositivo de imágenes térmicas para su teléfono que usó para hacer esta foto de Heirloom que muestra la distribución del calor. La placa lateral derecha y el respiradero del altavoz indican que se está escapando del calor, mientras que el respiradero del altavoz del lado izquierdo muestra el efecto de enfriamiento del aire aspirado en el gabinete.

Ponentes

El sistema de sonido Heirloom implicaba inicialmente la obtención de controladores de altavoces adecuados. El espacio sería limitado, así que ordené una selección de diseños de controladores que podrían ser útiles dada esa restricción. Las pruebas simples redujeron rápidamente el campo a un candidato prometedor con un puerto sintonizado. Se proporcionó adecuadamente para encontrar su camino en el diseño del gabinete, así que me propuse incorporarlo en los dibujos. Un panel compuesto destinado a la tarea ocupó el espacio entre el borde posterior del teclado y el riel de la bisagra en la parte posterior del gabinete. Todo lo que quedaba era permitir la transmisión de sonido más allá de la superficie del panel. Sabía que un patrón de perforación era mi preferencia, así que comenzó el dibujo. Rápidamente se hizo evidente que la forma redonda que quería proporcionaba algunos desafíos para conjurar un diseño visualmente atractivo. Pero en un momento me di cuenta de que mi inspiración de alta fidelidad vintage tenía algo que ofrecer.

El brillante Dieter Rams había usado un diseño de parrilla de parlante redondo en muchos de sus diseños de equipos de sonido. Busqué algunos ejemplos y descubrí que el diseño era tan eficiente que decidí rendir homenaje a este diseñador seminal y usar su diseño con solo pequeños ajustes. Una vez que había determinado la mejor forma de cortar el patrón de orificios en el complicado material compuesto, pude agregar el interruptor necesario y los orificios de inserción roscados y las holguras de los pasadores de PCB. Los controladores están montados de manera resistente con un pequeño espacio contra la parte inferior del panel, lo que permite que las parrillas cumplan una doble función en las necesidades de refrigeración del sistema. El resultado final tiene el toque vintage que buscaba y agradables cualidades del alma para un diseño de sonido simple.

Cambio de sistema

Inicialmente pensé en usar interruptores táctiles con ubicaciones de actuación grabadas con láser en la superficie superior del panel posterior. Las pruebas iniciales con una placa de ruptura lista para usar parecían indicar que podría funcionar, pero una placa de aplicación personalizada diseñada por Huang mostró que podría haber algunos problemas de confiabilidad asociados con una conexión a tierra inadecuada. Al darse cuenta de que este enfoque era técnicamente complicado, también comenzó a parecer que una aplicación de conmutación táctil podría ser más confiable y estar más en consonancia estéticamente con el concepto general.

Tuve un conjunto de muestras de interruptores de cúpula de Snaptron, así que seleccioné un diseño con las propiedades adecuadas y le pedí a Huang que trabajara en la PCB para respaldarlos. Los actuadores debían estar alineados con la superficie superior del panel posterior. Diseñé y fabricé en CNC una base de interruptor empotrada y un actuador con el diseño de clavija especificado en la parte inferior para interactuar adecuadamente con el interruptor de domo y una forma de botón suave más grande en la parte superior. La combinación resultante se integra muy bien con el resto del diseño de Heirloom y proporciona un clic audible y táctil satisfactorio cuando se presiona. Se pueden acceder a interruptores adicionales a bordo al retirar el teclado.

Finalmente, la adición de un circuito de detección magnético en el PCB de soporte del altavoz sirve para permitir al usuario elegir entre las acciones de cierre de la tapa en respuesta al imán correspondiente montado en la placa de bisagra de aluminio.

Teclado

La computadora Novena está diseñada para la experimentación e incluye una variedad de puntos de acceso al sistema de hardware. Numerosos pines, interruptores, un puerto FPGA y un par de puertos USB están disponibles dentro del gabinete del modelo Heirloom. La computadora portátil Heirloom tenía que tener disposiciones para acceder fácilmente al espacio interno. Para cumplir con este requisito, el diseño Heirloom utiliza un teclado ThinkPad de tamaño compacto con un factor de forma bastante ideal para la tarea.

Para crear el diseño de Heirloom, decidí colocar este teclado entre un reborde en el riel frontal de madera maciza y un borde curvo a lo largo de la parte frontal del panel posterior que lleva los altavoces e interruptores. Un objetivo secundario era dejar las patas traseras del teclado en la posición inferior cuando se colocan en el gabinete. Los pies bajados ayudan a devolver el teclado a su posición acunada.

Una característica interesante de la ThinkPad es un borde frontal sutilmente curvado donde la palma de la mano de un usuario descansa mientras escribe. Aproveché este detalle haciendo coincidir y continuando la curva a lo largo del riel frontal para crear un elemento ergonómico cómodo para el diseño Heirloom.

Un elemento final de la integración del teclado es una ranura para un solo dedo en el riel frontal que permite la extracción fácil del teclado y ofrece una segunda vía para el flujo de aire dentro del interior del gabinete.

Los pies

Es común que los diseños de computadoras portátiles incluyan patas de elastómero con respaldo adhesivo aplicadas a un hueco empotrado en la carcasa de plástico o aluminio. Debido a los detalles particulares del diseño, elegí otro medio para incorporar pies en el diseño Heirloom. Después de considerar una variedad de conceptos, me decidí por un sistema que utiliza una bola de uretano pequeña, relativamente alta (una medida de dureza). Se inserta con un ajuste de presión modesto en un orificio en el que se ha instalado previamente un tornillo de fijación, lo que proporciona un medio de ajuste. Las bolas son relativamente fáciles de reemplazar por desgaste y causan una impresión visual mínima en el diseño general. La carga relativamente alta ejercida sobre la pequeña huella del conjunto de cuatro bolas parece asegurar un buen agarre en la mayoría de las superficies de trabajo.

Me esforcé por hacer que el diseño de Heirloom fuera lo más exitoso posible, dada la gran escala del desafío y la muy pequeña escala de producción. De ninguna manera aborda cuestiones de diseño o producción de grado de consumo. Cada una de estas computadoras es esencialmente un proyecto único. Creo que Heirloom cumple la mayoría de los objetivos que me propuse para el proyecto y debería servir bien a los usuarios como una herramienta inusual, útil y como una parte única, aunque muy pequeña, de la historia del diseño de computadoras.

Agradecimientos especiales a:

Bunnie Huang - genio hacker

Sean Cross - hacker co-genio

Josh Lifton y todo el equipo en CrowdSupply.com

Darrell Rossman (ahora en CrowdSupply)

Zane Grey (tienda forebird)

Lisa Cenotto - la única.

Kurt Mottweiler

Portland, Oregon 2016



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