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Montageplanung und Materialwahl

Bevor ich mit dem Bau beginne, überlege ich mir zunächst, wo die Solarpanels montiert werden sollen: Eins am Gartenschuppen, zwei am Balkongeländer,  und eines am Mast der Wetterstation.

Am Gartenschuppen steht eine gerade Holzwand zur Verfügung, was einen flachen Halter erforderlich macht. Das Balkongeländer sowie der Mast hingegen haben jeweils einen Durchmesser von 30 mm – hier ist ein Halter mit Rundung notwendig. Aktuell benötige ich also zwei unterschiedliche Befestigungstypen.

Als Solarpanel verwende ich ein monokristallines 2-Watt-Modul mit etwa 6 V Ausgangsspannung (siehe Bild 1.0.1). Für den elektrischen Anschluss am Panel habe ich mich für eine Standard-Hohlbuchse mit 5,5×2,1 mm entschieden (siehe Bild 1.0.2). Kabel und Schrauben sind in der Darstellung nicht enthalten, da sie je nach Anwendung variieren können. Die Panels sind im Fünfer- oder Zehnerpack bei diversen Onlinehändlern erhältlich. Ihre Abmessungen betragen 120 × 110 mm (Länge × Breite), wobei die Höhe zwischen 1,3 mm und 1,8 mm schwanken kann.

Konstruktion des Gehäuses

Das zentrale Bauteil für die Solarpanelhalterung ist der Rahmen. Er übernimmt sowohl die Stabilität als auch die Dichtfunktion des Gehäuses. Der Rahmen muss verwindungssteif sein, alle notwendigen Gewinde aufnehmen können und dabei dennoch kompakt bleiben. Das Solarpanel wird von hinten mit Leisten in seinen Sitz gepresst, sodass es an der Vorderseite dicht abschließt.
Um einen gleichmäßigen Anpressdruck zu erzeugen, sind mehrere Schrauben notwendig (siehe Bild 2.0.1).

Auf der Rückseite befindet sich ein Deckel (Bild 2.0.2), der zur Stabilität in X-Form verstärkt ist. Dieser Deckel nimmt außerdem die Hohlbuchse (5,5 × 2,1 mm) auf, die später mit einer kleinen Brücke befestigt wird. Eine der insgesamt vier Anpressleisten, die das Panel in den Rahmen drücken, ist in Bild 2.0.3 zu sehen. Zur Befestigung an Geländern oder Wänden kommt der Gelenkhalter (Bild 2.0.4) zum Einsatz. Dieser dient als Aufnahme für den Haltehebel, der das Gehäuse sicher fixiert und eine flexible Ausrichtung ermöglicht.

Auf Bild 2.1.1 ist der Halte Arm zur Geländer Befestigung angezeigt mit einem 30mm Durchmesser am Ende. Das Gegenstück für den Halter sieht man auf Bild 2.1.2. Die Brücke (Bild 2.1.3) zum Befestigen der Hohlbuchse am Deckel.

3D-Druck der Bauteile

Für den 3D-Druck habe ich folgende Druckausrichtungen für den Prusa MK4 gewählt (siehe Bild 3.0.1 und 3.0.2).
Besonders wichtig: Die Leiste muss natürlich viermal gedruckt werden, da sie an allen vier Seiten des Solarpanels zum Einsatz kommt.

Gewindeschneiden

Kommen wir nun zu meiner Lieblingsbeschäftigung: dem Gewindeschneiden. Zugegeben – gerade im Rahmen gibt es einiges zu tun (siehe Bild 3.1.1): Die grünen Markierungen zeigen 12× M3-Gewinde, die gelben 4× M3-Gewinde an.

Für alle, die nicht zu den größten Fans des Gewindeschneidens zählen, gibt es eine alternative Variante des Rahmens. Dieser ist mit Schlitzen zur Aufnahme von normalen M3-Muttern ausgestattet. Die passende Datei trägt den Namen: Deckel110x120_V1-2.stl (siehe Bild 3.1.3).
Die Vertiefungen für die Muttern sind zusätzlich in Bild 3.1.4 und 3.1.5 gut zu erkennen.

Beim Rückendeckel (Bild 3.1.2) lässt sich das Schneiden von Gewinden allerdings kaum vermeiden: Hier sind 3× M3-Gewinde und 2× M2-Gewinde notwendig.
Alternativ können jedoch auch selbstschneidende Schrauben verwendet werden – das spart Werkzeuge und Zeit.

Verlöten und Montage

Wenn alle 3D-Druckteile gereinigt und mit Gewinden versehen sind, kann das Solarpanel angeschlossen und verlötet werden.

Elektrische Anschlüsse

Die erste Hürde besteht darin, herauszufinden, wo sich der Pluspol am Panel befindet.
Auf der Rückseite des Solarpanels befinden sich lediglich zwei Lötlaschen, aber keine Kennzeichnung – also: Plus oder Minus? Um das schnell und eindeutig festzustellen, benötigen wir ein Multimeter. Stellen wir es auf Gleichspannungsmessung (DC) ein, hilft es uns, die Polarität zu erkennen.

Im Bild 4.0.1: Die rote Leitung (Plus) des Multimeters liegt auf einer der Lötlaschen, die schwarze Leitung (Minus) auf der anderen. Erscheint nun im Display ein Minuszeichen vor dem Messwert, bedeutet das, dass die rote Leitung am Minuspol liegt – also ist die gegenüberliegende Lasche der Pluspol des Solarpanels.

Im Bild 4.0.2 sehen wir die umgekehrte Konfiguration: Die rote Leitung liegt auf dem Pluspol des Panels, die schwarze Leitung auf dem Minuspol. In diesem Fall erscheint kein Minuszeichen im Display – die Polarität stimmt,
und wir wissen nun sicher, wo der Pluspol des Solarpanels ist.

Jetzt wird die Hohlbuchse mit dem Solarpanel verlötet. Welche Anschlüsse dabei verbunden werden müssen, zeigt Bild 4.1.1 deutlich.
Im Bild 4.1.2 sieht man die fertige Verlötung im eingebauten Zustand.

Zusätzlich habe ich am Pluspol der Hohlbuchse eine Diode angelötet (siehe Bild 4.1.3).
Diese schützt vor Rückstrom: Sollte am angeschlossenen Verbraucher keine eigene Schutzdiode vorhanden sein, würde das Solarpanel im Dunkeln Energie aus dem Akku ziehen – und ungewollt als Heizung arbeiten.

Ein typisches Beispiel:
Wenn ein Laderegler keine integrierte Diode besitzt, kann der Akku das Panel bei fehlendem Sonnenlicht rückwärts entladen.

Die Einbaurichtung der Diode ist entscheidend, damit der Strom nur in eine Richtung fließen kann.

Montage der Hohlbuchse und Einsetzen des Panels

Die Montage der verlöteten Hohlbuchse an der Haltebrücke ist in Bild 4.2.1 dargestellt.
Dazu wird die Hohlbuchse in die große Öffnung der Haltebrücke geschoben, bis das Gewinde auf der anderen Seite herausragt. Anschließend wird die Mutter auf das Gewinde gesetzt und festgezogen – das Ergebnis zeigt Bild 4.2.2. Nun wird das Solarpanel in den Haltesitz des Rahmens eingesetzt (siehe Bild 4.2.3, roter Rahmen).
Wer die Dichtigkeit erhöhen möchte, kann vor dem Einsetzen des Panels etwas elastischen Kleber gleichmäßig in den Sitz auftragen. Sitzt das Solarpanel korrekt, wird die erste Leiste aufgesetzt und mit einer Schraube in der Mitte leicht angezogen (siehe Bild 4.2.4, magenta Kreis). Zur Veranschaulichung nochmal eine Seitenansicht in Bild 4.2.5.

Befestigung der Leisten und Verschraubung

Nach und nach werden die restlichen Leisten jeweils mit der Schraube in der Mitte angebracht (siehe Bild 4.3.1). Anschließend werden die restlichen Schrauben eingesetzt, aber noch nicht fest angezogen (siehe Bild 4.3.2). Wenn das Solarpanel gleichmäßig sitzt, werden zuerst die mittleren Schrauben jeder Leiste fest angezogen.
Danach werden alle übrigen Schrauben festgezogen und nach einer kurzen Zeit nochmals nachgezogen. Falls das Solarpanel noch Spiel hat, kann man zwischen Solarpanel und Leiste etwas unterlegen, bis es fest sitzt. In Bild 4.3.3 sieht man, wie die Hohlbuchse samt Haltebrücke an der Innenseite des Rückendeckels befestigt wird.
Zum Abschluss wird der Rückendeckel mit vier Schrauben auf den Rahmen geschraubt (siehe Bild 4.3.4).

Bis zur Fertigstellung des Halters sind nur noch wenige Schritte nötig:
Zuerst wird die M6-Mutter in den Gelenkhalter eingepresst (siehe Bild 4.4.1).
Anschließend wird der Halter für das Geländer mit einer M6-Schraube am Gelenkhalter befestigt (siehe Bild 4.4.2).
Der Gelenkhalter wird nun mit drei M3-Schrauben am Rückendeckel verschraubt.
Nicht zu vergessen: Die M3-Muttern müssen in den Gegenhalter eingepresst werden, der später für die Montage am Geländer verwendet wird (siehe Bild 4.4.4).

Explosionszeichnung

Zur besseren Übersicht gibt es eine Explosionszeichnung des Solarpanelhalters in Bild 4.5.1.

Anmerkung

Natürlich gibt es auch alternative Befestigungsmöglichkeiten. So könnte man das Solarpanel beispielsweise im Garten am Blumenbeet anbringen – dort besteht jedoch die Gefahr, dass wachsende Pflanzen es nach und nach verdecken. In diesem Fall bietet sich ein Halter mit Aluminiumrohr und Erdspieß an (siehe Bild 5.0.1).
Auch auf dem Balkon lässt sich das Panel befestigen, etwa an Blumenkästen, die das Geländer verdecken. Hierfür gibt es ebenfalls eine passende Halterung mit Aluminiumrohr (siehe Bild 5.0.2).
Darüber hinaus ist auch eine Montage an einer Wand oder an einem Pfosten vorgesehen (siehe Bild 5.0.3).

Des Weiteren plane ich die Konstruktion eines Solarpanelhalters mit integriertem USB-C-Ausgang.

Das Solarpanel ist eine ideale Ergänzung für meine Kleingeräte und Sensoren im Außenbereich – und das sogar im Winter! Die benötigten Kabel lassen sich je nach Anforderung entweder selbst konfektionieren oder einfach kaufen. Grundsätzlich gilt dabei: je kürzer, desto besser.

Viel Freude beim Nachbauen – oder vielleicht hat dich dieses Projekt sogar inspiriert, selbst kreativ zu werden.

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• Solarpanelhalterung Gehäuse

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In meiner Werkstatt wird einiges geschraubt und dabei verwende ich am häufigsten Bits in den Varianten Torx, Innensechskant und Kreuzschlitz. Ich kaufe diese Bits immer in 10er oder 25er Packungen, weil die günstiger sind und ich gerne einen kleinen Vorrat habe. Beim Werkzeug gehts mir da ähnlich, deshalb habe ich beschlossen ein paar Bit-Adapter zu konstruieren und 3D zu drucken.

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Vorgehensweise

Als erstes habe ich Ordnung in meinen Steckschlüsselkoffern gebracht um herauszufinden welche Adapter tatsächlich benötigt werden. Bei den gängigsten Vierkantgrößen für Steckschlüssel handelt es sich um:

• ¼“ gleich 6,35 mm
• 3/8″ gleich 9,52 mm
• ½“ gleich 12,7 mm

Im Bild 2.0 habe ich einige Vierkantaufnahmen zusammengestellt. Bei Bild 2.0.1 handelt es sich um einen Sechskant Schaft ¼“ mit drei unterschiedlichen Vierkantgrößen. Diesen Sechskant Schaft kann man gut in ein Dreibackenfutter einspannen welches üblicherweise bei einer Bohrmaschine oder Akkuschrauber genutzt wird. Im Bild 2.0.2 ist die Variante mit Handgriff dargestellt, bei dem am Schaftende der Vierkant sitzt. In 2.0.3 sieht man drei Gelenke mit unterschiedlichen Vierkantgrößen und Bild 2.0.4 zeigt ein sogenanntes „Federndes Druckstück“. Das federnde Druckstück hat die Aufgabe beim Einführen in das Gegenstück sich zurück zu ziehen und in der Endposition in die vorgesehene Kerbe oder Rille im Gegenstück einzurasten. Dies gewährleistet einen besseren Halt beider Teile in der Verbindung. Die Stelle des federnden Druckstücks am Vierkant, habe ich mit roten Kreisen an einigen Vierkanten exemplarisch markiert. Mir ist es wichtig die Funktion zu erklären, da in der Konstruktion des Adapters eine andere Lösung realisiert wird.

CAD Konstruktion des Bit-Adapter

Die Realisierung am CAD geht eigentlich recht schnell von statten. Die Masse für die Tiefe des Vierkants auf der einen Seite und die Einstecktiefe des Sechskants auf der anderen Seite des Adapters wird an den Schäften gemessen. Bild 3.0.1 zeigt am Vierkant die Fläche (rot) die in den Adapter geschoben wird, welche gleich der Fläche im Bild 3.0.2 am Sechskant (schwarz) ist. Beim Bild 3.0.3 habe ich einen Schnitt gemacht und die Schnittfläche grün markiert. Die Platzierung der beiden Schäfte wird anhand der Farben dargestellt.

Für die Außenmaße der Adapter sind ausschließlich die Vierkant-Dimensionen ausschlaggebend. Da die Vierkantschäfte immer größer werden muss natürlich auch der Außendurchmesser des Adapters angepasst werden. Bei dem ½“ Adapter (4.0.3) habe ich deshalb eine Stufe angebracht. Es ist schließlich beim Sechskant genügend Material vorhanden, da er sich nicht verändert. Die Aussparungen oder auch Taschen an den Mantelflächen sind keine Showeinlage. Sie dienen einerseits der Stabilität des Adapters und sparen Material. An allen Adaptern sind die beiden Gewinde gleich. Die M3 Gewinde dienen zum optionalen klemmen der Schäfte.

Ich verwende Stiftschrauben mit Innensechskant, die am Ende flach sind um die Oberfläche der Schäfte nicht zu beschädigen. Man kann auch normale Schrauben verwenden, wenn sie einen nicht stören. Den Sitz oder Position der Gewinde sieht man beim Bild 3.0.3 in der Schnittdarstellung.

Exkurs federnde Druckstücke: Die federnden Druckstücke wurden bereits in Bild 2.0.4 erwähnt. Schon seit einigen Jahren versuche ich sie in Kunststoff zu verwenden und musste immer wieder feststellen, dass es nicht funktioniert. Es ist leichter die Klemmung mit Schrauben zu gestalten und funktioniert  garantiert!

Zum Schluss werden die Bit-Adapter gedruckt und gesäubert und die M3 Gewinde geschnitten. In den Bildern unter 5.0 sieht man an paar Beispiele für die Verwendung der Adapter.

Anmerkung

Die Bit-Adapter sind natürlich nur für den Einsatz unter 15Nm geeignet. Diesen Wert habe ich mit Karbonfaser verstärktem Filament locker erreicht. Bei höheren Werten besteht Bruchgefahr und daher auch Verletzungsgefahr!

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• Adapter 3/8″ zu  ¼“

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Liste der Komponenten

• LED Teelicht Set
• Knopfzelle CR2032
• Jumper Kabel
• Schrauben

Vorgehensweise

Als erstes habe ich mir ein LED Teelichter Set bestellt. Dieses habe ich vermessen und untersucht, ob man sie an ein Kabel anschließen kann. Ich war durchaus überrascht von der Technik wie die LED Strom von der Batterie bekommt. Es ist simple aber gut durchdacht! Mit dem Ein- und Ausschalter wird ein Metallstift an den Rand der Batterie geschoben. Dieser Rand ist der Pluspol. Der andere Metallstift steht fest im Gehäuse und berührt dauerhaft den Boden der Batterie. Der Boden ist der Minuspol. Die Metallstifte erinnerten mich an Pins von Jumperkabeln. Wie ich die Kabel an die Teelichter angeschlossen haben, könnt ihr der nachfolgenden Bilderserie entnehmen.

Als Erstes müssen Deckel und Kontaktfolie entfernt werden. Danach wird die Batterie entnommen.

Im Batterieschacht sind nun die beiden Stromabnehmer sichtbar. Der Minuspol wird mittels eines Schraubendrehers oder einer Zange in die vertikale Position gebracht.

Anschließend entfernt man die schwarze Plastikhülle (female) an beiden Jumperkabeln mit einem Seitenschneider. Aber Vorsicht, die Metallklemmen dabei nicht beschädigen oder verdrücken!

Ein Jumperkabel wird an den Pluspol und am Minuspol jeweils über den Pin geschoben und angepresst. Danach sollte man die Haltefähigkeit der Pressverbindung testen. Wenn die Metallklemmen fest auf den Pin sitzen, sollte noch die Funktion der LED überprüft werden. Beispielsweise mittels der ausgebauten Batterie.

Die Fixierung der Kabel wird mit Heißkleber durchgeführt. Zum Schluss nach nochmaliger Prüfung der Funktion der LED bringe ich noch ein Steckergehäuse an den Kabeln an. Wie man ein solches Steckergehäuse konstruiert, findet ihr hier.

Als zweites benötige ich noch einen Halter für meine verkabelten Teelichter. Den Halter möchte ich selbst am CAD konstruieren und danach am 3D Drucker ausdrucken. Wie man einen solchen Teelichthalter in Solidworks konstruiert könnt ihr im nachstehenden Video ansehen:

Nachdem der Teelichthalter konstruiert und gedruckt wurde, wird er noch lackiert. Anschließend kann das verkabelte LED Teelicht in den Halter montiert werden. Natürlich sollte der Halter zuvor ordentlich entgratet werden. Die Vorgehensweise seht ihr im nächsten Bild.

Bei der Verwendung des vorgestellten Teelichthalters muss man darauf achten die Kabel durch die dafür vorgesehene Bohrung zu führen. Bitte auch darauf achten die Kabel bei Schritt 6.4 nacheinander in die Bohrung zu stecken.

Stromversorgung

Als drittes kümmere ich mich um die Stromversorgung der Teelichter. Dafür nutze ich ein USB Netzteil mit 5V und einen Step down Modul wie z.B. den LM2596s. Der Spannungswandler soll mir die benötigten 3V liefern die die Teelichter benötigen. Zum Glück habe ich in der Vergangenheit einige Gehäuse für den LM2596 konstruiert, die ich hier verwenden kann.

Mit dem hier verwendeten LM2596 reduziere ich die Spannung vom USB-Charger von 5V auf 3V für die LED. Man kann die Spannung auch unter 3V anlegen, dann verringert sich lediglich die Leuchtkraft der LEDs. Die Anordnung der Halter im Bild ist nur ein Beispiel.

Falls man eine unabhängige Stromquelle z.B. eine Powerbank benötigt, bietet sich meine Powerbank mit 3V-Ausgang an.

Montage

Bei der Montage der Teelichthalter können verschiedene Schrauben verwendet werden. Je nach Untergrund kann man beispielsweise Holzschrauben oder Zylinderkopfschrauben nutzen. Alternative kann man die Halterung auch direkt an die Wand mit Hilfe von Dübel schrauben. Zu beachten ist nur, dass der Schraubenkopf größer als 7 mm und kleiner als 11 mm im Durchmesser sein muss. Die Bohrung für die Schrauben hat einen Durchmesser von 5 mm. Die Bohrung für die Kabel liegt vertikal auf der Mittellinie der Schraubenbohrung und der Mittelpunktabstand zu dieser beträgt exakt 7 mm. Der Durchmesser der Kabelbohrung liegt bei 4,5 mm.

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• Teelichthalter

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Um etwas Ordnung in der Werkstatt zu schaffen habe ich einen Aufbewahrungsbehälter für CR2032 und baugleiche Batterien dieser Art entwickelt. Da gibt es zwar schon ein paar, aber alle hatten das gleiche Manko. Die Batteriebehälter für die CR2032 müssen immer mit der richtigen Seite nach oben geöffnet werden, da sonst alles auf den Boden fällt. Mein Batteriebehälter für die CR2032 bieten eine sichere und saubere Aufbewahrung ohne das die Zellen herausfallen können. Dazu hat man immer den Überblick über die Anzahl der vorhandenen Batterien.

Es gibt den Behälter  in 2 Ausführungen, einmal für 10 und einmal für 22 Knopfzellen. Der Behälter besteht je aus einer Schublade und einer Hülle (Container) und ist sicher gegen Stöße und Abstürze. Die Batterien werden einfach eingeklickt und halten fest in ihrem Schubfach.

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Konstruktion Batteriebehälter CR2032

Der Behälter muss stabil und langlebig sein, aber trotzdem eine handliche Dimensionen haben. Zudem muss jede einzelne Batterie fest in ihrem Fach sitzen und dennoch leicht zu entnehmen sein. Dazu stellte sich mir auch die Frage wie viele Batterien der Batteriebehälter für die 2032 eigentlich beinhalten sollte. Die meisten Sets bestehen aus 5, 6, 8 oder 10 Stück, teilweise sogar aus 20 Stück. Auf jeden Fall musste der Container in meine Schreibtischschublade passen. Da ich mir nicht sicher war über die Anzahl der zu lagernden Batterien, entschied ich mich für zwei Varianten, eine mit 10 Stück und eine mit 22 Stück.

Die Konstruktion am CAD beginnt mit der Lade also dem Einschubteil und zwar das lange Teil für 22 Stück. Die Breite des Schachts hängt natürlich von der Breite der Batterie ab, die Batterie ist 3mm dick, um genau zu sein 2,95mm, und braucht genügend Luft zwischen den einzelnen Wänden. Es reicht für jede Seite ein Spalt von 0,15-0,2mm, um keine Reibung zu erzeugen. Wenn wir also alles zusammenzählen entsteht eine Schachtbreite von 3,3-3,4mm. Die Haltekraft die dafür sorgt, dass die Batterie nicht aus dem Schacht fällt erzeugen wir mit dem Kantentrick. Wir erstellen eine kreisrunde Tasche im Mittelpunkt des Einschubes mit einem größeren Durchmesser als die Batterie. Danach schneiden wir das Material über dem Mittelpunkt ca. 1 bis 3 mm ab, so entsteht eine Kante. Diese Kante muss im absoluten Längenmaß etwas kleiner als der Durchmesser der Batterie sein (In diesem Fall kleiner als 20mm). Wenn man nun die Batterie in den Schacht schiebt muss sie die Kante überwinden, was durch die Elastizität des Materials auch möglich ist.

Nun sitzt die Batterie im Schacht und kann nicht mit ihrem Eigengewicht die Kante in die andere Richtung überwinden. Dieses Prinzip ist eigentlich recht simpe, mit dem nötigen Wissen über Material, Fertigungstoleranzen, Kräfte und Haltemomente. Am Ende war es eine Mischung aus Erfahrung und einigen Probedrucken, bis das optimale Ergebnis erreicht wurde. Jetzt passt die Batterie sauber in den Schacht und hält perfekt. Und mit sanftem Druck lässt sich die Batterie auch wieder aus dem Schacht entfernen.

Das nächste Ziel war es den Einschub so zu konstruieren, dass dieser in die Hülle sicher hält. Das ist ebenfalls ein Zusammenspiel aus Materialelastizität und dem richtigen Durchmesser am Bund, der die Konstruktion zusammenhält. Nach ein paar Probedrücken war ich zufrieden.

Die Hülle des Batteriebheälters CR2032 ist schnell konstruiert. Im Grunde ist es ein Zylinder mit Boden. Der Innendurchmesser wurde an das Einschubmaß angepasst um die Verriegelung zu gewährleisten und die Bohrung im Hülsenboden dient der Entlüftung, denn wenn der Einschub in die Hülse geschoben wird muss die Luft entweichen können.

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• Batteriebehälter CR2032

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