플라스틱 기어 설계 가이드: 재료 선정, 형상 및 제조 방법

현대 동력 전달 시스템에서 플라스틱 기어가 금속을 대체하고 있는 이유

플라스틱 기어는 이제 단순한 경량 소비자용 제품을 훨씬 뛰어넘는 수준에 이르렀습니다. 오늘날 플라스틱 기어는 자동차 조향 시스템, 산업용 로봇, 의료용 펌프, 항공우주용 액추에이터 등에서 동력을 전달하는 데 사용되고 있습니다. 이를 이끄는 기술적 장점은 매우 매력적입니다. 경량화, 다양한 응용 분야에서 윤활유 사용 불필요, 금속 기어 대비 6~10 dBA의 소음 감소, 내식성, 그리고 기계 가공 시 비용이 너무 많이 들어 실현하기 어려운 복잡한 형상을 성형할 수 있는 능력 등이 있습니다. 잘 설계된 플라스틱 기어는 중부하 간헐 운전 환경에서 금속 기어보다 우수한 성능을 발휘할 뿐만 아니라, 대량 생산 시 비용이 50%에서 70%까지 절감됩니다.

그러나 플라스틱 기어 설계에서 성공을 거두기 위해서는 금속 기어 설계와는 근본적으로 다른 공학적 접근 방식이 필요합니다. 재료 선정, 톱니 형상 최적화, 열 관리, 제조 공정 선택 등은 모두 서로 밀접하게 연관된 결정 사항으로, 종합적으로 고려하여 함께 내려야 합니다. 이 가이드에서는 성능 요구 사항을 충족하면서도 목표 비용 내에서 생산이 가능한 플라스틱 기어를 설계하기 위한 포괄적인 프레임워크를 제공합니다.

재료 선정: 기어 성능의 기초

재료 선택에 따라 기어의 토크, 속도, 온도 및 윤활 조건에 대한 작동 한계가 결정됩니다. 부하 조건에 맞지 않는 재료를 선택하는 것은 플라스틱 기어 고장의 가장 흔한 원인입니다.

POM(아세탈 단일중합체 및 공중합체)은 가장 널리 사용되는 플라스틱 기어 소재입니다. 이 소재는 피로 강도, 자체 및 금속과의 낮은 마찰계수, 우수한 치수 안정성, 그리고 킬로그램당 약 $3~$5 수준의 합리적인 비용 사이에서 탁월한 균형을 제공합니다. POM 공중합체는 호모폴리머에 비해 내화학성이 우수하고, 피로 균열 발생의 원인이 될 수 있는 중심선 기공률이 낮으며, 사출 성형 시 가공 범위가 더 넓기 때문에 기어 용도로 선호됩니다. POM 기어는 최대 90°C의 연속 작동 온도에서 건식 또는 그리스 윤활 조건에서 최상의 성능을 발휘하며, 간헐적으로는 120°C까지 견딜 수 있습니다.

PA66과 PA6는 POM보다 내열성과 내충격성이 뛰어나, 충격 하중이나 고온 환경에 노출되는 기어에 적합합니다. 유리섬유 강화 PA66은 충전재가 없는 PA66에 비해 톱니 굽힘 강도를 50%에서 80%까지 높여주지만, 마모성이 강한 유리섬유로 인해 맞물리는 기어와의 마모가 가속화되므로 윤활 시스템이나 희생 마모 부품이 필요합니다. 나일론 기어는 환경의 수분을 흡수하며, 일반적으로 상대 습도 50%에서 중량 기준으로 2%~3%의 수분을 흡수하며, 이로 인해 0.5%~0.8%의 치수 팽창과 25%~40%의 탄성 계수 감소가 발생합니다. 기어 톱니 형상은 성형 직후의 건조 상태가 아닌, 습기 영향을 받은 상태의 치수와 특성에 맞춰 설계되어야 합니다.

고온 용도의 경우, 여러 소재가 작동 범위를 확장합니다. 융점이 295℃이고, 충전재가 없는 상태에서는 150℃, 유리섬유가 함유된 경우 최대 180℃까지 연속 사용이 가능한 PA46은 타이밍 체인 텐셔너를 포함한 자동차 엔진룸 내 기어 용도로 지정되어 있습니다. PPS GF40은 최대 220℃의 연속 사용 온도에서 작동하며 뛰어난 내화학성을 갖추고 있어, 화학 공정 장비 및 오일 펌프 기어에 적합합니다. 260°C에서 연속 사용이 가능한 PEEK는 항공우주 액추에이터 기어, 반도체 장비 및 반복적인 증기 멸균 과정을 거치는 의료 기기 기어에 사용됩니다. PEEK 탄소섬유 강화 등급은 다이캐스트 아연에 근접하는 톱니 굽힘 피로 강도를 제공하면서도 무게는 80%보다 가볍습니다.

기어 톱니 형상: 인볼루트 프로파일

플라스틱 기어는 금속 기어와 동일한 인볼루트 톱니 형상을 사용합니다. 인볼루트 프로파일은 공액 작용을 제공하기 때문인데, 이는 중심거리의 변동에 관계없이 맞물림 전반에 걸쳐 각속도 비율이 일정하게 유지된다는 것을 의미합니다. 작동 중 열팽창과 수분 흡수로 인해 유효 중심거리가 변하기 때문에, 이는 플라스틱 기어에 있어 매우 중요한 요소입니다. 인볼루트 형상은 사이클로이드 형상이나 다른 형상과 달리, 전달 오차를 유발하지 않으면서 중심거리의 변동을 상쇄합니다.

플라스틱 기어의 표준 압력각은 20도로, 이는 금속 기어의 표준과 일치하여 재질이 혼합된 기어 트레인에서도 호환이 가능합니다. 14.5도의 압력각은 작동 소음이 적기 때문에 경부하 용도로 가끔 사용되기도 하지만, 접촉비가 높아져 톱니 강도가 약해지므로 일반적으로 동력 전달 용도로는 권장되지 않습니다. 고하중 플라스틱 기어의 경우, 25도 압력각을 적용하면 동일한 모듈을 가진 20도 치아에 비해 치아 굽힘 강도를 15%에서 25%까지 높일 수 있습니다. 대신 반경 방향 베어링 하중이 증가하고 미끄럼 속도가 약간 높아지는데, 이는 건식 구동 기어의 마모율에 영향을 미칠 수 있습니다.

플라스틱 기어의 경우, 톱니 형상 수정이 필수적입니다. 톱니 끝부분에서 소량의 재료를 제거하는 ‘팁 릴리프(tip relief)’는 하중 하에서 발생하는 톱니의 처짐을 보정하고, 톱니가 맞물릴 때 발생하는 충격 소음을 줄여줍니다. 플라스틱 기어의 경우, 모듈의 0.01~0.02배에 해당하는 팁 릴리프가 일반적이며, 이는 플라스틱 톱니의 처짐이 더 크기 때문에 금속 기어에 적용되는 팁 릴리프의 약 두 배에 해당합니다. 뿌리 필렛 반경은 플라스틱 기어의 강도에 매우 중요합니다. 맞물리는 기어의 끝단과 간섭을 일으키지 않는 한도 내에서 가능한 한 크게 설계된 풀 반경 뿌리 필렛은 굽힘 피로 강도를 극대화합니다. 플라스틱은 응력 집중 부위에서 피로 균열이 발생하는 노치 민감성 소재이므로, 플라스틱 기어는 금속 기어에서 허용되는 날카로운 뿌리 모서리를 피해야 합니다. 루트 필렛 반경은 모듈의 0.38배 이상으로 설정하는 것이 권장되며, 고하중 용도의 경우 모듈의 0.45배가 바람직합니다.

플라스틱 기어의 치아 강도 계산

플라스틱 기어 톱니의 강도는 플라스틱 재료에 맞게 수정된 루이스 굽힘 방정식을 사용하여 계산됩니다. 루이스 형상 계수는 톱니 형상을 반영하는 반면, 재료 허용 응력은 플라스틱의 온도 의존적 및 속도 의존적 특성을 반영합니다. 금속 기어 설계와의 결정적인 차이점은 플라스틱의 허용 굽힘 응력이 단일 값이 아니라는 점입니다. 이는 작동 온도, 하중 사이클 수 및 하중 듀티 사이클에 따라 달라집니다.

주어진 사이클 수에서 플라스틱 기어의 허용 굽힘 응력은 해당 사이클 수에 대한 재료의 피로 강도를 적절한 안전 계수로 나눈 값입니다. 섭씨 23도에서 1,000만 사이클을 적용한 POM의 경우, 굽힘 피로 강도는 약 30~35 MPa입니다. 동일한 조건에서 PA66의 경우, 조건화 상태에서는 약 25~30 MPa이며, 성형 직후의 건조한 PA66은 강도가 더 높으나 수분 흡수에 따라 강도가 감소한다는 점에 유의해야 합니다. 23℃에서 1,000만 사이클을 거친 PEEK CF30의 굽힘 피로 강도는 약 55~65 MPa이며, 이 값은 POM이나 PA66보다 훨씬 더 높은 온도에서도 유지됩니다.

온도 감압은 작동 온도가 상승함에 따라 허용 응력을 감소시키는 계수를 통해 적용됩니다. POM의 경우, 80℃에서의 굽힘 강도는 실온 값의 약 60% 수준입니다. 120℃에서 PA66의 굽힘 강도는 실온 조건 하의 값의 약 50% 수준입니다. PEEK는 150℃에서도 실온 굽힘 강도의 80% 이상을 유지합니다. 특정 소재 등급에 대한 온도 감압 곡선은 소재 공급업체로부터 확보하여 기어 설계 계산에 사용해야 합니다.

백래시 및 간극 설계

백래시는 피치 원상에서 측정된 맞물리는 기어 톱니 사이의 간극을 말합니다. 이는 열팽창, 수분 흡수 및 제조 공차를 상쇄해 주기 때문에 플라스틱 기어에 필수적입니다. 백래시가 부족하면 톱니 간 간섭이 발생하고, 마찰과 발열이 증가하며, 마모가 가속화되거나 고착 현상이 일어납니다. 반면 백래시가 과도하면 전달 오차가 커지고 소음이 발생하며, 구동 방향이 반전될 때 충격 하중이 증가합니다.

플라스틱 기어의 경우, 권장 백래시는 동등한 금속 기어보다 큽니다. 일반적인 지침에 따르면, 플라스틱-플라스틱 기어 쌍의 경우 모듈의 0.04~0.08배인 반면, 강철 기어의 경우 모듈의 0.02~0.05배입니다. 정확한 값은 재료 조합에 따라 달라집니다. 플라스틱-플라스틱 기어 쌍은 두 기어 모두 팽창하기 때문에 더 큰 백래시가 필요합니다. 플라스틱-금속 기어 쌍의 경우, 플라스틱 기어만 팽창하고 금속 기어는 방열판 역할을 하므로 백래시를 더 적게 설정할 수 있습니다. 최대 사용 온도에 가까운 조건에서 작동하는 고온용 플라스틱 기어의 경우, 백래시는 기어 재질과 하우징 재질 간의 열팽창 차이를 기준으로 계산해야 하며, 냉시동부터 최대 온도까지의 전체 작동 온도 범위를 고려해야 합니다.

윤활 전략

윤활은 기어의 수명에 2배에서 5배까지 영향을 미치는 매우 중요한 설계 결정 사항입니다. 윤활 방식으로는 플라스틱 기어에만 적용 가능한 ‘건식 운전’부터 그리스, 오일 배스, 고체 윤활제 시스템에 이르기까지 다양한 옵션이 있습니다.

POM 기어의 경우, 접촉 압력과 미끄럼 속도의 곱인 PV 값이 재료의 한계 PV 이하로 유지되는 저부하 및 중부하 조건과 저속에서 건식 운전이 가능합니다. 저속에서 POM의 한계 PV는 대략 0.1~0.2 MPa × m/s입니다. 건식 운전 시에는 신중한 소재 조합이 필요합니다. 건식 조건에서는 POM과 POM이 접촉할 때 마찰과 마모가 가장 적습니다. POM과 PA66이 접촉할 경우, 두 소재는 화학적 성질이 달라 POM-POM 접촉 시 형성되는 유익한 전이막이 생성되지 않기 때문에 마모율이 증가합니다.

그리스 윤활은 기어의 수명을 크게 연장시켜 주며, 산업용 플라스틱 기어에 가장 널리 사용되는 윤활 방식입니다. 광물유 기반 그리스는 일부 엔지니어링 플라스틱, 특히 폴리카보네이트와 비정질 나일론에서 응력 균열을 유발할 수 있으므로 합성 탄화수소 또는 퍼플루오로폴리에테르 그리스가 선호되지만, POM과 PA66은 일반적으로 광물유 기반 그리스와 호환됩니다. 그리스는 적당량만 도포해야 합니다. 과도한 그리스는 추가적인 이점을 제공하지 않으면서 교반 손실과 작동 온도를 증가시킵니다. 기어 톱니 사이에는 약 10~50 마이크로미터 두께의 윤활막이 형성되면 경계 윤활 및 혼합막 윤활 조건에서 충분합니다.

플라스틱 컴파운드에 고체 윤활제를 첨가하여 내부 윤활을 구현함으로써, 많은 응용 분야에서 외부 윤활이 필요 없어집니다. PTFE가 충전된 POM은 충전되지 않은 POM에 비해 마찰 계수를 20%에서 30%까지 낮춥니다. 실리콘 오일이 충전된 등급은 기어의 수명 기간 동안 윤활제를 표면으로 이동시킵니다. MoS2가 충전된 PA66은 외부 그리스가 열화될 수 있는 고온 응용 분야에 건식 윤활 기능을 제공합니다. 고체 윤활제 충전제는 일반적으로 베이스 수지의 인장 강도와 굽힘 강도를 5%에서 15%까지 감소시키므로, 톱니 강도 계산 시 이를 반드시 고려해야 합니다.

제조 공정: 사출 성형, CNC 가공, 호빙

사출 성형은 연간 2,000~5,000개 이상의 생산량을 요구하는 플라스틱 기어의 주된 제조 방법입니다. 이 공법은 15~45초의 사이클 타임으로 완제품 기어를 생산하며, 2차 가공이 필요하지 않습니다. 금형은 재료 수축률을 고려해야 하며, 일반적으로 충전제가 없는 재료의 경우 1.5%~2.5%, 유리섬유 강화 등급의 경우 0.3%~1.0%의 수축률이 각 치수에 적용됩니다. 정밀 기어의 경우, 수축이 완벽한 등방성이 아니기 때문에 금형 유동 분석과 반복적인 금형 조정이 필요합니다. 특히 섬유 강화 소재의 경우, 유동 방향의 수축이 유동 방향에 수직인 방향보다 작습니다. 기어 금형은 모든 사출 금형 유형 중 가장 높은 정밀도를 요구하며, 정밀 기어 톱니의 경우 캐비티 치수 공차가 ±0.005 mm이고, 기어 내경과 톱니 형상 사이의 런아웃 공차는 0.01 mm 이하이어야 합니다.

봉재나 판재 원료를 이용한 CNC 가공은 시제품 기어, 최대 2,000개 규모의 소량 생산, 그리고 사출 성형이 어려운 PEEK 및 PAI와 같은 소재에 가장 적합한 방법입니다. 가공된 플라스틱 기어는 성형 기어보다 더 높은 정밀도를 달성하며, 성형 플라스틱 기어가 AGMA 품질 등급 7~9급인 데 비해 가공 기어는 8~10급을 달성할 수 있습니다. 가공은 일부 고온 폴리머의 성능을 저하시키는 용융 가공 단계를 피하여, 원재의 재료 특성을 그대로 보존합니다. 가공 플라스틱 기어의 한계는 개당 비용으로, 5,000개 이상의 생산량에서 동등한 품질의 성형 기어에 비해 일반적으로 3~10배 더 높습니다. 또한 가공의 경우 톱니바퀴 형상이 절삭 공구로 제작 가능한 범위로 제한되는 반면, 성형 공정은 추가 공정 없이 내부 기어, 면 기어, 크라운 톱니 등 복잡한 형상을 제작할 수 있습니다.

기어 호빙 공정은 일부 엔지니어링 플라스틱에 적용 가능하며, 중간 규모의 생산량에서 AGMA 품질 등급 8~10에 해당하는 외륜 직선 톱니바퀴 및 헬리컬 톱니바퀴를 제작할 수 있습니다. 호빙 공정은 호브 커터와 기어 블랭크의 상대적 운동을 통해 인볼루트 프로파일을 생성하며, CNC 가공에서 개별 커터로 만들어지는 근사치보다는 이론적으로 정확한 인볼루트를 만들어 냅니다. 호빙은 직경 10~100 mm 범위의 단순한 스퍼 기어 및 헬리컬 기어의 경우 CNC 가공보다 속도가 빠르며, 기어당 사이클 시간은 30~120초입니다. 이 공법은 허브 형상이 단순한 외부 기어로만 제한되며, 사출 성형이 단일 부품에 결합할 수 있는 복잡한 통합 형상은 생산할 수 없습니다.

내구성 시험 및 검증

플라스틱 기어 마모 시험은 하중, 속도, 작동 주기, 온도 및 윤활 상태와 같은 실제 작동 조건을 재현해야 합니다. 두 세트의 동일한 기어가 토크 가압 장치를 통해 서로 맞물려 하중을 받는 ‘백투백(back-to-back)’ 기어 시험 장치는 동력 전달 기어에 대해 가장 대표적인 가속 마모 시험을 제공합니다. 시험은 예비 마모 평가를 위해 최소 1,000만 사이클, 긴 수명이 요구되는 용도의 경우 완전한 설계 검증을 위해 5,000만~1억 사이클 동안 수행되어야 합니다.

마모는 시험 기간 동안 피치 원상에서의 톱니 두께 변화량으로 측정됩니다. 1,000만 사이클당 톱니 두께 변화량이 1% 미만인 마모율은 대부분의 산업용 응용 분야에서 허용 가능한 수준으로 간주됩니다. 로봇 공학 및 항공우주와 같은 고정밀 응용 분야의 경우, 1,000만 사이클당 0.2% 미만의 마모율이 요구될 수 있습니다. 시험 후 검사에는 치아 두께 측정, 작동 플랭크의 표면 거칠기 측정, 그리고 피팅, 박리 또는 균열에 대한 현미경 검사가 포함됩니다. 중량 감소 측정은 치수 측정을 보완하는 신속하지만 정밀도는 다소 떨어지는 마모 평가 방법을 제공합니다.

일반적인 고장 유형 및 예방 방법

치아 굽힘 피로는 플라스틱 동력 전달 기어에서 가장 흔한 파괴 양상이며, 루트 필렛에서 균열이 발생하여 치아 밑면을 따라 전파되는 것이 특징입니다. 이를 방지하기 위해서는 적절한 루트 필렛 반경을 확보하고, 작동 온도와 사이클 수에 적합한 재료를 선정하며, 계산된 굽힘 응력에 대해 재료의 피로 강도에 비해 1.5~2.0의 안전 계수를 적용해야 합니다.

표면 피팅은 주기적인 접촉 응력이 재료의 표면 피로 한계를 초과할 때 발생하며, 이로 인해 톱니 측면에서 입자가 박리됩니다. 플라스틱 기어는 금속 기어에 비해 고전적인 피팅 현상이 덜 발생하는데, 이는 플라스틱의 낮은 탄성 계수로 인해 접촉 하중이 더 넓은 면적에 분산되기 때문입니다. 그러나 과부하가 걸린 기어, 특히 유리 섬유 강화 소재의 경우 섬유 끝부분이 표면에서 응력 집중점으로 작용하여 피팅 현상이 발생하기도 합니다. 이를 방지하려면 접촉 응력을 재료의 표면 피로 한계 이하로 제한하고 적절한 윤활막 두께를 확보해야 합니다.

열적 고장은 톱니의 미끄러짐으로 인한 마찰 발열과 재료의 주기적 변형으로 인한 히스테리시스 발열이 톱니 온도를 재료의 열적 내구 한계를 초과하게 할 때 발생합니다. 미끄러짐 속도와 접촉 응력이 가장 높은 톱니 끝부분이 일반적으로 가장 뜨거운 부위입니다. 열적 고장은 표면 용융, 소성 변형을 초래하는 재료 연화, 그리고 급속한 마모의 형태로 나타납니다. 이를 예방하려면 재료 선정 및 윤활을 통해 기어의 작동 온도를 제한하고, 더 작은 모듈이나 헬리컬 기어를 사용하여 미끄러짐 속도를 줄이며, 기어 본체, 축 및 하우징을 통해 적절한 열 방산이 이루어지도록 설계해야 합니다.

자주 묻는 질문

플라스틱 기어가 전달할 수 있는 최대 출력은 얼마인가요?

전력 용량은 기어의 크기, 재질, 작동 속도, 온도 및 듀티 사이클에 따라 달라지기 때문에 단 하나의 정답은 없습니다. 대략적인 기준으로, 직경 50mm의 POM 스퍼 기어는 윤활이 지속적으로 이루어지는 상태에서 1,500 RPM으로 작동할 때 약 0.5~1.0 kW의 전력을 전달할 수 있습니다. PEEK CF30 재질의 동일한 기어는 약 1.5~2.5 kW를 전달할 수 있습니다. 더 높은 출력이 필요한 용도의 경우, 기어 직경이나 면폭을 늘리거나 스퍼 기어 대신 헬리컬 기어를 사용하는 등 다양한 방법으로 용량을 높일 수 있습니다. 소재 공급업체의 기어 설계 데이터를 참고하고, 해당 용도에 맞는 분석을 수행하는 것이 필수적입니다.

플라스틱 기어는 윤활유 없이도 작동할 수 있나요?

네, POM 기어는 건식 운전을 위해 특별히 설계되었으며, 윤활유 없이 사무기기, 경량 전동 공구 및 소비재에 널리 사용됩니다. 제한 요인은 PV 값입니다. 건식 운전용 POM 기어의 경우, 제한 PV 값은 일반적으로 연속 운전 시 0.1~0.15 MPa·m/s, 간헐 운전 시 최대 0.3 MPa·m/s입니다. 한계 PV를 초과하면 급격한 마모와 열적 고장이 발생합니다. POM 컴파운드에 PTFE 또는 실리콘 내부 윤활제를 첨가하면 건식 운전 PV 한계를 높일 수 있습니다.

기어 설계 시 나일론의 수분 흡수 특성을 어떻게 보완해야 할까요?

성형 직후의 치수가 아닌, 조건부 치수에 맞춰 기어 톱니 형상을 설계하십시오. 사용 환경의 예상 평형 수분 함량을 기준으로 금형 캐비티 치수를 지정하십시오. 일반적으로 상대 습도 50%에서 PA66의 수분 흡수율은 2.5%이며, 이로 인해 약 0.6%의 선형 팽창이 발생합니다. 계산에 사용되는 톱니 굽힘 피로 강도는 조건부 값이어야 하며, 이는 일반적으로 성형 직후 건조 상태의 값보다 25%에서 40% 정도 낮습니다. 하우징 내의 중심 거리는 완전히 조건이 적용된 기어 치수에 공차 여유를 더한 값을 수용할 수 있어야 합니다.

플라스틱 기어를 제작할 때, 사출 성형 대신 CNC 가공을 선택해야 하는 경우는 언제인가요?

CNC 가공은 최대 100개까지의 시제품 생산, 금형 투자 비용 회수가 경제적으로 타당하지 않은 연간 2,000개 미만의 생산량, 높은 금형 온도가 요구되어 사출 성형이 어려운 PEEK 및 PAI 기어, 사출 성형으로는 달성하기 어려운 AGMA 품질 등급 9 또는 10의 정밀도가 요구되는 기어, 그리고 금형 비용이 지나치게 높아지는 직경 200mm 이상의 대형 기어의 경우에도 적합합니다. 또한 가공 공정은 제품 개발 단계에서 설계 수정 시 더 빠른 처리 속도를 제공합니다.

기어에 사용되는 POM 단일중합체와 공중합체의 차이점은 무엇이며, 어떤 것을 선택해야 할까요?

기어에는 POM 공중합체가 가장 선호됩니다. 공중합체는 공단량체 단위가 고온에서 단일중합체에서 발생할 수 있는 ‘지퍼 열림’ 형태의 탈중합 현상을 차단하기 때문에, 더 우수한 장기 열적 안정성을 제공합니다. 또한 공중합체는 중심선 기공률이 낮아 톱니 중심부의 피로 균열 발생 지점을 줄여줍니다. 공중합체는 특히 알칼리 용액과 온수에 대해 더 우수한 내화학성을 제공합니다. 단일중합체는 결정도가 약간 더 높아 강도와 강성이 일반적으로 5%에서 10%까지 약간 더 높고 마찰계수도 약간 낮지만, 대부분의 기어 응용 분야에서 코폴리머가 갖는 신뢰성상의 이점이 이러한 사소한 장점들을 상쇄합니다.

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