Plasmaschneidmaschinen richtig auswählen und einsetzen

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Plasmaschneidmaschine mit mehreren Plasmabrennern in Portalausführung
Plasmaschneidmaschine mit mehreren Plasmabrennern in Portalausführung

Auswahl und Einsatz von Plasmaschneidanlagen

Komplexe Plasmaschneidanlagen mit CNC-Steuerung, Wegmesssystem und Lagesteuerung können sehr unterschiedlich aufgebaut sein. Dabei werden wir nicht von gut oder schlecht sprechen, sondern wir betrachten den Einsatzzweck der Schneidanlagen und zeigen die Unterschiede auf.

Der Markt bietet eine große Auswahl an hervorragenden Plasmasschneidmaschinen. Dennoch unterschieden sich die Typen in ihrer Gestaltung, ihren Eigenschaften und Ausstattungsmerkmalen. In diesem Kapitel wollen wir einen Überblick über die unterschiedlichen maschinellen Systeme vorstellen.

Eigenschaften von Schneidmaschinen in Portalbauform

Plasmaschneidmaschinen stellen zum Teil ähnliche Anforderungen an die Führungsmaschine wie eine Laserschneidanlage. Damit ein Plasmazuschnitt gelingt, ist eine hohe Dynamik des Führungssystems erforderlich. Die statischen und die dynamischen Kräfte bei hohen Beschleunigungen sind enorm. Je höher die Beschleunigung des Führungssystems, desto besser sehen die Schnitte in den Innenkonturen und Ecken aus. Auch kleinere Kreisbohrungen werden mit höherer Beschleunigung besser.

Hohe Beschleunigungen erfordern zunächst einmal auch adäquate Antriebsleistungen und spielarme Getriebe. Das gesamte Antriebssystem ist wesentlich aufwendiger ausgeführt als beispielsweise bei reinen Autogenschneidmaschinen. Damit Maschinen mit hoher Dynamik nicht ins schwingen geraten, sind stabile Bauformen und Ausführungen des Maschinenbaus erforderlich. Idealerweise hat sich bei Plasmaschneidmaschinen in schwerer Ausführung die Portalbauweise heraus kristallisiert. Bei dieser Bauform wird eine stabile Portalachse, oftmals als y-Achse bezeichnet, wobei manche Hersteller das Koordinatensystem auch um 90° drehen und dann von der x-Achse sprechen. Beide Koordinatenachsen-Anordnungen findet man in der Industrie vor. Das Portalsystem bietet den Vorteil, dass jede Seite der Portalachse mit einem eigenen Antriebssystem angetrieben werden kann und damit die Beschleunigungskräfte erhöht werden und die Kraftverteilung für dynamische und statische Kräfte optimal ist. Das System neigt zu weniger Schwingungen bei der Richtungsumkehr und kann höhere Beschleunigungen verkraften.
Natürlich gibt es auch Systeme, die nur mit einem Antrieb auf einer Seite des Portals ausgestattet sind. Jedes System hat dabei seine Berechtigung und seinen Einsatzbereich, dazu später mehr.

Beschleunigung ist nicht gleich Schnittgeschwindigkeit

Die Beschleunigung mit a abgekürzt wird in m/sek^2 angegeben, die Geschwindigkeit mit v abgekürzt, wird hingegen in m/min oder m/sek angegeben. Als Einheit kann auch Millimeter anstatt Meter aufgeführt sein. Diese beiden physikalischen Größen dürfen nicht verwechselt werden. Beispielsweise gilt beim Schneiden kleiner Löcher: Sinkt die Schnittgeschwindigkeit, was beispielsweise durch einen kleineren Schneidstrom erreicht wird, dann werden die Löcher runder, einfach genauer und schöner. Ist die Schnittgeschwindigkeit hingegen hoch, beispielsweise bei Verwendung höherer Schneidströme, so werden die Löcher unrund, oval, mit hohen Abweichungen der Lochdurchmesser. Ein hoher Beschleunigungswert gibt an, wieviel Milimeter Wegstrecke der Schneidkopf zurück legen muss, bevor er die programmierte Sollgeschwindigkeit erreicht hat. Je höher die Beschleuingungskraft ist, desto kürzer ist der Weg und damit auch die verstrichene Zeit, den die Maschine benötigt, bis sie die optimale Schnittgeschwindigkeit erreicht hat. Denn eine optimale Schnittgeschwindigkeit ist ein wichtiger Parameter für die maximale Schnittqualität. Beim Beschleunigen und beim Abbremsen arbeitet keine Maschine mehr mit der Sollgeschwindigkeit und liegt damit außerhalb des optimalen Wertes. Auf dieser Wegstrecke ist damit die Schnittqualität und die Maßhaltigkeit geringfügig schlechter. Deshalb beschleunigen modere Plasmaschneidmaschinen auf einer möglichst kurzen Wegstrecke von nur wenigen Millimetern oder weniger. Und diesen hohen Beschleunigungskräfte muss die Schneidanlage in alle Richtungen aufnehmen können. Bei Laserschneidmaschinen sind die Beschleunigungen und die Schnittgeschwindigkeiten noch um ein vielfaches höher, so dass der Maschinenbau und die Antriebstechnik bei Laserschneidmaschinen nochmals um einiges stabiler ausgeführt sein müssen.

Umrechnungsfaktor für Schnitt- und Positioniergeschwindigkeiten:

1 m/sek  * 60sek/min = 60 m/min

1 mm/sek * 60sek/min = 60 mm/min

60 mm/min * 1m/1000mm = 0,06 m/min

Anwendung: Die Positioniergeschwindigkeiten von z-Achsen, also der Höhenregelung einer Schneidanlage, wird häufig in mm/sek angegeben. Die Umrechnung dazu lautet: Wert mm/sek * 0,06. Beispiel: Ein Brennersuppert hat eine Positioniergeschwindigkeit von 180 mm/sek, entspricht 10,8 m/min. Die Einheit m/min imaginiert eine bildhaftere und bessere Größenvorstellung als mm/sek.

Wenn Sie Geschwindigkeiten oder Positioniergeschwindigkeiten von Schneidmaschinen vergleichen wollen, dann normieren Sie zuerst die Einheiten.

   

Beschleunigung ist nicht gleich Schnittgeschwindigkeit

Die Beschleunigung mit a abgekürzt wird in m/sek^2 angegeben, die Geschwindigkeit mit v abgekürzt, wird hingegen in m/min oder m/sek angegeben. Als Einheit kann auch Millimeter anstatt Meter aufgeführt sein. Diese beiden physikalischen Größen dürfen nicht verwechselt werden. Beispielsweise gilt beim Schneiden kleiner Löcher: Sinkt die Schnittgeschwindigkeit, was beispielsweise durch einen kleineren Schneidstrom erreicht wird, dann werden die Löcher runder, einfach genauer und schöner. Ist die Schnittgeschwindigkeit hingegen hoch, beispielsweise bei Verwendung höherer Schneidströme, so werden die Löcher unrund, oval, mit hohen Abweichungen der Lochdurchmesser. Ein hoher Beschleunigungswert gibt an, wieviel Milimeter Wegstrecke der Schneidkopf zurück legen muss, bevor er die programmierte Sollgeschwindigkeit erreicht hat. Je höher die Beschleuingungskraft ist, desto kürzer ist der Weg und damit auch die verstrichene Zeit, den die Maschine benötigt, bis sie die optimale Schnittgeschwindigkeit erreicht hat. Denn eine optimale Schnittgeschwindigkeit ist ein wichtiger Parameter für die maximale Schnittqualität. Beim Beschleunigen und beim Abbremsen arbeitet keine Maschine mehr mit der Sollgeschwindigkeit und liegt damit außerhalb des optimalen Wertes. Auf dieser Wegstrecke ist damit die Schnittqualität und die Maßhaltigkeit geringfügig schlechter. Deshalb beschleunigen modere Plasmaschneidmaschinen auf einer möglichst kurzen Wegstrecke von nur wenigen Millimetern oder weniger. Und diesen hohen Beschleunigungskräfte muss die Schneidanlage in alle Richtungen aufnehmen können. Bei Laserschneidmaschinen sind die Beschleunigungen und die Schnittgeschwindigkeiten noch um ein vielfaches höher, so dass der Maschinenbau und die Antriebstechnik bei Laserschneidmaschinen nochmals um einiges stabiler ausgeführt sein müssen.

Umrechnungsfaktor für Schnitt- und Positioniergeschwindigkeiten:

  • 1 m/sek  * 60 sek/min = 60 m/min

  • 1 mm/sek * 60 sek/min = 60 mm/min

  • 60 mm/min * 1 m/1000 mm = 0,06 m/min

Anwendung:

Die Positioniergeschwindigkeiten von z-Achsen, also der Höhenregelung einer Schneidanlage, wird häufig in mm/sek angegeben. Die Umrechnung dazu lautet: Wert mm/sek * 0,06. Beispiel: Ein Brennersuppert hat eine Positioniergeschwindigkeit von 180 mm/sek, dann entspricht dieser Werte 10,8 m/min. Die Einheit m/min imaginiert für viele Anwender eine bildhaftere und bessere Größenvorstellung als mm/sek und erlaubt so einen aussagekräftigeren Vergleich der verschiedenen Systeme.

Wenn Sie Geschwindigkeiten oder Positioniergeschwindigkeiten von Schneidmaschinen vergleichen wollen, dann normieren Sie zuerst die Einheiten.

 

Vorteile einer Plasmaschneidmaschine in Portalbauweise

Plasmaschneidmaschinen in Portalbauform können mit nahezu beliebigen Längen und Spurbreiten gebaut werden. Ihr Erkennungszeichen ist die Portalbrücke, das bedeutet die Maschine wird beidseitig geführt und gelagert. Nicht immer wird dabei die zweite Seite auch angetrieben, bei schmalen Anlagen lassen manche Hersteller die zweite Seite nur mitführen und sparen so den zweiten Antrieb, was sich auf die Anschaffungskosten positiv auswirkt.

Durch die Portalbauform kann die Portalbrücke im Gegensatz zu Auslegeranlagen die Gewichte der Schneidköpfe und z-Achsen besser aufnehmen, ist stabiler, neigt weniger zum schwingen und damit sind in der Regel bessere Schnittqualitäten bei höheren Geschwindigkeiten erzielbar. Tischgrößen von 2m x 3m bis 8 m x 50 m sind für Portalanlagen möglich, im Schiffsbau findet man durchaus auch Portalbreiten von 25 m Sprurbreite und darüber hinaus. Dies sind Abmessungen, die für Auslegeranlagen mit gleichen dynamischen Kräften nicht möglich wären.

Heutige Portalsysteme haben sich zu Hochleistungsmaschinen entwickelt. Zum einen sind sie wesentlich stabiler, dynamischer und steifer in der Gesamtkonstruktion geworden. Und darüber lassen sich viele von ihnen mit Automatisierungskomponenten ausbauen, beispielsweise mit Lichtbogen gesteuerten Höhenregelungen, elektrischen Zündsystemen und schnellen Brennersupporten, modernen CNC-Steuerungen, die über Ethernet mit dem Netzwerk verbunden sind.

Portalausführungen werden übrigens nicht nur primär bei Plasmaschneidmaschinen eingesetzt, sondern auch bei Wasserstrahlschneidmaschinen, Laserschneidmaschinen und Autogenschneidmaschinen.

Übrigens: Sogenannte Auslegerversionen erfreuen sich auch hoher Beliebtheit, da diese andere Vorzüge bieten, auf die wir im Folgeartikel eingehen. Man findet Auslegeranlagen öfters bei Autogen- und bei Wasserstrahlschneidanlagen.

Manche Hersteller statten Großanlagen, die mit vielen Schneidköpfen ausgestattet sind auch mit weiteren Automatisierungselementen aus, wie beispielsweise automatischen Brennerdistanzverstellungen, so dass beim Mehrbrennerbetrieb weniger manuelle Eingriffe erforderlich sind und die Schneidköpfe sich automatisch auf den von der Software geforderten optimalen Abstand einstellen. Darüber hinaus sind 3D-Fasenkopfbrenner am Markt erhältlich, welche es erlauben, die Konturen gleich mit angehängter Schweißnahtvorbereitung zu erzeugen.

Manche Anlagen besitzen Bohr-, Gewindeeinheiten mit Werkzeugwechsler, Markiereinheiten verschiedenster Arten oder eine integrierte Rohr- bis hin zu einer Klöpperbodenbearbeitung - alle mit nur einer Maschine mit Portalbrücke. Natürlich finden häufig auch Autogenbrenner auf dem Plasmaportal ihren Platz oder Markier- und Signiereinheiten, die die fertigen Brennteile gleich mit Auftrags- oder Positionsnummern versehen können. Diese Vielzahl an Werkzeugen erhöht das zu tragende Gewicht enorm und nur die Portalbrücken-Bauform diesen Kräften gewachsen ist.

Die Portalbrücke ist damit eine gute Basis für schwere Anlagenausführungen mit vielen Brennern und einem hohem Automatisierungsgrad.

Vorteile einer Plasmaschneidmaschine in Portalbauweise

  • hoher Automatisierungsgrad
  • hohe Wirtschaftlichkeit
  • höhere Präzision
  • hohe Geschwindigkeiten
  • hohe Beschleunigungen
  • hohe Traglasten
  • günstige Kräfte- und Momenteverteilung
  • lange Lebensdauer

    Nachteile der Portalbrücken-Bauform für Plasmaschneidmaschinen

    • Höherer Investitionsaufwand
    • Komplexe Systeme, Reparaturen sind komplizierter, höhere Abhängigkeit vom externen Service, es kann weniger selber gewartet werden
    • Gute und aufwendige Fundamente (Streifenfundamente) erforderlich, um Schwingungen im Schnittbild zu vermeiden bzw. zu reduzieren

    Typische Kennwerte einer Plasmaschneidmaschine

    - Beschleunigung für Plasmaschneidmaschinen:

    Die Beschleunigung für eine Plasmaschneidanlage liegt häufig im Bereich von 0,5 m/s² bis 1 m/s², was ungefähr 1 g entspricht oder auch darüber hinaus. Es gibt aber auch Anlagen, die mit geringerer Beschleunigung akzeptable Schnittgeometrien erreichen. Laserschneidanlagen hingegen setzen nochmals einiges drauf und arbeiten mit wesentlich höheren Beschleunigungskräften von 5 bis 8 g. Je höher die Beschleunigung, desto höher die Schwingungen im System. Je höher die Beschleunigung, desto höhere Anforderungen an die Lager, Antriebsleistungen, das Maschinenbett und das Fundament. Je höher die Beschleunigung desto hochpreisiger ist die gesamte Schneidanlage.

    Vorteil der höheren Beschleunigung: Die Schneidanlage erhält so kürzere Brems- und Beschleunigungswege, kann härter in die Ecken der Konturen fahren, Innenaussparungen mit weniger Abbrand erzeugen und somit in gänze eine bessere Konturtreue produzieren.

    Nachteil der höheren Beschleunigung: Höhere Anforderungen an das Antiebssystem, höherer Verschleiß und insgesamt höhere Kosten.

    - Positioniergeschwindigkeiten:

    Die Positionsgeschwindigkeit ist von der Größe der Schneidanlage und dem Antriebssystem abhängig, manche interne Werksvorschrift erlaubt den Betrieb einer Schneidanlage lediglich mit einer maximalen Verfahrgeschwindigkeit von beispielsweise 6 m/min oder 12 m/min, weil bei diesem Wert der Abbremsweg noch so gering ist, dass der potentielle Personenschaden sehr gering ist, so wird häufig argumentiert. Ist beispielsweise eine derartige Schneidanlage 50 m lang, was keine Seltenheit ist für ein Portalsystem, dann dauert allein die Leerfahrt bereits mehr als 4 Minuten, wenn der Vorschub 12 m/min beträgt.
    Doch auch bei kleineren Plasmaschneidanlagen summieren sich die beim Verschachteln auftretenden Leerfahrten mit jeder Schicht und es liegt nahe, die Verfügbarkeit einer Schneidmaschine zu optimieren, indem man sie schneller verfahren lässt.

    Heutzutage positionieren Plasmaschneidanlagen mit Verfahrgeschwindigkeiten von über 20 m/min, 36 m/min, 45 m/min bis hin zu 60 m/min. Derart hohe Posiontiergeschwindigkeiten wären mit Auslegersystemen kaum erzielbar, zumindest nicht mit vertretbarem Aufwand.

    Zum Vergleich: Laserschneidanlagen positionieren häufig mit Werten die sogar weit über 100 m/min liegen. Dennoch sind für Plasmaschneidanlagen Positioniergeschwindigkeiten oberhalb von 30 - 40 m/min schon besonders schnell.

    - Schnittgeschwindigkeit beim Plasmaschneiden:

    Auch wenn die Plasmaschneidmaschine mit eventuell 36 m/min oder schneller positionieren sollte, so kann sie doch nicht mit dieser Geschwindigkeit Konturen schneiden. Die Schnittgeschwindigkeit wird vom eingesetzten Plasmabrenner und seiner Stromquelle bestimmt. Die Werte liegen hier in der Regel im Bereich um 500 mm/min bis zu 5.000 mm/min. Im Dünnblechbereich werden durchaus auch mal Bleche mit 10 m/min geschnitten, doch nur dann, wenn es nicht auf die Genauigkeit ankommt und die Schnittqualität eine untergeordnete Rolle spielt.

    Je langsamer man mit dem Plasmabrenner schneidet, desto genauer und qualitativer wird der Plasmazuschnitt. Ähnlich wie beim Wasserstrahl kennt auch der Plasmaschnitt mehrere Qualitätsstufen. So kann man beispielsweise 10 mm dicken Baustahl mit 2.500 mm/min schneiden und erhält nur eine mittlere Qualität oder man schneidet das Blech mit 1.200 mm/min mit geringerem Strom und erhält saubere und runde Löcher und weniger Neigungswinkel im Schnittbild. (Die Zahlen sind fiktive Beispielwerte, um den Sachverhalt zu verdeutlichen). Entscheidend für die Auswahl der Schnittgeschwindigkeit ist somit die gewünschte Kontur, die Schnittqualität und die geforderte Genauigkeit.

    - Wiederholgenauigkeit und Positioniergenauigkeit

    Die Wiederholgenauigkeit ist die Genauigkeit, mit der eine Position erreicht wird, wenn die Brücke diese mehrfach anfährt und dabei die Richtung geändert hat. In diesen Wert geht auch das Umkehrspiel der Getriebe mit ein. Kein Getriebe hat 0° Umkehrspiel, je geringer das Umkehrspiel desto hochwertiger und hochpreisiger ist das Getriebe. Wiederholgenauigkeiten von ± 0,05 mm sind dabei durchaus üblich. Dabei darauf achten, dass die Wiederholgenauigkeit bei höheren Schnittgeschwindigkeiten andere Werte besitzt, die in der Regel schlechter sind. Will man daher Schneidanlagen miteinander vergleichen, so ist es sinnvoll die Hersteller nach der Wiederholgenauigkeit bei bestimmten Geschwindigkeiten anzufragen.

    Die Positioniergenauigkeit bezeichnet die Genauigkeit mit der die Schneidanlage eine bestimmte Position anfährt. Mit anderen Worten, wenn der Hersteller eine Kontur mit 4.000 mm Länge schneiden möchte, wäre es fatal, wenn das Messsystem der Schneidanlage so ungenau wäre, denn die Kontur mit 3.950 mm raus geschnitten wird oder länger als gewünscht. Daher ist es immer gut zu überpürfen, welche Positioniergenauigkeit die Schneidanlage besitzt. Dieser Wert wird vom Wegmesssystem, dem Antriebs- und Steuerungssystem bestimmt. Doch auf hier sollte man wissen, dass manchesmal der Wert nur auf 300 mm Verfahrlänge bezogen wird, bei anderen Herstellern auf 1.000 mm Verfahrweg und für den Anwender ist keiner der Werte hilfreich, sondern er benötigt den absoluten Wert seiner gesamten Anlage. Ist diese 12.000 mm lang möchte er gerne wissen, wie genau er ein Teil mit 12.000 mm Länge schneiden kann. Da nutzt ihm die hohe Genauigkeit auf 300 mm wenig. Ein Wert von beispielsweise 0,03 mm Positioniergenauigkeit klingt gut, bezieht der Hersteller dies jedoch stillschweigend auf einen Weg von 300 mm so muss dieser Wert mindestens mit 12. 000 mm / 300 mm = 40 multipliziert werden, in unserem Beispiel hätte die Plasmaschneidanlage dann eine Positioniergenauigkeit über das ganze Maschinenbett von lediglich ± 1,2 mm. Und damit sieht die Sache schon anders aus als die vorher angegebenen 3 Hunderstel Millimeter.

    Nun kommt aber wieder die Realität ins Spiel: Der Plasmastrahl ist kein Schneidinstrument wenn man Hunderstel Millimeter genau schneiden möchte - wozu soll also das Führungssystem übertrieben genau und damit extra teuer werden, wenn man die PS nicht auf die Straße bekommt? Eine Kontur mit 12.000 mm Länge ist noch nicht einmal in der DIN Norm ISO 9013 definiert. Nun, je höher die Genauigkeit, sowohl der Wiederhol- als auch der Positioniergenauigkeit, desto besser können Schnittfehler ausgeschlossen werden. Außerdem besitzen immer mehr Schneidanlagen häufig eine Werkzeugspindel mit auto. Bearbeitungssystem und Werkzeugwechseler. Will man eine Bohrung oder ein Gewinde auf einer bestimmten geometrischen Position einbringen, und dies ist die Regel, dann zählt jedes Zehntel und damit sollte an der Stellschraube der Genauigkeit nicht gespart werden.      

    - Kreisformfehler

    Dieser Wert gibt einen Hinweis darauf, wie gut die Schneidanlage aufgrund der CNC-Steuerung einen Kreis interpolieren kann. Stimmt der Wert nicht, so erhält man Ellipsen statt kreisrunde Löcher. Außerdem erhält einem statt einem Rechteck mit gleichlangen Seitenschenkeln ein Trapez. Man sieht also wie wichtig dieser Faktor ist, der nur selten von Lieferanten angegeben wird. Dieser Wert ist dabei weniger in Stein gemeiselt wie beispielsweise die Wiederholgenauigkeit, denn während der Inbetriebnahme erstellt der Monteur eine Korrektur der Werte und die CNC übernimmt diese Korrekturfaktoren und errechnet damit den optimalen Kreis. Sollte der Kreis nach x Betriebsstunden nicht mehr 100% rund sein, dann spricht dies für eine Wartung der Schneidanlage, bei der der Monteur diesen Wert wieder ausmessen und korrigieren kann - also kein großes Problem.

    Für die Messung wird dazu eine Kreisbahn mit einem Stift oder einer Anreisnadel auf einem Blatt Papier oder einer Stahltafel erzeugt und die x und y - Diagonalen werden durch den Mittelpunkt gehend vermessen und verglichen - diese beiden Werte müssen beim Kreis natürlich identisch sein, damit wäre die Anlage dann gut eingestellt.

    Vorsicht: Verwenden Sie zur Überprüfung niemals den Plasmabrenner, denn dieser erzugt niemals einen 100% runden Kreis! Auf der Unterseite eines Plasmaschnittes würden Sie andere Werte messen, als auf der Oberseite des Metalls. Damit lassen sich also keine Aussagen über die Maschinengenauigkeit treffen. Daher werden alle Vermessungen mit Stift oder Anreißnadel durchgeführt. Alles andere würde keine Aussage über die Maschine zulassen, sondern würde eher den Schneidprozess, der in der DIN ISO 9013 beziffert ist, beschreiben und hat damit wenig mit den hier vorgestellten Genauigkeiten zu tun.  

    Bei all diesen Erklärungen haben wir uns immer auf die CNC-gesteuerte Schneidanlage bezogen und nicht auf den Plasmabrenner, der im Vergleich dazu viel zu grob und unregelmäßig arbeitet. Auch Qualitätsplasmabrenner sind nicht ausreichend, um daraus eine Genauigkeit der CNC abzuleiten. Verwechselen Sie dies bitte nicht, sonst machen Sie sich selbst und Ihrem Maschinenlieferanten nur unnötige Kopfschmerzen.

    Bei den hier vorgestellten filligranen Daten darf nicht vergessen werden, es kommt auf das Gesamtergebnis an, nur der Output und seine Herstellkosten zählen am Ende des Tages. Doch ein wenig Hintergrundwissen zu diesem Thema hat noch nie geschadet.

    Nehmen Sie diese Werte in Ihre Vergleichsanalysen mit auf, wenn Sie mit den Herstellern diskutieren und Sie erhalten eine bessere Marktübersicht.

     

    Marktplatz für Plasmaschneidanlagen, Verschleißteile und Plasmazuschnitte

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