第一章：深層剖析：傳統(tǒng)鑄造缺陷的根源挑戰(zhàn)

1.1 常見的鑄造缺陷及其深層成因

鑄造缺陷是導(dǎo)致報(bào)廢率居高不下的直接原因。這些缺陷并非偶然，而是由傳統(tǒng)鑄造工藝固有的物理和流程限制所決定。

首先是氣孔與縮孔。氣孔主要源于金屬液在澆注和凝固過程中氣體（如氫氣、模具發(fā)氣）的卷入或無法有效排出。當(dāng)液態(tài)金屬中溶解的氣體在冷卻凝固時(shí)因溶解度降低而釋放，如果未能及時(shí)排出，就會(huì)在鑄件內(nèi)部或表面形成氣泡。與之相關(guān)的是縮孔，這是金屬在凝固過程中體積收縮的自然現(xiàn)象。如果冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，導(dǎo)致局部模具溫度過高，或補(bǔ)縮不足，便會(huì)形成內(nèi)部空洞或凹陷，即所謂的縮孔。

其次是夾砂與錯(cuò)型。在傳統(tǒng)砂型鑄造中，砂型和砂芯通常需要由多片分別制作后進(jìn)行組裝和粘接。在這個(gè)過程中，任何微小的砂芯破裂或粘接不當(dāng)都可能導(dǎo)致砂粒被卷入金屬液中，形成夾砂缺陷。此外，如果模具分型面或砂芯定位不精準(zhǔn)，還可能引發(fā)鑄件上下部分錯(cuò)位的錯(cuò)型缺陷。

最后是冷隔與裂紋。當(dāng)金屬液流動(dòng)性差、澆注溫度過低或流道設(shè)計(jì)狹窄時(shí)，兩股金屬流在前沿未能完全融合便已凝固，便會(huì)留下弱連接的冷隔。而在冷卻凝固過程中，如果鑄件內(nèi)部存在不均勻的應(yīng)力，則可能在收縮時(shí)產(chǎn)生熱裂紋。

1.2 傳統(tǒng)模具制造的“高成本”與“低效率”困境

傳統(tǒng)鑄造流程的另一個(gè)核心痛點(diǎn)在于其模具制造環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的木模或金屬芯盒制造是一個(gè)勞動(dòng)密集、對高技能工人依賴性極強(qiáng)的過程，其周期漫長且成本巨大。任何細(xì)微的設(shè)計(jì)修改都意味著需要重新制作模具，從而帶來高昂的額外成本和數(shù)周甚至數(shù)月的等待時(shí)間 。

這種對物理模具的過度依賴，也從根本上限制了鑄件的設(shè)計(jì)自由度。傳統(tǒng)制模工藝無法一體成型復(fù)雜的內(nèi)部流道和中空結(jié)構(gòu)，必須將其拆解成多個(gè)獨(dú)立的砂芯，再通過復(fù)雜的工裝和人工進(jìn)行組裝 ²。這種流程上的限制迫使設(shè)計(jì)師們妥協(xié)，犧牲零件的性能以換取可制造性，例如簡化冷卻通道以適應(yīng)鉆孔工藝，從而無法實(shí)現(xiàn)最佳的冷卻效果。

綜上所述，傳統(tǒng)鑄造的高報(bào)廢率并非孤立的技術(shù)問題，而是其核心流程的產(chǎn)物。傳統(tǒng)的“物理試錯(cuò)”模式使得鑄造廠在發(fā)現(xiàn)缺陷后，需要經(jīng)過漫長的模具修改和重新試產(chǎn)過程，這是一種高風(fēng)險(xiǎn)、低效率的循環(huán)。3D打印的革命性價(jià)值在于，它提供了一個(gè)“無模化”的解決方案，從根本上重塑了整個(gè)生產(chǎn)流程，將傳統(tǒng)的“物理試錯(cuò)”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤皵?shù)字模擬驗(yàn)證”，將風(fēng)險(xiǎn)前置，從而從源頭消除了大部分報(bào)廢誘因。

第二章：3D打印：從技術(shù)到解決方案的革命性突破

2.1 無模化生產(chǎn)：從根本上消除報(bào)廢誘因

3D打印的核心優(yōu)勢在于其“無模化”的生產(chǎn)方式，這使得它能夠直接繞過傳統(tǒng)鑄造中所有與模具相關(guān)的固有挑戰(zhàn)，從而從根本上降低報(bào)廢率。

直接從CAD到砂型。 增材制造中的粘結(jié)劑噴射（Binder Jetting）技術(shù) 是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。其工作原理是，工業(yè)級打印頭根據(jù)三維CAD數(shù)字模型，將液態(tài)粘結(jié)劑精準(zhǔn)地噴射在薄薄的粉末（如硅砂、陶瓷砂）層上。通過逐層粘結(jié)，數(shù)字文件中的三維模型便以實(shí)體砂型或砂芯的形式構(gòu)建出來。這一過程徹底擺脫了對物理模具的依賴。由于無需漫長的模具設(shè)計(jì)和制造，制模周期可以從數(shù)周甚至數(shù)月縮短至數(shù)小時(shí)或數(shù)天，實(shí)現(xiàn)了“按需打印”和對設(shè)計(jì)變更的快速響應(yīng)，大幅降低了前期投入和試錯(cuò)成本。

一體成型與復(fù)雜結(jié)構(gòu)。 3D打印的層積制造方式賦予了前所未有的設(shè)計(jì)自由度。它能夠?qū)鹘y(tǒng)工藝中必須拆分成多個(gè)部分的復(fù)雜砂芯，如發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的蜿蜒流道，一體成型為單個(gè)整體。這不僅簡化了鑄造流程，更重要的是，它徹底消除了砂芯組裝、粘接和錯(cuò)位環(huán)節(jié)，從而根除了因此類問題引起的夾砂、尺寸偏差和錯(cuò)型等常見缺陷。

2.2 優(yōu)化工藝：用數(shù)據(jù)保障鑄件品質(zhì)

3D打印的價(jià)值遠(yuǎn)不止于“無模化”本身。它將制造流程提升至一個(gè)全新的數(shù)字化維度，使得在物理制造之前就能用數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，將“事后補(bǔ)救”變?yōu)椤笆虑邦A(yù)見”。

數(shù)字模擬與設(shè)計(jì)。 在3D打印之前的數(shù)字化設(shè)計(jì)階段，工程師可以利用先進(jìn)的有限元分析（FEM）軟件對澆注、補(bǔ)縮和冷卻過程進(jìn)行精確的虛擬模擬。這使得在實(shí)際生產(chǎn)前就能預(yù)見并修正可能導(dǎo)致氣孔、縮孔或裂紋的潛在缺陷。例如，通過模擬金屬液在流道中的流動(dòng)，可以優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保平穩(wěn)填充和有效排氣。這種數(shù)字化的預(yù)見性極大地提升了首次試制成功率，從源頭保障了鑄件的良品率。

優(yōu)異的型砂性能。 3D打印砂型因其逐層構(gòu)建的特性，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以達(dá)到的均勻致密性和透氣性。這對于鑄造過程至關(guān)重要。均勻的透氣性確保了在澆注過程中，砂型內(nèi)部產(chǎn)生的氣體能夠順暢排出，顯著減少因排氣不暢導(dǎo)致的氣孔缺陷。

隨形冷卻。 隨形冷卻技術(shù)是3D打印在鑄造模具領(lǐng)域的另一個(gè)革命性應(yīng)用。通過金屬3D打印制造的模具鑲件，其冷卻流道可以完全仿照鑄件表面輪廓進(jìn)行設(shè)計(jì)。這實(shí)現(xiàn)了快速、均勻的冷卻，顯著減少了因不均勻收縮導(dǎo)致的變形和縮孔，從而大幅降低了報(bào)廢率。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，使用隨形冷卻的模具可將注塑周期時(shí)間縮短高達(dá)70%，同時(shí)顯著提升產(chǎn)品質(zhì)量。

從“物理試錯(cuò)”到“數(shù)字預(yù)見”。 3D打印的核心貢獻(xiàn)在于將傳統(tǒng)鑄造的“試錯(cuò)”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤邦A(yù)見性制造”。它使得鑄造廠能夠以低成本、高效率的方式在數(shù)字環(huán)境中進(jìn)行無數(shù)次迭代，這是一種根本性的思維模式和商業(yè)流程的轉(zhuǎn)變。這種“混合制造”模式使得3D打印技術(shù)更容易被傳統(tǒng)鑄造廠采納，并實(shí)現(xiàn)最高效的生產(chǎn)。例如，可以使用3D打印來制造最復(fù)雜、最容易出錯(cuò)的砂芯，再將其與傳統(tǒng)方法制作的砂型相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)“取長補(bǔ)短”。

第三章：三帝科技：賦能鑄造業(yè)的數(shù)字化引擎

3.1 核心設(shè)備：鑄造革新的“硬實(shí)力”

作為中國增材制造領(lǐng)域的先行者和領(lǐng)導(dǎo)者，三帝科技（3DPTEK）以其自主研發(fā)的核心設(shè)備，為鑄造業(yè)提供了強(qiáng)大的“硬實(shí)力”支撐。

公司的核心產(chǎn)品系列是3DP Sanddrucker，突出其在技術(shù)上的領(lǐng)先地位。旗艦設(shè)備3DPTEK-J4000擁有4000×2000×1000毫米的超大成型尺寸，使其在全球范圍內(nèi)都極具競爭力。這一超大尺寸使得大型復(fù)雜鑄件能夠一體成型，無需進(jìn)行拼接，進(jìn)一步消除了因拼接導(dǎo)致的潛在缺陷。同時(shí)，例如

3DPTEK-J1600Plus等設(shè)備具備±0.3毫米的高精度和高效的打印速度，確保在快速生產(chǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)卓越品質(zhì)。

此外，三帝科技的SLS（選擇性激光燒結(jié)）設(shè)備系列，如LaserCore-6000，在精密鑄造領(lǐng)域同樣表現(xiàn)出色。該系列設(shè)備特別適用于熔模鑄造蠟?zāi)５闹圃欤瑸楹娇蘸教臁⑨t(yī)療等高端、精細(xì)零件提供了更為精準(zhǔn)的解決方案。

值得一提的是，三帝科技不僅是設(shè)備供應(yīng)商，更是材料與工藝方案的專家。公司自主研發(fā)了超過20種粘結(jié)劑和30種材料配方，兼容鑄鐵、鑄鋼、鋁、銅、鎂等多種鑄造合金 。這確保了其設(shè)備能夠無縫集成到各種鑄造應(yīng)用中，為客戶提供全方位的技術(shù)支持。

3.2 全鏈路服務(wù)：一體化鑄造解決方案

三帝科技的競爭優(yōu)勢不僅僅在于其硬件，更在于其提供的全鏈路一體化解決方案。公司擁有強(qiáng)大的“三位一體”創(chuàng)新系統(tǒng)——“研究機(jī)構(gòu)+博士后工作站+研發(fā)團(tuán)隊(duì)”。這一模式確保了技術(shù)的持續(xù)迭代和創(chuàng)新動(dòng)能，其積累的超過320項(xiàng)專利是其技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位的有力佐證。

公司提供涵蓋從設(shè)計(jì)、3D打印到鑄造、機(jī)加工和檢測的“一站式”交鑰匙服務(wù)。這種垂直整合的模式極大地簡化了客戶的供應(yīng)鏈管理，減少了溝通成本和風(fēng)險(xiǎn)，使得鑄造廠能夠更專注于核心業(yè)務(wù)。

3.3 經(jīng)典案例：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的價(jià)值證明

成功的案例是說服潛在客戶最具說服力的工具。三帝科技通過一系列實(shí)際項(xiàng)目，量化了3D打印技術(shù)帶來的顯著商業(yè)價(jià)值。

以汽車水冷電機(jī)殼體為例，這一案例完美展示了3DP砂鑄工藝如何解決“大尺寸、薄壁、復(fù)雜螺旋冷卻通道”的一體成型難題 ²¹。該技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域的成功應(yīng)用，證明了其在高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件生產(chǎn)中的顯著優(yōu)勢。

在另一個(gè)工業(yè)泵體的案例中，三帝科技采用了“3DP外模+SLS內(nèi)芯”的混合制造模式。這種取長補(bǔ)短的策略將生產(chǎn)周期縮短了80%，同時(shí)將鑄件的尺寸精度提升到CT7級，完美地佐證了混合制造模式的強(qiáng)大效能。

而與欣鑫鑄造的合資項(xiàng)目則提供了最為有力的商業(yè)論證。通過引入3D打印技術(shù)，該鑄造廠實(shí)現(xiàn)了營業(yè)額增長135%，利潤率翻倍，交付周期減半，成本降低30%。這一系列的量化數(shù)據(jù)為3D打印技術(shù)在鑄造業(yè)的投資回報(bào)提供了無可辯駁的證明。

以下表格直觀展示了3D打印如何從技術(shù)和商業(yè)價(jià)值層面解決鑄造行業(yè)的痛點(diǎn)：

第四章：展望未來：鑄造業(yè)的數(shù)字化與可持續(xù)發(fā)展

3D打印技術(shù)正引領(lǐng)鑄造業(yè)從傳統(tǒng)“制造”向“智造”的根本性轉(zhuǎn)型。根據(jù)相關(guān)報(bào)告，中國的增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)高速增長，2022年已超過320億人民幣。這一數(shù)據(jù)清晰地表明，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為不可逆的行業(yè)趨勢。

未來，3D打印將與人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)深度融合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的全自動(dòng)化和智能化管理。鑄造廠可以利用AI算法來優(yōu)化鑄造參數(shù)，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過程，從而進(jìn)一步提升良品率和生產(chǎn)效率。

此外，3D打印在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輕量化設(shè)計(jì)方面的獨(dú)特優(yōu)勢，將助力汽車、航空航天等下游產(chǎn)業(yè)提升產(chǎn)品性能并降低能耗，這完美契合全球可持續(xù)發(fā)展的要求。3D打印的按需生產(chǎn)模式和極高的材料利用率（可回收90%以上的未粘結(jié)粉末），也大幅減少了廢棄物產(chǎn)生，為鑄造業(yè)帶來了環(huán)境友好型的發(fā)展路徑。

結(jié)語 3D打印并非鑄造的終結(jié)者，而是其革新者。它通過“無模化”和“數(shù)字化”兩大核心優(yōu)勢，賦予了傳統(tǒng)鑄造業(yè)前所未有的靈活性、效率和品質(zhì)保證。它使得鑄造廠能夠從高報(bào)廢率的困境中解脫出來，進(jìn)入一個(gè)更高效、更具競爭力、更能擁抱創(chuàng)新的新時(shí)代。對于任何尋求在激烈市場競爭中脫穎而出的鑄造企業(yè)而言，擁抱以三帝科技為代表的3D打印技術(shù)，已不再是可有可無的選擇，而是通向未來的必由之路。

3D打印如何解決鑄造高報(bào)廢率問題：革新鑄造工藝，提升品質(zhì)與效率最先出現(xiàn)在三帝科技股份有限公司。

原理

3D 打印砂型鑄造以數(shù)字三維模型為基礎(chǔ)。首先，利用 3D 打印設(shè)備將特殊的砂材料（通常是含有粘結(jié)劑的樹脂砂等）按照模型的截面信息逐層堆積，打印出砂型（包括上下砂型、型芯等）。然后，將金屬液澆鑄到砂型形成的型腔中，待金屬液冷卻凝固后，去除砂型，獲得所需的金屬鑄件。

流程

1. 三維模型設(shè)計(jì)：使用專業(yè)的三維建模軟件（如 SolidWorks、UG 等）設(shè)計(jì)出鑄件的三維模型，同時(shí)需要考慮鑄造工藝要求，如分型面、拔模斜度、加工余量等，然后將模型轉(zhuǎn)換為適合 3D 打印的文件格式（如 STL 格式）。
2. 砂型打印：將打印材料（砂和粘結(jié)劑）裝入 3D 打印設(shè)備的料倉，在計(jì)算機(jī)的控制下，噴頭按照模型的截面數(shù)據(jù)，將粘結(jié)劑選擇性地噴射到砂層上，使砂粒粘結(jié)在一起，逐層堆積形成砂型。打印完成后，對砂型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚恚缛コ嘤嗟纳傲！⒓庸瘫∪醪课坏取?/li>
3. 澆鑄準(zhǔn)備：將打印好的砂型進(jìn)行組裝，放置在澆鑄設(shè)備中，準(zhǔn)備澆鑄金屬液。同時(shí)，對金屬原料進(jìn)行熔煉和處理，使其達(dá)到合適的澆鑄溫度和成分要求。
4. 澆鑄與冷卻：將經(jīng)過處理的金屬液緩慢地澆鑄到砂型的型腔中，確保金屬液充分填充型腔。澆鑄完成后，等待金屬液自然冷卻凝固。
5. 清砂與后處理：待鑄件冷卻后，通過振動(dòng)、噴砂、切割等方式去除砂型，獲得鑄件。然后對鑄件進(jìn)行清理、打磨、熱處理、機(jī)加工等后處理工序，以滿足最終的產(chǎn)品質(zhì)量要求。

優(yōu)勢

1. 高度的設(shè)計(jì)自由度

復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型能力：傳統(tǒng)砂型鑄造在制造復(fù)雜形狀，如帶有內(nèi)部空腔、彎曲通道、異形曲面等結(jié)構(gòu)的砂型時(shí)，受到模具制造技術(shù)的限制，很難實(shí)現(xiàn)或者成本極高。而 3D 打印砂型鑄造可以依據(jù)數(shù)字三維模型，輕松、精確地打印出各種復(fù)雜形狀的砂型，為生產(chǎn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鑄件提供了可能。例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的復(fù)雜冷卻通道、具有精細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的汽車零部件等，都可以通過 3D 打印砂型鑄造來實(shí)現(xiàn)。

個(gè)性化定制：對于一些小批量、定制化需求的鑄件生產(chǎn)，3D 打印砂型鑄造具有獨(dú)特的優(yōu)勢。它可以根據(jù)客戶的特定要求，快速地設(shè)計(jì)并打印出相應(yīng)的砂型，滿足不同客戶的個(gè)性化需求，避免了傳統(tǒng)模具制造中需要開模、修模等繁瑣的過程，大大縮短了定制化產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

2. 縮短生產(chǎn)周期：

模具制造環(huán)節(jié)的簡化：傳統(tǒng)砂型鑄造需要先制作模具，然后用模具來制造砂型，模具的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試過程往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。而 3D 打印砂型鑄造直接根據(jù)數(shù)字模型進(jìn)行打印，無需制作模具，省去了模具制造的環(huán)節(jié)，大大縮短了整個(gè)生產(chǎn)周期25。

快速迭代和修改：在產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)階段，如果發(fā)現(xiàn)需要對鑄件的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，傳統(tǒng)砂型鑄造需要重新制作模具，成本高且耗時(shí)久。而 3D 打印砂型鑄造只需要在計(jì)算機(jī)上修改數(shù)字模型，然后重新打印砂型即可，能夠快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的迭代和修改，加快產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)程45。

3. 提高精度和質(zhì)量：

尺寸精度高：3D 打印技術(shù)能夠精確控制砂型的尺寸和形狀，減少了因模具制造誤差、分型面配合等問題導(dǎo)致的鑄件尺寸偏差，提高了鑄件的尺寸精度。打印出來的砂型表面光滑，使得最終的鑄件表面質(zhì)量更好，減少了后續(xù)的加工和處理工作量4。

內(nèi)部質(zhì)量好：3D 打印砂型鑄造可以實(shí)現(xiàn)砂型的均勻緊實(shí)，避免了傳統(tǒng)砂型鑄造中可能出現(xiàn)的局部疏松、夾砂等缺陷，提高了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。同時(shí)，通過精確的控制，可以優(yōu)化鑄件的凝固過程，減少縮孔、縮松等缺陷的產(chǎn)生。

4. 成本效益：

材料利用率高：3D 打印砂型鑄造是按需打印，只使用所需的材料，避免了傳統(tǒng)模具制造中材料的浪費(fèi)。而且在打印過程中，可以根據(jù)砂型的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求，精確地控制材料的分布，進(jìn)一步提高材料的利用率。

降低人工成本：傳統(tǒng)砂型鑄造需要大量的人工操作，如模具制作、砂型造型、修模等，人工成本較高。而 3D 打印砂型鑄造主要依靠自動(dòng)化的設(shè)備進(jìn)行打印，大大減少了人工的參與，降低了人工成本。同時(shí)，也減少了因人工操作帶來的誤差和不確定性，提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和一致性。

5. 綠色環(huán)保：

減少廢棄物排放：傳統(tǒng)砂型鑄造在模具制造和砂型處理過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物，如廢棄的模具材料、廢砂等，對環(huán)境造成一定的污染。而 3D 打印砂型鑄造產(chǎn)生的廢棄物較少，且剩余的材料可以回收再利用，符合綠色環(huán)保的要求。

改善生產(chǎn)環(huán)境：3D 打印砂型鑄造過程中不需要使用大量的化學(xué)試劑和粘結(jié)劑，減少了對環(huán)境的污染和對操作人員的健康危害。同時(shí)，自動(dòng)化的生產(chǎn)方式也減少了粉塵和噪音的產(chǎn)生，改善了生產(chǎn)環(huán)境。

Anwendungsbereiche

航空航天領(lǐng)域：用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪盤、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等復(fù)雜零部件，滿足高強(qiáng)度、輕量化和高性能的要求。

汽車工業(yè)：生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、變速器殼體等零部件，尤其是對于高性能發(fā)動(dòng)機(jī)和新型汽車設(shè)計(jì)中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。

能源領(lǐng)域：在燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電設(shè)備等的關(guān)鍵部件制造中應(yīng)用，提高部件的性能和可靠性。

醫(yī)療器械領(lǐng)域：制造骨科植入物、牙科修復(fù)體等定制化醫(yī)療器械，滿足患者個(gè)性化的需求。

總結(jié)

3D 打印砂型鑄造作為一種先進(jìn)的鑄造技術(shù)，綜合了 3D 打印和傳統(tǒng)砂型鑄造的優(yōu)勢。它在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期、質(zhì)量、成本和環(huán)保等方面展現(xiàn)出卓越的性能，為現(xiàn)代工業(yè)制造帶來了新的思路和方法。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，3D 打印砂型鑄造有望在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)朝著更高效、更精確、更環(huán)保的方向發(fā)展。

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