CN106256534B - 销致动打印头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种销致动打印头，其包括：孔口，材料通过所述孔口被喷射；室，所述室保持待喷射的材料；通道，所述通道将所述室连接到所述孔口；以及致动销，所述致动销进入所述孔口并且从所述孔口喷射材料。所述打印头配置成在高温下喷射具有10,000cP或以上的粘度的材料。

Description

销致动打印头
背景技术
增材制造过程(或3D打印)涉及沉积材料的连续层以产生三维物体。例如，通过使用喷墨打印头沉积光聚合物以形成物体。然而，多数目前的打印头具有可以喷射的材料的粘度的10-20厘泊(cP)的上限。尽管诸如熔融沉积成型(FDM)或选择性激光烧结(SLS)的其它增材制造方法可以使用非常粘的材料，但是它们不能提供用喷射材料可以完成的多材料复合物或沉积材料的互混。因此，需要可以使用高粘度材料产生多材料或多颜色复合物的增材制造过程。
发明内容
该发明内容仅仅旨在介绍本公开的一个或多个实施例的一些方面的简化总结。该发明内容不是广泛概述，不旨在确定本教导的重要或关键要素，不旨在限定本公开的范围。而是，它的目的仅仅是以简化形式提出一个或多个概念作为以下详细描述的前序。
附加的目标和优点将在附图、详细描述和权利要求的描述中变得更明显。
在本公开中具体化的前述和/或其它方面和效用可以通过提供一种销致动打印头实现，所述销致动打印头包括：多个孔口，材料通过所述多个孔口被喷射；至少一个室，所述至少一个室保持待喷射的材料；多个通道，所述多个通道将所述室连接到所述孔口；以及多个致动销，所述多个致动销进入所述孔口并且从所述孔口喷射材料，其中所述打印头配置成在高温下喷射具有10,000cP或以上的粘度的材料。
在另一实施例中，在第一打开位置，所述致动销的每一个允许材料进入所述孔口，并且其中在第二闭合位置，所述致动销的每一个阻止所述通道中的材料进入相应的孔口，同时进入所述孔口并且随即喷射材料。
在另一实施例中，所述致动销的每一个处于所述第一打开位置的持续时间确定喷射的材料的体积。
在另一实施例中，每个孔口配置成喷射具有100μm到300μm之间的直径的材料的滴。
在另一实施例中，在所述闭合位置，所述致动销的每一个突出超过限定所述孔口的外表面的平面。
在另一实施例中，所述销致动打印头还包括多个销室以引导所述致动销的运动。
在另一实施例中，所述销致动打印头还包括多个致动器模块以移动所述致动销。
在另一实施例中，所述致动器模块包括电磁致动器和压电致动器中的一种。
在另一实施例中，所述材料是在200℃下具有50,000cP或以上的粘度的工程聚合物。
在另一实施例中，所述至少一个室配置成在压力下保持材料。
在另一实施例中，所述至少一个室配置成在50psi到150psi之间的压力下保持材料。
在另一实施例中，所述至少一个室配置成在100℃或以上的高温下保持材料。
在另一实施例中，所述至少一个室包括多个室，每个室连接到多个孔口，并且其中所述多个室的每一个将材料提供给所述多个孔口的每一个。
在另一实施例中，所述多个室保持多种不同的材料，每个室将材料提供给多个孔口。
在另一实施例中，所述致动器模块与所述室、孔口和材料间隔开从而使所述室、孔口和材料能够加热到高于所述致动器模块的温度。
在另一实施例中，所述多个销包括金属丝线。
在另一实施例中，所述多个销涂覆有低粘附涂层以便于喷射材料从所述销的尖端分离。
在另一实施例中，所述多个致动销具有阶梯形构造并且所述销室配置成接合所述致动销的所述阶梯形构造以停止所述致动销的运动。
在另一实施例中，所述多个致动销具有阶梯形构造并且所述销室配置成接合所述致动销的所述阶梯形构造以提供密封。
在另一实施例中，所述致动器模块包括多个致动器模块，并且所述孔口包括多个孔口，每个孔口与致动器模块关联，并且所述多个致动器彼此间隔开的距离大于它们的关联孔口之间的间隔。
在另一实施例中，每个致动销的定时被控制使得由每个致动销喷射的滴具有一致的尺寸。
在另一实施例中，所述致动销处于所述第一打开位置的持续时间被控制使得喷射的滴可以在尺寸上变化。
在另一实施例中，所述打印头与接收喷射材料的表面间隔开使得喷射材料当从所述孔口向所述接收表面行进时变为空气传播。
在另一实施例中，所述打印头接近接收喷射材料的表面被间隔使得所述销将所述喷射材料运载到所述接收表面。
在另一实施例中，所述致动器通过放大所述致动器的运动的杠杆臂或挠曲部驱动所述多个销。
附图说明
包含在该说明书中并且构成该说明书的一部分的附图示出本教导的实施例。本公开的实施例中的这些和/或其它方面和优点将从结合附图进行的各种实施例的以下描述变得明显并且更容易领会，其中：
图1示出根据实施例的销致动打印头；
图2示出根据实施例的销致动打印头；
图3示出根据实施例的销致动打印头；
图4示出根据实施例的具有致动器模块的销致动打印头；
图5A示出根据实施例的致动器模块；
图5B示出根据实施例的致动器模块；
图6示出根据实施例的销致动打印头阵列；
图7示出根据实施例的具有致动器模块的销致动打印头；
图8示出根据实施例的材料喷射的模型。
应当注意图的一些细节已被简化并且绘制成便于理解本教导而不是保持严格的结构精度、细节和比例。这些图/图形旨在解释不是限制。
具体实施方式
现在将详细地参考本公开中的各种实施例，在附图和图中示出所述实施例的例子。下面描述实施例以提供本文中公开的部件、过程和装置的更完整理解。给出的任何例子旨在是示例性的，而不是限制性的。然而，本领域的普通技术人员将显而易见可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其它情况下，未详细地描述公知的方法、程序、部件、电路和网络从而不非必要地使实施例的方面晦涩。
在说明书和权利要求中，以下术语采用本文中明确关联的含义，除非上下文清楚地另外说明。当在本文中使用时短语“在一些实施例中”和“在实施例中”不一定指的是(一个或多个)相同实施例，尽管它们可以这样。此外，当在本文中使用时短语“在另一实施例中”和“在一些其它实施例中”不一定指的是不同实施例，尽管它们可以这样。如下所述，各种实施例可以容易地组合而不脱离本公开的范围或精神。
当在本文中使用时，术语“或”是包括性算符，并且相当于术语“和/或”，除非上下文另外明确地说明。术语“基于”是非排他的并且允许基于未描述的附加因素，除非上下文另外明确地说明。在说明书中，“A、B和C中的至少一个”的叙述包括包含A、B或C的实施例，A、B或C的多个例子，或A/B、A/C、B/C、A/B/B、B/B/C、A/B/C等的组合。另外，在说明书中，“一”和“所述”的含义包括多个称谓。“在…中”的含义包括“在…中”和“在…上”。
也将理解，尽管术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种要素，但是这些要素不应当由这些术语限制。这些术语仅仅用于将一个要素与另一个区分开。例如，第一物体或步骤可以被称为第二物体或步骤，并且类似地，第二物体或步骤可以被称为第一物体或步骤，而不脱离本发明的范围。第一物体或步骤和第二物体或步骤都相应地是物体或步骤二者，但是它们不被视为相同的物体或步骤。还将理解当在该说明书中使用时术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、要素和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、要素、部件和/或其组合的存在或加入。此外，当在本文中使用时，取决于上下文，术语“如果”可以被理解为表示“当…时”或“一旦”或“响应确定”或“响应检测”。
除非另外说明，在下文中限定的所有物理性质在20到25摄氏度下测量。除非另外说明，术语“室温”指的是25摄氏度。
当在本文中引用值的任何数值范围时，这样的范围被理解为包括所述范围最小值和最大值之间的每一个数字和/或分数。例如，0.05-6％的范围将明确地包括0.6％、0.7％和0.9％的所有中间值，一直到并且包括5.95％、5.97％和5.99％。这同样适用于本文中所述的每个其它数值属性和/或基本范围，除非上下文明确地另外说明。
现在关注根据一些实施例的处理程序、方法、技术和工作流。本文中公开的处理程序、方法、技术和工作流中的一些操作可以组合和/或一些操作的顺序可以改变。
在一个实施例中，销致动打印头配置成喷射用于增材制造应用的高粘度材料。
材料可以包括高粘度材料，如工程聚合物或光聚合物。在其它实施例中，材料200可以包括焊膏、粘合剂、食物复合物和其它高粘度材料。例如，待喷射的材料可以包括在230℃的温度下具有500,000cP或更大粘度的ABS工程聚合物。
在其它实施例中，销致动打印头可以在高温下喷射高粘度材料。例如，在高温下待喷射的材料可以具有10,000cP或更大或50,000cP或更大的粘度。在另一实施例中，待喷射的材料可以具有500,000cP或更大的粘度。
图1示出根据实施例的销致动打印头。如图1中所示，销致动打印头可以包括孔口110，室120，通道130，销室140，以及致动销150。
孔口110可以限定于打印头100的主体中，并且打印头100可以包括一个或多个孔口110。在其它实施例中，打印头100可以包括限定一个或多个孔口110的孔板。在一些实施例中，孔口彼此间隔开1mm。孔口110可以具有50到800微米(μm)之间的直径。在另一实施例中，孔口110可以具有125到500微米之间或150到300微米之间的直径。
可以根据待喷射的材料200限定孔口110的直径和深度。例如，孔口110可以配置成喷射具有约200μm的直径的材料200的滴。在一个实施例中，孔口110可以配置成喷射具有100μm到300μm之间的直径的材料200的滴。在另一实施例中，孔口110可以配置成喷射具有50μm或更大的直径的材料200的滴。
室120可以限定于打印头的主体内，并且打印头100可以包括一个或多个室120。例如，打印头100可以包括一个或多个室120以保持不同类型的材料200，并且打印头100可以配置成在通过孔口110喷射/打印材料200期间混合不同类型的材料200。例如，当打印物体时，打印头100可以喷射散布有不同材料200的滴的一种材料200的滴。在一些实施例中，由各种材料200产生的物体可以具有在所使用的两种或更多种材料200之间或其平均值的机械或光学性质。在一个实施例中，室120配置成保持待喷射的单一材料200。在另一实施例中，多个室120保持待喷射的多种材料200。
打印头100可以配置成保持不同颜色的材料200并且混合从孔口110喷射的材料200的颜色以调节最后3D打印产品的颜色。类似地，打印头100可以配置成保持具有不同材料性质的材料200并且当它们从孔口110喷射时组合材料200以调节3D打印产品的最后性质。
材料200可以保持在压力下以便于材料200的喷射。例如，室120可以配置成在压力下保持待喷射的材料200以便于材料200流动到孔口110。在一些实施例中，100psi的压力将使100,000cP材料200能够流动通过通道130并且进入孔口110以支持大约1000Hz的发射频率。在其它实施例中，施加到室120中的材料200的压力可以根据材料200的粘度、期望的发射频率和/或打印头100的部件(包括孔口110和/或通道130)的尺度进行调节。在一个实施例中，打印头100配置成在50psi到150psi之间的压力下保持材料200。在另一实施例中，打印头100配置成在至少25psi的压力下保持材料200。
材料200可以保持在高温下以便于材料200的喷射。例如，室120可以配置成在100℃或更大温度下保持材料200以便于材料200流动到孔口110。在另一实施例中，打印头100可以配置成将材料加热到200℃或更大或300℃或更大。
通道130可以限定于打印头100的主体内，并且打印头100可以包括一个或多个通道130。在一个实施例中，通道130配置成将待喷射的材料200引导到孔口110中。通道130的尺度可以根据待喷射的材料200的特性进行调节。
尽管图1示出根据实施例的打印头配置，但是打印头100的其它配置也是可能的。例如，图2-3示出打印头100的其它可能配置。如图2中所示，打印头100可以配置成具有通过独立的通道130将材料200提供给多个孔口110的单室120。替代地，如图3中所示，打印头100可以配置成具有通过单通道130将材料200提供给多个孔口110的单室120。图2中所示的实施例可以减小通道130中的材料200的流阻或者可以最小化通道130中的材料200的压力损失并且对于很高粘度的材料200可以允许更大的流量。
在一些实施例中，每个孔口110具有关联的致动销150以喷射孔口110内的材料，并且每个致动销150可以在销室140内移动，所述销室配置成引导致动销150的运动。
销室140可以限定于打印头100的主体内，并且打印头100可以包括一个或多个销室140。在一个实施例中，销室140配置成将致动销150引导到孔口110中。在其它实施例中，销室140将致动销150引导通过通道130的至少一部分并且进入孔口110中。如图1中所示，销室140可以具有阶梯形构造以匹配致动销的阶梯形构造从而限制致动销150的运动并且在销室140中的点处提供密封145。在另一实施例中，密封145可以由销室140和致动销150之间的直径公差提供。例如，如图2-3中所示，销室140和致动销150之间的空间可以被选择以允许致动销150的容易运动，同时防止高粘度材料200进入销室140。
致动销150可以在销室140和孔口110内移动。例如，致动销150可以经由电磁体、压电装置或其它驱动机构移动。致动销150可以配置成将通道130和/或孔口110内的材料200推动到打印头100之外。
在一个实施例中，打印头100的发射周期由致动销150的运动限定。例如，如图1中所示，发射周期可以开始于致动销150处于闭合位置“A”。致动销150可以定位在孔口110内并且可以防止进入孔口110中的材料200的任何显著流动。致动销然后可以移动到打开位置“B”，从孔口110内缩回致动销150并且允许材料200流动到孔口110中。在一些实施例中，致动销150可以仅仅部分地缩回以控制流动到孔口110中的材料的量。最后，致动销150可以移动回到闭合位置“C”以完成发射周期。如图1中所示，移动到闭合位置，致动销150可以将孔口110中的材料200推动到打印头100之外。如图8中所示，致动销150可以移动经过孔口110的外表面以喷射先前在孔口110内的材料200。
在一些实施例中，致动销150可以具体化为丝线。例如，致动销150可以是具有200到300微米(μm)之间的直径的金属丝线，如不锈钢或钨。在一个实施例中，致动销150具有100μm到500μm之间的直径。
致动销150可以配置成移动通过销室140和孔口110以喷射材料200。致动销150喷射材料200所行进的距离可以取决于打印头100的配置和/或材料200的特性。例如，致动销可以配置成在发射周期期间移动1.5mm或更小的距离。在一个实施例中，致动销可以在发射周期期间移动1.0mm或更小的距离。在另一实施例中，致动销150可以移动0.5mm或更小的距离。在又一实施例中，致动销150可以移动0.4mm到0.5mm之间的距离。
致动销150可以以1米每秒(M/s)或更大的速度移动。在一个实施例中，致动销可以在发射周期期间以2M/s或更大的速度移动。在另一实施例中，致动销可以在发射周期期间以5M/s或更大的速度移动。在一些实施例中，致动销可以以20M/sec2或更大的速率减速以便于从销的端部喷射粘性材料。例如，在一些实施例中，可以通过突然停止致动销150的运动的硬止动件或其它元件的使用促进致动销150的减速。
致动销150可以配置成获得约1000Hz的发射频率。在一个实施例中，致动销150的发射频率在500Hz到1500Hz之间。在另一实施例中，致动销150的发射频率在100Hz到2000Hz之间。
在一个实施例中，致动销150包括低粘附材料或涂层，如FDTS或Teflon，从而减轻材料200粘附到致动销150。
打印头100可以与正在打印的物体的表面间隔开，并且从打印头100喷射的材料200当从孔口110喷射同时朝着所述表面行进时变为空气传播，。在另一实施例中，打印头100接近正在打印的物体的表面，并且致动销150将从孔口110喷射的材料运载到正在打印的物体的表面。
图4示出根据实施例的具有致动器模块的销致动打印头。如图4中所示，打印头100可以包括喷射材料200的多个孔口110(未示出)，保持待喷射的材料200的室120，多个致动销150，以及多个致动器模块300。应当领会多个室120可以包含到打印头100中，每个室120将不同材料输送到多个孔口110。
致动器模块300可以用于驱动打印头100内的致动销150的运动。在一些实施例中，致动器模块300可以具体化为电磁致动器，其连接到致动销150的一个端部并且配置成移动打印头100内的致动销150。
在其它实施例中，致动器模块300可以具体化为螺线管，牵引致动器臂的电磁体，压电致动器的堆叠阵列，或驱动致动销150的运动的其它机构。堆叠压电致动器提供高可靠性并且挠曲部可以用于放大来自堆叠压电致动器的运动。例如，如图5A中所示，致动器模块300可以包括堆叠压电致动器310和用于运动放大的挠曲部320。如图5B中所示，致动器模块300可以包括电磁体370和驱动致动销150的枢转臂380。枢转臂380可以定位成枢轴点385接近电磁体370，导致小间隙和强电磁吸引力，并且枢转臂380的长度在附连致动销150的端部处提供运动的放大。
根据一些实施例，一组打印头100的配置和/或致动器模块300的配置可以被修改以改善利用打印头100的3D打印系统的总体密度或分辨率。例如，图6-7示出具有致动器模块的销致动打印头的不同配置。
如图6中所示，两个打印头100均可以面对面定位并且交错以产生具有面对孔口110之间的半节距间隔的总打印阵列500。在一些实施例中，打印阵列500可以在道次之间转位以改善总体分辨率。
在其它实施例中，致动销150可以以扇形配置布置以改善打印头100的喷射孔口的分辨率或密度。例如，如图7中所示，多个致动销150与每个致动器模块300成角延伸到具有孔口110的打印头100的会聚区域。在一些实施例中，打印头100包括引导件以引导致动销150并且防止屈曲或挠曲。引导件可以模制、机械加工或以另外方式形成于打印头100上。
根据一些实施例，可以根据致动销150的运动控制由打印头100喷射的材料200的体积。例如，流动到通过致动销150从孔口110和/或通道130缩回产生的空隙中的材料的体积可以取决于致动销150保持在缩回位置的时间。
图8示出材料喷射的模型。如图8中所示，致动销800从孔口区域810缩回初始产生空隙820。待喷射的材料830然后流动到空隙820中，由此，它通过致动销800的运动从孔口区域810喷射。致动销800可以喷射材料830，即使空隙820仅仅部分被填充。
在一些实施例中，致动销800的缩回和其返回运动之间的时间段确定由材料830填充的空隙820的百分比。在其它实施例中，材料830的温度、粘度和其它特性也确定在致动销800的运动之间填充的空隙820的百分比。因此，在一些实施例中，致动销800的运动可以被控制以调节喷射的材料830的尺寸或体积。在其它实施例中，单独的致动销800的定时可以作为标准化喷射的材料830的量的方法被调节。也就是说，致动销800的定时可以被调节使得组中的所有致动销800喷射材料830的一致或相等体积。
在一个实施例中，致动销800移动以喷射材料830的速度可以确定材料830的喷射速度。高喷射速度可以有助于最小化3D打印操作期间的滴放置，而较低喷射速度可以允许材料830在喷射操作期间聚集成更大的球滴。
关于图1，可以一直延伸到通道130中的孔口110再填充材料200的程度可以由致动销150的缩回(打开位置)和致动销150的发射(闭合位置)之间的时间段确定。致动销150长时间段处于打开位置允许通道完全填充，并且最大化喷射的材料的量。较短的时间段将仅仅允许部分再填充，并且喷射的材料的量将取决于再填充的百分比。因此，该定时差异可以用于产生喷射材料200的可变滴尺寸。在一些实施例中，该变化可以用于产生灰度以及“标准化”每个孔口的滴尺寸。
在一个实施例中，打印头100在距离正在打印的物体的表面1mm到10mm之间。在另一实施例中，从打印头100喷射的材料200的滴在沉积之前行进0.5mm到10mm之间。

Claims (25)

1.一种销致动打印头，其包括：
多个孔口，材料通过所述多个孔口被喷射；
至少一个室，所述至少一个室在100℃或以上的高温下保持待喷射的材料；
多个通道，所述多个通道将所述至少一个室连接到所述多个孔口；以及
多个致动销，所述多个致动销进入所述多个孔口并且从所述多个孔口喷射材料的滴，
其中，所述打印头配置成在高温下喷射具有10,000cP或以上的粘度的材料；以及
其中，所述至少一个室被配置成在25psi或更大的压力下保持所述材料，以支持所述多个致动销的发射频率在100Hz到2000Hz之间。
2.根据权利要求1所述的打印头，其中，在第一打开位置，所述多个致动销允许材料进入相应的孔口，并且其中在第二闭合位置，所述多个致动销阻止相应的通道中的材料进入相应的孔口，同时阻止进入相应的孔口并且随即喷射材料。
3.根据权利要求2所述的打印头，其中所述致动销的每一个处于所述第一打开位置的持续时间确定喷射的材料的滴的体积。
4.根据权利要求2所述的打印头，其中每个孔口配置成喷射具有100μm到300μm之间的直径的材料的滴；以及
其中所述多个致动销的发射频率在500Hz到1500Hz之间。
5.根据权利要求2所述的打印头，其中在所述第二闭合位置，所述致动销的每一个突出超过限定所述孔口的外表面的平面。
6.根据权利要求1所述的打印头，其还包括多个销室以引导所述多个致动销的运动。
7.根据权利要求1所述的打印头，其还包括多个致动器模块以移动所述多个致动销；
其中所述多个致动销以1M/s或更大的速度移动，且以20M/sec2或更大的速率减速。
8.根据权利要求7所述的打印头，其中所述多个致动器模块包括电磁致动器和压电致动器中的至少一种；以及
其中所述多个致动销以5M/s或更大的速度移动。
9.根据权利要求8所述的打印头，其中所述至少一个室在200℃或以上的高温下保持待喷射的材料，且其中所述材料是在200℃下具有50,000cP或以上的粘度的工程聚合物。
10.根据权利要求9所述的打印头，其中所述材料在230℃下具有500,000cP或以上的粘度。
11.根据权利要求1所述的打印头，其中所述至少一个室被配置成在50psi和150psi之间的压力下保持所述材料。
12.根据权利要求10所述的打印头，其中所述至少一个室在300℃或以上的高温下保持所述材料。
13.根据权利要求1所述的打印头，其中所述至少一个室包括多个室，所述多个室中的每个室与所述多个孔口中的一个或多个相对应，并且其中所述多个室的每一个将材料提供给相应的孔口。
14.根据权利要求13所述的打印头，其中所述多个室保持多种不同的材料，每个室将材料提供给相应的孔口。
15.根据权利要求7所述的打印头，其中所述多个致动器模块与所述至少一个室、多个孔口和材料间隔开，从而使所述至少一个室、多个孔口和材料能够加热到高于所述致动器模块的温度。
16.根据权利要求1所述的打印头，其中所述多个致动销包括金属丝线。
17.根据权利要求1所述的打印头，其中所述多个致动销涂覆有低粘附涂层，以便于喷射材料从所述多个致动销的尖端分离。
18.根据权利要求7所述的打印头，还包括多个销室以引导所述多个致动销的运动，其中所述多个致动销具有阶梯形构造并且所述多个销室配置成接合所述多个致动销的阶梯形构造以使所述多个致动销的运动停止。
19.根据权利要求7所述的打印头，还包括多个销室以引导所述多个致动销的运动，其中所述多个致动销具有阶梯形构造并且所述多个销室配置成接合所述多个致动销的阶梯形构造以提供密封。
20.根据权利要求7所述的打印头，其中所述多个孔口中的每一个与所述多个致动器模块中的一个相对应，且所述多个致动器模块彼此间隔开的距离大于与它们的相对应的孔口之间的间隔。
21.根据权利要求3所述的打印头，其中所述多个致动销中的每个致动销的定时被控制为使得由所述多个致动销中的每个致动销喷射的材料的滴具有一致的尺寸。
22.根据权利要求2所述的打印头，其中所述多个致动销中的每个致动销处于所述第一打开位置的持续时间被控制为使得喷射的材料的滴能够在尺寸上变化。
23.根据权利要求1所述的打印头，其中所述打印头与接收喷射的材料的滴的表面间隔开，使得喷射的材料的滴当从所述孔口向所述接收表面行进时变为空气传播。
24.根据权利要求1所述的打印头，其中所述打印头接近接收喷射的材料的滴的表面被间隔开，使得所述多个致动销将所述喷射的材料的滴运载到所述接收表面。
25.根据权利要求7所述的打印头，其中所述多个致动器通过放大所述多个致动器的运动的杠杆臂或挠曲部中的一个驱动所述多个致动销。
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