CN106827526A - 在用于生产三维工件的设备中使用的取出系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在用于生产三维工件的设备中使用的取出系统。一种在通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备(10)中使用的取出系统(26)，包括构造成支撑建造室结构体(25)的支撑结构(28)。建造室结构体(25)包括容纳承载件(16)的建造室(18)，承载件(16)构造成接收通过增材分层工艺由原料粉末生产的三维工件(11)。取出系统(26)的降落机构(30)构造成对建造室(18)施加驱动力，以使建造室(18)相对于承载件(16)下降，直到可以将承载件(16)上接收的三维工件(11)从承载件(16)上移除。

Description

在用于生产三维工件的设备中使用的取出系统
技术领域
本发明涉及一种在通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备中使用的取出系统。本发明还涉及一种操作这种取出系统的方法，以及一种通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的、配备有这种取出系统的设备。
背景技术
粉末床融合是一种增材分层工艺(additive layering process)，通过该工艺，可以将粉状原料，特别是金属和/或陶瓷原料，加工成形状复杂的三维工件。为此，将原料粉末层施加在承载件上，并根据待生产工件的所需几何形状以位点选择方式使其经受激光辐射。穿透粉末层的激光辐射导致加热，并因此熔化或熔结原料粉末颗粒。然后，连续将进一步的原料粉末层施加至承载件上已经受激光处理的层上，直到工件具有所需的形状和尺寸。粉末床融合可以用于根据CAD数据生产原型、工具、替换件、高价值部件或医疗假体，例如，牙科或矫形假体。
DE 20 2013 009 787 U1中描述了一种适用于通过粉末床融合工艺由粉状原料生产大量模制体的设备。现有技术设备设置有包括辐照装置和加工室的工件生成区段。加工室可以对环境大气密封，并容纳用于接收原料粉末的承载件以及通过增材分层工艺由承载件上的原料粉末生成的工件。承载件能够相对于加工室移置进入建造室，以补偿工件在生成时增加的高度。该建造室可通过盖子对环境大气密封，并在此后可以从靠近加工室的操作位置转移至工件生成区段外的交换位置。从交换位置，建造室进一步转移至后处理和取出区段。在后处理和取出区段，容纳在建造室内的工件被冷却，并且工件最终通过以下方式取出：相对于建造室提升承载件，直到承载件布置成与建造室的上缘(upper rim)大致齐平并且可以将工件从承载件上移除。设备的粉末回收系统用于将多余的原料粉末从建造室和加工室中排出，对排出的粉末进行处理和加工，并最终使粉末回到加工室。
发明内容
本发明针对下述目的：提供一种在通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备中使用的取出系统，该取出系统特别地适用于可靠地取出大型三维工件。本发明还针对下述目的：提供一种操作这种取出系统的方法。最后，本发明针对下述目的：提供一种通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的配备有这种取出系统的设备。
通过根据本发明的取出系统、根据本发明的操作取出系统的方法以及根据本发明的通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备达到这些目的。
在通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备中使用的取出系统包括构造成支撑建造室结构体的支撑结构。建造室结构体包括容纳承载件的建造室。建造室可以例如具有柱形形状，特别地为圆柱形形状。承载件构造成接收通过增材分层工艺由原料粉末生产的三维工件，并且可以例如大致上为板状的。
在通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备的工件生产操作期间，可以将原料粉末层施加在建造室结构体的承载件上，并在此后用电磁或粒子辐射选择性地辐照，以导致加热并因此熔融或熔结原料粉末颗粒，从而生成待生成三维工件的第一层。此后，可以使承载件相对于建造室下降，即，可以使承载件下降进入建造室，从而允许施加和辐照进一步的原料粉末层。可以重复这些步骤，直到工件具有所需的形状和尺寸。在工件生成过程完成后，所生成的三维工件被支撑在建造室内的承载件上，通常嵌在残留原料粉末中。然而，也能够想到施加在承载件上但没有用于生成三维工件的残留原料粉末在工件生成过程期间已被移除。
基本上，取出系统的建造室结构体可以构造成不可拆卸地适当安装在通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备中。然而，也能够想到将建造室结构体构造成可拆卸地安装在通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备中，使得建造室结构体可以如DE 20 2013 009 787 U1中所述在设备的不同区段之间转移。在优选实施方案中，取出系统适于形成通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备的后处理和取出区段的一部分，在完成工件生成过程后建造室结构体转移至该部分，以取出生成的三维工件。
取出系统还包括降落机构，该降落机构构造成对建造室施加驱动力，以使建造室相对于承载件下降，直到能够将承载件上接收的三维工件从承载件上移除。因此，降落机构适于导致建造室相对于承载件向下方的相对运动。在优选的实施方案中，降落机构构造成对建造室施加驱动力，以使建造室相对于承载件在竖直方向上下降。在取出系统中，承载件可以相对于建造室不能移动，即，取出系统可以根本没有配备用于使承载件相对于建造室上升的提升机构。然而，也能够想到除了用于使建造室相对于承载件下降的降落机构以外还为取出系统配备用于使承载件相对于建造室上升的提升机构，例如在需要校正承载件相对于建造室的运动的情况下。
通过使建造室相对于承载件下降而不是使承载件相对于建造室上升，可以防止建造室的内表面与承载件的相对外圆周表面之间的原料粉末颗粒的冷凝固。因此，受截留在建造室的内表面和承载件的相对外圆周表面之间的冷凝固粉末颗粒影响甚至被其阻塞的建造室与承载件之间的相对移动的风险可以最小化。因此，可以可靠地取出承载件上接收的三维工件。此外，特别是在取出系统应当用于取出大且重的三维工件的情况下，相比于能够提供足以使承载件和三维工件以及可能还有其上接收的残留原料粉末相对于建造室上升直到可以将三维工件从承载件上移除的驱动力的提升机构，降落机构可以配备强度较小并因此成本效益较高而且维修不太密集的驱动装置。
在取出系统的优选实施方案中，降落机构构造成对建造室施加驱动力，以使建造室相对于承载件下降，至少直到构造成承载通过增材分层工艺由原料粉末生产的三维工件的承载件的承载件表面布置成与建造室的上缘大致齐平。这允许不受阻碍地取出三维工件。
降落机构可以包括至少一个驱动元件和传递元件。传递元件可以连接至该至少一个驱动元件，并且可以构造成将该至少一个驱动元件产生的驱动力传递至建造室，以使建造室相对于承载件下降。驱动元件可以设计成液压缸的形式。然而，也能够想到采用其它类型的驱动元件，例如，电动马达等。在降落机构设置有多于一个驱动元件的情况下，传递元件优选地连接至所有的驱动元件，以确保将驱动元件产生的驱动力有效地传递至建造室。
传递元件可以构造成向建造室的上缘施加压力。例如，传递元件可以适于与建造室的上缘接触，并在此后向下移动，以将建造室相对于承载件向下推。
取出系统还可以包括接收盒，该接收盒构造成在使建造室相对于承载件下降时相对于承载件下降，以容纳承载件上接收的三维工件。在取出系统设置有接收盒的情况下，可以将承载件上接收的三维工件从建造室转移至接收盒。在三维工件从建造室中取出后应在接收盒内进行后处理(例如，冷却或机械抛光)的情况下，以及/或者在建造室除了三维工件以外还包含不应以不受控制方式释放至外界的残留原料粉末的情况下，这特别有利。
在优选实施方案中，接收盒可以设计成对环境大气密封并设置有至少一个抓握手套的手套箱形式。接收盒可以连接至适合的气氛控制系统，该气氛控制系统适于在接收盒内建立所需的气氛，例如惰性气体气氛。通过该至少一个抓握手套，用户可以通过使接收盒相对于承载件下降来处理接收盒中接收的三维工件和/或残留原料粉末，而无需使三维工件和/或残留原料粉末暴露于环境大气中。设计成手套箱形式的接收盒特别有利于与包括盖子的建造室结构体结合使用，该盖子密封连接至建造室，以使建造室的内部对环境大气密封。然后，可以将三维工件和残留原料粉末(如果存在)从一个密封环境(即，建造室的内部)，转移至另一个密封环境(即，设计成手套箱形式的接收盒的内部)。
接收盒可以连接至降落机构，使得当通过降落机构提供的驱动力使建造室相对于承载件下降时，接收盒同时相对于承载件下降。单一的降落机构就足以使建造室和接收盒二者相对于承载件下降。
在优选实施方案中，接收盒包括设置有开口的底板。该开口优选地构造成至少允许承载件上接收的三维工件容纳于接收盒内。当使接收盒相对于承载件降低时，就可以通过开口将承载件上接收的三维工件引入接收盒。然而，还能够想到将开口设计成具有这样的形状和尺寸：使得通过开口还可以将承载件引入接收盒。接收盒的底板的围绕开口的部分可以形成降落机构的传递元件，在使接收盒下降时，该传递元件对建造室的上缘施加压力，以使建造室相对于承载件下降。设置在接收盒的底板上的开口可以通过合适的闭合元件密封，可以在使接收盒相对于承载件下降之前立即仅将该闭合元件移除。
取出系统还可以包括连接机构，该连接机构构造成至少在使建造室相对于承载件下降之前将建造室密封地连接至接收盒。具体地，该连接机构可以适于在建造室的上缘与接收盒的底板的面向建造室的上缘的下表面之间形成密封连接。在设置在接收盒的底板上的开口用闭合元件密封的情况下，在建造室与接收盒之间建立密封连接之后，可以机械地或手动地拆卸闭合元件，而不会使接收盒的内部暴露于环境大气中。此外，在建造室结构体设置有与建造室连接的盖子的情况下，在建造室与接收盒之间建立密封连接之后，可以机械地或手动地将盖子从建造室上拆卸并移除，例如，通过设置在接收盒的底板上的开口，以建立三维工件以及残留原料粉末(如果存在)从建造室进入接收盒中的密封转移路径。
最后，取出系统可以包括吸入系统，该吸入系统构造成在建造室相对于承载件下降期间和/或之后将将建造室内包含的残留原料粉末从建造室中收回。吸入系统可以包括柔性吸入管，该柔性吸入管密封地导入接收盒内，使得该柔性吸入管可以根据用户的需要来定位和操作，例如通过至少一个抓握手套。吸入管可以连接至粉末再循环系统，该粉末再循环系统用于接收和加工残留原料粉末，以使残留原料粉末准备重新引入工件生产过程。
操作在通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备中使用的取出系统的方法包括在支撑结构上布置建造室结构体的步骤。建造室结构体包括容纳承载件的建造室，其中，该承载件构造成接收通过增材分层工艺由原料粉末生产的三维工件。通过对建造室施加驱动力的降落机构使建造室相对于承载件下降，直到可以将承载件上接收的三维工件从承载件上移除。
降落机构优选地对建造室施加驱动力，以使建造室相对于承载件下降，至少直到构造成承载通过增材分层工艺由原料粉末生产的三维工件的承载件的承载件表面布置成与建造室的上缘大致齐平。
降落机构可以包括至少一个驱动元件和传递元件。该传递元件可以连接至该至少一个驱动元件，并将该至少一个驱动元件产生的驱动力传递至建造室，以使建造室相对于承载件下降。传递元件特别地可以对建造室的上缘施加压力。
操作取出系统的方法还可包括下述步骤：在使建造室相对于承载件下降时，使接收盒相对于承载件下降，以在使建造室相对于承载件下降时容纳承载件上接收的三维工件。接收盒可设计成对环境大气密封并设置有至少一个抓握手套的手套箱形式。替选地或另外地，接收盒可以连接至降落机构，使得当通过降落机构提供的驱动力使建造室相对于承载件下降时，使接收盒同时相对于承载件下降。接收盒可以包括设置有开口的底板。该开口可以构造成至少允许承载件上接收的三维工件容纳于接收盒内。
在优选实施方案中，操作取出系统的方法还可包括在使建造室相对于承载件下降之前将建造室密封地连接至接收盒的步骤。
此外，该方法还可以包括在使建造室相对于承载件下降期间和/或之后将将建造室中包含的残留原料粉末从建造室中收回的步骤。
通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备包括上述取出系统。
附图说明
下文参考所附示意图更加详细地解释本发明的优选实施方案，附图中：
图1示出了通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的配备有取出系统的设备，以及
图2a)-2c)示出了图1所示设备的取出系统的操作。
具体实施方式
图1示出了通过增材分层构造(additive layer construction)方法来制造三维工件11的设备10。设备10包括配备有加工室12的工件生成区段W。设置在加工室12中的粉末施加装置14用于将原料粉末施加到承载件16上。加工室12能对环境大气密封，即，对加工室12周围的环境密封。承载件16设计成能在竖直方向上移置，使得随着工件11的构建高度增加(这是由于工件由承载件16上的原料粉末层层构建)，承载件16可以沿竖直方向向下移动进入建造室18。
设备10还包括辐照装置20，该辐照装置用于选择性地对施加在承载件16上的原料粉末辐照电磁或粒子辐射，特别是激光辐射。辐照装置20的激光源，特别是二极管泵浦镱光纤激光器，发出具有大约1070至1080的波长的激光。辐照装置20还包括用于引导和加工辐射光束的光学单元。该光学单元可以包括用于扩大辐射光束的光束扩展器、扫描器和物镜。替选地，该光学单元可以包括具有聚焦光学器件和扫描单元的光束扩展器。通过扫描单元，可以改变和调整光束路径方向上和垂直于光束路径的平面内的辐射光束的焦点的位置。扫描单元可以设计成检流计扫描器的形式，物镜可以为f-θ物镜。
在设备10的工件生成操作期间，通过选择性地用辐射光束辐照施加在承载件16上的原料粉末层来生成待生产三维工件11的第一层。具体地，根据待生产工件11的CAD数据在施加在承载件16上的原料粉末层上方指引辐射光束。在完成待生产工件11的第一层后，在竖直方向上降低承载件16，允许通过粉末施加装置14施加连续粉末层。此后，通过辐照装置20辐照连续粉末层。因此，在承载件16上逐层构建成部件，而承载件16被降低至建造室18内。在建造室18中，在承载件16上生成的工件11嵌在残留原料粉末23中，该残留原料粉末是在工件生成过程期间施加在承载件16上的，但未经辐照。
在设备10的工件生成区段W中完成工件生成过程后，通过盖子24密封带有所生成的三维工件11的建造室18。此后，将包括承载件16、建造室18和盖子24的建造室结构体25从靠近加工室12的工件生成区段W中的操作位置转移至设备10的建造室交换区段B中的交换位置。一将建造室结构体25转移至建造室交换区段B，就可以将交换承载件和交换建造室(未示出)安装在工件生成区段W中，并且可以开始进一步的工件生成过程。
进一步将建造室结构体25从建造室交换区段B中的交换位置转移至后处理和取出区段P。在后处理和取出区段P中，容纳在建造室18内的工件11被冷却并最终从建造室结构体25中取出，下文将进行更详细的描述。
设备10的后处理和取出区段P配备有取出系统26。该取出系统26包括构造成支承建造室结构体25的支撑结构28。另外，取出系统26包括降落机构30，该降落机构构造成对建造室18施加驱动力，以使建造室18相对于承载件16下降，直到可以将承载件16上接收的三维工件11从承载件16上移除。特别地，降落机构30包括两个驱动元件32，这两个驱动元件设计成液压缸的形式，并布置成彼此之间间隔足以容纳支撑结构28和建造室结构体25的距离。驱动元件32的每一个连接至传递元件34，传递元件构造成将驱动元件32产生的驱动力转移至建造室18。
此外，取出系统26包括接收盒36，接收盒构造成当使建造室18相对于承载件16下降时相对于承载件16下降。接收盒36设计成对环境大气密封且设置有两个抓握手套38的手套箱形式。接收盒36包括设置有开口42的底板40。开口42通过闭合元件44密封。连接机构46用于在建造室18和接收盒36之间建立密封连接。具体地，连接机构46适于在建造室18的上缘与面向建造室18的上缘的接收盒36的底板40的下表面之间建立密封连接。
取出系统26还包括用于收回残留原料粉末23的吸入系统48。吸入系统48包括柔性吸入管50，该柔性吸入管密封地导入接收盒36，并连接至粉末再循环系统(未示出)，该粉末再循环系统用于接收和加工残留原料粉末23，以使残留原料粉末23准备重新引入工件加工过程。最后，接收盒36连接至气氛控制系统52，该气氛控制系统适用于在接收盒内建立所需的气氛，例如惰性气体气氛。
在建造室结构体25已接收到后处理和取出区段P后，在第一步中，建造室18通过连接机构46密封地连接至接收盒36，见图2a)。特别地，连接机构46在建造室的上缘与接收盒36的底板40的下表面之间在接收盒36的底板40的围绕开口42的区域中建立密封连接。此后，由用户通过抓握手套38自动或手动地将密封了设置在接收盒36的底板40上的开口42的闭合元件44以及建造室结构体25的盖子24移除。结果，建立了三维工件11和残留原料粉末23从建造室18进入接收盒36的密封转移路径。
此后，开始操作降落机构30的驱动元件32。特别地，操作驱动元件32以同时使接收盒36和建造室18相对于承载件16下降，见图2b)。实际上，接收盒36连接至降落机构30(即，降落机构30的驱动元件32)，使得接收盒36的底板40的围绕设置在底板40上的开口42的部分形成降落机构30的传递元件34，当降低接收盒36时，传递元件对建造室18的上缘施加压力，以竖直向下推动建造室18并因此也使建造室18相对于承载件16下降。从而将三维工件11和建造室18中包含的残留原料粉末23转移至接收盒36中。
在将三维工件11和残留原料粉末23转移至接收盒36期间，操作吸入系统48，以将残留原料粉末23从接收盒36中收回，并将残留原料粉末23传输至粉末再回收系统。特别地，用户可以通过接收盒36的抓握手套38根据需要来手动指引并操作柔性吸入管50。
操作降落机构30，直到接收盒36和建造室18相对于承载件16降低至承载有三维工件11的承载件16的承载件表面布置成至少与建造室18的上缘大致齐平，以确保不受阻碍地从建造室18中取出三维工件11。在附图所示的取出系统26的实施方案中，其中，工件11从建造室18转移至接收盒36中，建造室18实际上相对于承载件16降低，直到承载有三维工件11的承载件表面布置在接收盒36内。因此，用户可以借助抓握手套38容易地使工件11与承载件16分离。

Claims (16)

1.一种在用于通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备(10)中使用的取出系统(26)，所述取出系统(26)包括：
-构造成支撑建造室结构体(25)的支撑结构(28)，所述建造室结构体(25)包括容纳承载件(16)的建造室(18)，所述承载件(16)构造成接收通过增材分层工艺由原料粉末生产的三维工件(11)，以及
-降落机构(30)，构造成对所述建造室(18)施加驱动力，以使所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降，直到能够将所述承载件(16)上接收的三维工件(11)从所述承载件(16)移除。
2.根据权利要求1所述的取出系统，
其中，所述降落机构(30)构造成对所述建造室(18)施加驱动力，以使所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降，至少直到构造成承载通过增材分层工艺由原料粉末生产的三维工件(11)的所述承载件(16)的承载件表面布置成与所述建造室(18)的上缘大致齐平。
3.根据权利要求1所述的取出系统，
其中，所述降落机构(30)包括至少一个驱动元件(32)和传递元件(34)，所述传递元件(34)连接至所述至少一个驱动元件(32)并构造成将所述至少一个驱动元件(32)产生的驱动力传递至所述建造室(18)，以使所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降。
4.根据权利要求3所述的取出系统，
其中，所述传递元件(34)构造成对所述建造室(18)的上缘施加压力。
5.根据权利要求1所述的取出系统，
还包括：
-接收盒(36)，构造成当所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降时相对于所述承载件(16)下降，以在所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降时容纳所述承载件(16)上接收的三维工件(11)，特别地，所述接收盒(36)设计成对环境大气密封并且设置有至少一个抓握手套(38)的手套箱的形式。
6.根据权利要求5所述的取出系统，
其中，所述接收盒(36)连接至所述降落机构(30)，使得当通过所述降落机构(30)提供的驱动力使所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降时，所述接收盒(36)同时相对于所述承载件(16)下降。
7.根据权利要求5所述的取出系统，
其中，所述接收盒(36)包括设置有开口(42)的底板(40)，所述开口(42)构造成至少允许所述承载件(16)上接收的三维工件(11)容纳于所述接收盒(36)内。
8.根据权利要求5所述的取出系统，
还包括：
-连接机构(46)，构造成在所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降之前将所述建造室(18)密封地连接至所述接收盒(36)。
9.根据权利要求5所述的取出系统，
还包括：
-吸入系统(48)，构造成在所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降期间和/或之后将所述建造室(18)内包含的残留原料粉末(23)从所述建造室(18)收回。
10.一种操作在用于通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备(10)中使用的取出系统(26)的方法，所述方法包括：
-在支撑结构(28)上布置建造室结构体(25)，所述建造室结构体(25)包括容纳承载件(16)的建造室(18)，所述承载件(16)构造成接收通过增材分层工艺由原料粉末生产的三维工件(11)，以及
-通过对所述建造室(18)施加驱动力的降落机构(30)使所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降，直到能够将所述承载件(16)上接收的三维工件(11)从所述承载件(16)移除。
11.根据权利要求10所述的方法，
其中，所述降落机构(30)对所述建造室(18)施加驱动力，以使所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降，至少直到构造成承载通过增材分层工艺由原料粉末生产的三维工件(11)的所述承载件(16)的承载件表面布置成与所述建造室(18)的上缘大致齐平。
12.根据权利要求10所述的方法，
其中，所述降落机构(30)包括至少一个驱动元件(32)和传递元件(34)，所述传递元件(34)连接至所述至少一个驱动元件(32)并将所述至少一个驱动元件(32)产生的驱动力传递至所述建造室(18)，以使所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降，所述传递元件(34)特别地向所述建造室(18)的上缘施加压力。
13.根据权利要求10所述的方法，
还包括：
-当所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降时，使接收盒(36)相对于所述承载件(16)下降，以在所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降时容纳所述承载件(16)上接收的三维工件(11)，其中，特别地，所述接收盒(36)设计成对环境大气密封并且设置有至少一个抓握手套(38)的手套箱的形式，并且/或者其中，所述接收盒(36)连接至所述降落机构(30)，使得当通过所述降落机构(30)提供的驱动力使所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降时，使所述接收盒(36)同时相对于所述承载件(16)下降，并且/或者其中，所述接收盒(36)包括设置有开口(42)的底板(40)，所述开口(42)构造成至少允许所述承载件(16)上接收的三维工件(11)容纳于所述接收盒(36)内。
14.根据权利要求13所述的方法，
还包括：
-在使所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降之前将所述建造室(18)密封地连接至所述接收盒(36)。
15.根据权利要求10所述的方法，
还包括：
-在使所述建造室(18)相对于所述承载件(16)下降期间和/或之后将所述建造室(18)中包含的残留原料粉末(23)从所述建造室(18)收回。
16.一种用于通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备(10)，所述设备(10)包括：
-根据权利要求1所述的取出系统(26)。
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