CN108430741B - 三维物体的成形装置及制造方法 - Google Patents

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Abstract

简单且精确地成形尺寸比通过来自照射装置的光束的照射的区域大的三维物体。三维物体的成形装置(1)在水平的成形区域(7)中成形三维物体，该三维物体是由成形材料制成的硬化层的层叠体，成形区域(7)保持通过光束(L)的照射而硬化的所述成形材料。照射装置(30)从成形区域(7)上方将光束(L)照射到成形区域(7)中的照射区域(8)。成形台(10)设置有比照射区域(8)宽的成形区域(7)。移动装置在水平方向上移动成形台(10)，以改变照射区域(8)的在成形区域(7)中的位置。

Description

三维物体的成形装置及制造方法
技术领域
本发明涉及通过光束的照射成形三维物体的三维物体的成形装置及制造方法。
背景技术
当通过层叠成形来成形三维物体时，通过光束照射装置将光束照射到成形材料(例如粉末、液体)以使成形材料硬化。以这种方式，形成了由硬化成形材料制成的硬化层，然后顺序层叠多个硬化层。三维物体是硬化层的层叠体，并且三维物体通过反复地形成硬化层并层叠硬化层而被成形为预定的三维形状。然而，一个照射装置能够照射光束的照射区域的宽度存在对三维物体的尺寸限制。
图6是示出传统的三维物体的成形装置100的示例的构造图，并且示意性地示出了成形装置100的一部分。另外，图6A是成形装置100的主视图，并且图6B是从图6A上方观察的成形装置100的平面图。
如图所示，三维物体的成形装置100包括成形台101和布置于成形台101上方的用于照射光束L的照射装置102。成形台101的上表面是三维物体的成形区域103。成形材料被供给到成形区域103并被保持于成形区域103。在该状态下，照射装置102将光束L照射到成形区域103以通过光束L使成形区域103中的成形材料硬化。
来自照射装置102的光束L的焦距从成形区域103的中央部朝向端部逐渐变长。因此，这可能会影响硬化层的成形精度，并且焦距越长，则以高精度成形三维物体的越难。因此，照射装置102的光束L的照射区域104根据三维物体的容许精度而设定，并且成形区域103与照射区域104一致。由于在照射区域104的外部区域105中难以以高精度成形三维物体，所以仅在照射区域104中成形三维物体。
为了解决该问题，传统地已知通过具有多个光束扫描部件的照射部件来使成形物体成形的制造方法(参照专利文献1)。
根据专利文献1记载的传统的制造方法，多个光束扫描部件将多个光束照射到一个成形区域，以通过多个光束成形一个成形物体。
图7是示出用于通过多个光束L进行成形的传统的三维物体的成形装置110的示例的图，并且示意性地示出了与图6相同的成形装置110的一部分。
如图所示，三维物体的成形装置110包括成形台111和布置于成形台111上方的用于照射光束L的两个照射装置112、113。两个成形区域114、115和两个照射区域116、117设定于成形台111的上表面，并且照射装置112、113分别将光束L照射到照射区域116、117。以这种方式，使成形区域114、115变宽，从而能够成形较大的三维物体。
然而，当多个照射装置112、113被用于成形一个三维物体时，成形装置110的结构变得复杂，并且增大了成形装置110的成本。另外，位于两个照射区域116、117之间的边界处的边界区域118中，难以通过两个照射装置112、113控制成形，因此会降低三维物体的成形精度。因此，可能需要用于边界区域118中的成形的控制技术或新开发成形过程的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-6509号公报
发明内容
发明要解决的问题
鉴于上述传统问题做出了本发明，本发明的目的是通过一个照射装置简单地、容易地且精确地成形比光束的照射区域大的三维物体。
用于解决问题的方案
本发明是一种如下的三维物体的成形装置，其用于在水平的成形区域中成形三维物体，所述三维物体是由成形材料制成的硬化层的层叠体，所述成形区域保持通过光束的照射而硬化的所述成形材料。成形装置包括：照射装置，其从所述成形区域上方将光束照射到所述成形区域内的照射区域；能够移动的成形台，其具有比所述照射区域大的所述成形区域；以及移动装置，其在水平方向上移动所述成形台，以改变所述照射区域的在所述成形区域内的位置。
另外，本发明是一种如下的三维物体的制造方法，其用于在水平的成形区域中成形三维物体，所述三维物体是由成形材料制成的硬化层的层叠体，所述成形区域保持通过光束的照射而硬化的所述成形材料。通过照射装置从所述成形区域上方用光束照射所述成形区域内的照射区域；以及通过移动装置在水平方向上移动具有比所述照射区域大的所述成形区域的成形台，以改变所述照射区域的在所述成形区域内的位置。
发明的效果
根据本发明，能够通过一个照射装置简单地、容易地且精确地成形比光束的照射区域大的三维物体。
附图说明
图1是示出第一实施方式的三维物体的成形装置的构造图。
图2是用于说明第一实施方式的三维物体的成形装置中的成形台的移动的图。
图3是示出通过移动装置移动的成形台的速度变化的图表。
图4是示出第二实施方式的三维物体的成形装置的图。
图5是示出第三实施方式的三维物体的成形装置的图。
图6是示出传统的三维物体的成形装置的示例的构造图。
图7是示出通过多个光束进行成形的传统的三维物体的成形装置的示例的图。
具体实施方式
将参照附图说明本发明的三维物体的成形装置和三维物体的制造方法的实施方式。
本实施方式的三维物体的成形装置和三维物体的制造方法成形如下三维物体：该三维物体为通过层叠成形层叠多个硬化层形成的层叠体，其中硬化层被顺序层叠。三维物体是具有三维形状的物体(成形物体)并通过层叠成形成形为预定的三维形状。这里，三维物体是橡胶物品用模具，并且用于橡胶物品的成型。例如，当橡胶物品是轮胎时，则通过作为轮胎用模具的三维物体成型轮胎。
(第一实施方式)
图1是示出第一实施方式的三维物体的成形装置1的构造图，并示意性地示出了成形装置1的从前方观察的示意性构造。
如图所示，成形装置1包括：板状的成形台10、用于成形台10的升降装置11、用于供给成形材料5的供给装置20、用于照射光束L的照射装置30、移动装置40和用于控制整个成形装置1的控制装置6。控制装置6利用成形装置1控制三维物体的成形操作，使得成形装置1通过成形材料5成形三维物体。
成形材料5是通过光束L硬化的粉末(金属粉末、树脂粉末等)或液体(树脂液等)，并且成形材料5通过光束L的照射硬化以形成硬化层。例如，当成形材料5是金属粉末时，金属粉末被光束L加热来进行烧结。以这种方式，使金属粉末硬化以形成由烧结金属粉末制成的硬化层(烧结金属层)。当成形材料5是树脂粉末时，树脂粉末被光束L加热以使熔融树脂粉末聚合。聚合的树脂凝固并硬化以形成由聚合的树脂粉末制成的硬化层(固体树脂层)。当成形材料5是光凝固树脂的液体(树脂液)时，通过光束L使树脂液硬化以形成由凝固树脂液制成的硬化层(固体树脂层)。以这种方式，形成了硬化层以成形由金属或树脂制成的三维物体。
光束L是使成形材料5硬化的束状光，并且包括与成形材料5的种类相对应的预定波长的光(例如激光束、紫外线)。这里，成形材料5是金属粉末，并且光束L是激光束。通过光束L使成形材料5烧结以形成由金属制成的硬化层。另外，反复执行硬化层的形成和硬化层的层叠以成形由金属制成的三维物体。三维物体通过硬化层的层叠而成形并且具有多个硬化层。
成形装置1设置有水平成形区域7，在成形区域7中成形作为由成形材料5制成的硬化层的层叠体的三维物体。成形区域7是成形台10的矩形的上表面，并且成形台10在矩形的成形区域7中保持通过光束L的照射而硬化的成形材料5。在成形三维物体时，照射装置30将光束L照射到成形区域7中的矩形的照射区域8。光束L的照射区域8是能够通过光束L成形三维物体的区域(可成形区域)，并且例如与三维物体的容许精度相对应地设定该照射区域8。另外，照射区域8是比成形区域7小的区域，并且位于成形区域7中。
成形台是在水平方向上可移动的矩形的成形台，并且具有比光束L的照射区域8大的成形区域7。成形材料5从供给装置20供给到成形台10的成形区域7并保持在成形区域7中。另外，成形台10被升降装置11支撑并通过升降装置11在竖直方向上升降。升降装置11具有驱动机构13和连接至成形台10的连接构件12。驱动机构13例如是滚珠丝杠机构，并且在竖直方向上移动连接构件12以使成形台10升降。
供给装置20具有：一对收容构件21，其用于收容成形材料5；挤出机构22，其用于将成形材料5压出；以及可转动辊24，其通过驱动装置在一对收容构件21的上表面23之间移动。收容构件21具有向平面状的上表面23开口的圆柱状的收容空间25并在收容空间25中收容成形材料5。挤出机构22具有位于收容空间25中的活塞26并且使活塞26沿着收容空间25的内周面移动。此时，活塞26在收容空间25的内周面上滑动。成形材料5在收容空间25中从活塞26填充到收容构件21的上表面23，并通过活塞26的向上运动而被推出收容空间25。
成形台10位于一对收容构件21之间并且在与一对收容构件21的侧面接触的状态下升降。一对收容构件21的上表面23以位于同一平面的方式位于相同高度处，并且成形台10的成形区域7位于比一对收容构件21的上表面23低的位置处。在该状态下，通过挤出机构22将成形材料5推出一个收容构件21的收容空间25。然后，辊24在移动被推出的成形材料5的同时从一个收容构件21的上表面23移动至另一个收容构件21的上表面23，以将成形材料5供给到成形区域7。
通过辊24将成形材料5均匀地供给到整个成形区域7，使得在成形区域7形成预定厚度的成形材料5的层。随后，照射装置30将光束L照射到成形材料5的层以使成形材料5硬化，使得成形材料5的层形成预定形状的硬化层。每形成一个硬化层，成形台10通过升降装置11仅下降成形材料5的层的厚度。另外，供给装置20将成形材料5供给到成形台10的成形区域7，以形成成形材料5的层。
照射装置30具有光束L的光源31和光束L的照射部32，并且基于从控制装置6输出的控制信号照射光束L。光源31是用于产生作为光束L的激光束的产生器，并朝向照射部32产生光束L。照射部32具有用于朝向照射区域8反射光束L的反射镜并且位于成形区域7上方。通过照射部32对光束L的反射，照射装置30将光束L从成形区域7上方照射至成形区域7中的照射区域8，使得照射区域8中的成形材料5硬化。
照射装置30通过扫描部件改变从照射部32照射至照射区域8的光束L的位置，以通过光束L扫描整个照射区域8。成形装置1基于三维物体的形状数据通过一个照射装置30将光束L照射至照射区域8来成形三维物体。此时，基于包括在三维物体的形状数据中的硬化层的形状数据，通过照射装置30将光束L照射至照射区域8中的硬化层的形成位置，以使成形材料5硬化。以这种方式，顺序地形成并层叠多个硬化层以逐渐成形三维物体。
移动装置40具有可在水平方向上移动的可动台41以及用于移动可动台41的驱动部42。驱动部42通过使用例如线性马达移动可动台41。移动装置40在通过驱动部42控制可动台41的位置的同时在至少一个水平方向上移动可动台41，以使可动台41位于水平方向上的预定位置处。成形台10的升降装置11和供给装置20载置于移动装置40的可动台41，并且成形台10、升降装置11和供给装置20在形成硬化层期间(在成形三维物体期间)通过移动装置40在水平方向上一体地移动。另外，与成形区域7中的成形材料5的硬化位置(硬化层的形成位置)的变化相对应地，移动装置40在至少一个水平方向上移动成形台10和成形区域7。
移动装置40在水平面中移动成形台10的成形区域7，使得照射区域8的位置在成形区域7中变化。照射区域8的位置是在成形区域7中的照射区域8的位置(照射区域8相对于成形区域7的相对位置)并且在成形区域7中相对地变化。通过移动装置40，使成形区域7在水平面中例如在一个水平方向上或两个彼此正交的水平方向上移动。当成形区域7在一个水平方向上移动时，照射区域8的位置在成形区域7中、在一个水平方向上变化，并且照射区域8的位置被设定在成形区域7中、在一个水平方向上的任意位置处。当成形区域7在彼此正交的两个水平方向上移动时，照射区域8的位置在成形区域7中、在两个水平方向上变化，并且照射区域8的位置被设定在成形区域7中、在两个水平方向上的任意位置处。
图2是说明第一实施方式的三维物体的成形装置1中的成形台10的移动的图，并且示意性地示出了成形装置1的一部分。另外，图2的A是成形装置1的主视图，图2的B是从图2的A的上方观察的成形装置1的平面图。
如图所示，移动装置40使成形台10和成形区域7一起在水平方向上移动，使得照射区域8的位置(相对位置)在成形区域7中变化。以这种方式，照射区域8的位置在整个成形区域7中变化，从而能够使光束L照射到整个成形区域7。另外，在整个成形区域7中，能够在相同的条件下照射光束L，使得成形材料5硬化成同等的状态。
这里，移动装置40在成形台10和成形区域7被保持在水平状态的同时使成形台10仅在一个水平方向X(X方向)上移动。与成形台10的在水平方向X上的移动距离相对应地，成形区域7的在水平方向X上的长度延长，使该长度比照射区域8的在水平方向X上的长度长，从而使成形区域7与照射区域8相比在水平方向X上加宽。相比之下，成形台10不在与一个水平方向X正交的另一水平方向Y(Y方向)上移动，因而成形区域7的在水平方向Y上的宽度等于照射区域8的在水平方向Y上的宽度。成形区域7和照射区域8被设定在水平方向Y上的相同位置处并且在水平方向Y上彼此一致。在该状态下，照射区域8的位置在成形区域7中、在水平方向X上相对变化。
照射装置30的照射部32位于照射区域8的中心的上方，照射装置30将光束L从一个照射部32照射到整个照射区域8。成形装置1通过控制装置6使光束L的照射与成形台10在水平方向X上的移动同步，并且与硬化层的形成进展相对应地改变成形区域7中光束L的照射位置。此时，成形台10的移动速度基于光束L的强度(或能量)来确定，并且成形台10以与光束L的强度相对应的移动速度移动，使得在光束L的照射位置处的成形材料5完全硬化。成形装置1通过使用整个水平成形区域7使成形区域7中的成形材料5通过光束L的照射而硬化并成形三维物体。
然后，将说明利用成形装置1的三维物体的成形过程。
首先，通过供给装置20将成形材料5供给到成形台10的成形区域7，从而在整个成形区域7中形成成形材料5的层。随后，通过照射装置30，将光束L从成形区域7上方照射到成形区域7中的照射区域8，以使照射区域8中的成形材料5硬化。另外，通过移动装置40使成形台10在水平方向X上移动，以改变成形区域7中的照射区域8的位置。
通过光束L的照射和成形台10的移动，在成形区域7中形成由硬化的成形材料5制成的硬化层。随后，通过升降装置11降低成形台10并通过供给装置20将成形材料5供给到成形区域7，使得在之前的硬化层上形成下一硬化层。重复硬化层的形成过程以层叠多个硬化层。以这种方式，在比照射区域8宽的成形区域7内形成三维物体。
如上所述，根据第一实施方式的三维物体的成形装置1，通过一个照射装置30能够简单地、容易地并且精确地成形比光束L的照射区域8大的三维物体。因此，能够增大通过一个照射装置30能够成形的三维物体的尺寸，从而能够改善三维物体的成形效率。另外，能够抑制成形的控制技术或者成形过程变得复杂，并且还能够抑制成形装置1的成本增加。
当成形材料5的层形成于成形台10的成形区域7中时，成形材料5的层的厚度优选地为1μm至200μm。另外，成形材料5的层的厚度更优选地为3μm至100μm，并且进一步优选地为5μm至50μm。当成形材料5的层的厚度小于5μm时，增加了用于成形三维物体所需的硬化层的形成次数。结果，降低了三维物体的成形效率，因此会增加三维物体的成本。相比之下，当成形材料5的层的厚度大于50μm时，三维物体的表面的高度差会与一个硬化层的厚度相对应地增大。当成形材料5的层的厚度为5μm至50μm时，能够确实地改善三维物体的成形效率并且能够缓和三维物体的表面的高度差。
假设成形区域7的面积为S1且照射区域8的面积为S2。在这种情况下，优选的是，面积S1、S2满足1.5≤(S1/S2)≤3.0的条件。当(S1/S2)小于1.5时，增大了成形装置1的成本，还限制了能够成形的三维物体的尺寸。相比之下，当(S1/S2)大于3.0时，延长了三维物体的成形时间，这可能会影响三维物体的成形效率。当面积S1、S2满足1.5≤(S1/S2)≤3.0的条件时，在能够增大所成形的三维物体的尺寸的同时降低对三维物体的成形效率的影响。
此外，在不移动供给装置20的辊24的情况下可以将辊24的位置固定在成形装置1中。在这种情况下，例如通过移动装置40使成形台10和一对收容构件21相对于辊24移动，使得通过辊24将成形材料5供给到成形区域7。
图3是示出通过移动装置40移动的成形台10的速度(移动速度)的变化的图表，并且示出了移动速度的变化的两个示例(H1、H2)。在图3中，纵轴是成形台10的移动速度，横轴是时间。
如图所示，移动装置40能够改变成形台10的加速度和移动速度。因此，基于三维物体的成形条件(光束L的强度、光束L的扫描速度、成形材料5的质量、成形材料5的种类等)，通过移动装置40能够改变成形台10的加速度和移动速度。
例如，基于成形材料5的一种粉末的平均质量或形成于成形区域7的成形材料5的层的总质量，改变成形台10的加速度。此时，以使成形区域7中的成形材料5不产生移动的方式确定成形台10的加速度。以这种方式，能够改善三维物体的成形精度。具体地，因为平均质量或总质量越大，成形材料5越难移动，所以增大了成形台10的加速度(图3的H1)。相比之下，因为平均质量或总质量越小，成形材料5越容易移动，所以降低了成形台10的加速度(图3的H2)。通过缓慢地移动成形台10抑制了成形材料5的移动。
另外，基于光束L的扫描速度改变成形台10的移动速度(图3的箭头G1、G2)。当光束L的扫描速度快或者成形台10的移动速度慢时，必须与成形台10的移动相对应地暂时停止光束L的照射。相比之下，当光束L的扫描速度慢或者成形台10的移动速度快时，可能会影响三维物体的成形精度。但是，由于光束L的扫描速度比成形台10的移动速度快，所以不必与光束L的扫描相对应地暂时停止成形台10的移动。考虑到光束L的扫描速度和成形台10的移动速度之间的这种关系来确定成形台10的移动速度。在这种情况下，确定了成形台10的最适合的移动速度，使得改善了三维物体的成形精度或者获得了三维物体的有效成形时间。
下面，将说明第二实施方式和第三实施方式的成形装置，第二实施方式和第三实施方式的成形装置与第一实施方式的成形装置1基本相同地构成。因此，在下文中，将说明与已经说明过的事项不同的事项，省略与已经说明过的事项相同的事项的说明。另外，相对于第二实施方式和第三实施方式的成形装置，对与第一实施方式的成形装置1的部件对应的部件使用与成形装置1的部件相同的名称和附图标记。
(第二实施方式)
图4是示出第二实施方式的三维物体的成形装置2的图，并且示意性地示出了与图2相同的成形装置2的一部分。
如图所示，在第二实施方式的三维物体的成形装置2中，移动装置40在彼此正交的两个水平方向X、Y(X-Y方向)上移动成形台10。移动装置40使成形台10和成形区域7一起在水平方向X、Y上移动，使得照射区域8的位置在成形区域7中改变。
移动装置40的驱动部42具有使可动台41在两个水平方向X、Y上移动的移动机构，并且移动装置40的可动台41连接至驱动部42的移动机构。驱动部42的移动机构具有例如在可水平方向X上移动的第一工作台、载置于第一工作台并且可在水平方向Y上移动的第二工作台以及分别用于移动第一工作台和第二工作台的两个线性马达。移动装置40在通过驱动部42控制可动台41的位置的同时使可动台41在两个水平方向X、Y上移动，并使可动台41位于水平方向X、Y上的预定位置处。
与成形台10的在水平方向X、Y上的移动距离相对应地，分别以使成形区域7的在水平方向X上的长度比照射区域8的在水平方向X上的长度长的方式延长成形区域7的在水平方向X上的长度并且以使成形区域7的在水平方向Y上的长度比照射区域8的在水平方向Y上的长度长的方式延长成形区域7的在水平方向Y上的长度。与照射区域8相比，成形区域7在水平方向X和水平方向Y上变宽，并且照射区域8的位置在成形区域7中在水平方向X和水平方向Y上相对改变。成形装置2通过控制装置6使光束L的照射、成形台10的在水平方向X上的移动以及成形台10的在水平方向Y上的移动同步，并且使光束L的照射位置在成形区域7中与硬化层的形成过程相对应地改变。
在第二实施方式的三维物体的成形装置2中，与照射区域8相比，成形区域7能够在彼此正交的两个水平方向X、Y上变宽。因此，能够扩大通过一个照射装置30所能够成形的三维物体的尺寸。
(第三实施方式)
图5是示出第三实施方式的三维物体的成形装置3的图，并且示意性地示出了与图2相同的成形装置3的一部分。
如图所示，第三实施方式的三维物体的成形装置3包括多组成形单元4。各成形单元4均为与第一实施方式的三维物体的成形装置1相同的成形装置并且具有与成形装置1相同的构造。因此，多个成形单元4中的各成形单元均具有照射装置30、成形台10和移动装置40，并且与成形装置1相同地成形三维物体。
移动装置40使成形台10在一个水平方向X上移动。多组成形单元4在与水平方向X正交的水平方向Y上并列配置并且彼此独立地操作。成形装置3通过并列配置的多组成形单元4中的各成形单元成形三维物体，并且同时成形多个三维物体。在这种情况下，控制装置6利用各成形单元4控制三维物体的成形操作，并均利用多组成形单元4进行三维物体的成形。
通过第三实施方式的三维物体的成形装置3，能够同时成形多个三维物体并且能够改善多个三维物体的成形效率。特别地，当三维物体具有在水平方向X上比在水平方向Y上细长的形状时，能够有效地成形多个三维物体，并且能够与成形单元4的数量相对应地缩短多个三维物体的成形时间。
附图标记说明
1...三维物体的成形装置
2...三维物体的成形装置
3...三维物体的成形装置
4...成形单元
5...成形材料
6...控制装置
7...成形区域
8...照射区域
10...成形台
11...升降装置
12...连接构件
13...驱动机构
20...供给装置
21...收容构件
22...挤出机构
23...上表面
24...辊
25...收容空间
26...活塞
30...照射装置
31...光源
32...照射部
40...移动装置
41...可动台
42...驱动部
L...光束

Claims (4)

1.一种三维物体的成形装置，其用于在水平的成形区域中成形三维物体，所述三维物体是由成形材料制成的硬化层的层叠体，所述成形区域保持通过光束的照射而硬化的所述成形材料，所述三维物体的成形装置包括：
照射装置，其从所述成形区域上方将光束照射到所述成形区域内的照射区域；
能够移动的成形台，其具有比所述照射区域大的所述成形区域；以及
移动装置，其在水平方向上移动所述成形台，以改变所述照射区域的在所述成形区域内的位置，
所述移动装置基于所述成形材料的平均质量或总质量改变所述成形台的加速度，所述平均质量或总质量越大，所述成形台的加速度越增大。
2.根据权利要求1所述的三维物体的成形装置，其特征在于，
所述移动装置使所述成形台在一个水平方向上移动，并且
均具有所述照射装置、所述成形台和所述移动装置的多组成形单元在与所述一个水平方向正交的水平方向上并列配置。
3.一种三维物体的制造方法，其用于在水平的成形区域中成形三维物体，所述三维物体是由成形材料制成的硬化层的层叠体，所述成形区域保持通过光束的照射而硬化的所述成形材料，所述三维物体的制造方法包括以下步骤：
通过照射装置从所述成形区域上方用光束照射所述成形区域内的照射区域；
通过移动装置在水平方向上移动具有比所述照射区域大的所述成形区域的成形台，以改变所述照射区域的在所述成形区域内的位置；以及
通过所述移动装置，基于所述成形材料的平均质量或总质量改变所述成形台的加速度，所述平均质量或总质量越大，所述成形台的加速度越增大。
4.根据权利要求3所述的三维物体的制造方法，其特征在于，所述三维物体的制造方法还包括以下步骤：
通过所述移动装置使所述成形台在一个水平方向上移动；以及
将均具有所述照射装置、所述成形台和所述移动装置的多组成形单元在与所述一个水平方向正交的水平方向上并列配置。
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