CN108907197B - 一种金属零件嫁接打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属零件嫁接打印方法，该方法把生产产品的模型利用CAD软件规划要机加工的区域与要选区激光熔化加工的区域，机加工的模型采用传统方法加工出成品后在该成品的上表面上采用特种方法与要选区激光熔化的区域进行精确定位，然后嫁接打印成形。该种方法属于复合制造的一种，基于选区激光熔化技术的金属零件嫁接打印方法能充分发挥3D打印的优势，大大降低包含部分复杂结构的大型零件打印的成本和生产效率，成本最高可降为原来打印成本的30％以下，效率最高可提高70％以上。且该方法适用于任何能够被打印的金属粉末的嫁接打印，拓宽了金属3D打印的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，且特别涉及一种金属零件嫁接打印方法。
背景技术
当今工业生产市场时刻都在发生着巨大的变化，一方面消费者需求日趋个性化和多样化;另一方面产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。面对这样一个迅速变化且无法预料的买方市场，制造商们不但要很快地设计出符合人们消费需求的产品，而且必须很快地生产制造出来，才能抢占市场。另外随着计算机技术的发展，建模软件的功能也日益完善和多样化，以至于设计师可以设计出更加复杂、多样化甚至随心所欲的作品。
然而传统的大批量生产模式对市场的响应迟缓，无法快速响应市场需求，另外传统的生产方式对生产产品的形状限制非常高。为此，近十几年来工业化国家一直在努力地研发新型的制造技术，提高制造业发展水平，以便在激烈的全球竞争中占有一席之地。得益于计算机、微电子、信息、自动化、新材料和现代企业管理技术的发展与进步，产品设计、加工制造、质量检测、生产管理和企业经营都发生了重大变革，产生了一批新的制造技术和制造模式，制造工程与科学取得了前所未有的发展。
快速成型技术在这种背景下逐步形成并得以发展。快速成型技术的发展，使得产品设计、制造的周期大大缩短，提高了产品设计、制造的一次成功率，降低产品开发成本，从而给制造业带来了根本性的变化。快速成型技术(RP)是一种集成了计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFF)、材料去除成形(MPR)、材料增加成形(MAP)技术而产生的新型产品制造技术。通俗地说，快速成型技术就是利用电脑软件将三维CAD数据分成无数个二维数据的叠加效果，然后对每层数据进行加工成型并依次叠加，最后生产出想要的三维模型。在市场竞争日益激烈的情况下，产品创新和上市速度以及制造技术的柔性必然成为企业的核心竞争力。因此快速成型技术和虚拟现实技术一起，都是产品数字化开发的重要手段和有力工具，同时也已经成为先进制造技术群不可分割的组成部分，在制造业获得越来越广泛的应用。
与传统的制造过程相比，快速成型技术可以将产品试制和批量生产的模具准备工作并行作业，明显缩短新产品设计和试制周期，并节省产品开发费用。其中激光快速成型技术中应用比较广泛且精度较高的为选区激光熔化（如图1所示），选区激光熔化（SLM -Selective Laser Melting）是一种金属件直接成型方法，是快速成型技术的最新发展。该技术基于快速成型的最基本思想，用逐层添加方式根据CAD数据直接成型具有特定几何形状的零件，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。该技术突破了传统加工方法去除成型的概念，采用添加材料的方法成型零件，最大程度的减少了材料的浪费；成型过程几乎不受零件复杂程度的限制，因而具有很大的柔性，特别适合于单件小批量产品的制造。
目前针对此种技术国内外均研发出相应的选区激光熔化设备，国外以德国EOS和SLM-Soluttions等为代表，中国以华曙高科及西安铂力特等为代表，一系列的金属设备应运而生。但该技术需要激光将每层粉末完全熔化且对最终成型的零件尺寸精度要求较高，打印时的层厚一般设置为高精度时20um-40um，低精度时40um-80um，因此也存在一些问题：1、大模型，尤其是比较高的模型直接选区激光熔化成型时需要很长的时间。且设备长时间不间断工作容易产生故障造成打印工作暂停甚至失败，从而影响生产工作。2、一些只有小部分是复杂结构的工件直接进行选区激光熔化生产时成本较高，速度较慢，难以满足市场要求。3、上下部分需要不同种材料时且两部分很难通过焊接进行连接时，无论是纯机加工或纯选区激光熔化均难以实现制造。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属嫁接打印方法，该方法能充分发挥3D打印的优势，大大降低包含部分复杂结构的大型零件打印的成本和生产效率，成本最高可降为原来打印成本的30%以下，效率最高可提高70%以上。且该方法适用于任何能够被打印的同种金属材料的嫁接打印，甚至可以在一种材料上嫁接打印另一种材料，拓宽了金属3D打印的应用领域。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种金属零件嫁接打印方法，其包括：
利用CAD软件规划机加工区域和选区激光熔化加工区域，并在相对位置不变的情况下依次导出规划好的第一模型与第二模型，第一模型为机加工的模型，第二模型为选区激光熔化的模型；
依据第一模型的数据，精密机加工出第一模型的成品；
将第一模型的成品与第二模型在选区激光熔化设备上进行嫁接打印成型。
本发明实施例的金属零件嫁接打印方法的有益效果是：
该方法把生产产品的模型利用CAD软件规划要机加工的区域与要选区激光熔化加工的区域，机加工的模型采用传统方法加工出成品后在该成品的上表面上采用特种方法与要选区激光熔化的区域进行精确定位，然后嫁接打印成形。该种方法属于复合制造的一种，基于选区激光熔化技术的金属零件嫁接打印方法能充分发挥3D打印的优势，大大降低包含部分复杂结构的大型零件打印的成本和生产效率，成本最高可降为原来打印成本的30%以下，效率最高可提高70%以上。且该方法适用于任何能够被打印的金属粉末的嫁接打印，拓宽了金属3D打印的应用领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的实施例提供的选区激光熔化设备原理图；
图2为本发明的实施例提供的所要生产模型的正视图（其中a为要机加工的部分，b为要选区激光熔化制造的部分）；
图3为本发明的实施例提供的所要生产模型的正等侧视图；
图4为本发明的实施例提供的所要生产模型的机加工部分的仰视图；
图5为本发明的实施例提供的所要生产模型的所要机加工部分的俯视图；
图6为本发明的实施例提供的所要生产模型的所要机加工部分的包含激光烧结路径的俯视图，其中（1为激光第一次烧结的路径；2为激光第二次烧结的路径；3为激光第三次烧结的路径）。
图标：1-PC端；2-光纤激光器；3-光束隔离器；4-扩束镜；5-振镜；6-F-θ镜；7-出气口；8-刮刀；9-回收过滤系统；10-回收缸；11-成型缸；12-供粉缸；13-螺孔；14-入水口；15-出水口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的金属零件嫁接打印方法进行具体说明。
一种金属零件嫁接打印方法，其包括：
利用CAD软件规划机加工区域和选区激光熔化加工区域，并在相对位置不变的情况下依次导出规划好的第一模型与第二模型，第一模型为机加工的模型，第二模型为选区激光熔化的模型；
依据第一模型的数据，精密机加工出第一模型的成品；
将第一模型的成品与第二模型在选区激光熔化设备上进行嫁接打印成型。该种方法属于复合制造的一种，基于选区激光熔化技术的金属零件嫁接打印方法能充分发挥3D打印的优势，大大降低包含部分复杂结构的大型零件打印的成本和生产效率，成本最高可降为原来打印成本的30%以下，效率最高可提高70%以上。且该方法适用于任何能够被打印的金属粉末的嫁接打印，拓宽了金属3D打印的应用领域。
详细地，将第一模型的成品与第二模型在选区激光熔化设备上进行嫁接打印成型，具体包括：
将第一模型的成品与选区激光熔化设备的专用基板锁紧，并固定到选区激光熔化设备的工作平台上，且调整第一模型的上表面与选区激光熔化设备的刮刀水平，且使二者之间间隔距离为第一预设距离以下；
保持第一模型与第二模型的相对位置不变，将第一模型与第二模型导入3D打印专用软件magics中，根据第一预设距离定位第一模型与第二模型的x，y轴的坐标，以第二模型的底面为零点定位z轴坐标，并对第二模型进行切片处理；
将第二模型切片后的数据导入选区激光熔化设备的切片数据处理软件中，且将烧结参数定义为烧结边界2次；
将烧结后的第二模型的底部边界线与第一模型相对应的边界对比，根据对比错位情况微调切片数据中第二模型的位置，再次烧结边界2次，直至错位测量差距小于0.1mm；
基板的位置保持不动，刮刀铺粉后激光烧结边界2次，观察烧结时粉末飞溅的边界位置，观察烧结后边界是否全是激光烧结后的实体线，若出现粉末飞溅及烧黑区域，则将第二模型的切片模型的数据朝烧黑区域移动第二预设距离；
当烧结边界后观察到边界全部为激光熔化后的实体线后，将观察到边界全部为实体线时对应的烧结参数定义为常规的实体烧结参数，并开始打印直至完成打印。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，将第一模型的成品与选区激光熔化设备的专用基板锁紧，具体包括：
根据第一模型的成品的外观形状与技术要求，在第一模型的成品的底部加工多个螺孔，并在选区激光熔化设备的专用基板的对应位置的背面加工出与螺孔对应的沉头通孔，将螺孔与沉头通孔通过螺丝锁紧；
或者，
在第一模型的成品的周围边缘加工出余量，余量上加工多个螺孔，并在选区激光熔化设备的专用基板的对应位置的背面加工出与螺孔对应的沉头通孔，将螺孔与沉头通孔通过螺丝锁紧。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，还包括在利用CAD软件规划机加工区域和选区激光熔化加工区域之前，将整体模型摆放在适合位置，并确保整体模型的Z轴坐标为0，并且在规划好区域后用剪切工具将两区域分割开来，并确保分割面平行于XY平面。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在调整第一模型的上表面与选区激光熔化设备的刮刀水平，且使二者之间间隔距离为第一预设距离以下的过程中，具体使用塞尺确保第一模型的上表面任意位置距离刮刀的距离为xmm至x+0.05 mm之间，然后将工作平台上升xmm。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，第一预设距离为0.05mm。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，将烧结后的第二模型的底部边界线与第一模型相对应的边界对比，根据对比错位情况微调切片数据中第二模型的位置，再次烧结边界2次，直至错位测量差距小于0.1mm的过程具体包括：
依据激光烧结后的第二模型的轨迹与第一模型的边界的距离大小调至基本重合的位置，然后重新烧结再以0.1mm的步长微调慢慢至肉眼可辨的完全重合，且当第一模型的边界位置恰好全部出现激光烧结的亮线时即认为调节结束。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，基板的位置保持不动，刮刀铺粉后激光烧结边界2次，观察烧结时粉末飞溅的边界位置，观察烧结后边界是否全是激光烧结后的实体线，若出现粉末飞溅及烧黑区域，则将第二模型的切片模型的数据朝烧黑区域移动第二预设距离的过程具体包括：
基板的位置保持不动，刮刀铺粉后激光再次烧结，若烧结区域底部有第一模型的上表面的支撑，则熔池形貌正常，且肉眼可见金属熔化后的亮线；若烧结区域全是粉末，则熔池不稳定并出现明显的飞溅现象，烧结完后烧结区域及周围呈黑色，此时将第二模型的切片模型的数据朝烧结区域微调第二预设距离。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，第二预设距离为0.02mm。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在当烧结边界后观察到边界全部为激光熔化后的实体线后，将观察到边界全部为实体线时对应的烧结参数定义为常规的实体烧结参数，并开始打印直至完成打印的过程中，完全将第一模型与第二模型对准完成后，开始实体烧结时烧结的工艺遵循自嫁接第一层开始，且前三层的烧结次数分别是第一层为3次，第二层为2次，第三层为1次。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
图1为本发明的实施例提供的选区激光熔化设备原理图；图2为本发明的实施例提供的所要生产模型的正视图（其中a为要机加工的部分，b为要选区激光熔化制造的部分）；图3为本发明的实施例提供的所要生产模型的正等侧视图；图4为本发明的实施例提供的所要生产模型的机加工部分的仰视图；图5为本发明的实施例提供的所要生产模型的所要机加工部分的俯视图；图6为本发明的实施例提供的所要生产模型的所要机加工部分的包含激光烧结路径的俯视图，其中（1为激光第一次烧结的路径；2为激光第二次烧结的路径；3为激光第三次烧结的路径）。请参阅图1至图6，本实施例提供了一种金属零件嫁接打印方法，该方法包括：
S1：将整体模型摆放在适合位置，并确保整体模型的Z轴坐标为0，并且在规划好区域后用剪切工具将两区域分割开来，并确保分割面平行于XY平面。其中，在本实施例中，参阅图2，模型为一种模具产品，由于该模具产品的模穴位置在最上方，形状复杂，且使用过程中上方会持续高温，因此在上方内部做了随形冷却水路，而下部大部分不需要，只做了简单的直通水路。
S2：利用CAD软件规划机加工区域和选区激光熔化加工区域，并在相对位置不变的情况下依次导出规划好的第一模型与第二模型，参阅图1至图5，第一模型为机加工的模型，第二模型为选区激光熔化的模型；
S3：依据第一模型的数据，精密机加工出第一模型的成品；
S4：将第一模型的成品与第二模型在选区激光熔化设备上进行嫁接打印成型；
其中，S4步骤具体包括：
S41：将第一模型的成品与选区激光熔化设备的专用基板锁紧，并固定到选区激光熔化设备的工作平台上，且调整第一模型的上表面与选区激光熔化设备的刮刀水平，且使二者之间间隔距离为第一预设距离以下；其中，在调整第一模型的上表面与选区激光熔化设备的刮刀水平，且使二者之间间隔距离为第一预设距离以下的过程中，具体使用塞尺确保第一模型的上表面任意位置距离刮刀的距离为xmm至x+0.05 mm之间，然后将工作平台上升xmm，使得第一模型的上表面与刮刀的距离为第一预设距离以下，第一预设距离为0.05mm。
需要说明的是，在本实施例中，选区激光熔化设备包括PC端1、光纤激光器2、光束隔离器3、扩束镜4、振镜5、F-θ镜6、出气口7、刮刀8、回收过滤系统9、回收缸10、成型缸11、供粉缸12、螺孔13、入水口14以及出水口15。利用该选区激光熔化设备，S41步骤可以具体包括：
S411：根据第一模型的成品的外观形状与技术要求，在第一模型的成品的底部加工多个螺孔，螺孔的数量优选为四个，且如图4所示，并在选区激光熔化设备的专用基板的对应位置的背面加工出与螺孔对应的沉头通孔，将螺孔与沉头通孔通过螺丝锁紧；
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以在第一模型的成品的周围边缘加工出余量，余量上加工多个螺孔，并在选区激光熔化设备的专用基板的对应位置的背面加工出与螺孔对应的沉头通孔，将螺孔与沉头通孔通过螺丝锁紧。
S42：保持第一模型与第二模型的相对位置不变，将第一模型与第二模型导入3D打印专用软件magics中，根据第一预设距离定位第一模型与第二模型的x，y轴的坐标，以第二模型的底面为零点定位z轴坐标，并对第二模型进行切片处理；
S43：将第二模型切片后的数据导入选区激光熔化设备的切片数据处理软件中，且将烧结参数定义为烧结边界2次；
S44：将烧结后的第二模型的底部边界线与第一模型相对应的边界对比，根据对比错位情况微调切片数据中第二模型的位置，再次烧结边界2次，直至错位测量差距小于0.1mm；如图6所示，图6中1到3为激光烧结路径逐渐向模型中对应孔的位置靠近的过程其中，具体是依据激光烧结后的第二模型的轨迹与第一模型的边界的距离大小调至基本重合的位置，然后重新烧结再以0.1mm的步长微调慢慢至肉眼可辨的完全重合，且当第一模型的边界位置恰好全部出现激光烧结的亮线时即认为调节结束。
S45：基板的位置保持不动，刮刀铺粉后激光烧结边界2次，观察烧结时粉末飞溅的边界位置，观察烧结后边界是否全是激光烧结后的实体线，若出现粉末飞溅及烧黑区域，则将第二模型的切片模型的数据朝烧黑区域移动第二预设距离；其中，具体为基板的位置保持不动，刮刀铺粉后激光再次烧结，若烧结区域底部有第一模型的上表面的支撑，则熔池形貌正常，且肉眼可见金属熔化后的亮线；若烧结区域全是粉末，则熔池不稳定并出现明显的飞溅现象，烧结完后烧结区域及周围呈黑色，此时将第二模型的切片模型的数据朝烧结区域微调第二预设距离，且第二预设距离为0.02mm。
S46：当烧结边界后观察到边界全部为激光熔化后的实体线后，将观察到边界全部为实体线时对应的烧结参数定义为常规的实体烧结参数，并开始打印直至完成打印。其中，如图6所示，完全将第一模型与第二模型对准完成后，开始实体烧结时烧结的工艺遵循自嫁接第一层开始，且前三层的烧结次数分别是第一层为3次，第二层为2次，第三层为1次。
综上所述，本发明实施例的金属零件嫁接打印方法，能充分发挥3D打印的优势，大大降低包含部分复杂结构的大型零件打印的成本和生产效率，成本最高可降为原来打印成本的30%以下，效率最高可提高70%以上。且该方法适用于任何能够被打印的同种金属材料的嫁接打印，甚至可以在一种材料上嫁接打印另一种材料，拓宽了金属3D打印的应用领域。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种金属零件嫁接打印方法，其特征在于，其包括：
利用CAD软件规划机加工区域和选区激光熔化加工区域，并在相对位置不变的情况下依次导出规划好的第一模型与第二模型，所述第一模型为机加工的模型，第二模型为选区激光熔化的模型；
依据所述第一模型的数据，精密机加工出所述第一模型的成品；
将所述第一模型的成品与所述第二模型在选区激光熔化设备上进行嫁接打印成型；
其中，将所述第一模型的成品与所述第二模型在选区激光熔化设备上进行嫁接打印成型，具体包括：
将所述第一模型的成品与选区激光熔化设备的专用基板锁紧，并固定到所述选区激光熔化设备的工作平台上，且调整所述第一模型的上表面与所述选区激光熔化设备的刮刀水平，且使二者之间间隔距离为第一预设距离以下；
保持所述第一模型与所述第二模型的相对位置不变，将所述第一模型与所述第二模型导入3D打印专用软件magics中，根据所述第一预设距离定位所述第一模型与所述第二模型的x，y轴的坐标，以第二模型的底面为零点定位z轴坐标，并对所述第二模型进行切片处理；
将所述第二模型切片后的数据导入所述选区激光熔化设备的切片数据处理软件中，且将烧结参数定义为烧结边界2次；
将烧结后的所述第二模型的底部边界线与所述第一模型相对应的边界对比，根据对比错位情况微调切片数据中所述第二模型的位置，再次烧结边界2次，直至错位测量差距小于0.1mm；
所述基板的位置保持不动，所述刮刀铺粉后激光烧结边界2次，观察烧结时粉末飞溅的边界位置，观察烧结后边界是否全是激光烧结后的实体线，若出现粉末飞溅及烧黑区域，则将所述第二模型的切片模型的数据朝所述烧黑区域移动第二预设距离；
当烧结边界后观察到边界全部为激光熔化后的实体线后，将观察到所述边界全部为所述实体线时对应的烧结参数定义为常规的实体烧结参数，并开始打印直至完成打印。
2.根据权利要求1所述的金属零件嫁接打印方法，其特征在于，将所述第一模型的成品与选区激光熔化设备的专用基板锁紧，具体包括：
根据所述第一模型的成品的外观形状与技术要求，在所述第一模型的成品的底部加工多个螺孔，并在所述选区激光熔化设备的所述专用基板的对应位置的背面加工出与所述螺孔对应的沉头通孔，将所述螺孔与所述沉头通孔通过螺丝锁紧；
或者，
在所述第一模型的成品的周向边缘加工出余量，所述余量上加工多个螺孔，并在所述选区激光熔化设备的所述专用基板的对应位置的背面加工出与所述螺孔对应的沉头通孔，将所述螺孔与所述沉头通孔通过螺丝锁紧。
3.根据权利要求1或2所述的金属零件嫁接打印方法，其特征在于：
还包括在利用所述CAD软件规划所述机加工区域和所述选区激光熔化加工区域之前，将整体模型摆放在适合位置，并确保所述整体模型的Z轴坐标为0，并且在规划好区域后用剪切工具将两区域分割开来，并确保分割面平行于XY平面。
4.根据权利要求1所述的金属零件嫁接打印方法，其特征在于：
在调整所述第一模型的上表面与所述选区激光熔化设备的刮刀水平，且使二者之间间隔距离为第一预设距离以下的过程中，具体使用塞尺确保所述第一模型的上表面任意位置距离刮刀的距离为xmm至x+0.05 mm之间，然后将所述工作平台上升xmm。
5.根据权利要求4所述的金属零件嫁接打印方法，其特征在于：
所述第一预设距离为0.05mm。
6.根据权利要求1所述的金属零件嫁接打印方法，其特征在于，将烧结后的所述第二模型的底部边界线与所述第一模型相对应的边界对比，根据对比错位情况微调切片数据中所述第二模型的位置，再次烧结边界2次，直至错位测量差距小于0.1mm的过程具体包括：
依据激光烧结后的所述第二模型的轨迹与所述第一模型的边界的距离大小调至基本重合的位置，然后重新烧结再以0.1mm的步长微调慢慢至肉眼可辨的完全重合，且当所述第一模型的边界位置恰好全部出现激光烧结的亮线时即认为调节结束。
7.根据权利要求1所述的金属零件嫁接打印方法，其特征在于，所述基板的位置保持不动，所述刮刀铺粉后激光烧结边界2次，观察烧结时粉末飞溅的边界位置，观察烧结后边界是否全是激光烧结后的实体线，若出现粉末飞溅及烧黑区域，则将所述第二模型的切片模型的数据朝所述烧黑区域移动第二预设距离的过程具体包括：
所述基板的位置保持不动，所述刮刀铺粉后激光再次烧结，若烧结区域底部有所述第一模型的上表面的支撑，则熔池形貌正常，且肉眼可见金属熔化后的亮线；若所述烧结区域全是粉末，则熔池不稳定并出现明显的飞溅现象，烧结完后所述烧结区域及周围呈黑色，此时将所述第二模型的切片模型的数据朝所述烧结区域微调第二预设距离。
8.根据权利要求7所述的金属零件嫁接打印方法，其特征在于：
所述第二预设距离为0.02mm。
9.根据权利要求1所述的金属零件嫁接打印方法，其特征在于：
在当烧结边界后观察到边界全部为激光熔化后的实体线后，将观察到所述边界全部为所述实体线时对应的烧结参数定义为常规的实体烧结参数，并开始打印直至完成打印的过程中，完全将所述第一模型与所述第二模型对准完成后，开始实体烧结时烧结的工艺遵循自嫁接第一层开始，且前三层的烧结次数分别是第一层为3次，第二层为2次，第三层为1次。
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