CN108941544B - 粉末制备方法及其装填设备 - Google Patents
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Abstract
本公开大体上涉及用于增材制造(AM)的粉末制备方法及其装填设备。其中用于制备待在增材制造中使用的粉末的方法包括:a)将第一粉末量添加到粉末贮存器;b)将装填工具插入到所述粉末贮存器中,其中所述装填工具包括向下延伸的多个振动传输元件;以及c)振动至少所述多个振动传输元件。常规粉末装填方法一直聚焦于调平粉末贮存器中的散装粉末锥体。此外,此类方法可能是手动且非标准化的,且其会导致操作者疲劳且可能导致产品不一贯性。根据本公开的粉末装填改进标准化且缩短周转时间,有可能降低AM的成本。
Description
技术领域
本公开大体上涉及供在基于粉末的增材制造(AM)方法和系统中使用的粉末装填方法。
背景技术
与减材制造(subtractive manufacturing)方法相比,AM或增材印刷过程通常涉及堆积一种或多种材料以形成网状或近似网状(NNS)物件。尽管“增材制造”是工业标准术语(ASTM F2792),但AM涵盖多种名称下已知的各种制造和原型开发技术,包括任意形状制造、3D印刷、快速成型/加工等。AM技术能够由广泛多种材料制造复杂的部件。通常,独立的物件可通过计算机辅助设计(CAD)模型制成。特定类型的AM过程使用例如激光束等电磁辐射来烧结或熔融粉末金属材料,从而形成固体三维物件。例如直接金属激光熔融(DMLM)和选择性激光熔融(SLM)等基于粉末的方法已经用于为多种工业生产物件。
选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔融和直接激光熔融是用以指代通过使用激光束烧结或熔融精细粉末而产生三维(3D)物件的常见工业术语。举例来说,第4,863,538号美国专利和第5,460,758号美国专利描述常规激光烧结技术。更准确地说,烧结需要在粉末材料的熔融点以下的温度下熔化(聚结)粉末粒子,而熔融需要完全熔融粉末粒子以形成固体均质质量(homogeneous mass)。与激光烧结或激光熔融相关联的物理过程包括热传递到粉末材料,以及随后烧结或熔融粉末材料。尽管激光烧结和熔融过程可应用于广泛范围的粉末材料,但尚未很好地理解生产流程的科学和技术方面,例如烧结或熔融速率以及处理参数对层制造过程期间的微观结构演变的影响。此制造方法伴随着多个热传递、质量和动量传递的模式,以及使过程极其复杂的化学反应。
图1是示出用于直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔融(DMLM)的示范性常规系统100的横截面图的示意图。设备100通过使用由例如激光120等源产生的能量束136烧结或熔融粉末材料(未图示)以逐层方式构建物件,例如部件122。待由能量束熔融的粉末由粉末贮存器126供应。粉末贮存器有时还被称作粉末投配腔室。粉末使用在方向134中行进的涂覆机臂116而均匀散布在构建板114上以将粉末维持在水平面118,且将在粉末水平面118上方延伸的过多粉末材料移除到废料容器128。能量束136在检流计式扫描器(galvoscanner)132的控制下烧结或熔融正构建的物件的横截面层。构建板114降低且另一粉末层散布在构建板和正构建的物件上方,继之以通过激光120对粉末的连续熔融/烧结。重复所述过程直到由熔融/烧结的粉末材料完全构建部件122。
将粉末装填到粉末贮存器或投配腔室中的先前尝试一直聚焦于调平腔室内的散装粉末锥体。图2-3示出德国专利申请案DE102012008664A1中描述的两个系统。在图2中,盖板215的横截面适于投配腔室203的内部横截面,这允许将其放置到投配腔室203中。通过这种方式,其可按压投配腔室内部的散装锥体,同时避免当盖板压平散装锥体时过多粉末被推出到投配腔室的边缘区上。可将振动引入到盖板215中。为了使构建材料的表面平滑,有可能在盖板215上提供振动元件。一旦归因于振动盖板215已移除散装锥体的最上部分,盖板215就进一步插入到投配腔室203中直到再次接触散装锥体。这允许散装锥体逐步地分级。
图3示出替代方案,其中多个气体供应元件318布置在盖板315的底侧上。气体馈送元件318具有矛形状使得其可沉浸在由构建材料形成的散装锥体317中。通过将气体引入到气体供应元件318中,散装锥体317向上卷扬且借此被掩埋。为了压力补偿,用滤纸密封的开口可位于盖板315中,所述开口以不漏粉末的方式密封投配腔室303。因此,仅引入到投配腔室303中的气体可离开投配腔室303,而构造材料305不能。气体供应元件318以圆形方式且具有特定优点而布置;其还可由多个同心圆组成。这些圆的中心是出口锥体316的中心,气体供应元件318的所述一个或多个圆以分别在盖板315的开口下方的方式布置,构建材料305经由所述开口降落到投配腔室303中。
此类方法连同已知手动粉末装填方法,例如,利用泥刀,可能在粉末贮存器内产生非均一装填密度。此外,这些技术常常缓慢且可能导致操作者疲劳和批次之间的变化。相应地,需要改进的系统和方法来快速且一贯地将粉末装填到粉末贮存器中。
发明内容
下文呈现本公开的一个或多个方面的简化概述,以便提供对此些方面的基本理解。此概述并非所有所预期方面的广泛综述,且既不希望指明所有方面的关键或决定性要素,也不希望划定任何或所有方面的范围。其目的是以简化形式来呈现一个或多个方面的一些概念,以作为稍后呈现的更详细描述的序言。
在一个方面中,本公开涉及一种用于制备待在增材制造中使用的粉末的方法,所述方法包括步骤a)到c)。步骤a)涉及将第一粉末量添加到粉末贮存器。步骤b)涉及将装填工具插入到粉末贮存器中,其中所述装填工具包括向下延伸的多个振动传输元件。步骤c)涉及振动至少所述多个振动传输元件。在一些方面中,所述方法包括将第二粉末量添加到粉末贮存器。
在一些方面中,所述方法进一步包括,在步骤a)之前,将粉末馈送到漏斗中且允许粉末从漏斗流动穿过一个或多个管件到粉末贮存器中。在一些方面中,粉末贮存器包括底板,且装填工具包括顶板、所述多个振动传输元件和至少一个压力传感器。在一些方面中,所述方法进一步包括振动至少所述多个振动传输元件,且同时以某一速度升高底板,直到达到预定压力限制。在一些方面中,所述方法进一步包括升高顶板和将顶板旋转90°。
在一些方面中,所述方法进一步包括将顶板降低到粉末贮存器中。在一些方面中,所述方法进一步包括重复以下步骤:振动至少所述多个振动传输元件且同时以某一速度升高底板,直到达到预定压力限制;升高顶板;将顶板旋转90°;以及将顶板降低到粉末贮存器中,且重复直到顶板已相对于其原始位置旋转至少360°。
在一些方面中,所述方法进一步包括,在允许粉末从漏斗流动穿过所述一个或多个管件到粉末贮存器中之前,降低底板。在一些方面中,所述方法进一步包括,在允许粉末从漏斗流动穿过所述一个或多个管件到粉末贮存器中之前,将顶板位置在粉末贮存器的顶部上方锁定。在一些方面中,所述方法进一步包括,在允许粉末从漏斗流动穿过一个或多个管件到粉末贮存器中之前进行以下步骤:升高底板直到压力传感器感测到粉末装填限制,或从顶板向下延伸的所述多个振动传输元件接触底板。
在一些方面中,振动至少所述多个振动传输元件且同时以某一速度升高底板直到达到预定压力限制;升高顶板;将顶板旋转90°;以及将顶板降低到粉末贮存器中的所述步骤,在顶板和底板之间装填一定量的粉末。在一些方面中,粉末贮存器可与所述漏斗、所述一个或多个管件和所述顶板分离。
在另一方面中,本公开涉及一种用于粉末装填的设备,包括粉末漏斗、将粉末漏斗连接到粉末贮存器的一个或多个管件、包括向下延伸的多个振动传输元件的装填工具,以及所述一个或多个管件周围的隔振环。在一些方面中,装填工具包括顶板,其包括向下延伸的所述多个振动传输元件,且进一步包括压力传感器。在一些方面中,将粉末漏斗连接到粉末贮存器的所述一个或多个管件可打开或关闭。在一些方面中,粉末贮存器包括底板,且所述多个振动传输元件从顶板向下延伸到底板。在一些方面中,粉末贮存器可与设备分离。
具体地,本申请技术方案1涉及一种用于制备待在增材制造中使用的粉末的方法,其包括:a)将第一粉末量添加到粉末贮存器;b)将装填工具插入到所述粉末贮存器中,其中所述装填工具包括向下延伸的多个振动传输元件;以及c)振动至少所述多个振动传输元件。
本申请技术方案2涉及根据技术方案1所述的方法,其包括将第二粉末量添加到所述粉末贮存器。
本申请技术方案3涉及根据技术方案1所述的方法,其进一步包括,在步骤a)之前,将粉末馈送到漏斗中且允许所述粉末从所述漏斗流动穿过一个或多个管件到所述粉末贮存器中。
本申请技术方案4涉及根据技术方案3所述的方法,所述粉末贮存器包括底板,且所述装填工具包括顶板、所述多个振动传输元件和至少一个压力传感器。
本申请技术方案5涉及根据技术方案4所述的方法,其进一步包括振动至少所述多个振动传输元件,且同时以某一速度升高所述底板,直到达到预定压力限制。
本申请技术方案6涉及根据技术方案5所述的方法,其进一步包括升高所述顶板;和将所述顶板旋转90°。
本申请技术方案7涉及根据技术方案6所述的方法,其进一步包括将所述顶板降低到所述粉末贮存器中。
本申请技术方案8涉及根据技术方案7所述的方法,其进一步包括重复以下步骤:振动至少所述多个振动传输元件,且同时以某一速度升高所述底板,直到达到预定压力限制;升高所述顶板;将所述顶板旋转90°;以及将所述顶板降低到所述粉末贮存器中,且重复直到所述顶板已经相对于其原始位置旋转至少360°。
本申请技术方案9涉及根据技术方案4所述的方法,其进一步包括,在允许所述粉末从所述漏斗流动穿过一个或多个管件到所述粉末贮存器中之前,降低所述底板。
本申请技术方案10涉及根据技术方案9所述的方法,其进一步包括,在允许所述粉末从所述漏斗流动穿过一个或多个管件到所述粉末贮存器中之前,将顶板位置锁定在所述粉末贮存器的顶部上方。
本申请技术方案11涉及根据技术方案9所述的方法,其进一步包括以下步骤,在允许所述粉末从所述漏斗流动穿过一个或多个管件到所述粉末贮存器中之前进,升高所述底板直到所述压力传感器感测到粉末装填限制,或从所述顶板向下延伸的所述多个振动传输元件接触所述底板。
本申请技术方案12涉及根据技术方案7所述的方法,其包括以下所述步骤:振动至少所述多个振动传输元件,且同时以某一速度升高所述底板,直到达到预定压力限制;升高所述顶板;将所述顶板旋转90°;以及将所述顶板降低到所述粉末贮存器中,在所述顶板和所述底板之间装填一定量的所述粉末。
本申请技术方案13涉及根据技术方案9所述的方法,所述粉末贮存器可与所述漏斗、所述一个或多个管件和所述顶板分离。
本申请技术方案14涉及一种用于粉末装填的设备,其包括:粉末漏斗;一个或多个管件,其将所述粉末漏斗连接到粉末贮存器;装填工具,其包括向下延伸的多个振动传输元件;以及隔振环,其在所述一个或多个管件周围。
本申请技术方案15涉及根据技术方案14所述的设备,其中所述装填工具包括顶板,所述顶板包括向下延伸的所述多个振动传输元件,且所述装填工具进一步包括压力传感器。
本申请技术方案16涉及根据技术方案14所述的设备,其中,将所述粉末漏斗连接到所述粉末贮存器的所述一个或多个管件可打开或关闭。
本申请技术方案17涉及根据技术方案15所述的设备,所述粉末贮存器包括底板和从所述顶板向下延伸到所述底板的所述多个振动传输元件。
本申请技术方案18涉及根据技术方案15所述的设备,所述粉末贮存器可与所述设备分离。
在阅读以下具体实施方式后,将更充分理解本公开的这些和其它方面。
附图说明
图1示出用于增材制造的示范性常规粉末床设备。
图2示出包括盖板的常规粉末装填设备。
图3示出包括气体供应元件的常规粉末装填设备。
图4A示出根据本公开的用于粉末装填的设备的实施例。
图4B示出供与本公开一起使用的示例性装填工具的底侧视图。
图5A-5C示出根据本公开的粉末装填方法的示意图。
具体实施方式
下文结合附图阐述的详细描述既定作为对各种配置的描述,且并不希望表示可实践本文中所描述的概念的仅有配置。所述详细描述为了提供对各种概念的透彻理解而包括特定细节。然而,所属领域的技术人员将显而易见的是,可在没有这些特定细节的情况下实践这些概念。在一些例子中,以框图形式示出众所周知的部件以免混淆此些概念。
本申请案针对制备待在增材制造中使用的粉末的自动化方法。此类方法不同于常规粉末制备方法,因为排除了手动力和非标准化设备及程序。通过使粉末装填过程自动化,本公开改进过程标准化,减少操作者的物理耗损,且改进机器周转时间(例如,通过使制备时间最小化)。
图4A示出根据本公开供使用的设备的实例。将第一粉末量406添加到粉末贮存器404。在一些方面中,粉末贮存器404可包括底板405。在一些方面中,粉末可经由漏斗407和从漏斗407延行的一个或多个管件403添加。在一些方面中,可允许粉末从漏斗407流动穿过一个或多个管件403到粉末贮存器404中持续某一时间量。在一些方面中,所述一个或多个管件403可打开或关闭。在一些方面中,在允许粉末从漏斗407流动穿过一个或多个管件403到贮存器404中之前,底板405可降低到粉末贮存器404中。包括向下延伸的多个振动传输元件401的装填工具410可插入到含粉末的贮存器404中且振动,以压紧贮存器404中的粉末且形成经压紧粉末层(未图示)。所述设备(图4A)可进一步包括隔振环411,所述隔振环可帮助减振和/或隔离振动且将其定位到装填工具410。在压紧第一粉末量之后,可将第二粉末量添加在经压紧粉末层上方,且可重复所述过程。
图4B示出供与本公开的设备和方法一起使用的装填工具410的底侧的实例。装填工具410可包括包括向下延伸的所述多个振动传输元件401的顶板400,且可进一步包括一个或多个压力传感器402。在一些方面中,在允许粉末从漏斗407流动穿过所述一个或多个管件403到粉末贮存器404中之前,顶板400或装填工具410的位置可在粉末贮存器404的顶部上方锁定。在一些方面中,所述一个或多个管件403从漏斗407延行到顶板400的中心。在一些方面中,所述一个或多个管件403从漏斗407延行到顶板400的中心和一个或多个隅角。在一些方面中,在允许粉末从漏斗407流动穿过一个或多个管件403到粉末贮存器404中之前,底板405可升高直到所述一个或多个压力传感器402感测到粉末装填限制,或从顶板400向下延伸的所述多个振动传输元件401接触底板405。
所述多个振动传输元件401可向下延伸任何长度;确定所述多个振动传输元件401的适当长度是在所属领域的一般技术人员的知识范围内。在一些方面中,所述多个振动传输元件401从装填工具410向下延伸某一长度,所述长度是粉末贮存器404的高度和/或粉末贮存器404中粉末的高度的函数。举例来说,较高粉末贮存器404或较高粉末高度可与具有较长多个振动传输元件401的装填工具410一起使用。在一些方面中,粉末贮存器404的高度与所述多个振动传输元件401的长度的比率可在4:1到8:1的范围内,或两者之间的任何比率。振动传输元件401优选地适合于将振动从装填工具传输到下伏粉末。在一个实施例中,振动经由实心圆柱形振动传输元件401传输。振动传输元件的形状还可以是例如正方形或矩形等另一形状。
粉末贮存器404可具有适合与当前方法和设备一起使用的任何尺寸。在一些方面中,粉末贮存器404具有矩形或正方形基底,侧壁从所述基底的边缘升高。在一些方面中,粉末贮存器404具有不超过4英尺的壁高度。在一些方面中,粉末贮存器404具有不超过3英尺的壁高度。在一些方面中,粉末贮存器404具有在至少一个侧部上测量为不小于1英尺长的矩形或正方形基底。在一些方面中,粉末贮存器404具有在至少一个侧部上测量为不大于5英尺长的正方形基底。
所述多个振动传输元件401可具有任何厚度。在一些方面中,所述多个突出部具有不大于1.5英寸的厚度。在一些方面中,所述多个突出部具有不小于0.25英寸的厚度。
所述多个振动传输元件401可包括任何数目的振动传输元件,或任何阵列数目。在一些方面中,振动传输元件的数目是粉末贮存器404的宽度和/或深度的函数。在一些方面中,振动传输元件的数目是振动传输元件的厚度的函数。举例来说,振动传输元件厚度越小,则振动传输元件的数目越大。不希望受任何特定理论束缚,相信可存在每一振动传输元件周围的衰减区,其相对于单独使用振动板提供改进的粉末装填能力。此外,本发明提供改进的粉末装填,而不引入气体或任何其它粉末装填手段,例如用泥刀手动装填。
图5A-5C示出根据一些方面使用本公开的设备的步骤的示意图。在图5A中,装填工具410降低到粉末贮存器404中,粉末贮存器404含第一粉末量406,其通常具有由通过倾倒动作形成的散装粉末锥体。随着装填工具410降低,所述多个振动传输元件401变得沉浸在第一粉末量406中(图5B)。一旦沉浸到所要深度,装填工具410就被振动,且所述多个振动传输元件401将振动向下传输到粉末中。在一些方面中,顶板400在降低的同时振动。在一些方面中,顶板400降低,同时底板405升高。所述多个突出部401可被振动,同时以某一速度升高底板405,直到达到如所述一个或多个压力计402检测到的预定压力限制。在一些方面中,所述压力限制和/或底板405升高的所述速度可使用计算机来控制。所述多个振动传输元件401据信将振动向下延伸到顶板400和底板405之间的粉末中。预定压力限制的使用可改进粉末装填的一贯性。振动可处于任何合适的频率且持续任何合适的持续时间。
在合适的或所要振动持续时间之后,装填工具410可升高离开粉末贮存器404(图5C)。装填工具410可升高,旋转90°,且降低到粉末贮存器404中。可重复这样的步骤:振动至少所述多个振动传输元件401且同时以某一速度升高底板405直到达到预定压力限制,升高装填工具410,将装填工具410旋转90°,且将装填工具410降低到粉末贮存器404中。在一些方面中,所述步骤在顶板400和底板405之间装填一定量的粉末。在一些方面中,可重复所述步骤直到装填工具410已经相对于其原始位置旋转总共360°或其倍数。在一些方面中,装填工具410相对于其原始位置旋转360°或其倍数,使得由所述多个振动传输元件401在粉末中形成的任何孔在旋转期间或由于所述旋转而被粉末填充。
在一些方面中,还可使用计算机来控制装填工具410的移动、到漏斗407中的粉末馈送的起始、振动传输元件401的振动的起始,以及底板405的升高和降低。顶板400、装填工具410和/或底板405的升高和降低可达任何合适的距离;确定此(些)距离在所属领域的一般技术人员的知识范围内。
在一些方面中,所述设备包括漏斗407、一个或多个管件403、隔振环411和装填工具410,且可与粉末贮存器404分离。通过所属领域的一般技术人员已知的任何合适的手段,所述设备可与粉末贮存器404分离或可接合到粉末贮存器404。
所述设备、漏斗407、一个或多个管件403、隔振环411、装填工具410、顶板400、多个振动传输元件401、粉末贮存器404、底板405和一个或多个压力传感器402可由此项技术中已知的任何合适的材料组成。优选地,可接触粉末的部件,例如漏斗407、一个或多个管件403、装填工具410、顶板400、多个振动传输元件401、一个或多个压力传感器402、粉末贮存器404和底板405,并不污染粉末。此外,所述设备、漏斗407、一个或多个管件403、隔振环411、装填工具410、顶板400、多个振动传输元件401、粉末贮存器404、底板405和一个或多个压力传感器402优选地由可承受具有根据本公开使用的频率和持续时间的振动的材料制成。
本公开的方法和设备可与任何基于粉末的增材制造方法及设备一起使用,例如DMLM或SLM。本公开的方法和设备可与任何粉末材料一起使用;优选地,所述粉末并不与制成所述设备的材料反应。
本书面描述用实例来公开包括优选实施例的本发明,并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明,包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定,并且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果这些其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素,或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素,那么它们既定在权利要求书的范围内。来自所描述的各种实施例的方面以及每一此方面的其它已知等效物可由所属领域的一般技术人员混合和匹配以根据本申请案的原理构造额外实施例和技术。
Claims (17)
1.一种制备用于在增材制造中使用的粉末的方法,其包括:
a)将粉末供给到漏斗中且允许所述粉末从所述漏斗流动穿过一个或多个管件到粉末贮存器中;
b)将第一量的粉末添加到所述粉末贮存器;
c)将装填工具插入到所述粉末贮存器中,其中所述装填工具包括向下延伸的多个振动传输元件;以及
d)振动至少所述多个振动传输元件,
其中所述方法还包括将隔振环设置在所述一个或多个管件周围。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:包括将第二量的粉末添加到所述粉末贮存器。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述粉末贮存器包括底板,且所述装填工具包括顶板、所述多个振动传输元件和至少一个压力传感器。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:进一步包括振动至少所述多个振动传输元件,且同时以某一速度升高所述底板,直到达到预定压力限制。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:进一步包括
升高所述顶板;和
将所述顶板旋转90°。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:进一步包括将所述顶板降低到所述粉末贮存器中。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:进一步包括重复以下步骤:
振动至少所述多个振动传输元件,且同时以某一速度升高所述底板,直到达到预定压力限制;
升高所述顶板;
将所述顶板旋转90°;以及
将所述顶板降低到所述粉末贮存器中,
且重复直到所述顶板已经相对于其原始位置旋转至少360°。
8.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:进一步包括,在允许所述粉末从所述漏斗流动穿过一个或多个管件到所述粉末贮存器中之前,降低所述底板。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于:进一步包括,在允许所述粉末从所述漏斗流动穿过一个或多个管件到所述粉末贮存器中之前,将顶板位置锁定在所述粉末贮存器的顶部上方。
10.根据权利要求8所述的方法,其特征在于:进一步包括以下步骤,在允许所述粉末从所述漏斗流动穿过一个或多个管件到所述粉末贮存器中之前,升高所述底板,直到所述压力传感器感测到粉末装填限制或从所述顶板向下延伸的所述多个振动传输元件接触到所述底板。
11.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:包括以下步骤:
振动至少所述多个振动传输元件,且同时以某一速度升高所述底板,直到达到预定压力限制;
升高所述顶板;
将所述顶板旋转90°;以及
将所述顶板降低到所述粉末贮存器中,
在所述顶板和所述底板之间装填一定量的所述粉末。
12.根据权利要求8所述的方法,其特征在于:所述粉末贮存器可与所述漏斗、所述一个或多个管件和所述顶板分离。
13.一种用于粉末装填的设备,其包括:
粉末漏斗;
一个或多个管件,其将所述粉末漏斗连接到粉末贮存器;
装填工具,其包括向下延伸的多个振动传输元件;以及
隔振环,其在所述一个或多个管件周围。
14.根据权利要求13所述的设备,其特征在于:所述装填工具包括顶板,所述顶板包括向下延伸的所述多个振动传输元件,且所述装填工具进一步包括压力传感器。
15.根据权利要求13所述的设备,其特征在于:将所述粉末漏斗连接到所述粉末贮存器的所述一个或多个管件可打开或关闭。
16.根据权利要求14所述的设备,其特征在于:所述粉末贮存器包括底板和从所述顶板向下延伸到所述底板的所述多个振动传输元件。
17.根据权利要求14所述的设备,其特征在于:所述粉末贮存器可与所述设备分离。
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