CN114260467A - 一种基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置及其制备方法,装置包括工作腔室、粉料混和控制装置、铺粉装置和材料成型装置,粉料混和控制装置用于将粉料混合并发生振动,使粉料出现巴西果效应,实现粉料的梯度式分层,并将分层后的粉料逐层输送至工作腔室中;铺粉装置用于将上层的粉料铺设在工作腔室内部的打印区域,当铺设的粉料打印完毕后,再进行下一层粉料的铺设;材料成型装置利用激光器对打印区域的粉床进行融化、打印,和铺粉步骤相结合,铺设一层粉料,便打印一层,最终得到功能梯度材料。本发明充分发挥了激光选区熔融技术的优势,可直接制造出梯度高度连续的材料,实现功能梯度材料高效、高质量的制备。
Description
技术领域
本发明涉及功能梯度材料制备、金属增材制造技术等领域,具体而言,尤其涉及一种基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置及其制备方法。
背景技术
近年来,随着增材制造技术的发展,利用增材制造技术制备的梯度功能材料零件逐渐受到航空和医疗行业的广泛关注。增材制造技术是一种将材料逐渐积累成所需形状的制造技术,具有节省材料、加工速度快、支持加工复杂形状零件等优点。在众多的增材制造技术中,因为激光金属沉积(LMD)技术可以实现在制造过程中粉末成分的连续比例变化,开始逐步在制备功能梯度材料的生产、实验中得到应用。例如,中国专利号201510560572.X公开了一种在钛材料上制备镍基耐高温功能梯度材料的激光制造方法,为钛材料制备耐高温层,以改善钛材料的高温性能。
选择性激光熔融/烧结(SLM/SLS)技术虽然非常适合制造复杂、精细结构的零件。然而,选择性激光熔融/烧结技术不支持在粉末层堆积过程中不断更换粉末,也不支持在粉末层堆积过程中有序铺设两相或多相粉末。因此,目前研究人员只能通过一层一层地替换粉末来生产“功能梯度材料”。这种方法不仅无法产生传统意义上的功能梯度材料,而且也无法避免制造过程中粉末氧化、操作人员过度接触有害粉末等问题。结果表明,该铺粉方式下,选择性激光熔融技术在制备功能梯度材料时,无法发挥其高精度加工大尺寸复杂形状零件的能力。而且,采用该铺粉方式的SLM技术在制备梯度功能材料时,虽然粉末材料的成分容易控制,但由于混合粉末中各组分比例要预先设计好且充分混合,不能实时进行调控,因而难以实现梯度功能材料内部成分的连续均匀变化。
针对上述问题,本发明旨在开发一种更加完善的铺、送粉的工艺和方法,以提高选择性激光熔融技术在制备功能梯度材料时的制备水平。
发明内容
根据上述提出的选择性激光熔化技术在制备功能梯度材料时,无法发挥其高精度加工大尺寸复杂形状零件的能力,难以实现梯度功能材料内部成分的连续均匀变化的技术问题,而提供一种基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置及其制备方法。本发明主要利用“巴西坚果效应”的现象实现梯度材料的高质量的铺粉和打印过程,从而获得理想的功能梯度材料,实现了功能梯度材料制备和供应,且在此基础上,充分发挥了激光选区熔融技术的优势,可以直接制造具有功能梯度且梯度高度连续的零件,提高零件的综合性能。
本发明采用的技术手段如下:
一种基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置,包括:工作腔室、粉料混和控制装置、铺粉装置和材料成型装置,所述粉料混和控制装置安装在工作腔室下方一侧,用于将粉料混合,并对混合后的粉料施加振动,使混合后的粉料产生巴西果效应,产生梯度式分层,并将呈梯度式分层后的粉料逐层输送至工作腔室中;所述铺粉装置安装在工作腔室内部,其起始位置靠近粉料混和控制装置的一侧,用于将高于工作平面的一层粉料铺设在工作腔室内部的打印区域,之后退回到起点位置,当该层粉料打印完毕厚,再进行下一层粉料层的铺设;所述材料成型装置安装在工作腔室上远离粉料混和控制装置的另一侧,采用选择性激光熔融技术对铺设在打印区域的粉床逐层进行打印,得到理想的的功能梯度材料。
进一步地,所述粉料混合控制装置包括粉料混合室、升降曲柄Ⅰ、振动发生器和粉料缸,所述粉料混合室安装在工作腔室底部,振动发生器和粉料缸均置于粉料混合室内部,振动发生器固定在粉料缸的底部,粉料缸用于实现不同粉料间的混合,振动发生器用于带动粉料缸中的混合粉料振动,使混合粉料发生巴西果效应,出现梯度分层;
所述升降曲柄Ⅰ连接在粉料缸的底部,用于实现粉料缸带着振动发生器沿粉料混合室的内壁进行往复升降,完成粉料层的输送,其中,粉料层输送至工作腔室内,高于工作平面;
所述粉料缸的顶部设置有料缸盖,在输送粉料层时,打开料缸盖。
进一步地,所述铺粉装置采用铺粉刮板,所述铺粉刮板采用电动刮板,即沿着打印工作面水平移动的刮粉板,用于将高于工作平面的每层粉料铺设在工作腔室内部的打印区域,与粉料混合控制装置的升降曲柄Ⅰ配合完成粉料的输送、铺设。
进一步地,所述材料成型装置包括升降曲柄Ⅱ、材料成型室、激光器和气体保护装置,所述激光器安装在工作腔室上部,位于材料成型室上方,用于对打印区域的粉床进行激光打印且加热熔融在材料成型室中;所述气体保护装置安装在工作腔室的另一侧,靠近材料成型室,用于向工作腔室内输送保护气体来辅助激光打印过程;所述升降曲柄Ⅱ安装在材料成型室的底部,用于驱动材料成型室的往复移动,其中,打印一次完成后,通过升降曲柄Ⅱ带动材料成型室下降一个高度,随即进行下一次铺粉和打印,不断重复直至材料完全成型在材料成型室中。
进一步地,通过改变振动发生的频率促使每层的粉料混合比例呈现连续性变化,实现连续性的梯度分层,而且,分多次来添加、混合粉料,可保证分层的连续性,减小误差,提高合理性、可行性、准确性。
进一步地,所述工作腔室的另一侧还设有至少一台风扇,所述风扇靠近材料成型装置的材料成型室,用于吹除打印完成后粉料层上附着的粉末。
进一步地,所述工作腔室的一侧还设有净化装置,所述净化装置远离风扇,与风扇相对设置,用于吸收风扇吹除的打印区域的粉末,以消除外界对实验的干扰,保证实验绿色进行。
本发明还提供了一种基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置的制备方法,包括如下步骤:
S1、根据预设的每层成分配比,通过粉料混和控制装置对材料混合实现所需的梯度分层:
S2、通过铺粉装置和材料成型装置对每层混合后粉料层进行铺粉和打印:
S3、重复以上步骤得到功能梯度材料,在得到功能梯度材料后进一步清除负载材料表面的粉末。
进一步地,所述步骤S1的具体步骤如下:
实验开始时,根据理想的材料组成,向粉料缸中添加固定配比的两种粉料,通过升降曲柄Ⅰ将粉料缸的高度降至最低,盖上粉料缸的料缸盖,启动振动发生器,调节振动频率得到理想的连续性梯度分层,同时为保证分层的连续性,对粉料分多次添加混合以减小误差,提高合理性、可行性准确性。
进一步地,所述步骤S2的具体步骤如下:
S21、完成粉料混合后,打开粉料缸的料缸盖,由升降曲柄Ⅰ带动粉料缸上升,使混合后粉料层略高于工作平面,铺粉刮板沿着工作平面带动高于工作平面的粉料层使其铺设在打印区域后,退回起点位置,进行下一层粉料层的铺设;
S22、当铺粉完成时,根据实验要求,调节较为合适的激光参数,对工作区域的粉床进行激光打印,且由保护气体装置输送保护气体辅助激光打印的过程,在一次打印完成时,升降曲柄Ⅱ带动材料成型室下降一个高度,风扇11启动以微弱的风力吹走附着在材料表面的粉末,保证材料表面的清洁,并由净化装置吸收风扇吹除的打印区域的粉末,消除外界对实验的干扰,且保证实验绿色进行;一层粉料打印完成后,即进行下一次粉料的打印。
较现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、本发明提供的基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置及其制备方法,实现了功能梯度材料制备和供应,且在此基础上,充分发挥了激光选区熔融技术的优势,可以直接制造具有梯度分层且梯度高度连续的零件,提高零件的综合性能。
2、本发明提供的基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置及其制备方法,装置简单、开发成本低、可操作性强,具有更大的优化空间,可以根据成分的比例要求进行粉末的配置和供应,利用“巴西坚果效应”更是本发明方法最大的创新点,将生活中的现象应用到工业生产当中,更加突出本方法的实用性特点。
综上,应用本发明的技术方案能够解决现有技术中的选择性激光熔化技术在制备功能梯度材料时,无法发挥其高精度加工大尺寸复杂形状零件的能力,难以实现梯度功能材料内部成分的连续均匀变化的问题。
基于上述理由本发明可在功能梯度材料的制备、金属增材制造等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明装置的结构示意图。
图中:1、粉料混合室;2、升降曲柄Ⅰ;3、振动发生器;4、粉料缸;5、升降曲柄Ⅱ;6、铺粉刮板;7、材料成型室;8、激光器;9、保护气体装置;10、净化装置;11、风扇。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时,应当清楚,为了便于描述,附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任向具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中,需要理解的是,方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,在未作相反说明的情况下,这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明保护范围的限制:方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述,在这里可以使用空间相对术语,如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等,用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是,空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如,如果附图中的器件被倒置,则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而,示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位),并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外,需要说明的是,使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件,仅仅是为了便于对相应零部件进行区别,如没有另行声明,上述词语并没有特殊含义,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图所示,本发明提供了一种基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置,包括:工作腔室、粉料混和控制装置、铺粉装置和材料成型装置,所述粉料混和控制装置安装在工作腔室的下方,用于将粉料均匀混合,并对混合后的粉料施加振动,使混合后粉料产生巴西果效应,产生梯度式分层,并将呈梯度式分层后的粉料逐层输送至工作腔室中;所述铺粉装置安装在工作腔室内部,其起始位置靠近粉料缸的一侧,用于将高于工作平面的一层粉料铺设在工作腔室内部的打印区域,之后退回到起点位置,当该层的粉料打印完毕后(当铺设的粉料打印完毕后),再进行下一层粉料的铺设;所述材料成型装置安装在工作腔室上远离粉料混和控制装置的另一侧,采用选择性激光熔融技术对铺设在打印区域的粉床进行打印,和铺粉的步骤相结合,铺设一层粉料,便打印一层,最终得到理想的功能梯度材料。
实施例1
如图1所示,本发明提供了一种基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置,为一种辅助选择性激光熔融技术的高质量铺粉、送粉装置,具体为能够实现粉体均匀铺层、梯度呈现连续性分布且层厚可控的制备要求。本发明方法的实现需要该设备来实现,该装置包括粉料混和控制装置、铺粉装置、材料成型装置,铺粉装置的起始位置设置在粉料混和控制装置的右侧,材料成型装置设置在粉料混和控制装置的左侧。
所述粉料混合控制装置由粉料混合室1、升降曲柄Ⅰ2、振动发生器3、粉料缸4四个部分组成,振动发生器3和粉料缸4均安装在粉料混合室1内部,升降曲柄Ⅰ2连接在粉料缸4的下方。粉料混合室1是粉料与粉料混合的设备,粉料混合的过程将在此设备中完成;通过升降曲柄Ⅰ2来控制粉料缸4的升降,完成粉料层的输送;振动发生器3即是整个梯度材料制备的核心部件,可以带动粉料缸4中的粉末振动,使粉料缸4中的粉末发生“巴西果效应”,出现梯度分层,改变振动发生的频率促使每层的粉料比例呈现连续性变化。
所述铺粉装置采用铺粉刮板6,其对粉料层的铺设工作是由升降曲柄Ⅰ2和铺粉刮板6配合完成的,升降曲柄Ⅰ2向上移动一点,铺粉刮板6是沿着打印工作面水平移动的刮粉板(电动刮板),将高于工作平面的粉末层铺在打印区域,即完成一次铺粉过程。
所述材料成型装置由升降曲柄Ⅱ5、材料成型室7、激光器8和气体保护装置9组成,材料成型室7的外部也设有粉料混合室,升降曲柄Ⅱ5连接在材料成型室7的底部,驱动材料成型室7沿着该粉料混合室内壁进行上下往复移动。激光器8安装在工作腔室内部上方,气体保护装置9安装在工作腔室左侧,工作腔室左侧还设有1台或多台风扇11,右侧设有净化装置。激光器8对打印区域的粉床进行加热熔融,之后风扇11吹除材料层上附着的粉末,升降曲柄Ⅱ5将带动材料成型室7下降一个高度,随即进行一次铺粉,再次打印,不断重复直至材料完全成型。
本发明还提供了一种相应的铺、送粉的方法,具体包括如下步骤:
(1)实验开始时,根据理想的材料组成,向粉料缸4中添加固定配比的A、B两种粉末,将粉料缸4降至最低,盖上粉料缸4的料缸盖,启动振动发生器3,调节振动频率得到理想的连续性梯度分层,同时为保证分层的连续性,对粉料分多次添加混合以减小误差,提高合理性、可行性、准确性。
(2)完成粉末混合后,打开料缸盖,由升降曲柄Ⅰ2带动粉料缸4上升,使粉料层略高于工作平面,电动刮板沿着工作平面带动高于工作平面的粉末层使其铺设在打印区域,退回起点位置。
(3)当铺粉完成时,根据实验要求,调节较为合适的激光参数,对工作区域的粉床激光打印,且由保护气体装置9输送保护气体辅助激光打印的过程,在一次打印完成时,升降曲柄Ⅱ5带动材料成型室7下降一个高度,小风扇11启动以微弱的风力吹走附着在材料表面的粉末,保证材料表面的清洁,由净化装置10吸收打印区域的粉末消除外界对实验的干扰,且保证实验绿色进行。
(4)一层粉料打印完成,重复上述步骤,即进行下一次打印,直至材料打印完成,制备得到理想的功能梯度材料。
本发明实现了功能梯度材料制备和供应,且在此基础上,充分发挥了激光选区熔融技术的优势,可以直接制造具有梯度分层且梯度高度连续的材料/零件,提高材料/零件的综合性能,实现功能梯度材料/零件高效、高质量的制备。
本发明装置简单、开发成本低、可操作性强,具有更大的优化空间,可以根据成分的比例要求进行粉末的配置和供应,利用“巴西坚果效应”更是本方法最大的创新点,将生活中的现象应用到工业生产当中,更加突出本方法的实用性特点。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置,其特征在于,包括:工作腔室、粉料混和控制装置、铺粉装置和材料成型装置,所述粉料混和控制装置安装在工作腔室下方一侧,用于将粉料混合,并对混合后的粉料施加振动,使混合后的粉料产生巴西果效应,产生梯度式分层,并将呈梯度式分层后的粉料逐层输送至工作腔室中;所述铺粉装置安装在工作腔室内部,其起始位置靠近粉料混和控制装置的一侧,用于将高于工作平面的一层粉料铺设在工作腔室内部的打印区域,之后退回到起点位置,当该层粉料打印完毕后,再进行下一层粉料的铺设;所述材料成型装置安装在工作腔室上远离粉料混和控制装置的另一侧,采用选择性激光熔融技术对铺设在打印区域的粉床逐层进行打印,得到功能梯度材料。
2.根据权利要求1所述的基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置,其特征在于,所述粉料混合控制装置包括粉料混合室(1)、升降曲柄Ⅰ(2)、振动发生器(3)和粉料缸(4),所述粉料混合室(1)安装在工作腔室底部,振动发生器(3)和粉料缸(4)均置于粉料混合室(1)内部,振动发生器(3)固定在粉料缸(4)的底部,粉料缸(4)用于实现不同粉料间的混合,振动发生器(3)用于带动粉料缸(4)中的混合粉料振动,使混合粉料发生巴西果效应,出现梯度分层;
所述升降曲柄Ⅰ(2)连接在粉料缸(4)的底部,用于实现粉料缸(4)带着振动发生器(3)沿粉料混合室(1)的内壁进行往复升降,完成粉料层的输送,其中,粉料层输送至工作腔室内,高于工作平面;
所述粉料缸(4)的顶部设置有料缸盖,在输送粉料层时,打开料缸盖。
3.根据权利要求1所述的基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置,其特征在于,所述铺粉装置采用铺粉刮板(6),所述铺粉刮板(6)采用电动刮板,即沿着打印工作面水平移动的刮粉板,用于将高于工作平面的每层粉料铺设在工作腔室内部的打印区域,与粉料混合控制装置的升降曲柄Ⅰ(2)配合完成粉料的输送和铺设。
4.根据权利要求1所述的基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置,其特征在于,所述材料成型装置包括升降曲柄Ⅱ(5)、材料成型室(7)、激光器(8)和气体保护装置,所述激光器(8)安装在工作腔室上部,位于材料成型室(7)上方,用于对打印区域的粉床进行激光打印且加热熔融在材料成型室(7)中;所述气体保护装置安装在工作腔室的另一侧,靠近材料成型室(7),用于向工作腔室内输送保护气体来辅助激光打印过程;所述升降曲柄Ⅱ(5)安装在材料成型室(7)的底部,用于驱动材料成型室(7)的往复移动,其中,打印一次完成后,通过升降曲柄Ⅱ(5)带动材料成型室(7)下降一个高度,随即进行下一次铺粉和打印,不断重复直至材料完全成型在材料成型室(7)中。
5.根据权利要求1或2所述的基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置,其特征在于,通过改变振动发生的频率促使每层的粉料混合比例呈现连续性变化,实现连续性的梯度分层;而且,分多次来添加、混合粉料,可保证分层的连续性,减小误差,提高合理性、可行性、准确性。
6.根据权利要求1或4所述的基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置,其特征在于,所述工作腔室的另一侧还设有至少一台风扇(11),所述风扇(11)靠近材料成型装置的材料成型室(7),用于吹除打印完成后粉料层上附着的粉末。
7.根据权利要求6所述的基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置,其特征在于,所述工作腔室的一侧还设有净化装置(10),所述净化装置(10)远离风扇(11),与风扇(11)相对设置,用于吸收风扇(11)吹除的打印区域的粉末,以消除外界对实验的干扰,保证实验绿色进行。
8.一种如权利要求1-7任意一项权利要求所述的基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、根据预设的每层成分配比,通过粉料混和控制装置对材料混合实现所需的梯度分层:
S2、通过铺粉装置和材料成型装置对每层混合后粉料层进行铺粉和打印:
S3、重复以上步骤得到功能梯度材料,在得到功能梯度材料后进一步清除负载材料表面的粉末。
9.根据权利要求8所述的基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置,其特征在于,所述步骤S1的具体步骤如下:
实验开始时,根据理想的材料组成,向粉料缸(4)中添加固定配比的两种粉料,通过升降曲柄Ⅰ(2)将粉料缸(4)的高度降至最低,盖上粉料缸(4)的料缸盖,启动振动发生器(3),调节振动频率得到理想的连续性梯度分层,同时为保证分层的连续性,对粉料分多次添加混合以减小误差,提高合理性、可行性准确性。
10.根据权利要求8所述的基于巴西果效应的功能梯度材料制备装置,其特征在于,所述步骤S2的具体步骤如下:
S21、完成粉料混合后,打开粉料缸(4)的料缸盖,由升降曲柄Ⅰ(2)带动粉料缸(4)上升,使混合后粉料层略高于工作平面,铺粉刮板(6)沿着工作平面带动高于工作平面的粉料层使其铺设在打印区域后,退回起点位置,进行下一层粉料层的铺设;
S22、当铺粉完成时,根据实验要求,调节较为合适的激光参数,对工作区域的粉床进行激光打印,且由保护气体装置(9)输送保护气体辅助激光打印的过程,在一次打印完成时,升降曲柄Ⅱ(5)带动材料成型室(7)下降一个高度,风扇(11)11启动以微弱的风力吹走附着在材料表面的粉末,保证材料表面的清洁,并由净化装置(10)吸收风扇(11)吹除的打印区域的粉末,消除外界对实验的干扰,且保证实验绿色进行;一层粉料层打印完成后,即进行下一次粉料层的打印。
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2021
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