CN112060588A - 成型仓排烟***及粉末床3d打印设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种粉末床3D打印设备及成型仓排烟***,排烟气流流经铺粉区域时,可将激光照射粉末所产生的烟气吹向排气组件。而且,排烟气流包括沿第一方向流动的主气流及两侧相对于第一方向倾斜流动的辅助气流。即,主气流可沿水平方向吹向排气组件,而两侧的辅助气流则可分别从斜下方及斜上方吹向排气组件。因此,辅助气流使得排烟气流能够快速捕捉烟气,并对烟气起到较好的约束作用,从而实现高效排烟。而且,辅助气流能够分别从下方和上方约束主气流,从而避免排烟气流向下扰动粉末层,以及向上扩散干扰激光光束。因此,上述成型仓排烟***排烟过程中对粉末层及激光光束造成的扰动显著减小,从而使得工艺的一致性得到提升。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域,特别涉及一种成型仓排烟***及粉末床3D打印设备。
背景技术
粉末床3D打印因其具有精度高、表面质量好等优势,被广泛应用于金属、高分子材料甚至陶瓷零件的成型加工。而且,由于激光光斑与粉末颗粒可小至数十微米,故SLM(selective laser melting,选择性激光熔融)和SLS(selective laser sintering,选择性激光烧结)相较于其他工艺的精度更高,成为最为常见的两种粉末床3D打印成型方式。
无论是用于SLM工艺还是SLS工艺的粉末床3D打印设备,一般均包括供粉与铺粉装置、激光头、成型仓及成型缸,在成型缸开口区域铺设厚度均匀的粉末层,而后采用激光扫描照射粉末层的选定区域,使之受热结合为片状物。多次重复上述过程,每一层粉末结合产生的片状物与上一层片状物垂直累积,逐步形成完整三维成形体。
粉末在被激光加热时会产生烟气,所产生的烟气需要及时排出。但是,排烟过程中的高速气流有可能会造成粉末层的扰动。而且,受烟气的影响,用于照射粉末层的激光光束的能量也会发生扰动。如此一来,将导致粉末床3D打印设备的一致性较差。
发明内容
基于此,有必要针对上述问题,提供一种能够提升工艺的一致性的成型仓排烟***及粉末床3D打印设备。
一种成型仓排烟***,包括设于成型仓内的铺粉区域相对两侧的排气组件及进气组件,所述进气组件用于向所述排气组件吹送排烟气流,所述排气组件用于抽吸所述排烟气流,所述排烟气流包括沿第一方向流动的主气流及位于所述主气流第二方向上两侧的辅助气流,所述第二方向与所述第一方向垂直,两侧的所述辅助气流沿相对于所述第一方向倾斜的方向流向所述排气组件,并在由所述进气组件到所述排气组件的方向上逐渐向所述主气流靠拢。
在其中一个实施例中,所述排气组件具有排气口,所述进气组件具有在所述第二方向上间隔设置的第一辅助进气口、第二辅助进气口及位于所述第一辅助进气口与所述第二辅助进气口之间的主进气口,所述主进气口与所述排气口沿所述第一方向对齐,并用于吹送所述主气流,所述第一辅助进气口及所述第二辅助进气口相对于所述第一方向倾斜指向所述排气口,并用于吹送所述辅助气流。
在其中一个实施例中,所述第一辅助进气口及所述第二辅助进气口呈条形,且所述第一辅助进气口及所述第二辅助进气口均沿与所述第一方向及所述第二方向垂直的第三方向延伸。
在其中一个实施例中,还包括循环组件,所述循环组件包括过滤器、主循环泵及辅助循环泵,所述主循环泵的进气端通过所述过滤器与所述排气口连通,所述主循环泵的出气端与所述辅助循环泵的进气端及所述主进气口连通,所述辅助循环泵的出气端与所述第一辅助进气口及所述第二辅助进气口连通。
在其中一个实施例中,所述循环组件还包括设于所述主循环泵的出口端并用于获取所述主循环泵的出口端的风速的主风速传感器及设于所述辅助循环泵的出口端并用于获取所述辅助循环泵的出口端的风速的辅助风速传感器。
在其中一个实施例中,还包括移位组件,所述移位组件可带动所述排气组件及所述进气组件沿垂直于所述第一方向及所述第二方向的方向移动。
在其中一个实施例中,所述排气组件及所述进气组件在所述移位组件的带动下同步移动。
在其中一个实施例中,所述移位组件包括驱动件及分别设于所述铺粉区域相对两侧且相互平行的直线滑轨,所述排气组件及所述进气组件分别可滑动地设于两个所述直线导轨并与所述驱动件传动连接。
一种粉末床3D打印设备,包括:
框架,设于所述框架上的成型仓及成型缸,所述成型仓的底部形成有铺粉区域,所述成型缸与所述成型仓的底部对接,且所述成型缸的开口区域与所述铺粉区域的对应设置;及
激光器,设于所述成型仓的顶部并用于照射所述开口区域;
如上述优选实施例中任一项所述的成型仓排烟***;
其中,所述第一方向平行于所述铺粉区域的表面,所述第二方向垂直于所述铺粉区域的表面,所述排烟气流可流经所述铺粉区域与所述激光器之间。
在其中一个实施例中,还包括与所述成型仓排烟***通信连接的控制器,所述控制器可调节所述主气流及所述辅助气流的流速,以使所述辅助气流的流速大于所述主气流的流速。
上述粉末床3D打印设备及成型仓排烟***,排烟气流流经铺粉区域时,可将激光照射粉末所产生的烟气吹向排气组件。而且,排烟气流包括沿第一方向流动的主气流及两侧相对于第一方向倾斜流动的辅助气流。即,主气流可沿水平方向吹向排气组件,而两侧的辅助气流则可分别从斜下方及斜上方吹向排气组件。因此,辅助气流使得排烟气流能够快速捕捉烟气,并对烟气起到较好的约束作用,从而实现高效排烟。而且,辅助气流能够分别从下方和上方约束主气流,从而避免排烟气流向下扰动粉末层,以及向上扩散干扰激光光束。因此,上述成型仓排烟***排烟过程中对粉末层及激光光束造成的扰动显著减小,从而使得工艺的一致性得到提升。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,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为本发明较佳实施例中粉末床3D打印设备的结构示意图;
图2为图1所示粉末床3D打印设备的正视图;
图3为本发明较佳实施例中成型仓排烟***工作原理示意图;
图4为图3所示成型仓排烟***中进气组件的示意图;
图5为粉末平面的场景示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为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,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。
请参阅图1及图2,本发明提供了一种粉末床3D打印设备10及成型仓排烟***500。其中,粉末床3D打印设备10包括框架100、成型仓200、成型缸300、激光头400、成型仓排烟***500及控制器(图未示)。
框架110主要起到支撑作用,一般由金属杆材、板材通过拼装焊接而成,具有良好的刚性。成型仓200及成型缸300设于框架110上。其中,成型仓200可以是多个板材拼接形成的腔体结构,打印时处于密闭状态。成型仓200的底部形成有铺粉区域(图未标),打印时,铺设原材料粉末于铺粉区域,并形成粉末平面。成型缸300一般为具有开口的筒状结构。而且,成型缸300与成型仓200的底部对接,且成型缸300的开口区域与铺粉区域的对应设置。也就是说,开口区域与铺粉区域重叠,粉末平面位于开口区域内。
成型缸300中设有成形平台310,成形平台310可在成型缸300中上下移动并定位,从而使得每次铺粉后粉末平面的高度都能保持一致。其中,成形平台310移动至上止点(最高点)时,与成形仓200的底部表面齐平。成形平台310的移动时机及每次移动的步长,均可由控制器进行控制。
激光器400设于成型仓200的顶部并用于照射开口区域。激光器400发出的激光光束可对位于开口区域的粉末平面进行加热,直至粉末熔融或烧结,得到片状物。如图5所示,粉末平面30上根据所需打印物体的形状,具有多个特定区域(如第一特定区域301及第二特定区域302)。激光器400可在控制器的控制下,一次选定对应的特定区域进行激光扫描,从而获得每一层片状物所需形状。
上述粉末床3D打印设备10中的框架100、成型仓200、成型缸300、激光头400及控制器的结构、功能与与常规的粉末床3D打印设备中的类似,故在此不再赘述。
请一并参阅图3,本发明较佳实施例中的成型仓排烟***500包括排气组件510及进气组件520。其中,排气组件510及进气组件520分别设于成型仓200内的铺粉区域相对的两侧。
进气组件520用于向排气组件510吹送排烟气流20,排气组件510用于抽吸排烟气流20。进一步的,排烟气流20包括主气流201及位于主气流201的辅助气流202。主气流201沿第一方向流动,辅助气流202位于主气流201第二方向上的两侧,且第二方向与第一方向垂直。其中,第一方向平行于铺粉区域的表面(即,平行于粉末平面30),第二方向垂直于铺粉区域的表面(即,垂直于粉末平面30),排烟气流20可流经铺粉区域与激光器400之间。
而且,两侧的辅助气流202沿相对于第一方向倾斜的方向流向排气组件510,并在由进气组件520到排气组件510的方向上逐渐向主气流201靠拢。
如图1及图2所示,上述粉末床3D打印设备10工作时,第一方向为水平方向,而第二方向为竖直方向。排烟气流20从右向左吹向排气组件510,主气流201沿水平方向吹向排气组件510,而辅助气流202位于主气流201的上下两侧,且两侧的辅助气流202分别沿斜上方及斜下方吹向排气组件510。
请一并参阅图4,在本实施例中,排气组件510具有排气口511,进气组件520具有在第二方向上间隔设置的第一辅助进气口521、第二辅助进气口522及位于第一辅助进气口521与第二辅助进气口522之间的主进气口523。其中,主进气口523与排气口511沿第一方向对齐,并用于吹送主气流201。第一辅助进气口521及第二辅助进气口522相对于第一方向倾斜指向排气口511,并用于吹送辅助气流202。
为便于区分,由第一辅助进气口521及第二辅助进气口522吹送出的辅助气流202分别称之为第一辅助气流及第二辅助气流。进气口523由于沿第一方向与排气口511对齐,故经主进气口523吹送的主气流201将会沿第一方向水平吹向排气口511。如图3及图4所示,第一辅助进气口521位于主进气口523的下方,而第二辅助进气口522位于主进气口523上方,故第一辅助气流及第二辅助气流则分别沿斜向上及斜向下的方向吹向排气口511。
排烟气流20流经铺粉区域时,可将激光照射粉末平面30所产生的烟气吹向排气组件510。而且,斜向上吹送的第一辅助气流能够将烟气快速吹向主气流201,从而实现对烟气的快速捕捉。排烟气流20可沿水平方向吹向排气组件510,而两侧的辅助气流202则可分别从斜下方及斜上方吹向排气组件510。因此,排烟气流20能对烟气起到较好的约束作用,从而实现高效排烟。
进一步的,主气流201两侧的辅助气流202能够分别从下方和上方约束主气流201。第一辅助气流斜向上吹送,可抑制Coanda效应(附壁效应),避免排烟气流20直接干扰粉末平面30而造成粉末平面30形态变化及颗粒物附着;第一辅助气流斜向下吹送,可压制主气流201的边界湍流层烟气向上自由扩散,从而保持成型仓200上部空间的洁净,避免烟气干扰激光器400。由此可见,排烟过程中对粉末平面30及激光光束造成的扰动显著减小,一致性能够得到提升。
另外,第一辅助气流可持续向斜上方推动烟气,当主气流201中较重的颗粒发生沉降时,第一辅助气流能够再次向其施加斜上方向的推力,使其再次上升。在烟气随排烟气流20排向排气组件510的过程中,第一辅助气流能够反复对较大颗粒物的沉降运动施加向上的推力,故较大颗粒物可沿波浪形路线移动,从而避免其在进入排气口511之前便坠落在粉末平面30上,从而进一步减小粉末平面30的扰动。
请再次参阅图3,在本实施例中,第一辅助进气口521及第二辅助进气口522呈条形,且第一辅助进气口521及第二辅助进气口522均沿与第一方向及第二方向垂直的第三方向延伸。
第三方向即为图4所示垂直于图纸平面的方向。由于第一辅助进气口521及第二辅助进气口522呈条形,故经第一辅助进气口521及第二辅助进气口吹送出的辅助气流202呈扁平状。在气体流量一定的前提下,扁平状的辅助气流202流速更快,故对烟气的约束作用更加明显。而且,扁平状的辅助气流202覆盖面更广,能够有效地防止侧向跑烟。
请再次参阅图1及图2,在本实施例中,成型仓排烟***500还包括循环组件530。其中,循环组件530包括过滤器531、主循环泵532及辅助循环泵533。主循环泵532的进气端通过过滤器531与排气口511连通,主循环泵522的出气端与辅助循环泵533的进气端及主进气口523连通,辅助循环泵533的出气端与第一辅助进气口521及第二辅助进气口522连通。
过滤器531、主循环泵532、辅助循环泵533与排气口511及进气口(第一辅助进气口521、第二辅助进气口522连通及主进气口523后续统称为进气口)可通过软管实现连接。其中,主循环泵532、辅助循环泵533的出气端均连接一分二管。3D打印的过程中,成型仓200中需要充满惰性气体,以防止粉末材料被氧化。循环组件530能够将惰性气体净化,并使惰性气体在排气组件510与进气组件520之间循环后重复利用,从而节省成本。
具体的,排烟气体20经排气口511进入过滤器531,烟气及颗粒物被滤除;接着,主循环泵522将净化后的气体一部分由主进气口523吹送,形成主气流201,而另一部分则输送至辅助循环泵533,并由辅助循环泵533通过第一辅助进气口521及第二辅助进气口522吹送,形成辅助气流202。
主循环泵522用于在过滤器531的入口与出口之间建立正压,提升过滤效率的同时为过滤所得的洁净气体增压,使其流速达到主进气口523所需风速;辅助循环泵533用于给主循环泵532分流的洁净气体二次增压,使其流速达到第一辅助进气口521、第二辅助进气口522所需的风速。而且,通过设置主循环泵532及辅助循环泵533,能够实现对主气流201及辅助气流202的流速进行单独控制,以满足不同排烟场景对辅助气流202及主气流201流速组合的需求。
进一步的,在本实施例中,循环组件530还包括设于主循环泵532的出口端并用于获取主循环泵532的出口端的风速的主风速传感器(图未示)及设于辅助循环泵533的出口端并用于获取辅助循环泵533的出口端的风速的辅助风速传感器(图未示)。
通过设置主风速传感器及辅助风速传感器,能够实时获取辅助气流202及主气流201的流速,从而便于根据需求对主循环泵532及辅助循环泵533的风速进行及时调整。
更进一步的,控制器与成型仓排烟***500通信连接,控制器可调节主气流201及辅助气流202的流速,以使辅助气流202的流速大于主气流201的流速。
具体的,控制器分别与主循环泵532、辅助循环泵533、主风速传感器及辅助风速传感器通信连接。主风速传感器及辅助风速传感器将所采集到的风速信息上传至控制器,控制器根据当前风速信息可调整主循环泵532及辅助循环泵533的功率,从而使得辅助气流202及主气流201的流速达到需求。
在本实施例中,成型仓排烟***500还包括移位组件540,移位组件540可带动排气组件510及进气组件520沿垂直于第一方向及第二方向的方向移动。
具体的,激光器400在对粉末进行加热的过程中,需要根据不同的形状需求不断调整照射在粉末平面30上的扫描区域。垂直于第一方向及第二方向的方向即为上述第三方向,而进气组件520通过沿第三方向移动,可使排烟气流20依次覆盖整个粉末平面。这样,排气组件510及进气组件520可跟随激光照射点移动,故排气口511以及进气口的宽度无需超过粉末平面30的宽度,仅需确保移位组件540跟随移动过程中,吹送出的排烟气流20的宽度能够覆盖烟气范围即可。因此,排气口511以及进气口可宽度显著减小,故排气口511以及进气口的气流分布更均匀、流速更稳定。
如图5所示,粉末平面30上具有两个需要进行激光扫描的特定区域,即第一特定区域301和第二特定区域302。当激光光束对第一特定区域301加热完毕后,激光照射点则向下移向第二特定区域302。此时,移位组件540将带动排气组件510及进气组件520跟随激光照射点向下移动。
进一步的,在本实施例中,排气组件510及进气组件520在移位组件450的带动下同步移动。由于两者同步运动,其相对位置可始终保持不变。因此,只需在初始状态对两者的相对位置进行校准调试,在后续跟随激光照射点移动的过程中无需多次校准调试,有助于提升效率。
更进一步的,在本实施例中,移位组件540包括驱动件(图未示)及分别设于铺粉区域相对两侧且相互平行的直线滑轨(图未标),排气组件510及进气组件520分别可滑动地设于两个直线导轨并与驱动件传动连接。
具体的,排气组件510及进气组件520可通过滑块与直线滑轨相配合,从而使得排气组件510及进气组件520在移动过程中能够保持平稳及相对位置的稳定。
上述粉末床3D打印设备10,排烟气流20流经铺粉区域时,可将激光照射粉末所产生的烟气吹向排气组件510。而且,排烟气流20包括沿第一方向流动的主气流201及两侧相对于第一方向倾斜流动的辅助气流202。即,主气流201可沿水平方向吹向排气组件510,而两侧的辅助气流202则可分别从斜下方及斜上方吹向排气组件510。因此,辅助气流202使得排烟气流20能够快速捕捉烟气,并对烟气起到较好的约束作用,从而实现高效排烟。而且,辅助气流202能够分别从下方和上方约束主气流201,从而避免排烟气流20向下扰动粉末层,以及向上扩散干扰激光光束。因此,上述粉末床3D打印设备10及成型仓排烟***500在排烟过程中对粉末层及激光光束造成的扰动显著减小,从而使得工艺的一致性得到提升。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种成型仓排烟***,其特征在于,包括设于成型仓内的铺粉区域相对两侧的排气组件及进气组件,所述进气组件用于向所述排气组件吹送排烟气流,所述排气组件用于抽吸所述排烟气流,所述排烟气流包括沿第一方向流动的主气流及位于所述主气流第二方向上两侧的辅助气流,所述第二方向与所述第一方向垂直,两侧的所述辅助气流沿相对于所述第一方向倾斜的方向流向所述排气组件,并在由所述进气组件到所述排气组件的方向上逐渐向所述主气流靠拢。
2.根据权利要求1所述的成型仓排烟***,其特征在于,所述排气组件具有排气口,所述进气组件具有在所述第二方向上间隔设置的第一辅助进气口、第二辅助进气口及位于所述第一辅助进气口与所述第二辅助进气口之间的主进气口,所述主进气口与所述排气口沿所述第一方向对齐,并用于吹送所述主气流,所述第一辅助进气口及所述第二辅助进气口相对于所述第一方向倾斜指向所述排气口,并用于吹送所述辅助气流。
3.根据权利要求2所述的成型仓排烟***,其特征在于,所述第一辅助进气口及所述第二辅助进气口呈条形,且所述第一辅助进气口及所述第二辅助进气口均沿与所述第一方向及所述第二方向垂直的第三方向延伸。
4.根据权利要求2所述的成型仓排烟***,其特征在于,还包括循环组件,所述循环组件包括过滤器、主循环泵及辅助循环泵,所述主循环泵的进气端通过所述过滤器与所述排气口连通,所述主循环泵的出气端与所述辅助循环泵的进气端及所述主进气口连通,所述辅助循环泵的出气端与所述第一辅助进气口及所述第二辅助进气口连通。
5.根据权利要求4所述的成型仓排烟***,其特征在于,所述循环组件还包括设于所述主循环泵的出口端并用于获取所述主循环泵的出口端的风速的主风速传感器及设于所述辅助循环泵的出口端并用于获取所述辅助循环泵的出口端的风速的辅助风速传感器。
6.根据权利要求1所述的成型仓排烟***,其特征在于,还包括移位组件,所述移位组件可带动所述排气组件及所述进气组件沿垂直于所述第一方向及所述第二方向的方向移动。
7.根据权利要求6所述的成型仓排烟***,其特征在于,所述排气组件及所述进气组件在所述移位组件的带动下同步移动。
8.根据权利要求6所述的成型仓排烟***,其特征在于,所述移位组件包括驱动件及分别设于所述铺粉区域相对两侧且相互平行的直线滑轨,所述排气组件及所述进气组件分别可滑动地设于两个所述直线导轨并与所述驱动件传动连接。
9.一种粉末床3D打印设备,其特征在于,包括:
框架,设于所述框架上的成型仓及成型缸,所述成型仓的底部形成有铺粉区域,所述成型缸与所述成型仓的底部对接,且所述成型缸的开口区域与所述铺粉区域的对应设置;及
激光器,设于所述成型仓的顶部并用于照射所述开口区域;
如上述权利要去1至8任一项所述的成型仓排烟***;
其中,所述第一方向平行于所述铺粉区域的表面,所述第二方向垂直于所述铺粉区域的表面,所述排烟气流可流经所述铺粉区域与所述激光器之间。
10.根据权利要求9所述的粉末床3D打印设备,其特征在于,还包括与所述成型仓排烟***通信连接的控制器,所述控制器可调节所述主气流及所述辅助气流的流速,以使所述辅助气流的流速大于所述主气流的流速。
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