KR20170099363A - 상이한 특성을 가지는 상이한 재료들로 3차원 인쇄된 물체들을 건조하는 시스템 및 방법 - Google Patents

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제이. 폴킨스 제프리
제이. 멕콘빌 폴
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제록스 코포레이션
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Abstract

3차원 물체 제조 방법은 동일한 층에 상이한 재료들의 특성에 대하여 식별된 정량화를 참조하여 첨가 제조 시스템에 구성요소들을 작동시킨다. 본 방법은 층들이 2종의 재료들의 특성들의 정량화 차이 보상으로 형성되는 것을 가능하게 한다.

Description

상이한 특성을 가지는 상이한 재료들로 3차원 인쇄된 물체들을 건조하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR BUILDING THREE-DIMENSIONAL PRINTED OBJECTS WITH DIFFERENT MATERIALS HAVING DIFFERENT PROPERTIES}
본원 기재 시스템 및 방법은 3차원 인쇄 물체 제조, 더욱 상세하게는, 상이한 특성을 가지는 재료들을 이용하여3차원 물체를 제작하는 것에 관한 것이다.
디지털 적층 가공이라고도 알려진 디지털 3차원 물체 가공은, 디지털 모델로부터 거의 모든 형태의3차원 고형 물체를 제조하는 공정이다. 3차원 물체 인쇄는 기재에 연속 재료 층들이 여러 형태로 형성되는 적층 공정이다. 층들은 결합재 토출, 직접용착, 재료 압출, 재료 토출, 분말소결, 시트 적층, 또는 액체 광중합체 재료를 경화 복사선에 노출시켜 형성된다. 층들이 형성되는 기재는 플랫폼에 작동 가능하게 연결되는 구동기 작동으로 3차원적으로 이동되는 플랫폼 상에, 또는 물체 형성 층들을 제조하기 위하여 증착 장치 이동 제어용 하나 이상의 구동기에 작동 가능하게 연결되는 재료 증착 장치에 형성된다. 3차원 물체 인쇄는 전통적인 물체-형성 기술, 대부분 절삭 공정, 예컨대 절삭 또는 드릴링으로 가공물에서 재료를 제거하는 것과 구분된다.
3차원 인쇄 적층 가공은 다중 상충 특성을 가지는 재료들이 사용될 수 있다. 예를들면, 인쇄되는 전기 장치의 절연성 구조체 내부 또는 상부에서 전도성 경로 형성에는 자외선 (UV) 경화성 고분자로 제조되는 절연성 구조체 내부 또는 상부에 수성 또는 용제계 금속성 콜로이드 용액이 제공된다. 전도성 재료는 절연성 구조체와는 아주 다른 경화 및 소결 조건을 가질 수 있다. 고분자는 전형적으로 층들 결합에 있어서 에너지를 덜 필요로 하지만, 금속성 용액은 이들을 유착하는데 훨씬 높은 온도가 요구된다. 고분자 재료가 금속성 콜로이드 용액 결합 공정의 더욱 높은 열에 노출되면 고분자 구조에 악영향을 주게 된다. 따라서, 전도성 트레이스가 절연성 구조체 형성과는 다른 시간에 형성되면 이러한 노출을 피할 수 있다. 추가로, 물 또는 용제가 증발되면 금속성 콜로이드 용액 용적은 크게 줄어든다. 그러나 UV 경화성 고분자 또는 다른 절연성 재료 액적은, 액적이 토출될 때와 대략 동일한 용적을 유지한다. 재료들에 대한 경화, 건조, 및 소결로 인한 두 재료들에서 상이한 용적으로 층들에서 공극 또는 움푹 패인 부분이 생긴다. 결과적으로, 이러한 고르지 않은 층들 상에 형성되는 연속 층들은 구조에서 변형이 생긴다.
따라서, 물체 제조에 사용되는 상이한 재료들의 도포, 건조, 경화, 및 소결을 조정하는 것은 물체에 있어서 신뢰할 수 있는 수준의 층들 형성에 중요하다. 부품 층들이 재료들의 상이한 특성 및 이들의 건조, 경화, 또는 소결을 참조하여 형성될 수 있는 적층 가공 공정은 유익할 것이다.
3차원 인쇄 물체의 적층 가공 과정에서 상이한 특성을 가지는 재료들의 경화, 건조 및 소결을 조정하는 적층 가공 방법은 제어기로 적층 가공 시스템에 의해 형성되는 물체에 해당되는 랜더링 (rendered) 데이터를 수신하는 단계, 제어기로 수신된 랜더링 데이터를 참조하여 물체의 층들 형성을 위한 적어도 2종의 재료들을 식별하는 단계, 이때 적어도 2종의 재료들 중 하나의 재료는 적어도 2종의 재료들 중 하나의 또 다른 재료의 재료 특성과는 상이한 재료 특성을 가지며, 제어기로 각각의 상이한 재료 특성에 대한 정량화 (quantification)를 식별하는 단계, 제어기로 각각의 상이한 재료 특성에 대하여 식별된 정량화를 참조하여 랜더링 데이터를 변경하는 단계, 및 제어기로 상이한 재료 특성을 가지는2종의 재료들을 형성되는 물체에 인가하도록 변경된 랜더링 데이터를 참조하여 재료 도포기를 작동하는 단계를 포함한다.
3차원 인쇄 물체의 적층 가공 과정에서 상이한 특성을 가지는 재료들의 경화, 건조 및 소결을 조정하는 적층 가공 시스템은 적층 가공 시스템에 의해 형성되는 물체에 제1 재료를 도포하는 제1 재료 도포기, 적층 가공 시스템에 의해 형성되는 물체에 제1 재료의 재료 특성과 상이한 재료 특성을 가지는 제2 재료를 도포하는 제2 재료 도포기, 및 제1 재료 도포기 및 제2 재료 도포기에 작동 가능하게 연결되는 제어기를 포함한다. 제어기는 적층 가공 시스템에 의해 형성되는 물체에 해당하는 랜더링 데이터를 수신하고, 수신된 랜더링 데이터를 참조하여 제1 재료 및 제2 재료로 형성되는 물체 층들을 식별하고, 2종의 재료들의 각각의 재료 특성의 정량화를 식별하고, 각각의 재료들의 재료 특성에 대한 식별된 정량화를 참조하여 수신된 랜더링 데이터를 변경시키고, 및 변경된 랜더링 데이터를 참조하여 제1 재료 도포기 및 제2 재료 도포기를 작동시키도록 구성된다.
상기 양태들 및 방법 및 장치의 기타 특징부들은 도면을 참조하여 하기 설명될 것이다.
도 1은 3차원 인쇄 물체 적층 가공 과정에서 상이한 특성을 가지는 재료들의 도포, 경화, 건조, 및 소결을 조정하는 적층 가공 시스템을 보인다.
도 2는 3차원 인쇄 물체 적층 가공에서 상이한 특성을 가지는 재료들의 도포, 경화, 건조, 및 소결을 조정하기 위한 적층 가공 시스템의 작동 방법을 도시한 것이다.
본원에 개시된 시스템 및 방법에 대한 포괄적 이해 및 시스템 및 방법에 대한 상세한 사항을 위하여, 도면을 참조한다. 도면에서, 동일 도면부호는 동일한 요소를 나타낸다
도 1은 형성 물체의 층들 내에서 면적을 형성하기 위하여 적어도 2종의 상이한 재료들을 토출하는3차원 물체 프린터 또는 적층 가공 시스템 (100)을 도시한 것이다. 프린터 (100)는 플래튼 (104) 및 적어도 한 쌍의 재료 도포기 (108a, 108b)를 포함한다. 하기 설명은 재료 도포기를 이젝터 헤드로 기술하지만, 다른 유형의 재료 도포기, 예컨대 압출기, 분무기, 또는 기타 등이 사용될 수 있다. 각각의 이젝터 헤드 (108a, 108b)는 플래튼 (104) 표면 (112)을 향하여 재료 액적을 토출하여 3차원 물체 층들 내부에서 면적, 예컨대 부품 (part, 126)을 형성하는 다수의 이젝터들을 가진다. 알려진 바와 같이 이들 층들 내부에서 다른 재료들로 지지 면적들 또한 형성되어 부품 특징부들이 형성될 수 있다. 이젝터 헤드 (108a, 108b), 건조기 (116), 주소화 (addressable) 소결 장치 (120), 및 경화 장치 (124)는 하나 이상의 구동기 (132)에 작동 가능하게 연결되는 부재 (128)에 장착되어, 부재는 공정 방향 P, 교차-공정 방향 CP, 및 수직 방향 V에서 플래튼 (104)에 대하여 이들 구성요소들이 배치되도록 이동된다.
프린터 (100)는 적어도 2종의 이젝터 헤드 (108a, 108b), 건조기 (116), 주소화 소결 장치 (120), 경화 장치 (124), 및 하나 이상의 구동기 (132)에 작동 가능하게 연결되는 제어기 (136)를 포함한다. 제어기 (136)는 3차원 물체, 예컨대 부품 (126)을, 플래튼 (112)에 형성하는 층들로 랜더링 하는 물체 화상 데이터를 참조하여 이젝터 헤드 (108a, 108b)를 작동하도록 구성된다. 3차원 물체의 각각의 층들을 형성하기 위하여, 제어기 (136)는 프린터 (100)를 작동시켜 공정 방향 P 및 교차-공정 방향 CP으로 이젝터 헤드 (108a, 108b)를 수 차례 이동시키면서, 재료 액적을 플래튼 (104) 또는 이미 형성된 층들 상에 토출시킨다. 각각의 층이 형성된 후, 이젝터 헤드 (108)는 수직 방향 V으로 플래튼 (104)으로부터 이격 이동되고 다음 층들을 인쇄하기 시작한다.
하기되는 바와 같이, 제어기 (136)는 시스템 (100)의 다양한 구성요소들을 예정된 순서대로 작동시켜 이젝터 헤드 (108a, 108b)에서 토출되는 상이한 용적 감소율을 가지는 상이한 유형의 재료로 절연성 구조체 상에 전도성 트레이스를 형성한다. 본원에서 사용되는, “용적 감소”란 재료 건조, 경화, 또는 소결 과정에서 발생되는 재료의 용적 수축을 의미한다. 예를들면, 시스템 (100)의 이젝터 헤드 (108a)는 이젝터 헤드 (108b)에서 토출되는 재료의 수축률보다 낮은 수축률의 재료를 토출한다. 도 1에 도시된 실시태양에서, 이젝터 헤드 (108a)는 절연성 구조체 형성에 적합한 고분자를 토출하고, 이젝터 헤드 (108b)는 고분자 절연성 구조체 상에 전도성 트레이스 형성에 적합한 전도성 잉크를 토출한다. 시스템 (100)은 상이한 재료들을 위한 상이한 이젝터 헤드를 가지는 것으로 기술되지만, 이젝터 헤드는 다중 세트의 이젝터들로 구성될 수 있고, 이중 일부는 하나의 재료를 토출하고 일부는 또 다른 재료를 토출할 수 있다.
제어기 (136)는 메모리 (138)에 작동 가능하게 연결되고 여기에는 시스템에 의해 물체를 형성하기 위하여 도포되는 재료들의 상이한 정량화 특성, 예컨대 용적 감소율 또는 수축률이 저장된다. 본원에서 사용되는, 용어 “재료 특성”이란 3차원 인쇄 시스템 동작을 조작 또는 조절하기 위하여 참조되는 재료들의 실험적 정량화 특성을 언급하는 것이다. 또한 본원에서 사용되는, 재료 특성 “정량화”란 예정된 함량의 재료에 대한 재료 특성을 식별하는 데이터를 의미한다. 예를들면, 재료의 “용적 감소율” 또는 “수축률” 특성 정량화는 인가된 재료의 건조, 경화, 또는 소결 과정에서 인가된 재료의 특정 용적에서 발생되는 감소 정도를 정량화한 데이터를 의미한다. 도 1의 제어기 (136)는 이들 데이터를 이용하여 생성 부품에 도포되는 재료들 간의 차이, 예컨대 층 재료들의 경화, 건조, 또는 소결에 의해 층들에서 상이한 액적 재료들 간 상이한 용적 또는 재료들에 대한 상이한 노출 시간 또는 경화 조건을 결정한다. 이들 재료 차이는 제어기 (136)에 의해 사용되어 재료들 중 하나에 대한 랜더링 층들 데이터를 변경시켜 부품 각각의 층 내의 재료는 상이한 재료 특성에 의해 유발될 수 있는 악영향을 줄이는 방식으로 인가, 건조 및 소결된다. 본원의 논의에서, 용어 “경화”란 인가된 재료를 함께 결합시키는 인가된 재료에 대한 임의의 조작을 의미한다. “건조”란 상대적으로 더 높은 용적 감소율을 가지는 용액에서 주로 용제를 제거하는 동작을 의미하고 “소결”이란 주로 건조 용질의 인접 층들을 서로 결합하는 동작을 의미한다. 이들 조작은, 제한되지는 않지만, 복사선 노출, 열 처리, 화학물질 추가, 또는 기타 등을 포함한다.
시스템 (100)에서, 건조기 (116)는 공기 순환기를 가지는 복사선 열원이고, 예컨대 복사 열원 및 팬이지만, 다른 유사 장치 역시 적용될 수 있는 것이다. 도 1의 주소화 소결 장치 (120)는 인쇄 물체 층들에 해당되는 랜더링 데이터를 참조하여 이동되는 레이저이지만, 다른 소결 장치가 사용될 수 있다. 다른 경화 장치 역시 사용될 수 있지만 경화 장치 (124)는 적합한 재료들 중합에 유용한 자외선 (UV)을 방출하는 방열이다.
도 2에 도시된 공정 (200)은, 적어도 2종의 비유사 재료들로 부품 또는 물체를 형성하기 위한 시스템 (100) 작동에 관한 것이다. 방법이 일부 작업 또는 기능을 수행하는 표현은 작업 또는 기능을 수행하기 위하여 데이터를 조작하고 시스템에서 하나 이상의 요소를 작동시키도록 제어기 또는 처리기에 작동 가능하게 연결되는 비-일시성 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장되는 프로그램화 명령을 실행하는 제어기 또는 범용 처리기를 의미한다. 상기 프린터 (100)의 제어기 (136)는 공정 (200)을 수행하는 제어기 또는 처리기를 제공하는 구성요소 및 프로그램화 명령어일 수 있다. 대안으로, 제어기는 하나 이상의 처리기 및 연관 회로 및 요소들로 구현되고, 이들 각각은 하나 이상의 상기 작업 또는 기능을 형성하도록 구성된다.
방법 (200)은 재료 도포기, 예컨대 이젝터 헤드 (108)에서 토출되는 각각의 재료에 대한 랜더링 층들 데이터 수신으로 개시된다 (블록 204). 공정은 계속하여 물체에 형성되는 층들에 상이한 재료 특성을 가지는 재료들이 있는지를 결정한다 (블록 208). 유사 재료를 가지는 하나 이상의 재료들이 층에서 사용되는 경우, 재료 도포기가 작동되어 이들 재료로 층들을 형성한 후 층들은 적합하게 경화된다 (블록 212). 예를들면, 도 1에서 형성되는 부품 (126)에서, 바닥 2 층들은 기초 구성에 유용한 고분자만으로 형성된다. 결과적으로, 제어기에 의해 층들에 대한 랜더링 데이터가 사용되어 이젝터 헤드 (108a)을 작동시켜 제1 층들을 형성한 후 경화 장치 (124)가 작동되어 토출된 재료를 경화하고 이어 다음 층들이 이젝터 헤드 (108a)의 재료로 형성되고 장치 (124)로 경화된다. 상이한 재료 특성을 가지는2종의 재료들로 층들이 형성되는 경우, 각각의 재료에 대하여 하나 이상의 특성에 대한 정량화가 식별되고 (블록 216) 정량화 재료 특성을 참조하여 공정은 각각의 재료에 대한 랜더링 층들 데이터를 변경한다 (블록 220). 이후 변경된 랜더링 데이터를 사용하여 재료 도포기를 작동시켜 상이한 재료들로 적합하게 층들을 형성한다 (블록 230). 예를들면, 2종의 재료들이 상이한 시간에 형성 물체에 인가되어 재료들이 악화 조건에 노출되지 않고 상이한 시간에 처리되도록 랜더링 데이터는 변경된다. 이어 정량화 재료 특성을 참조하여 구성요소들을 작동시킴으로써 예정된 동작들이 재료들에 수행되고 층들에 인가된 재료들이 적합한 순서로 처리되어 악영향 조건 또는 기타 등에 재료가 과도하게 노출됨이 없이 형성되는 층들이 완성된다 (블록 236). 부품 (126)에서, 이러한 예정된 동작은 제어기로 경화 장치, 건조 장치, 및 소결 장치를 작동시켜 상이한 재료들을 상이한 시간에 경화, 건조 또는 소결하는 것을 포함한다. 재료 도포기, 건조 장치, 경화 장치, 및 소결 장치의 동작은 제어기를 이용한 하나 이상의 구동기 작동을 포함하여 이러한 구성요소들은 형성 물체에 대하여 이동된다.
공정 (200)을 더욱 참조하면, 광학 장치, 예컨대 조면계를 이용하여, 경화된 층들의 화상 데이터를 발생시켜 공정은 부품이 계속 제조되는데 있어서 층들이 적합한 높이를 가지는지를 확인할 수 있다 (블록 240). 층들이 적합하게 형성되면 (블록 244), 공정은 또 다른 층들이 형성되어야 하는지를 결정하고 (블록 248) 그렇다면, 다음 층들에서 재료들의 식별이 계속된다 (블록 208). 층들이 적당하지 않게 형성되면, 교정 작용이 취해지고 (블록 252) 또는 더 이상 형성될 층들이 없으면 공정은 중지된다 (블록 256).
시스템 (100) 작동에 적용되는 공정 (200)의 실시예에서, 절연성 구조체는 절연성 구조체 내부 또는 상부에서 전도성 트레이스를 형성하는데 사용되는 또 다른 재료의 용적 감소율보다 작은 용적 감소율의 재료 특성을 가지는 재료로 형성된다. 본 방법은 상이한 용적 감소율을 가지는 재료들이 물체에 형성되는 층들에 있는지를 결정하고, 그렇다면, 각각의 재료에 대한 용적 감소 정도가 확인된다. 이어 공정은 2종의 용적 감소율을 참조하여 재료들에 대한 랜더링 층들 데이터를 변경하여 재료들을 토출하는 일조의 이젝터들을 작동시켜 층들 일부를 형성하고 경화 장치가 작동되어 토출된 재료를 경화시킨다. 이어 적당한 시간에 인가된 재료들에 예정된 동작들이 수행되어 상이한 순서로 상이한 재료들을 적합한 노출 시간 동안 경화, 건조 및 소결한다. 따라서, 절연성 구조체 높이보다 높은 높이로 생성되도록 전도성 잉크 함량이 경화된 절연성 구조체에 인가될 수 있다. 전도성 잉크에 대한 건조 및 소결 동작 후, 더욱 높은 용적 감소율을 가지는 재료로 형성되는 소결 재료의 높이는 용적 감소율이 더욱 낮은 재료로 제조된 절연성 구조체의 높이와 대략 같다. 독자는 소결 및 건조 패스 횟수는 반드시 일치할 필요가 없다는 것을 이해하여야 한다. 예를들면, 전도성 잉크의 4 층들이 절연성 구조체에 인가될 수 있고 각각의 층은 개별적으로 건조될 수 있지만 소결은 두 층들 마다 발생될 수 있다. 따라서, 4회의 건조 처리가 층들에서 수행되지만, 단 2회 소결 처리만이 발생한다. 인가된 층들에 적용 가능한 다른 처리의 조합이 가능하다.

Claims (10)

  1. 첨가 제조 방법으로서,
    첨가 제조 시스템에 의해 형성되는 물체에 대응하는 랜더링 (rendered) 데이터를 제어기로 수신하는 단계;
    상기 수신된 랜더링 데이터를 참조하여 물체의 층들을 형성하기 위한 적어도 2종의 재료들을 상기 제어기로 식별하는 단계로서, 상기 적어도 2종의 재료들 중 하나의 재료는 상기 적어도 2종의 재료들 중 하나의 또 다른 재료의 재료 특성과는 상이한 재료 특성을 가지는, 상기 식별하는 단계;
    각각의 상이한 재료 특성에 대한 정량화 (quantification)를 상기 제어기로 식별하는 단계;
    각각의 상이한 재료 특성에 대하여 상기 식별된 정량화를 참조하여 상기 랜더링 데이터를 상기 제어기로 변경하는 단계; 및
    상이한 재료 특성을 가지는 상기 2종의 재료들을 형성되는 상기 물체에 도포하도록 구성된 재료 도포기들을 상기 제어기로 작동시키는 단계로서, 상기 재료 도포기들은 상기 변경된 렌더링 데이터를 참조하여 작동되는, 상기 작동시키는 단계를 포함하는, 첨가 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물체에 도포되는 상이한 재료 특성을 가지는 상기2종의 재료들을 처리하는 구성요소들을 상기 제어기로 작동시키는 단계를 더 포함하고, 상기 구성요소들은 상기 재료 특성의 식별된 정량화를 참조하여 작동되는, 첨가 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 구성요소들의 작동은,
    상기 상이한 재료 특성을 가지는 상기2종의 재료들 중 하나를 경화시키는 경화 장치를 상기 제어기로 작동시키는 단계;
    상기 상이한 재료 특성을 가지는 상기 2종의 재료들 중 다른 재료를 건조시키는 건조 장치를 상기 제어기로 작동시키는 단계; 및
    상기 건조된 재료들을 함께 결합시키는 소결 장치를 상기 제어기로 작동시키는 단계를 더 포함하는, 첨가 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 경화 장치의 작동은,
    UV 복사원을 상기 제어기로 작동시키는 단계를 더 포함하는, 첨가 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 건조 장치의 작동은,
    복사 열원을 상기 제어기로 작동시키는 단계를 더 포함하는, 첨가 제조 방법.
  6. 첨가 제조 시스템으로서,
    상기 첨가 제조 시스템에 의해 형성되는 물체에 제1 재료를 도포하도록 구성된 제1 재료 도포기;
    상기 첨가 제조 시스템에 의해 형성되는 상기 물체에 제2 재료를 도포하도록 구성된 제2 재료 도포기로서, 상기 제 2 재료는 상기 제1 재료의 재료 특성과 상이한 재료 특성을 갖는, 상기 제 2 재료 도포기; 및
    상기 제1 재료 도포기 및 상기 제2 재료 도포기에 작동 가능하게 연결된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는:
    상기 첨가 제조 시스템에 의해 형성되는 상기 물체에 해당하는 랜더링 데이터를 수신하고;
    상기 수신된 랜더링 데이터를 참조하여 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료로 형성되는 상기 물체 층들을 식별하고;
    상기 2종의 재료들의 각각의 재료 특성의 정량화를 식별하고;
    각각의 상기 재료의 재료 특성에 대한 식별된 정량화를 참조하여 상기 수신된 랜더링 데이터를 변경시키고; 및
    상기 변경된 랜더링 데이터를 참조하여 상기 제1 재료 도포기 및 상기 제2 재료 도포기를 작동시키도록 구성되는, 첨가 제조 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    경화 장치;
    건조 장치;
    소결 장치를 더 포함하고
    상기 제어기는 상기 경화 장치, 상기 건조 장치, 및 상기 소결 장치에 작동 가능하게 연결되고,
    상기 제어기는:
    상기 재료 특성의 상기 식별된 정량화를 참조하여 상기 제1 재료 및 제2 재료를 처리하도록 더 구성되는, 첨가 제조 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어기는:
    상기 제1 재료를 경화시키기 위하여 상기 경화 장치를 작동시키고;
    상기 제2 재료를 건조시키기 위하여 상기 건조 장치를 작동시키고;
    상기 건조된 재료들을 함께 결합시키기 위하여 상기 소결 장치를 작동시키도록 더 구성되는, 첨가 제조 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 경화 장치는 UV 복사원을 더 포함하는, 첨가 제조 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 건조 장치는 복사 열원을 더 포함하는, 첨가 제조 시스템.

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