激光燒結(jié)3D打印技術(shù)雖然不是最近的發(fā)明，但卻是 3D 打印行業(yè)規(guī)模最大且增長(zhǎng)最快的細(xì)分領(lǐng)域之一。對(duì)于塑料粉末 3D 打印，兩種最流行的方法是選擇性激光燒結(jié) (SLS)和多射流熔融 (MJF) 技術(shù)。
使用 Fuse 1+ 30W SLS 3D 打印機(jī)（左）、HP Multi-Jet Fusion (MJF) 3D 打印機(jī)（中）和 EOS SLS 3D 打印機(jī)（右）打印相同的汽車歧管原型
通過(guò)硬件、軟件和材料方面的創(chuàng)新，3D 打印機(jī)制造商正在擴(kuò)大 SLS 和 MJF 3D 打印機(jī)的可能應(yīng)用范圍，例如最終用途零件的小批量生產(chǎn)、功能原型制作、制造輔助工具和替換零件。這兩種形式的粉末床熔融技術(shù)都有其特定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在選擇技術(shù)時(shí)應(yīng)考慮成本、占地面積、預(yù)期應(yīng)用和體積容量等因素。
在本指南中，我們將討論兩種技術(shù)的工作原理、每種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及可以最佳利用它們的不同應(yīng)用。
為什么選擇激光燒結(jié)3D打??？
每個(gè)零件的高吞吐量和低成本
激光燒結(jié)3D打印機(jī)通常比更普遍的熔融沉積建模 (FDM)或立體光刻 (SLA)技術(shù)更大，因此更有能力在每次構(gòu)建中生產(chǎn)許多零件。粉末床的構(gòu)建室和自支撐特性允許零件垂直堆疊，甚至嵌套在一起。此功能使 SLS 或 MJF 3D 打印機(jī)的操作員能夠最大限度地利用空間并盡可能充分地填充整個(gè)房間。無(wú)支撐結(jié)構(gòu)還意味著零件的后處理更加容易且勞動(dòng)力密集度較低，從而能夠持續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)零件。
例如，F(xiàn)ormlabs 的 Fuse 系列 SLS 3D 打印機(jī)通過(guò)優(yōu)化的排包算法自動(dòng)執(zhí)行此功能，該算法對(duì)零件進(jìn)行定向，以便填充每個(gè)可能的厘米。完全填充構(gòu)建室還可以使填充密度與刷新率保持一致，以便所有未燒結(jié)的粉末都可以重復(fù)使用，實(shí)現(xiàn)零廢物打印工作流程。
總之，具有完全封裝的構(gòu)建室的激光燒結(jié)3D打印通過(guò)以下方式降低了每個(gè)零件的成本：
用更少的構(gòu)建生產(chǎn)更多的零件，提高整體效率并減少勞動(dòng)時(shí)間。
優(yōu)化未燒結(jié)粉末的量，以最大限度地減少甚至完全減少浪費(fèi)。
材料的熟悉程度
SLS 和 MJF 打印中使用的主要材料組是尼龍，這是一種高性能的工程熱塑性塑料，適用于功能原型制作和最終用途生產(chǎn)，廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)和消費(fèi)品。尼龍耐紫外線、光、熱、濕氣、溶劑、溫度和水。3D 打印尼龍部件還具有生物相容性且不致敏，這意味著它們適合皮膚接觸并且在許多情況下可以安全使用。
盡管許多將零件外包給合同制造商或服務(wù)機(jī)構(gòu)的企業(yè)可能不了解 SLS 和 MJF 技術(shù)之間的差異，但他們熟悉這種材料，這意味著采用粉末 3D 打印技術(shù)比大多數(shù)其他工藝更容易。
粉末床熔融 3D 打印材料為工程師和消費(fèi)者所熟悉，用于生產(chǎn)堅(jiān)固、堅(jiān)固的最終用途產(chǎn)品
什么是 SLS 3D 打?。?/span>
SLS 3D 打印是第一個(gè)粉末燒結(jié) 3D 打印技術(shù)，幾十年來(lái)一直是工程師和制造商的熱門選擇。SLS 是由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的一組研究人員于 1982 年發(fā)明的，它是指用高功率激光從上方燒結(jié)一層薄薄的粉末以形成所需幾何形狀的實(shí)心橫截面的技術(shù)。每一層之后，隨著打印平臺(tái)下降并構(gòu)建下一層，打印機(jī)會(huì)在構(gòu)建室的頂部撒上另一層薄薄的粉末。這種激光粉末燒結(jié)方法對(duì)制造商、工程師和產(chǎn)品設(shè)計(jì)師很有吸引力，因?yàn)樗拿總€(gè)零件成本低、容量大且材料熟悉。
選擇性激光燒結(jié)工藝示意圖
當(dāng)今市場(chǎng)上的 SLS 3D 打印機(jī)
工業(yè) SLS 3D打印機(jī)已經(jīng)面世數(shù)十年，并被用作另一種重型機(jī)械或制造設(shè)備，非常適合其設(shè)計(jì)的工作，但只有擁有空間、資金和專門操作人員的大型機(jī)構(gòu)才能使用。
EOS 或 3D Systems 等制造商在設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)時(shí)會(huì)考慮到非常特定的客戶。他們的客戶每年在機(jī)械、服務(wù)和維護(hù)上花費(fèi)數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)美元，并擁有倉(cāng)庫(kù)和基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)支持他們。他們的客戶不是初創(chuàng)企業(yè)、小型企業(yè)或個(gè)人，僅僅是因?yàn)樗麄兊姆勰?3D 打印解決方案價(jià)格過(guò)高。
近年來(lái)，人們一直在努力制造更小規(guī)模、更便宜的 SLS 3D 打印解決方案，這是 MJF 技術(shù)無(wú)法提供的，因?yàn)?MJF 技術(shù)只提供大幅面選項(xiàng)。
Formlabs Fuse 1 打印機(jī)是第一臺(tái)臺(tái)式 SLS 3D 打印機(jī)，能夠生產(chǎn)工業(yè)品質(zhì)的零件，其質(zhì)量可與傳統(tǒng) SLS 系統(tǒng)等昂貴選項(xiàng)生產(chǎn)的零件相當(dāng)。Fuse 1和新款 Fuse 1+ 30W的占地面積不到 EOS 入門級(jí)機(jī)器一半的大小、簡(jiǎn)化的工作流程和實(shí)惠的價(jià)格，使數(shù)百家中小型制造商能夠?qū)?SLS 引入內(nèi)部，同時(shí)允許大型制造商增加機(jī)器容量并分散其生產(chǎn)的各個(gè)方面。
Fuse 1+ 30W SLS 3D 打印機(jī)和 Fuse Sift 一體化粉末回收站
什么是 MJF 3D 打??？
多噴射融合 3D 打印是一種粉末融合增材制造工藝，可生產(chǎn)與 SLS 類似的零件，但工藝略有不同。為了形成零件，打印機(jī)將液體粘合劑從許多小噴嘴分配到粉末床上，使粉末達(dá)到半固態(tài)，然后加熱完成該過(guò)程。然后，紅外熱源固化半固體十字形狀，然后沉積另一層粉末并重復(fù)該過(guò)程。該工藝由惠普 (HP) 于 2016 年發(fā)明，目前仍以該品牌獲得專利。
多射流聚變過(guò)程示意圖
多噴頭融合打印機(jī)通常被視為可與 SLS 3D 打印機(jī)互換，特別是當(dāng)企業(yè)將 3D 打印零件外包給服務(wù)機(jī)構(gòu)時(shí)。這些服務(wù)機(jī)構(gòu)將提供多種類型的 3D 打印技術(shù)，但通常不會(huì)區(qū)分兩種不同類型的粉末床熔融打印部件，因?yàn)樽罱K部件的性能在很大程度上相似。
與 SLS 3D 打印機(jī)一樣，MJF 零件不需要支撐，因此提供了更多的設(shè)計(jì)自由度，并且不需要其他一些 3D 打印工藝所需的復(fù)雜的后處理步驟。液體粘合劑和熱的結(jié)合產(chǎn)生的部件具有與激光燒結(jié)幾乎相同的機(jī)械性能，并且這些部件同樣大多是各向同性的。
當(dāng)今市場(chǎng)上的 MJF 3D 打印機(jī)
惠普仍然擁有 MJF 3D 打印技術(shù)的專利，因此市場(chǎng)上唯一的 MJF 打印機(jī)屬于惠普的 Multi Jet Fusion 3D 系列?；萜者€控制操作打印機(jī)所需的專有軟件。HP 3D 打印機(jī)的價(jià)格從約 340,000 美元到超過(guò) 500,000 美元不等，可提供高度精確的零件，但與傳統(tǒng)的 SLS 3D 打印解決方案類似，在成本、時(shí)間、持續(xù)維護(hù)和基礎(chǔ)設(shè)施方面需要更大的投資。HP MJF 3D 打印機(jī)最常被服務(wù)機(jī)構(gòu)、財(cái)富 500 強(qiáng)公司的大型內(nèi)部增材制造實(shí)驗(yàn)室使用，并且由于其多色功能，經(jīng)常成為醫(yī)療保健中心先進(jìn)制造計(jì)劃的一部分?；萜赵?jīng)向設(shè)計(jì)師和產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)提供較小規(guī)格的 MJF 3D 打印機(jī)，但最近已停產(chǎn)。
HP Multi Jet Fusion 4200 3D 打印解決方案
SLS 與 MJF 3D 打印比較
質(zhì)量和零件性能
由于激光燒結(jié) 3D 打印技術(shù)大多在內(nèi)部用于功能原型設(shè)計(jì)或生產(chǎn)，因此精度和機(jī)械強(qiáng)度是首要考慮因素。對(duì)于這個(gè)價(jià)格范圍內(nèi)的打印機(jī)，部件必須具有良好的性能。其他技術(shù)適用于外觀或擬合測(cè)試原型，但 SLS 和 MJF 用戶在更苛刻的環(huán)境中使用其零件，需要依賴其強(qiáng)度和耐用性。在這方面，SLS 和 MJF 部件實(shí)際上是相同的，因?yàn)樽畛Ｒ?jiàn)的可用材料是相同或相似的——尼龍、尼龍復(fù)合材料的變體，以及一些粉末打印機(jī)能夠打印 TPU 等柔性材料。
尼龍12材料特性
這兩種形式的粉末激光燒結(jié)技術(shù)都生產(chǎn)出具有輕微顆粒狀紋理的零件，并且對(duì)后處理技術(shù)有類似的建議。工程師和制造商期望粉末 3D 打印零件具有這種紋理，并且 SLS 和 MJF 打印表面飾面的紋理通常沒(méi)有區(qū)別。
使用 Fuse 1+ 30W SLS 打印機(jī)（左）、HP MJF 打印機(jī)（中）和 EOS SLS 打印機(jī)（右）打印的鉆頭外殼原型
軟件
SLS 和 MJF 3D 打印機(jī)通常配備專有軟件打印準(zhǔn)備、打印管理、監(jiān)控和維護(hù)。除了這些標(biāo)準(zhǔn)功能之外，用于高效地將零件打包到構(gòu)建中的軟件對(duì)于粉末 3D 打印也至關(guān)重要。一些公司將此功能內(nèi)置到他們的打印準(zhǔn)備軟件中，例如 Formlabs 的PreForm，它具有自動(dòng)包裝算法，而其他制造商則要求客戶單獨(dú)購(gòu)買現(xiàn)成的解決方案，這可能會(huì)額外花費(fèi) 10,000 美元以上。
Fuse 系列打印機(jī)使用PreForm 打印準(zhǔn)備軟件（免費(fèi)下載），使您可以在 3D 網(wǎng)格內(nèi)無(wú)縫復(fù)制和組織多個(gè)零件，以便在單次打印中使用盡可能多的構(gòu)建空間。PreForm 自動(dòng)建議最佳方向和零件包裝，并能夠根據(jù)需要手動(dòng)優(yōu)化
材料可用性
SLS 和 MJF 3D 打印最常見(jiàn)的材料是尼龍，特別是尼龍 12。尼龍還有多種變體和復(fù)合材料可供選擇，每種材料都針對(duì)不同的應(yīng)用量身定制，并針對(duì)特定屬性（如更高的強(qiáng)度、剛度或靈活性）進(jìn)行了優(yōu)化。例如，尼龍 11 是一種更具延展性、更堅(jiān)固、更靈活的變體，玻璃填充尼龍具有增強(qiáng)的剛度和熱穩(wěn)定性，而碳填充尼龍則重量輕且性能優(yōu)異。一些 SLS 和 MJF 打印機(jī)還可以使用聚丙烯 (PP) 和 TPU 或 TPE 等柔性材料進(jìn)行打印。
雖然大多數(shù) SLS 和 MJF 打印機(jī)提供多種材料，但在這些材料之間切換通常并不容易 - 對(duì)于大型工業(yè)打印機(jī)，可能需要一天或更長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)楸仨殢氐浊宄龣C(jī)器上的先前材料以避免打印錯(cuò)誤。因此，大型 SLS 和 MJF 打印機(jī)的客戶通常擁有專用于單一材料的打印機(jī)。Fuse 系列簡(jiǎn)化了此工作流程，并允許在一小時(shí)內(nèi)在使用相同基礎(chǔ)組件的材料之間進(jìn)行切換，并在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)在其他材料之間進(jìn)行切換。
在比較當(dāng)今市場(chǎng)上最具成本效益的選項(xiàng)時(shí)，最受歡迎的 MJF 打印機(jī)和最受歡迎的 SLS 平臺(tái)提供相同數(shù)量的材料 - 四種。HP Jet Fusion 4200（起價(jià) 270,000 美元）提供四種材料：尼龍 12、尼龍 11、尼龍 12 玻璃填充和 TPU，而 Formlabs Fuse 1+ 30W 提供尼龍12、尼龍11、尼龍12GF粉末、尼龍11CF粉末、TPU等更多材料正在開發(fā)中。
SLS 3D 打印可加速創(chuàng)新并為工程、制造和醫(yī)療保健等多個(gè)行業(yè)的企業(yè)提供支持
與任何 3D 打印技術(shù)一樣，材料本身對(duì)性能影響最大，而且由于 SLS 和 MJF 零件大多是各向同性的，因此聚合物結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度、堅(jiān)固性和耐用性影響最大。在這方面，SLS 和 MJF 打印機(jī)實(shí)際上是相同的。
工作流程
SLS 和 MJF 打印機(jī)的工作流程非常相似；粉末必須保存在受控環(huán)境中，使用配件硬件和工具進(jìn)行后處理，并且對(duì)于大多數(shù)打印機(jī)來(lái)說(shuō)，可以回收回新的打印件。?
傳統(tǒng)的 SLS 打印機(jī)和 HP MJF 3D 打印機(jī)都需要進(jìn)行為期多天的密集培訓(xùn)來(lái)進(jìn)行初始設(shè)置，以便公司技術(shù)人員可以指導(dǎo)用戶執(zhí)行必要的工作流程和維護(hù)步驟。傳統(tǒng)的工業(yè) SLS 和 MJF 打印機(jī)都需要在每次打印之間進(jìn)行持續(xù)的維護(hù)步驟，因此所有操作員都必須接受特定機(jī)器的培訓(xùn)。對(duì)于大多數(shù)在制造環(huán)境中擁有 3D 打印機(jī)和其他幾臺(tái)先進(jìn)機(jī)器的大型企業(yè)來(lái)說(shuō)，這并不是額外的成本。對(duì)于醫(yī)療保健環(huán)境、小型企業(yè)和教育機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，訓(xùn)練有素且可用的操作員會(huì)產(chǎn)生額外的成本。?
相比之下，F(xiàn)use 系列 SLS 打印機(jī)是“即插即用”的，需要在開始第一次打印之前進(jìn)行一到兩個(gè)小時(shí)的簡(jiǎn)單設(shè)置，或者根據(jù)需要進(jìn)行虛擬培訓(xùn)。由于后處理的簡(jiǎn)化特性、PreForm 中直觀的預(yù)打印設(shè)置、無(wú)需日常維護(hù)任務(wù)以及占地面積小，中小型企業(yè)無(wú)需全職技術(shù)人員或操作員即可添加 Fuse 系列打印機(jī)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可以每天開始打印并進(jìn)行后期處理，同時(shí)保持正常的工作流程。
SLS 和 MJF 打印機(jī)工作流程的一個(gè)關(guān)鍵要素是零件回收，即清除成品零件上的多余粉末。此過(guò)程通常在清潔站（如上圖所示的 Fuse Sift）使用壓縮空氣或介質(zhì)噴射器手動(dòng)完成
效率和可持續(xù)性
盡管 HP 打印機(jī)的紙張刷新率略高（需要約 20% 的新鮮粉末，而大多數(shù) SLS 打印機(jī)需要 30%），但它們的包裝密度可能要低得多，約為 10%。低堆積密度會(huì)導(dǎo)致大量未使用的粉末需要回收。即使具有非常高的刷新率（例如 20%），與具有高包裝密度的 SLS 打印機(jī)相比，仍存在更多無(wú)法使用的粉末殘留。
SLS 打印機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)零浪費(fèi)打印工作流程，在打印過(guò)程中使用最佳包裝密度并創(chuàng)建最佳打印環(huán)境時(shí)使用所有購(gòu)買的粉末。使用 HP Jet Fusion 系列打印機(jī)，用戶必須丟棄幾乎與制造零件一樣多的粉末。
速度和吞吐量
SLS 和 MJF 3D 打印機(jī)被譽(yù)為生產(chǎn)機(jī)器，能夠?qū)崿F(xiàn)高速和大批量打印，每次生產(chǎn)運(yùn)行可以生產(chǎn)數(shù)百個(gè)零件?；萜盏?MJF 打印機(jī)和傳統(tǒng)的 SLS 系統(tǒng)都具有較大的打印量，但 HP Multi Jet Fusion 打印機(jī)的打印速度比 SLS 打印機(jī)更快 - 粘合劑的分配和紅外熱照射每層所需的時(shí)間比激光的掃描速度要少用于 SLS 3D 打印機(jī)。
然而，SLS 和 MJF 打印過(guò)程中持續(xù)的高溫需要大型打印機(jī)更長(zhǎng)的冷卻過(guò)程，長(zhǎng)達(dá) 48 小時(shí)?；萜諡闃?gòu)建室提供了制冷功能，可以縮短冷卻時(shí)間，但也帶來(lái)了更大的占地面積和更高的成本?？傮w而言，這意味著 MJF 打印機(jī)通常能夠比大型 SLS 打印機(jī)具有更高的吞吐量。更緊湊的 SLS 打印機(jī)（例如 Fuse 1+ 30W）的構(gòu)建體積更小，這使得完整構(gòu)建的冷卻時(shí)間更短，僅為 14 小時(shí)，使用戶能夠比 MJF 和大型 SLS 客戶更快地完成成品零件。
可擴(kuò)展性也是一個(gè)重要方面——企業(yè)可以以與單個(gè) HP Jet Fusion 4200 相同的價(jià)格購(gòu)買八個(gè)完整的 Fuse 1+ 30W 打印機(jī)解決方案，從而實(shí)現(xiàn)可比的吞吐量。Fuse 1+ 30W 改進(jìn)的打印速度也使上一代型號(hào)的產(chǎn)量增加了一倍。大多數(shù)制造商的產(chǎn)品不只由一種材料制成，因此在考慮吞吐量時(shí)還應(yīng)考慮使用多種材料進(jìn)行打印的能力。
占地面積和基礎(chǔ)設(shè)施要求
傳統(tǒng)的 SLS 和 MJF 打印機(jī)需要三個(gè)產(chǎn)品設(shè)置：插入打印機(jī)的構(gòu)建室和后處理站。這三個(gè)部分共同覆蓋了大量的空間，并且需要多個(gè)電源。緊湊型 SLS 打印機(jī)（如 Fuse 系列）包含 Fuse Sift 以及一體化粉末回收、清潔和回收站，可實(shí)現(xiàn)高效、簡(jiǎn)化的工作流程。Fuse 系列打印機(jī)也不需要專門的接線，并且可以在典型的交流電源插座上運(yùn)行。
使用 Fuse 系列 SLS 打印機(jī)擴(kuò)展生產(chǎn)不需要專門的基礎(chǔ)設(shè)施或大空間
SLS 與 MJF：并排比較
?臺(tái)式工業(yè) SLS（基于formlabs FUSE 1+ 30W） |
?傳統(tǒng)SLS（基于EOS的產(chǎn)品系列） |
?MJF（基于 HP 的 MJF 3D 打印機(jī)產(chǎn)品系列） |
|
優(yōu)點(diǎn) |
經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 |
大構(gòu)建體積 高產(chǎn)量 |
大構(gòu)建體積 |
缺點(diǎn) |
較小的構(gòu)建體積 |
機(jī)械昂貴 占地面積大 |
昂貴的機(jī)械 |
適用于 |
小型、中型和大型企業(yè)、服務(wù)機(jī)構(gòu) |
大型企業(yè)、服務(wù)機(jī)構(gòu) |
大型企業(yè)、服務(wù)機(jī)構(gòu) |
最大打印尺寸 |
16.5 x 16.5 x 30 厘米 |
入門級(jí)打印機(jī)尺寸為 20 x 25 x 33 厘米，最大打印機(jī)尺寸可達(dá) 70 x 38 x 58 厘米 |
38 x 28.4 x 38 厘米 |
打印材料 |
尼龍12、尼龍11、尼龍12GF、尼龍11CF、TPU |
尼龍12、尼龍11、尼龍12GF、尼龍12 阻燃劑、鋁化物、TPU |
尼龍12、尼龍11、尼龍12GF、PP、TPA、TPU |
作業(yè)區(qū)域面積要求 |
1.5×1.5×1.7米 |
最小的打印機(jī)為 3.2 x 3.5 x 3.0 米，最大的打印機(jī)為 4.8 x 4.8 x 3.0 米 |
3.2×2.4×2.5米 |
結(jié)論：用于內(nèi)部生產(chǎn)的 SLS 與 MJF 3D 打印機(jī)
當(dāng)向服務(wù)機(jī)構(gòu)請(qǐng)求零件時(shí)，無(wú)論是由 SLS 還是 MJF 打印機(jī)生產(chǎn)的最終產(chǎn)品實(shí)際上都是相同的。對(duì)于一次性零件，或者對(duì)于實(shí)現(xiàn)第一個(gè)產(chǎn)品的新企業(yè)來(lái)說(shuō)，服務(wù)機(jī)構(gòu)是很好的選擇，SLS 和 MJF 打印機(jī)之間的差異并不重要。然而，在一定數(shù)量下，內(nèi)部使用激光燒結(jié)3D打印機(jī)更具成本效益。
在比較技術(shù)規(guī)格（材料、基礎(chǔ)設(shè)施要求）之前，每個(gè)用戶都必須首先考慮初始投資成本。SLS 和 MJF 打印機(jī)使用略有不同的技術(shù)，具有不同的尺寸，并啟用不同的材料庫(kù)，但迄今為止最大的區(qū)別是購(gòu)買價(jià)格。
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大多數(shù)中小型企業(yè)無(wú)法承擔(dān) MJF 打印 340,000 美元的初始投資，更不用說(shuō)持續(xù)的運(yùn)營(yíng)和服務(wù)合同成本，從而將這些機(jī)器的目標(biāo)市場(chǎng)限制為具有可預(yù)測(cè)的大批量 3D 打印需求的大型制造商和服務(wù)機(jī)構(gòu)。
SLS 比 MJF 有更多選擇，而且由于工業(yè)系統(tǒng)之間的打印質(zhì)量具有可比性，更多企業(yè)會(huì)發(fā)現(xiàn)更多符合其運(yùn)營(yíng)預(yù)算的 SLS 選項(xiàng)。一旦預(yù)算確定，彩色打印、材料可用性、工作流程和占地面積等因素就開始發(fā)揮更重要的作用。更緊湊的 SLS 打印機(jī)（例如 Fuse 1+ 30W）適合更適度的預(yù)算。與外包成本相比，大多數(shù)企業(yè)只需要幾個(gè)月的時(shí)間就可以還清最初的購(gòu)買價(jià)格。
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