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打印机发展历史
从雕版印刷到活字印刷,人们在复制知识的道路上迈出了重要一步。
文字不再是以“页”为单位,而是转化成了更小的单位“字”。
切斯特•卡尔森在1938年发明了静电复印技术,20年后的施乐公司以此为基础开发出商用静电复印机,这可以算是今天激光打印机的鼻祖。
在工作前,激光打印机的硒鼓表面会均匀地布上一层电荷。
计算机发来的文字或图像会转化成激光束,照射到的电荷会流走,剩下的电荷在经过墨粉盒时会吸引极性相反的墨粉,再把这些墨粉压在带电的打印纸上。
最后对纸张加热让墨粉溶化渗入纸张,一张打印件即告完成。
从发明第一台激光打印机到现在的三十年间,这种打印机从当年一组四个柜子组成、往往要用一个单独的房间来摆放的庞然大物变成了今天办公桌上的小盒子。
虽然它一般不能打印彩色——彩色激光打印机太过昂贵且受到严格控制——但是这部分的市场缺口已经被喷墨打印机完美地填充好了。
早在1867年,英国物理学家开尔文男爵就申请了连续喷墨打印机的专利。
但是他设想的连续式喷墨打印直到1951年才由西门子的工程师变成现实,到今天,连续式喷墨打印已经成为大型喷绘机的标准技术。
在家庭中,则往往使用另外的两种喷墨技术:
1978年,惠普和佳能公司的两个研究小组分别独立发明的按需喷墨打印技术。
惠普公司的工程师约翰•沃特用施加电流时会变形的压电材料覆盖在喷头上,通电就能从喷头里挤出一小滴墨水;而佳能的工程师远藤一郎从一件小事中得到了启发,开始考虑加热打印喷头的可能性。
结果我们就有了两种不同原理的按需式喷墨打印机,而且直到今天还是这样。
今天的打印机成本已经低到可以自己在家制作书籍,如果方法得当,质量堪比印刷厂的产品。
但是,打印机依然可以有更多的用途:
比方说,打印一双拖鞋,或者一把牙刷。
在家中制造小产品是3D打印机的目标。
这种可以看做由喷墨打印机脱胎而来的新型制造技术实际上已经有了二十年的历史,已经广泛用于工业设计领域。
它可以被视为一系列平面喷墨打印的叠加,墨水喷头不仅能在平面上移动,还能上下运动。
于是,在平面上打印一层,用某种方法把固定住,然后打印头升高一点,再打印下一层,周而复始,就可以获得立体的结构。
当然,它使用的材料往往是粉末或者粘稠的液体,而把打印材料固化的方式则可能是加热、降温、紫外线,或者激光烧结。
技术原理
3D打印并非是新鲜的技术,这个思想起源于19世纪末的美国,并在20世纪80年代得以发展和推广。
中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。
三维打印通常是采用数字技术材料
打印机来实现。
这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长,其价格也正逐年下降。
使用打印机就像打印一封信:
轻点电脑屏幕上的“打印”按钮,一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上,它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。
而在3D打印时,软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,后者会将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。
3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。
堆叠薄层的形式有多种多样。
有些3D打印机使用“喷墨”的方式。
例如,一家名为Objet的以色列3D打印机公司使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上,此涂层然后被置于紫外线下进行处理。
之后铸模托盘下降极小的距离,以供下一层堆叠上来。
另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一种叫做“熔积成型”的技术,整个流程是在喷头内熔化塑料,然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。
还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。
粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层,然后由喷出的液态粘合剂进行固化。
它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。
这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。
而瑞士的Arcam公司则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒。
以上提到的这些仅仅是许多成型方式中的一部分。
当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时,介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。
这部分粉末不会被熔铸,最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。
如今可用于打印的介质种类多样,从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。
有些打印机还能结合不同介质,令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。
工作步骤
3D打印机工作步骤是这样的:
先通过计算机建模软件建模,如果你有现成的模型也可以,比如动物模型、人物、
或者微缩建筑等等。
然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中,进行打印设置后,打印机就可以把它们打印出来,其工作结构分解图如下。
3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样,都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的,打印原理是一样的。
3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型,然后再进行打印输出。
3D打印与激光成型技术一样,采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。
每一层的打印过程分为两步,首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。
然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。
这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被“打印”成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型,而剩余粉末还可循环利用。
三维设计
三维打印的设计过程是:
先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。
设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。
一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。
三角面越小其生成的表面分辨率越高。
PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器,其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。
打印过程
打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。
这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。
打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。
一般的厚度为100微米,即0.1毫米,也有部分打印机如ObjetConnex系列还有三维Systems'ProJet系列可以打印出16微米薄的一层。
而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。
打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。
用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,根据模型的尺寸以及复杂程度而定。
而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。
传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品,而三维打印技术则可以以更快,更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。
一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。
制作完成
三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够(在弯曲的表面可能会比较粗糙,像图像上的锯齿一样),要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法:
先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。
有些技术可以同时使用多种材料进行打印。
有些技术在打印的过程中还会用到支撑物,比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西(如可溶的东西)作为支撑物。
3D打印技术对比
3D打印技术实际上是一系列快速原型成型技术的统称,其基本原理都是叠层制造,由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状,而在Z坐标间断地作层面厚度的位移,最终形成三维制件。
目前市场上的快速成型技术分为3DP 技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等。
3DP技术:
采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术,通过将液态连结体铺放在粉末薄层上,以打印横截面数据的方式逐层创建各部件,创建三维实体模型,采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩,还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上,模型样品所传递的信息较大。
FDM熔融层积成型技术:
FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化,同时三维喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓信息,将材料选择性地涂敷在工作台上,快速冷却后形成一层截面。
一层成型完成后,机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层,直至形成整个实体造型。
其成型材料种类多,成型件强度高、精度较高,主要适用于成型小塑料件。
SLA立体平版印刷技术:
SLA立体平版印刷技术以光敏树脂为原料,通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描,被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化,形成零件的一个薄层。
一层固化完成后,工作台下移一个层厚的距离,然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂,直至得到三维实体模型。
该方法成型速度快,自动化程度高,可成形任意复杂形状,尺寸精度高,主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。
SLS选区激光烧结技术:
SLA立体平版印刷技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料(金属粉末或非金属粉末),然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结,然后不断循环,层层堆积成型。
该方法制造工艺简单,材料选择范围广,成本较低,成型速度快,主要应用于铸造业直接制作快速模具。
DLP激光成型技术:
DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似,不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物,逐层的进行光固化,由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化,因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。
该技术成型精度高,在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。
UV紫外线成型技术:
UV紫外线成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似类似,不同的是它利用UV紫外线照射液态光敏树脂,一层一层由下而上堆栈成型,成型的过程中没有噪音产生,在同类技术中成型的精度最高,通常应用于精度要求高的珠宝和手机外壳等行业。
编注:
从各3D打印技术的原理、3D打印设备体积及3D打印成本来看,对于个人消费者来说采用FDM熔融层积成型技术的设备是整体成本最低且占用空间最小的,因此我们可以看到目前市面上面向普通消费者销售的3D打印机都是基于FDM熔融层积成型技术的。
我们本次测试的闪铸AdventurerⅢ 3D打印机就是基于该技术的。
3D打印,克隆一个你想要的真实的物体
什么是3D打印?
举个简单的实例。
假如你在虚拟游戏中看到一个喜欢的人物或者宠物,而你又没有办法得到他,如果你有他的三维模型,那么3D打印机可以帮助你实现梦想,给你打印一个与你提供的模型完全一样的人物或者宠物,这就是3D打印机。
3D打印机又叫三维立体打印机,也可以称之为快速成型机,它是用液体或粉状塑料制造物品,能制造从牙刷到凉鞋等许多家庭用品。
目前3D打印机在建筑设计、食品制作、微型模型、复杂结构、零配件、趣味模型等领域都已经有了一定的应用。
使用3D打印机,正在打印星战尤达大师模型,可以到达99.9999%的准确度
3D打印原看似复杂,其实很简单
看了很多3D打印的视频和模型,你会被它神奇的克隆能力惊呆了,这太神奇了,完全是神奇的克隆机器嘛。
这样的高科技到底是怎么工作的呢?
说起它的原理,它一点都不复杂,其运作原理和传统打印机工作原理基本相同,也是用喷头一点点“磨”出来的。
只不过3D打印它的喷的不是墨水,而是液体或粉末等“打印材料”,利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。
通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。
下面我们就以Makerbot公司(这家公司的创始人之一BrePettis,曾经是一名普普通通的教师)的3D打印机为例来讲讲3D打印是怎么工作的。
Makerbot公司的3D打印机
它的工作这样的。
使用CAD软件来创建物品,如果你有现成的模型也可以,比如动物模型、人物、或者微缩建筑等等。
然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中,进行打印设置后,打印机就可以把它们打印出来,其工作结构分解图如下。
3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样,都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的,打印原理是一样的。
3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型,然后在进行打印输出。
3D打印机的结构解剖和工作原理图
3D打印与激光成型技术一样,采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。
每一层的打印过程分为两步,首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。
然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。
这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被“打印”成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型,而剩余粉末还可循环利用。
3D打印原理图与实际工作画面截图,它是由无数个横切面一层一层叠加起来的
TIPS:
3D打印与普通打印机的区别
无论是3D打印机还是传统打印机,都称为打印机,工作原理基本相同。
它们最大的差别就在于耗材不同,普通打印机的耗材是由传统的墨水和纸张组成的,而3D打印机主要是由胶水和粉末组成的,都是经过特殊处理的材料,但是对固化反应速度和模型强度以及分辨率都有很大关系。
3D打印的精度是控制的?
3D打印机要打印出逼真的3D物体,其中的最重要的是对物体的精度控制,比如细到发丝和纤维的打印。
这是怎么做的呢?
根据前面讲述的3D打印原理,我们知道3D打印是一层一层进行的。
每打一层的厚度0.01毫米,这个厚度基本上人的肉眼很难看出。
而且在每层的横切面,3D打印技术能够实现600dpi分辨率(dpi单位代表每英寸所打印的点数或线数,用来表示打印机打印分辨率),这是很高的精度了。
我们知道高质量的印刷打印,一般要求是300dpi,这样的精度,即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。
所以3D打印机在生产应用方面存在着巨大的潜力,并在珠宝首饰、工业设计、建筑、汽车、航天、医学高领域得到了广泛的应用。
3D打印机几乎可以打印任何复杂的造型
3D打印头骨雕像
目前3D打印精度最高的是ProJetUV紫外线成型技术,也是UV紫外线照射液态光敏树脂成型技术。
利用UV紫外线照射液态光敏树脂,一层一层由下而上堆栈成型,原理与其他3D打印一样。
高精度堆栈成型,无几何形状限制,降低大量的研发成本,缩短产品开发的时间。
ProJet系统不需要特别的温湿度控制,成型的过程中也不会有噪音的产生。
3DSystem公司使用UV紫外线照射液态光敏树脂成型技术开发了ProJet产品系列
延伸阅读:
什么是dpi?
它和精度有什么关系?
dpi表示分辨率,指每英寸长度上的点数。
dpi又可细分为水平分辨率和垂直分辨率,例如一张1英寸×1英寸的图片,如果它的水平分辨率是100dpi,垂直分辨率是50dpi,那么就是说,它水平每英寸分成100小段,垂直每英寸分成50小段,就像米尺上的一格格那样.这张图总共有100×50=5000个格子,这张图片共有5000像素。
由于它的水平分辨率和垂直分辨率不相等,所以每个像素是一个微小的长方形。
所以dpi表示每英寸长度上的像数数目,其实就是:
每英寸长度上的点数“了。
每个像素的面积大小由生产工艺决定,工艺越高,每个像素面积越小,每平方英寸屏幕上就能容纳更多的像素,dpi值就越高,图像就越精细,像素小到人眼分辨不出的地步了,图像看起来就跟实际的没有分别了。
下期预告:
无所不能的3D打印——3D的材料揭秘
3D打印能干什么?
从我们吃的食品,穿的衣服、鞋子,坐的汽车,甚至我们的皮肤及人体心脏血管等,3D打印几乎无所不能。
这些不同的产品,他们使用的材料是什么?
有什么区别?
下期我们对3D打印的材质揭秘。
延伸阅读:
世界上最小的3D打印机
3D打印机很神奇,由于产品和打印的材料还比较昂贵,目前的应用只在工业、建筑、医学等高端领域。
对我们普通消费者来说,最关心的问题是,它到底离我们民用普及还有多远呢?
下面我们就来看一台世界最小的3D打印机,或许让大家看到了它的普及并不遥远。
这是维也纳大学的研发小组只花费了1200欧元(约1.1万元人民币)就组装出了这台打印机,由于他们完美的设计,成本被大大降低,打印机大小也比预计的要小得多。
它的外形只有牛奶盒大小(当然我们说的是大盒装的),重量仅有3.3磅(约1.5公斤),是世界上最小的3D打印机。
世界上最小的3D打印机
这款3D打印机采用了“添加剂制造技术”,其工作原理就是:
将合成树脂在受到光线照射时会发生硬化。
打印机制造所需的物品时,LED灯亮起,将强烈的光线射入缸中,之后树脂便会凝固成型,接着再往该层上加入新的树脂并照射,这样一层又一层的堆积后,设计的物体就出炉了。
用世界上最小3D打印机实现的物品
“一夜成名”的校办企业
在史玉升的团队中,蔡道生负责市场化方面的工作,曾担任滨湖机电总经理;尽管他表示正逐渐从公司“淡出”,但目前仍负责这里的日常工作。
去年8月,本报曾在《3D打印生存记》一文中介绍了他的故事;在此之后,史玉升和他又不断接到采访请求:
“打电话来的很多,北京的、上海的都有,目前这个东西太热了。
”
公司的厂房面积不大,外间摆放着两台即将出售的3D打印机成品,里面的车间则有几台刚刚生产出的打印机正在进行打印测试。
厂房的另一侧是办公室和会议室,在这里可以看到一些打印的成品。
与记者此前接触过的桌面3D打印机打印出的物品相比,这些由工业级设备打印出的产品外表更光滑、边缘更细腻。
滨湖机电生产基于FDM(熔融层积成型)、SLA(光固化)、SLS(选择性激光烧结)等各种技术的工业级3D打印机。
据蔡道生介绍,迄今为止公司已在国内外拥有200多家客户,出售了数百台3D打印机,售价在几十万元至上百万元不等,“铸造行业用得比较多”。
他表示,滨湖机电的产品售价约为国外同档次产品的四分之一,“实际使用的成本更低,维护更方便。
”
而在众多技术中,华中科大的团队主攻并赖以成名的是SLS,这也是蔡道生本人的研究方向。
目前滨湖机电已经研发出了世界上最大的SLS打印机,可打印1.4*1.4*1.4米的物体。
蔡道生称他们的产品主要基于自主研发:
“国外的东西我们只是通过论文进行一些了解,样机只能看到一些表面的结构,可以说所有的东西都是我们自己做的。
”对于几种技术之间的差异,他从应用及市场的角度向记者作了介绍:
“SLA(的材料)是液态的,不存在颗粒的东西,因此可以做得很精细;不过它的材料要比SLS贵很多,至少在国内是这样,所以它目前主要用于打印薄壁的、精度要求较高的零件。
”
“FDM是传统的快速成型技术,批量化生产之后成本可以做得很低,如果它的材料成本能进一步降低,还是有一定的优势的;它最大的缺点是速度慢,因为它的喷头是机械的;此外它还需要浪费材料来做支撑。
”
“SLS在市场上采用得比较多,因为它和工业结合的很紧密,而且使用的材料最广泛,理论上讲几乎所有的粉末材料几乎都可以打。
像铸造行业对精度要求没那么高,SLS打印出来的精度足够了。
”
方向不明,中美差距或被拉大
对于3D打印突然间备受关注,蔡道生并未流露出兴奋之情,反而显得忧心忡忡。
“关注度高的好处是国家重视、经费多、企业敢使用了,以前很多企业还不敢用这个技术;坏处就是大家会一窝蜂地来做,却不知道下一步往哪里走。
”
他预感,中国和美国在3D打印领域的差距会进一步拉大,“三年时间,可能中国就全面落后了,国外的新产品会很有竞争力,而国内那时可能还做不出同类的东西。
”
与美国由3DSystems和Stratasys等龙头企业主导不同,中国的3D打印行业目是由清华大学、西安交大、华中科大等高校及校办企业主导。
在蔡道生看来,正是这样的产业体系限制了3D打印在中国的发展。
“就我了解,国内主流的3D打印专家、学术权威都没有认清方向,资源却掌握在他们手里。
”
在学校和企业都有着多年工作经验的蔡道生进一步表示,3D打印是一个由市场主导的行业,高校不应该成为产业核心:
“由国内的大企业来做更合适,学校只能做局部的研究,因为一旦涉及到整体的3D打印设备,就要考虑市场的需求了。
实际上,一些实实在在做事的民间企业,甚至是很小的企业,如果有研发队伍,反而能够把把握好方向。
”
在这样的大环境下,滨湖机电的发展也受到了一些制约,蔡道生自己感到有些无奈:
“如果完全由纯企业来做,是很有生命力的,问题目前和学校结合得非常紧密,我们两边都得考虑。
”
低成本、高效率是未来趋势
在一些关于3D打印的报道中,几乎一切物体都可以使用该技术生产。
但在蔡道生看来,实际生活中很多物品并不需要用到3D打印。
“(制作)一些奇形怪状的、体现自己想法的、有纪念意义的东西,只做几件,最好的方法是3D打印,找不到其他的方法。
但一个烟灰缸,你去买只要10块钱,用3D打印可能要几百块,这样的东西就不适合用3D打印。
”
除了成本,打印速度也是制约3D打印应用的一个重要因素。
SLS技术已能够打印金属粉末,但设备与材料成本都较高,并且需要耗费很长的时间,“打塑料要10个小时,打金属就要100个小时。
”
他接触过的部分客户对于成本并不敏感,但对效率要求较高,而他则会如实向客户介绍3D打印的应用范围和存在问题。
“市场人员应该告诉客户它是做什么用的,适不适合对方的业务;有些企业和代理商只管卖出去就行,不说缺点,从长远来讲这是不负责任的,一些用户买了后发现上当了,以后就再不买了。
”
尽管滨湖机电关注的重点仍是工业级产品,但蔡道生相信3D打印终将走向普通用户,不过未来的家用3D打印机会与当下的产品完全不同。
“目前几千元的3D打印机只是让人们了解3D打印,绝对不是以后的主打产品,它们的致命缺点就是速度慢、材料消耗较多。
”他认为,未来3D打印的发展趋势是设备成本低、材料消耗少、速度快,而且随着设计软件的日益简单、普及化,“你自己有想法马上就可以做出来”。
“攒”3D打印机的人
在3D打印被热炒的过程中,前《连线》杂志主编、撰写过《长尾理论》、《免费》等著作的科技作家克里斯•安德森离职创业、加入3D打印大军是标志性事件之一。
而他的新书《创客:
新工业革命》则让许多关注3D打印的人开始了解“创客”。
创客文化走入中国
创客指的是用基于技术的DIY方式来实现自己想法的一类人,他们大多都信奉开源文化,以“创客空间”(Hackerspace)为“据点”进行创作与思维碰撞。
著名的移动刷卡器Square的原型便出自创客空间Techshop;在3D打印领域,从纽约创客空间诞生的Makerbot则引领着全球桌面3D打印机的浪潮。
随着互联网的普及,过去几年,创客文化也在中国大陆蔓延,如今北京、上海
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