3D打印技术在建筑工程领域应用的调研报告正式版解析.docx
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3D打印技术在建筑工程领域应用的调研报告正式版解析
调研报告
题目
3D打印技术在建筑领域的应用
院(系)别
机电及自动化学院
专业
机械制造及其自动化
年级
课程名称
现代制造技术
组别
任课老师
目录
第1章调研背景2
第2章3D打印技术国内外发展现状6
2.13D打印技术国外发展现状6
2.23D打印技术国内发展现状7
第3章3D打印技术的基本概念和原理9
3.13D打印技术的基本概念9
3.23D打印技术的基本原理9
3.33D打印技术的基本过程10
3.43D打印技术总结13
第4章3D打印技术在建筑工程领域应用15
4.13D打印建筑技术15
4.2国外应用3D打印技术的实例18
4.3国内应用3D打印技术的实例18
第5章3D打印技术应用的优劣势20
5.13D打印技术的特点20
5.23D打印技术应用于建筑业的优势21
5.33D打印技术应用于建筑业所面临的问题21
第6章3D打印在建筑工程领域的发展前景23
第7章3D打印技术未来发展的主要趋势24
第1章调研背景
最近,以美国著名趋势学家杰里米.里夫金为代表的学者关于第三次工业革命的呼声引起全球范围内的极大关注"新一轮的工业革命创建了新的生产方式和生活方式。
第三次工业革命的核心内容是制造业数字化,并将带动全球技术要素及市场要素配置方式的革命性变化。
制造业的生产方式正发生着日新月异的变革,工程建设行业、基础设施行业、制造行业都有一种融合的趋势作为一种突破传统的建造生产方式以及链接工厂化、信息化生产的新型技术,3D打印正悄然走向建筑业。
传统的建筑建造过程速度慢、不安全、成本高,并且施工危险、劳动强度大。
随着技术改进,3D打印技术已经可以打印方形、环形、圆形以及不规则形状的房屋部件,甚至也有能力打印一整栋房屋。
从原理上打印%房屋和打印其他物品并无区别,只是改变了材料、尺度。
用传统方法建造房屋需要众多步骤,使用3D打印技术就容易得多,具体打印过程如下:
先在待建房屋的空地上安装大型打印设备,该过程大概仅需要两三名工人几个小时时间,该设备外观类似两边有滑轨的巨大行车,根据房屋、维设计图纸,稳定、均匀挤压混凝土,一层一层叠加打印,与此同时机械手还能进行其他建筑材料的安装,甚至可以做像铺设瓷砖这样的精细活。
据估算,建一栋2500平方英尺(约232.2平方米)的房屋仅需20小时左右。
这样的3D打印机不仅能打印出一栋房屋,还能够建造一整片房屋,并且可令房屋呈现样貌多样化。
国内目前采用的3D打印建筑原料主要是建筑垃圾、矿山尾矿及工业垃圾,其他材料主要是水泥、钢筋,还有特殊的助剂。
房屋是在工厂内以楼层为单位打印好,切割后再运到现场,拼装楼板则是现场现浇的以方便运输,目前国内用3D打印技术打印整幢建筑在技术上已没有问题。
未来只要把建筑3D打印机运到施工现场,就可以打印整幢楼房,甚至是一二百米高的高层建筑。
在建筑业中引进3D打印技术是一次巨大的改革创新,今后住户不仅可以定制家居,还可以定制个性化的房屋,打印多种特殊结构构件,一套房对应一张设计图,小区内的房屋建筑在整体保持风格协调的基础上不再千篇一律。
根据美国技术咨询服务协会WohlersAssociates发布的2012年度报告,全球3D打印行业在2011年销售额为17.14亿美元,当前该技术的市场渗透度为8%,因此,报告保守估计3D打印市场机会为214亿美元。
目前,3D打印技术市场的年增长率为29.4%。
据预测,该行业的市场规模到2015年将达37亿美元,到2019年将增长到65亿美元。
图1.23D打印技术市场规模示意图
从行业分布看,目前消费电子领域仍然占主导地位,约20.3%;其他主要应用在汽车、医疗/牙科、工业/商业机器和航空航天领域。
3D打印技术行业分布如图2所示。
3D打印技术主要应用功能的分布比例如图3所示。
图1.33D打印技术行业分布图
图1.43D打印技术应用分布图
当前,欧洲、美洲和亚洲是3D打印设备的主要需求市场。
从2011年设备市场份额分布来看,北美地区占40.2%,位居第一,欧洲地区和亚洲地区紧随其后。
3D打印设备数量区域分布如图4所示。
美国是3D打印设备安装的第一大国,日本处于第二。
图1.53D打印设备数量区域分布图
由于3D打印产品种类丰富,带动了打印材料的快速发展。
2001年到2011年,全球打印材料的销售情况如图5所示,除了2009年由于全球经济危机的影响稍有下降外,基本上每年都保持10%~20%的增长。
图1.6全球3D打印材料销售额示意图
第2章3D打印技术国内外发展现状
2.13D打印技术国外发展现状
经历十多年的探索和发展后3D打印无论在技术、造价,还是应用领域方面都有了长足的进步。
在打印技术方面,目前,主流打印机能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi分辨率的打印精度,较先进的产品已经具备每小时1英寸以上的垂直打印速率,并可实现24位色彩的彩色打印。
用于打印的材料涵盖从石料、金属到目前占主流地位的高分子材料,甚至是面粉、蛋白粉等食品原料。
目前,已经开发出的可打印材料约为14类,可混搭出一百多种耗材。
在造价方面,3D打印机的售价正在迅速降低,MakerBot公司新推出的低端打印机Replicator的售价已经下降到2199美元,高端的Replicator2也仅售2799美元。
预计几年后家用型的3D打印机会降价到100美元以内。
3D打印的应用领域正在迅速扩张,在消费电子、航空和汽车制造等行业。
3D打印可以以较低的成本和较高的效率生产小批量的定制部件,完成复杂而精细的造型。
位于纽约的创意消费品公司Quirky支持设计师在线提交设计方案,通过3D打印制成实物,并通过电商网站销售,每年推出六十多种创新产品。
在医疗领域,3D打印被用于制作人体器官的替换材料。
2013年初,欧洲的医生和工程师利用3D打印定制出一个人造下颚以替换病人的受损骨骼,成功地使病人得以康复。
同时,德国的研究人员正在采用3D打印技术制造具有生物相容性的人造血管。
在建筑领域,意大利发明家恩里科.迪尼发明了一台可以用沙子直接打印立体建筑的巨型3D打印机。
在服装和首饰设计领域,2011年,荷兰时尚设计师Herpen在巴黎时装周上展示了由3D打印技术完成的服装,开辟了全球时尚界的新时代。
3D打印技术不仅使以往布料难以诠释的立体造型得以完成,更实现了服装的完全服帖身形订制。
除服装设计外,讲求时尚外形的家装、制鞋和艺术创作都可成为3D打印的用武之地。
2011年,Materialse公司提供以14K金和纯银为原材料的3D打印服务,3D打印技术正成为设计师创作的重要工具。
此外,全球第一家3D打印照相馆也于2013年初在日本开业,用户经过拍照、建模、打印三个阶段,就可以为自己制作一个三维头像。
综上所述,我们可以看出3D打印技术已经开始对我们的生活产生全面影响,这项技术所涉及到的产业包括医疗、工业制造、航空、电路板等等多方面,对于少量生产、个性定制、样品研发等方面有非常大的发展空间。
2.23D打印技术国内发展现状
自上世纪90年代起,我国的科研机构也已经开始研发自主知识产权的3D打印机,清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学、西安交通大学等高校都取得了不俗成绩,基本与西方发达国家处于同一水平,研制出了多种类型的3D打印装备和材料。
其中,北京航空航天大学率先研发出飞机钛合金大型复杂整体构件激光成型技术,这是国际上3D打印领域内的重大突破,华中科技大学研发的大型3D打印机,可通过激光将原材料制造成复杂的工业零部件或生活用品。
2012年底,工信部宣布加强顶层设计和统筹规划,以推动3D打印产业化,并组织制定发展路线和中长期发展战略,完善3D打印的技术规范与标准。
3D打印技术的诸多技术优势在中国的现代工业生产中都可以被充分利用。
中国经济的快速增长,人们生活水平的快速提高,使各企业在中国的人力成本随之增长,所以各企业尤其是技术开发能力比较高的跨国企业,都需要3D打印这样能够替代生产线完成生产任务减少雇员数量的技术。
在我国3D打印技术也受到了国家和各企业的关注,而且我国在3D打印技术研发方面也取得了相当高的成绩。
飞机钛合金大型整体结构件的激光快速成型技术已经达到世界先进水平,我国是目前世界上唯一能够使用激光快速成型技术制造超过12平方米的复杂钛合金构件等大型主承力构件的国家,中航集团用3D打印技术制造的飞机零部件成型达到4×3×2米。
这都得益于国家“863”、“973”计划、国家自然科学基金重点项目等的大力支持,在此背景下所生产的多种钛合金及Inconel718合金的力学性能均达到或超过锻造生产零部件的水平,有效解决了激光快速成形钛合金大型整体结构件的变形开裂及内部质量控制等两大技术难题,为3D打印技术直接生产零件提供技术支持。
近年来,国内如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了3D打印机的整机生产和销售,这些企业共同的特点是由海外归国团队建立,规模较小,产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。
目前,国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求,技术水平有待进一步提升。
在服务领域,我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务,其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。
与内地相比,我国港台地区3D打印技术引入起步较早,应用更为广泛,但港台主要着重于技术应用,而非自主研发。
第3章3D打印技术的基本概念和原理
3.13D打印技术的基本概念
3D打印技术是指通过连续的物理层叠加,逐层增加材料来生成三维实体的技术,与传统的去除材料加工技术不同,因此又称为添加制造(AM,AdditiveManufacturing)。
作为一种综合性应用技术,3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识,具有很高的科技含量。
3D打印机是3D打印的核心装备。
它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统,主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。
此外,新型打印材料、打印工艺、设计与控制。
软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分3D智能数字化技术:
是指在3D打印前建立3D数字模型文件的技术,包括3D智能数字化设计即利用计算机软件制作并模拟实物设计、展现新开发产品的外形、结构、色彩、质感等特色的过程;除了利用软件设计外也可以使用3D智能数字化扫描,就是利用计算机视觉、计算机图形学、模式识别与智能系统、光机电一体化控制等技术对现实存在的3D物体进行扫描采集,以获得逼真的数字化重建。
3.23D打印技术的基本原理
3D打印技术是添加制造技术的一种形式!
它采用分层加工、迭加成形,即通过逐层增加材料来生成3D实体。
3D打印机是它的核心设备,3D打印技术是一种综合性的应用技术,它综合了数字建模、机电控制、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的技术。
3D建模是3D打印的前提,3D建模的质量直接决定了3D打印模型的质量。
CAD等矢量建模软件可以实现3D建模,3D打印首先将建立的3D模型进行分割,即将模型分割成一层一层的薄片,薄片的厚度一般为几十微米到几百微米不等。
软件完成分割工序后,3D打印机即可进行喷墨打印。
每一层的打印分为两步,首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,然后在胶水上喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化粘结。
这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被粘结起来,打印完成后,需要对打印的模型进行后处理,例如固化处理、剥离、模型的修整等,最终得到所需要的模型。
3.33D打印技术的基本过程
1、数字化建模
3D打印技术的数字化设计主要为通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据,并且以数字化方式生成三维模型,也可以使用Blender、AutoCAD等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型,或是直接使用其他人已做好的3D模型。
3D打印技术使用的软件设计方法主要分为实体建模和曲面建模。
一般工业设计和制造领域更多使用的是对于规则形状物体设计非常有效的实体建模方法,但对于复杂、精细的不规则形状却有些不能很好胜任,如设计零件外形结构很合适但设计动漫形象却力不从心;曲面建模刚好相反,适合设计复杂、精细的不规则形状,却对内部结构无法表达,动漫形象无需表达内部结构,因此适合使用曲面建模方法。
现在设计软件都是可以通过手工建模同时配合使用两种方法,得到最理想的设计效果。
从参数化建模、直接建模、编程式设计、过程式建模的陆续出现使手工建模越来越简单,设计效果也越来越理想。
2、切片处理
由于描述方式的差异,3D打印机并不能直接操作3D模型。
当3D模型输入到电脑中以后,需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理,即将模型切分成一层层的薄片,每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。
切片软件主要有Cura与MiraclGrue等适合于业余DIY爱好者使用的和由各大打印机生产商自己开发的如QuickCast、RapidTool等数十种。
比如Cura是一款前台控制软件,其中就包含了切片软件工具和打印软件工具。
可对3D模型文件进行切片处理,CAD文件经过软件切片处理就可以得到能被3D打印机识别的Gcode控制文件。
Gcode控制文件包含了控制打印机动作的完整指令步骤。
工业级3D打印机使用的切片软件比如有CatalystEX,这款软件是世界最大的3D打印机生产企业Stratasys应用于Dimension1200es系列打印机,安装在工作台上用于从工作站中处理要打印的STL文件以及与打印机进行通信。
同一公司的另一款产品uPrint使用的软件也是使用这款软件。
现在切片软件的分层算法主要有基于STL模型几何特征分类的分层算法,基于几何拓扑信息提取的分层算法,基于分组切片的分层算法。
其中基于分组切片的分层算法效率最高。
基于分组切片的分层算法实际上是“整体分组排序,建立活性三角面片表,局部建立拓扑关系”。
算法的实现首先建立分组矩阵,然后生成活性面片表确定各三角片之间的相邻关系,最后用求交算法生成切片轮廓。
3、打印成型技术
在3D打印技术各个环节中成型技术是最核心、最关键的部分,成型技术的优劣直接决定打印的产品质量。
目前,较常用的成型技术主要有熔融沉积成型(FDMFusedDepositionModeling)、三维打印黏结成型(3DP3DPrinte),选择性激光烧结技术(SLSSelectiveLaserSintering)、直接金属粉末激光烧结技术(DMLSDirceMetalLaserSintering)。
这些技术的主要区别在于使用的耗材即原材料不同和固态成型方法不同。
FDM(FuseddepositionModeling)的工作原理是将热塑性材料丝在喷头处加热融化,通过喷头底部的微细喷嘴将融化的材料以一定压力喷出,随喷头移动材料形成一个层,一个层打印完成后工作台移动再打印下一个层,挤出的材料熔结在上一个层上,这样一层层打印直至完成整个实体。
这种原理的打印机结构简单、成本低廉、成型尺寸是所有成型技术中最大的,但产品表面质量较差,一般喷嘴直径为0.2-0.6mm,适合于桌面级和低精度工业产品使用。
3DP也叫三维打印黏结成型或喷墨沉积。
原理比较像普通的喷墨打印机,由麻省理工学院开发,成型精度为0.09mm。
该技术的工作过程是首先在加工平台上按照层厚精确地铺上一层材料粉末,按照该层的形状喷头在粉末上喷撒特殊胶水使粉末固化,完成一个层的固化后再在完成部分上继续铺粉末,喷胶水,直到打印完成整个实体,然后把未固化的粉末清理回收。
SLA光固化立体成型。
世界上第一台3D打印机采用这种原理,做出的产品尺寸精度能达到0.025mm,表面细密。
液体光敏树脂具有在紫外光束的照射下快速固化特性,SLA就是利用这种特性用紫外激光束照射装满在槽中的液态光敏树脂,逐层照射逐层固化最终得到表面细腻精度较高的产品。
这种打印方式适合用于制作中小型塑料产品,或者用于制作浇铸模具来替代腊模,以及作为软模的母模例如金属喷涂模、环氧树脂模等。
SLS称为选择性激光烧结,是工业使用最多的一种,制造产品的精度相当于精密铸造,打印速度比较快,使用材料最广泛,尤其适合于金属打印,其打印产品与金属零件的机械性能相近,不适合大型和高精度零件的直接加工,而且打印后的零件装配性能很差。
工作过程与3DP相似。
同样是对粉末进行加工但成型是由高强度的CO2激光器有选择的扫描,使粉末温度升高至熔点烧结。
要想真正实现3D打印必须首先从建立3D数字模型开始。
对于3D数字模型的建立也就是3D智能数字化技术主要有两种方法:
软件设计和扫描成型,汽车的设计主要就是依靠3D智能数字化设计完成的,这种设计是在传统CAD基础上融入了3D计算机图形学、计算机视觉、模式识别与智能系统、机器学习等学科。
常用3D设计软件有AutoCAD、3DSMax、Maya等等,汽车工业需要使用行业效果明显的CATIA,欧洲汽车业使用该软件几乎成为标准,包括奔驰、宝马、克莱斯勒和中国的奇瑞等公司均采用此软件。
在汽车维修中扫描技术也可以帮助生产出内部结构不算复杂的零部件。
3D数字模型建立后如果是汽车设计当然还应该对模型进行美化,比如仪表台的设计,设计者可以结合大数据的针对性推荐对仪表台的外观的设计进行修改,直至完全满意。
有了满意的3D数字模型下一步就可以打印。
4、打印后处理
3D打印过程完成之后,需要一些后续处理措施来达到加强模具成型强度及延长保存时间的目的,其中主要包括静置、强制固化、去粉、包覆等。
后处理一般是3D打印的最后工序,目前市面上的3D打印机类型很多,有些东西必须一次成型,比如有些生物器官打印机。
大部分打印刚完成的产品则需要进行后处理,因为刚完成的产品大部分不光滑或者不完全成型,特别是有些具有细弱部分、环形或镂空设计的物体,打印时需要支撑结构,有些不光滑部分需要抛光打磨,有些支撑材料则需要移除,有些物品则可能会根据需要进行喷漆,或者作为部件与其他产品进行焊接或者组装。
后处理的程度一般决定于物体设计的复杂性以及材料和对性能的要求。
采用不同3D打印成型技术生产出来的产品精度也不同;同一打印方法,打印参数不同时,精度也不同。
比如FDM打印成型方法,如果想要得到比较好的表面粗糙度或者高解析度,可以在设定打印参数时选择比较高的打印精度,但是这样生产时间会成倍增加,也比较浪费原材料。
这种情况下可以选择低精度打印,然后对打印成品进行打磨、抛光等后期的机械加工处理,这样既节约生产时间又能满足产品精度要求。
而对于3DP方法加工的产品打印过程结束之后,需要将打印的产品静置一段时间,使得成型的粉末和粘结剂之间通过交联反应、分子间作用力等作用完全固化,尤其是对于以石膏或者水泥为主要成分的粉末。
粉末与水之间作用是材料硬化成型最重要的过程,粘结剂的加强作用只是其次,最后的成形效果需要一定时间的静置。
当产品粉末与水之间作用完成后,可根据不同情况采取加热、真空干燥、紫外光照射等方式使其进一步强化。
FDM只能做钻孔、修边、喷漆等处理,更好的表面粗糙度无法满足。
SLS的后处理有高温烧结、热等静压烧结、熔浸、浸渍。
用SLS方法打印产品,打印完成之后硬度完全可以满足要求,后处理只需要用各种方法将表面粉末除去,可通过机械振动、微波振动、不同方向风吹等可以除去剩余较少粉末。
还有一种较少采用的方法,就是将产品浸入能溶解散落的粉末的特制溶剂中,此方法对固化成型的产品没有影响,可达到除去多余粉末的目的。
去除粉末之外还需要考虑其长久保存问题,特别是石膏基、陶瓷基等易吸水材料制成的模具,常见的方法是在模具外面刷一层防水固化胶,增加其强度,防止因吸水而减弱强度。
或者将产品浸入能起保护作用的聚合物中,比如环氧树脂、氰基丙烯酸酯、熔融石蜡等,也可以喷漆,使产品兼具防水、坚固、美观、不易变形等特点。
3.43D打印技术总结
通过分析了3D打印技术的基本工作原理和技术特点,以及对FDM、3DP、SLS、DMLS四种打印成型技术的成型原理、设备组成、产品质量的影响因素、关键技术参数的确定方法、后处理工艺等进行了研究,得到如下结论:
(1)3D打印技术是根据离散-堆积理论实现成型的,需要经过数字化建模—切片处理—打印—后处理等四个过程将概念设计转化成实物产品。
(2)四种成型技术中FDM多应用于高分子聚合物材料丝的打印成型,DMLS只能打印金属粉末,其余两种3DP和SLS能够完成对高分子聚合物、陶瓷、金属、石膏等粉末打印。
(3)3D打印技术易于参数的调整和方案的修改、加工工艺简单、设计和加工周期短,不需要模具,非常适合在产品开发阶段、样品制作、个性化、小规模、定制产品的生产。
(4)FDM所打印的产品成型尺寸是所有成型技术中最大的,但精度稍低,打印过程需要支撑,支撑材料必须具有与成型材料相近的熔融温度。
影响产品精度的因素主要有喷头温度、成型室温度、分层厚度、材料挤出速度、填充速度、扫描方式等。
(5)3DP具有较高的成型精度,其工作原理类似于喷墨打印机,影响成型精度的主要因素有喷头到粉层距离、粉末层厚、喷射和扫描速度、辊子运动参数、每层间隔时间。
(6)SLS可打印的材料种类多,尤其适合于金属打印,制造工艺简单,可以直接生产复杂形状零件,无需支撑结构,加工精度高。
影响成型质量的因素主要有激光功率密度、扫描速度、激光束扫描间距、激光扫描方式、激光器的类型等。
(7)DMLS与SLS相似,但其只能用于金属材料打印。
影响成型精度的因素主要包括材料特性、激光功率密度、扫描间距、分层厚度等。
第4章3D打印技术在建筑工程领域应用
4.13D打印建筑技术
目前我国在3D打印建筑领域的研究相对落后,而早在20世纪70年代,欧美一些发达国家已经开始研究“自动化建筑”自动建造系统的先驱意大利建筑师但丁·比尼在6岁时提出利用水泥浇筑,逐层建造房屋的设想。
1965年,在博洛尼亚,他用时60min,成功地用水泥浇筑出了一座方格房子。
他所发明的“比尼贝壳”以及“比尼庇护所”得到广泛的应用。
近年来3D打印的火爆把公众的视线引入到3D打印建筑的身上。
英国拉夫堡大学发起的“自由形式建造”项目(NEDDNFEQLFB8HEGLHOFB)获得英国工程和自然科学委员会的资助,在过去4年间,开发出一台添材制造机器,它能用混凝土打印大型构件;美国麻省理工大学的设计师NeriOxman将一个机器人手臂改制成3D打印机,使用“混凝土”作为打印材料,她认为很快就能实现3D打印建筑;荷兰建筑事务所(DUS)的建筑师正在利用一台名为Kamermaker的大型3D打印机“建造”一栋住宅建筑——CanalHouse(如图4-1);英国的SoftkillDesign项目、开源建造项目——WikiHouse、打印虚拟体育场的瑞典创新工作室——WeDo等都在从事3D打印建筑的研究。
值得一提的是中国的上海盈创建筑科技有限公司近日在上海展出利用大型3D打印设备打印出的10间样板房(如图4-2)目前南加利福尼亚大学的贝洛克·霍什内维斯教授发明的“轮廓工艺”和意大利的工程师恩里克·蒂尼发明的D-shap是3D打印建筑技术的代表。
图4-1CanalHouse组装现场
1、轮廓工艺
从1998年开始,贝洛克教授就一直致力于研究打印房子。
他所发明的“轮廓工艺”是一项通过计算机控制的喷嘴按层挤出材料的建造技术,通过打印出建筑轮廓,并对轮廓内部进行填充来实现房屋建造“打印”设备被安装在龙门吊架上,它在横梁上能左右移动,而龙门吊架可在设定的导轨上前后移动,“打印”设备通过一个能上下移动的喷嘴挤出半流体的混凝土。
将事先设计好的立体模型
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