3D打印云平臺體系架構與關鍵技術分析

俞 挺 吳曉慶 戴魯科

（寧波第二技師學院，浙江寧波315000）

0 引言

隨著時代發展，制造業的生產模式也逐漸發生了改變，尤其是在云制造理念的影響下，人們對基于云制造系統平臺的現代制造技術系統愈加重視，研究也愈加深入，大大推動了我國生產制造業的發展與進步。而3D打印作為新時期發展應用較為成熟的現代化制造技術，其與云技術系統結合的3D云打印平臺更是在制造業、建筑業以及醫學等各個領域得以廣泛應用。

1 3D打印技術與云制造

1.1 3D打印技術

3D打印技術又被稱為3DP，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式構造物體的技術，也稱為增材制造技術。3D打印技術近年來逐漸發展完善，被廣泛應用于各個領域，例如模具制造、工業設計以及產品零件的直接打印制造等，且現階段的3D打印技術在珠寶、鞋類、工業設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航空航天、醫療產業、教育、地理信息系統等領域都產生了巨大的價值。尤其是2019年1月美國加州大學圣迭戈分校利用3D打印技術，模仿制造了中樞神經系統結構的脊髓支架，實現了對大鼠運動功能的恢復，進一步證明了3D打印技術在仿生學以及醫學領域的研究價值。

1.2 云制造

云制造是信息技術以及物聯網技術融合的產物，是基于“制造即服務”的基本理念上借助云計算思想而衍生出的新理念。在云制造系統中，包含了信息技術系統、制造技術系統以及新興的物聯網技術系統，使得制造業在發達的網絡環境下，能夠實現對制造產品附加值的全面提升，并降低制造成本，實現全球化的制造服務。

區別于傳統生產制造理念，云制造在實際作業過程中是以減少制造資源浪費為基本目標，借助云計算技術，以信息技術系統和平臺實現資源的充分共享。在資源共享的基礎上，構建出具有共享性質的制造資源服務平臺，將社會制造資源池全面整合并連接在服務平臺之中，以實現生產制造業制造資源與服務在云計算與網絡系統中的開放合作與資源共享。相較于傳統的生產制造方式，云制造不再需要企業用戶投入設備與資源成本，實現了以公共平臺為基礎的制造能力與資源租賃，全面革新了制造工業的發展理念。

2 3D打印云平臺體系架構

本文立足于3D打印技術以及云制造理念，為了進一步優化和提升3D打印技術在云計算時代的制造能力，推動其發展，提出了一種3D打印云平臺體系架構，以云制造平臺的多層架構體系為參考，將3D打印云平臺體系架構設計為用戶、應用接口、服務資源、虛擬資源以及3D打印資源等5個系統架構層次，以實現3D打印技術與云制造理念在結構系統中的充分融合。具體內容如下：

第一，3D打印云平臺體系架構的用戶層。云制造平臺作為一種交互式的制造資源應用系統，在利用3D打印技術與云制造理念進行3D打印云平臺體系架構搭建時，就需要建立用戶與云平臺之間的交互接口，而用戶層就是實現用戶與云平臺交互的關鍵。用戶能夠通過PC終端、移動設備終端等，實現與云平臺之間的交互，以此實現對3D打印云平臺系統的調用。

第二，3D打印云平臺體系架構的應用接口層。應用接口層是3D打印云平臺向用戶展示系統功能應用的窗口，是幫助用戶全面了解3D打印云平臺系統功能的關鍵所在。通過應用接口層，用戶能夠直觀了解3D打印云平臺的各項服務功能，包括用戶自身的信息管理、資源共享、服務選擇與檢索等。

第三，3D打印云平臺體系架構的服務資源層。服務資源層是3D打印云平臺的系統核心，是對平臺中虛擬資源以及制造資源進行系統管理與服務封裝的關鍵所在。3D打印云平臺的主要作用是實現對云服務系統的管理與維護，并及時更新和儲存系統信息，在這一過程中，服務資源層發揮著重要作用，其服務化封裝技術以虛擬資源和制造能力封裝為服務方式，以屏蔽資源自身的異構性和復雜性，對外呈現統一的服務接口，以實現制造資源在云平臺環境中的調用。

第四，3D打印云平臺體系架構的虛擬資源層。與服務資源層相對，虛擬資源層是3D打印云平臺對3D打印資源進行系統管理的主要功能層結構，通過虛擬資源層的封裝管理能力，能夠將平臺中的物理資源映射為虛擬制造資源和虛擬制造能力，完成資源虛擬化。

第五，3D打印云平臺體系架構的3D打印資源層。3D打印資源層是整體云平臺系統的基礎結構，其中包含了3D打印云平臺的3D打印硬制造資源和3D打印軟制造資源，是3D打印云平臺運行的基礎所在。

3 3D打印云平臺的關鍵技術

在本次3D打印云平臺系統設計中，所涉及的關鍵技術系統主要包含了3D打印資源虛擬化技術以及3D打印服務智能匹配技術，其具體內容如下。

3.1 3D打印云平臺的3D打印資源虛擬化技術

3D打印資源中包含了軟硬件兩種制造資源系統，硬件制造資源中包含了設備資源以及物料資源等，軟件資源中則包括了人力資源以及知識資源等。在3D打印云平臺架構中，需要使用虛擬化技術，以實現在3D打印云平臺中對資源屬性信息的描述，資源虛擬化流程圖如圖1所示。

以3D打印資源的公共屬性為基礎，建立3D打印資源的描述模型，采用XML文檔構建其虛擬化模板，其部分代碼如下：

value

圖1 資源虛擬化流程圖

根據3D打印云平臺系統架構的實際情況，筆者將3D打印資源抽象定義成五元組的虛擬結構模型加以描述，其部分系統模型構架如下：

3DPR={BasicInfo，FunctionInfo，ApplyInfo，StatusInfo，QoSInfo}

其中，BasicInfo為資源基本信息；FunctionInfo為資源功能屬性；ApplyInfo為資源應用；StatusInfo為資源狀態；QoSInfo為資源服務質量。

3.2 3D打印云平臺的服務智能匹配技術

在3D打印云平臺的實際運行中，大多以小批量、無時序性業務為主，基于此，筆者在3D打印云平臺系統架構中提出了兩層算法的服務智能匹配技術方式，即初選和優選。首先，初選層算法，以客戶的實際需求為核心，基于各服務的當前狀態和功能屬性信息，從數據庫中篩選出能完成該項任務的打印服務初選集；其次，優化層算法，經過初選后，以基于指標評價熵的TOPSIS法，對成本、時間和服務質量3個指標進行綜合評估，組合任務評估結構如圖2所示。

圖2 組合任務評估結構

經過系統評估后，將最優的服務方案返回給用戶。

4 結語

3D打印云平臺系統的構建對于現代制造業發展來說意義重大，是實現制造業云發展的關鍵。在3D打印云平臺建設中，需要對其系統架構層次加以深入分析，保證其關鍵技術使用的科學性，以此推動3D打印云平臺的建設發展。