基于UML的3D打印系統平臺架構設計

陸長明 陸暢

摘要：針對小批量定制產品，3D打印可滿足不同材料、工藝參數、加工精度等多種需求，但需要采用不同的3D打印方法加工零件，單一的打印設備很難滿足不同客戶的需求，建立一個3D加工中心服務平臺，可為不同用戶提供快速便捷的加工服務。UML作為面向對象建模語言，以多種視圖的形式表示軟件系統的靜態結構和動態行為。用UML設計了3D打印系統平臺的總體架構，為遠程打印服務平臺開發提供了具體的設計方案。

關鍵詞：3D打印;增材制造;統一建模語言UML

Abstract： Focus on small customizing products， 3D printing technology can fulfill various needs with different materials， parameters and accuracies. Because processing parts with different materials need a different 3D printer， single printing equipment can fulfill hardly different users needs. To build a 3D printing center can serve different users printing service conveniently. The static structure and dynamic behavior of the software system are described as an object with multi-view architecture for different roles using Unified Modeling Language （UML）. We designed the architecture of the 3D printing system to provide a design plan for developing a remote printing platform.

Key words： 3D printing; additive manufacturing; UML

1 背景

目前隨著科技的發展，產品的更新周期日益縮短，定制產品日益受到消費者的青睞。新產品從設計到制作樣機，以往從設計圖紙到加工裝配的制造方式往往需要較長的時間，從設計開始到定型生產周期較長。近年來增材制造技術的興起極大地縮短了制作周期，對傳統制造業帶來了技術革新，尤其在新產品的開發階段得到了廣泛應用。我國對增材制造高度重視，《中國制造2025》將增材制造作為五大領域之一，國家發布的《高端智能再制造行動計劃（2018-2020年）》中明確提到加快增材制造、特種材料、智能加工、無損檢測等再制造關鍵共性技術創新與產業化應用。3D打印技術作為典型的增材制造方式，其研究日益受到科研人員的重視，從理論研究到打印設備的研發，已取得了眾多成果。臺灣明志科技大學的Hsieh等對一種三自由度delta型打印裝置進行打印精度優化[1];上海大學的Wang M等人設計了一種具有五自由度無支撐的3D打印機，可以實現無支撐材料打?。∟SMP），通過模型骨架提取，由5軸動態切片的控制參數確定實現五軸動態制造過程中，印刷材料的堆放方向總是沿著模型骨架的切線方向[2];華中科技大學吳田俊等人利用雙向滾珠絲桿切換裝置和外循環超低溫沉積工作臺結構，研制了一種基于擠出沉積技術的多噴頭生物3D打印機[3]。浙江大學的干勝對3D打印云工廠的設計與任務調度做了研究，提出了網絡制造平臺和分布式三維打印無人車間的云工廠總體架構[4];華中科技大學的葉文丹對3D打印中三維模型可視化、工藝規劃數據處理等做了研究，并開發了3D打印控制系統軟件[5]。這些研究成果為增材制造技術的推廣奠定了基礎，已逐步應用于新產品的開發和定制生產中。目前，3D打印技術的推廣應用正在普及階段，但存在客戶分散，打印設備單一，利用率不高等問題，因此如何增加客戶資源，完善打印設備品種，更好地發揮3D打印的優勢是迫切需要解決的問題，建設一個綜合性的3D打印制造中心，提供遠程服務是一個有效解決途徑。

2 3D打印技術

3D打印主要用于產品設計的開發研制階段，以小批量定制產品為主，由于產品零件材質不同，所需的打印設備也不同。目前常用的3D打印主要有：熔融沉積成形（FDM）、液態樹脂光固化立體成形（SLA）、激光選區熔化（SLM）、電子束選區熔化（EBM）、金屬激光熔融沉積（LDMD）、薄材疊層制造（LOM）、電子束熔絲沉積成形（EBF）等等。3D打印制作的產品不需要經過傳統的模具設計、使用傳統的刀具、夾具以及多道加工工序，設計人員采用三維設計軟件（UG、Pro/E、Solidwork等）設計三維模型，將文件轉換成STL格式，在3D打印軟件上進行分層切片，輸出打印，可以快速精確地制造出任意復雜形狀的零件。

3D打印往往涉及3D掃描、3D打印、后處理等設備，其優勢在于制造周期短，適合單件定制化產品制造。因此與傳統大規模制造相比，由于3D打印對于不同材質需要采用不同的打印設備，對于企業、科研院所或高校等投資這些設備由于受到資金限制，打印設備很難做到品種齊全，從而導致設備的利用率相對較低。相同材質采用不同的工藝參數和不同的打印設備，會產生不同的產品質量和精度。同時，打印精度和時間是相互矛盾的，如何在滿足客戶需求的情況下，提高生產效率是3D打印必須解決的問題。目前3D打印還存在一個相關標準缺乏的問題，以金屬打印為例，粉末標準、工藝規范、化學成分、缺陷控制標準、過程質量控制以及加工成型后的質量評價標準等都需要一套完整規范的標準體系，以確保產品的質量穩定可靠。因此，建設一個專業的3D打印制造中心，建設可打印各種材質的打印設備，集材料、設備、工藝參數、模型、技術標準為一體，建立完善的數據庫，以此為基礎設計一個3D打印遠程服務平臺，為社會提供遠程服務的思路，可有效解決設備單一、利用率低下的問題。

3 服務平臺的功能

3D打印服務平臺是致力于為客戶提供3D掃描、3D設計建模、模型打印制作到后處理等一條龍服務，平臺以網頁的形式呈現給客戶，客戶可以在線申請下單，提供遠程打印，在線結算。

打印服務平臺可處理客戶訂單，管理制造車間所有的打印設備。每臺打印機配置一臺獨立計算機，每臺計算機通過局域網分配一個獨立的IP地址，通過配套的上位機控制軟件，接收平臺發送的G代碼文件和配置文件。

用戶上傳模型文件后，后臺對模型文件進行分層切片計算，得到各層截面的二維輪廓，生成STL文件，系統導入STL切片文件和配置文件，并生成相應的G代碼，發送打印機打印產品。若用戶提供實物，則需要通過三維掃描進行逆向設計，由三維造型設計軟件進行點云處理和造型設計生成三維模型，然后進行切片處理并打印成品。3D打印服務平臺可接受實物訂單、模型文件訂單，并可選擇不同的零件材料提供打印服務。

4 3D打印服務平臺架構

3D打印服務平臺是為客戶提供在線服務的專業軟件系統平臺，平臺功能包括：客戶管理、模型文件管理、工藝參數設置、設備管理、材料庫、標準庫等，通過系統平臺可系統科學地管理3D打印的各項業務，能儲存檢索客戶、產品、設備、標準等各類信息。在系統開發設計過程中，統一建模語言（UML）作為一種強大的圖形化建模語言，通過視圖的形式將各功能模塊之間的聯系進行描述，尤其在軟件開發初期的架構設計，需要明確規范各模塊間的接口、數據庫、數據結構，以及后續的系統維護等，在有完善的軟件總體架構基礎上，程序員將各模塊編寫代碼生成可執行的軟件系統，避免規劃不周而造成的重復勞動。

UML是基于面向對象的設計方法，提供了多種不同的視圖，包括用例圖、類圖、對象圖、狀態圖、順序圖等，使用面向對象語言如java、C++、C#等實現系統開發。

4.1 系統功能模塊

系統功能模塊反映了系統的功能及各功能之間的關系，3D打印服務平臺主要涉及客戶提交訂單后的相關資料及加工費管理，各類訂單的分類管理，以及為完成訂單所涉及的建模、加工、后處理等設備管理，其主要功能模塊如圖1所示。

UML用例模型用來描述系統所具備的功能，其基本組成部分有用例、角色和系統。3D打印平臺根據系統功能，主要角色為客戶和系統管理人員，因此主要包括客戶用例圖、管理人員用例圖等，用例圖中涉及客戶信息、訂單信息、設備信息等，對不同角色進行這些信息的操作擁有不同的權限，以完成各自需要的工作。以客戶角色為例，其用例圖如圖2所示。

4.3 類圖

類圖是描述系統中各對象之間的靜態結構關系，各對象所具有的屬性和這些屬性的當前值，以及對這些對象進行操作的方法和事件。類圖分為數據訪問層、業務層等，數據訪問層描述了數據庫中各類之間的關系，對于3D打印平臺中的主要對象涉及客戶信息、訂單信息、模型文件、打印參數、設備信息等。業務層類圖涉及業務層各類之間的關系，主要有登錄系統實體、注冊實體、客戶管理、打印申請實體、查詢訂單信息實體類等，3D打印系統主要類圖結構如圖3所示。

4.4 順序圖

用例圖和類圖描述的是系統的靜態結構，對象之間如何交互來實現系統行為可用順序圖來表達，順序圖按時間順序表示用例中行為的順序，表達的是一個動態過程。

3D打印系統平臺中與訂單相關的事件流和順序圖主要反映從客戶下訂單，管理人員接到訂單后完成訂單要求的打印任務并最終交付客戶的整個流程，具體如圖4所示。

5 結束語

用UML進行3D打印平臺的架構設計，可清楚表達對象之間的相互關系，使得軟件結構簡單明了，可避免系統局部功能變更而重復編寫代碼帶來的不穩定性，對整個系統進行可視化的建模，為后續編寫代碼實現完整的系統平臺提供依據，確保更快更好地創建滿足需求的、可擴展的應用系統。

參考文獻：

[1] Hsieh C T.Investigation of delta robot 3D printer for a good quality of printing[J].Applied Mechanics and Materials，2017（870）：164-169.

[2] Wang M Q，Zhang H G，Hu Q X，et al.Research and implementation of a non-supporting 3D printing method based on 5-axis dynamic slice algorithm[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2019（57）：496-505.

[3] 吳田俊，張祥林，章萬乘，等.基于擠出沉積技術的多噴頭3D打印機研制[J].機電工程，2020，37（8）：921-925.

[4] 干勝.三維打印云工廠設計與任務調度研究[D].杭州：浙江大學，2019.

[5] 葉文丹.基于SLA技術的3D打印機控制軟件系統設計與實現[D].武漢：華中科技大學，2015.

【通聯編輯：謝媛媛】