3D打印云平台体系架构与关键技术分析

2020-12-23吴晓庆戴鲁科

机电信息 2020年32期

俞挺吴晓庆戴鲁科

（宁波第二技师学院，浙江宁波315000）

0 引言

随着时代发展，制造业的生产模式也逐渐发生了改变，尤其是在云制造理念的影响下，人们对基于云制造系统平台的现代制造技术系统愈加重视，研究也愈加深入，大大推动了我国生产制造业的发展与进步。而3D打印作为新时期发展应用较为成熟的现代化制造技术，其与云技术系统结合的3D云打印平台更是在制造业、建筑业以及医学等各个领域得以广泛应用。

1 3D打印技术与云制造

1.1 3D打印技术

3D打印技术又被称为3DP，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体的技术，也称为增材制造技术。3D打印技术近年来逐渐发展完善，被广泛应用于各个领域，例如模具制造、工业设计以及产品零件的直接打印制造等，且现阶段的3D打印技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车、航空航天、医疗产业、教育、地理信息系统等领域都产生了巨大的价值。尤其是2019年1月美国加州大学圣迭戈分校利用3D打印技术，模仿制造了中枢神经系统结构的脊髓支架，实现了对大鼠运动功能的恢复，进一步证明了3D打印技术在仿生学以及医学领域的研究价值。

1.2 云制造

云制造是信息技术以及物联网技术融合的产物，是基于“制造即服务”的基本理念上借助云计算思想而衍生出的新理念。在云制造系统中，包含了信息技术系统、制造技术系统以及新兴的物联网技术系统，使得制造业在发达的网络环境下，能够实现对制造产品附加值的全面提升，并降低制造成本，实现全球化的制造服务。

区别于传统生产制造理念，云制造在实际作业过程中是以减少制造资源浪费为基本目标，借助云计算技术，以信息技术系统和平台实现资源的充分共享。在资源共享的基础上，构建出具有共享性质的制造资源服务平台，将社会制造资源池全面整合并连接在服务平台之中，以实现生产制造业制造资源与服务在云计算与网络系统中的开放合作与资源共享。相较于传统的生产制造方式，云制造不再需要企业用户投入设备与资源成本，实现了以公共平台为基础的制造能力与资源租赁，全面革新了制造工业的发展理念。

2 3D打印云平台体系架构

本文立足于3D打印技术以及云制造理念，为了进一步优化和提升3D打印技术在云计算时代的制造能力，推动其发展，提出了一种3D打印云平台体系架构，以云制造平台的多层架构体系为参考，将3D打印云平台体系架构设计为用户、应用接口、服务资源、虚拟资源以及3D打印资源等5个系统架构层次，以实现3D打印技术与云制造理念在结构系统中的充分融合。具体内容如下：

第一，3D打印云平台体系架构的用户层。云制造平台作为一种交互式的制造资源应用系统，在利用3D打印技术与云制造理念进行3D打印云平台体系架构搭建时，就需要建立用户与云平台之间的交互接口，而用户层就是实现用户与云平台交互的关键。用户能够通过PC终端、移动设备终端等，实现与云平台之间的交互，以此实现对3D打印云平台系统的调用。

第二，3D打印云平台体系架构的应用接口层。应用接口层是3D打印云平台向用户展示系统功能应用的窗口，是帮助用户全面了解3D打印云平台系统功能的关键所在。通过应用接口层，用户能够直观了解3D打印云平台的各项服务功能，包括用户自身的信息管理、资源共享、服务选择与检索等。

第三，3D打印云平台体系架构的服务资源层。服务资源层是3D打印云平台的系统核心，是对平台中虚拟资源以及制造资源进行系统管理与服务封装的关键所在。3D打印云平台的主要作用是实现对云服务系统的管理与维护，并及时更新和储存系统信息，在这一过程中，服务资源层发挥着重要作用，其服务化封装技术以虚拟资源和制造能力封装为服务方式，以屏蔽资源自身的异构性和复杂性，对外呈现统一的服务接口，以实现制造资源在云平台环境中的调用。

第四，3D打印云平台体系架构的虚拟资源层。与服务资源层相对，虚拟资源层是3D打印云平台对3D打印资源进行系统管理的主要功能层结构，通过虚拟资源层的封装管理能力，能够将平台中的物理资源映射为虚拟制造资源和虚拟制造能力，完成资源虚拟化。

第五，3D打印云平台体系架构的3D打印资源层。3D打印资源层是整体云平台系统的基础结构，其中包含了3D打印云平台的3D打印硬制造资源和3D打印软制造资源，是3D打印云平台运行的基础所在。

3 3D打印云平台的关键技术

在本次3D打印云平台系统设计中，所涉及的关键技术系统主要包含了3D打印资源虚拟化技术以及3D打印服务智能匹配技术，其具体内容如下。

3.1 3D打印云平台的3D打印资源虚拟化技术

3D打印资源中包含了软硬件两种制造资源系统，硬件制造资源中包含了设备资源以及物料资源等，软件资源中则包括了人力资源以及知识资源等。在3D打印云平台架构中，需要使用虚拟化技术，以实现在3D打印云平台中对资源属性信息的描述，资源虚拟化流程图如图1所示。

以3D打印资源的公共属性为基础，建立3D打印资源的描述模型，采用XML文档构建其虚拟化模板，其部分代码如下：

value

图1 资源虚拟化流程图

根据3D打印云平台系统架构的实际情况，笔者将3D打印资源抽象定义成五元组的虚拟结构模型加以描述，其部分系统模型构架如下：

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

其中，BasicInfo为资源基本信息；FunctionInfo为资源功能属性；ApplyInfo为资源应用；StatusInfo为资源状态；QoSInfo为资源服务质量。

3.2 3D打印云平台的服务智能匹配技术

在3D打印云平台的实际运行中，大多以小批量、无时序性业务为主，基于此，笔者在3D打印云平台系统架构中提出了两层算法的服务智能匹配技术方式，即初选和优选。首先，初选层算法，以客户的实际需求为核心，基于各服务的当前状态和功能属性信息，从数据库中筛选出能完成该项任务的打印服务初选集；其次，优化层算法，经过初选后，以基于指标评价熵的TOPSIS法，对成本、时间和服务质量3个指标进行综合评估，组合任务评估结构如图2所示。