基于UML的3D打印系统平台架构设计

陆长明 陆畅

摘要：针对小批量定制产品，3D打印可满足不同材料、工艺参数、加工精度等多种需求，但需要采用不同的3D打印方法加工零件，单一的打印设备很难满足不同客户的需求，建立一个3D加工中心服务平台，可为不同用户提供快速便捷的加工服务。UML作为面向对象建模语言，以多种视图的形式表示软件系统的静态结构和动态行为。用UML设计了3D打印系统平台的总体架构，为远程打印服务平台开发提供了具体的设计方案。

关键词：3D打印;增材制造;统一建模语言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

目前隨着科技的发展，产品的更新周期日益缩短，定制产品日益受到消费者的青睐。新产品从设计到制作样机，以往从设计图纸到加工装配的制造方式往往需要较长的时间，从设计开始到定型生产周期较长。近年来增材制造技术的兴起极大地缩短了制作周期，对传统制造业带来了技术革新，尤其在新产品的开发阶段得到了广泛应用。我国对增材制造高度重视，《中国制造2025》将增材制造作为五大领域之一，国家发布的《高端智能再制造行动计划（2018-2020年）》中明确提到加快增材制造、特种材料、智能加工、无损检测等再制造关键共性技术创新与产业化应用。3D打印技术作为典型的增材制造方式，其研究日益受到科研人员的重视，从理论研究到打印设备的研发，已取得了众多成果。台湾明志科技大学的Hsieh等对一种三自由度delta型打印装置进行打印精度优化[1];上海大学的Wang M等人设计了一种具有五自由度无支撑的3D打印机，可以实现无支撑材料打印（NSMP），通过模型骨架提取，由5轴动态切片的控制参数确定实现五轴动态制造过程中，印刷材料的堆放方向总是沿着模型骨架的切线方向[2];华中科技大学吴田俊等人利用双向滚珠丝杆切换装置和外循环超低温沉积工作台结构，研制了一种基于挤出沉积技术的多喷头生物3D打印机[3]。浙江大学的干胜对3D打印云工厂的设计与任务调度做了研究，提出了网络制造平台和分布式三维打印无人车间的云工厂总体架构[4];华中科技大学的叶文丹对3D打印中三维模型可视化、工艺规划数据处理等做了研究，并开发了3D打印控制系统软件[5]。这些研究成果为增材制造技术的推广奠定了基础，已逐步应用于新产品的开发和定制生产中。目前，3D打印技术的推广应用正在普及阶段，但存在客户分散，打印设备单一，利用率不高等问题，因此如何增加客户资源，完善打印设备品种，更好地发挥3D打印的优势是迫切需要解决的问题，建设一个综合性的3D打印制造中心，提供远程服务是一个有效解决途径。

2 3D打印技术

3D打印主要用于产品设计的开发研制阶段，以小批量定制产品为主，由于产品零件材质不同，所需的打印设备也不同。目前常用的3D打印主要有：熔融沉积成形（FDM）、液态树脂光固化立体成形（SLA）、激光选区熔化（SLM）、电子束选区熔化（EBM）、金属激光熔融沉积（LDMD）、薄材叠层制造（LOM）、电子束熔丝沉积成形（EBF）等等。3D打印制作的产品不需要经过传统的模具设计、使用传统的刀具、夹具以及多道加工工序，设计人员采用三维设计软件（UG、Pro/E、Solidwork等）设计三维模型，将文件转换成STL格式，在3D打印软件上进行分层切片，输出打印，可以快速精确地制造出任意复杂形状的零件。

3D打印往往涉及3D扫描、3D打印、后处理等设备，其优势在于制造周期短，适合单件定制化产品制造。因此与传统大规模制造相比，由于3D打印对于不同材质需要采用不同的打印设备，对于企业、科研院所或高校等投资这些设备由于受到资金限制，打印设备很难做到品种齐全，从而导致设备的利用率相对较低。相同材质采用不同的工艺参数和不同的打印设备，会产生不同的产品质量和精度。同时，打印精度和时间是相互矛盾的，如何在满足客户需求的情况下，提高生产效率是3D打印必须解决的问题。目前3D打印还存在一个相关标准缺乏的问题，以金属打印为例，粉末标准、工艺规范、化学成分、缺陷控制标准、过程质量控制以及加工成型后的质量评价标准等都需要一套完整规范的标准体系，以确保产品的质量稳定可靠。因此，建设一个专业的3D打印制造中心，建设可打印各种材质的打印设备，集材料、设备、工艺参数、模型、技术标准为一体，建立完善的数据库，以此为基础设计一个3D打印远程服务平台，为社会提供远程服务的思路，可有效解决设备单一、利用率低下的问题。

3 服务平台的功能

3D打印服务平台是致力于为客户提供3D扫描、3D设计建模、模型打印制作到后处理等一条龙服务，平台以网页的形式呈现给客户，客户可以在线申请下单，提供远程打印，在线结算。

打印服务平台可处理客户订单，管理制造车间所有的打印设备。每台打印机配置一台独立计算机，每台计算机通过局域网分配一个独立的IP地址，通过配套的上位机控制软件，接收平台发送的G代码文件和配置文件。

用户上传模型文件后，后台对模型文件进行分层切片计算，得到各层截面的二维轮廓，生成STL文件，系统导入STL切片文件和配置文件，并生成相应的G代码，发送打印机打印产品。若用户提供实物，则需要通过三维扫描进行逆向设计，由三维造型设计软件进行点云处理和造型设计生成三维模型，然后进行切片处理并打印成品。3D打印服务平台可接受实物订单、模型文件订单，并可选择不同的零件材料提供打印服务。

4 3D打印服务平台架构

3D打印服务平台是为客户提供在线服务的专业软件系统平台，平台功能包括：客户管理、模型文件管理、工艺参数设置、设备管理、材料库、标准库等，通过系统平台可系统科学地管理3D打印的各项业务，能储存检索客户、产品、设备、标准等各类信息。在系统开发设计过程中，统一建模语言（UML）作为一种强大的图形化建模语言，通过视图的形式将各功能模块之间的联系进行描述，尤其在软件开发初期的架构设计，需要明确规范各模块间的接口、数据库、数据结构，以及后续的系统维护等，在有完善的软件总体架构基础上，程序员将各模块编写代码生成可执行的软件系统，避免规划不周而造成的重复劳动。

UML是基于面向对象的设计方法，提供了多种不同的视图，包括用例图、类图、对象图、状态图、顺序图等，使用面向对象语言如java、C++、C#等实现系统开发。

4.1 系统功能模块

系统功能模块反映了系统的功能及各功能之间的关系，3D打印服务平台主要涉及客户提交订单后的相关资料及加工费管理，各类订单的分类管理，以及为完成订单所涉及的建模、加工、后处理等设备管理，其主要功能模块如图1所示。

UML用例模型用来描述系统所具备的功能，其基本组成部分有用例、角色和系统。3D打印平台根据系统功能，主要角色为客户和系统管理人员，因此主要包括客户用例图、管理人员用例图等，用例图中涉及客户信息、订单信息、设备信息等，对不同角色进行这些信息的操作拥有不同的权限，以完成各自需要的工作。以客户角色为例，其用例图如图2所示。

4.3 类图

类图是描述系统中各对象之间的静态结构关系，各对象所具有的属性和这些属性的当前值，以及对这些对象进行操作的方法和事件。类图分为数据访问层、业务层等，数据访问层描述了数据库中各类之间的关系，对于3D打印平台中的主要对象涉及客户信息、订单信息、模型文件、打印参数、设备信息等。业务层类图涉及业务层各类之间的关系，主要有登录系统实体、注册实体、客户管理、打印申请实体、查询订单信息实体类等，3D打印系统主要类图结构如图3所示。

4.4 顺序图

用例图和类图描述的是系统的静态结构，对象之间如何交互来实现系统行为可用顺序图来表达，顺序图按时间顺序表示用例中行为的顺序，表达的是一个动态过程。

3D打印系统平台中与订单相关的事件流和顺序圖主要反映从客户下订单，管理人员接到订单后完成订单要求的打印任务并最终交付客户的整个流程，具体如图4所示。

5 结束语

用UML进行3D打印平台的架构设计，可清楚表达对象之间的相互关系，使得软件结构简单明了，可避免系统局部功能变更而重复编写代码带来的不稳定性，对整个系统进行可视化的建模，为后续编写代码实现完整的系统平台提供依据，确保更快更好地创建满足需求的、可扩展的应用系统。

参考文献：

[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] 吴田俊，张祥林，章万乘，等.基于挤出沉积技术的多喷头3D打印机研制[J].机电工程，2020，37（8）：921-925.

[4] 干胜.三维打印云工厂设计与任务调度研究[D].杭州：浙江大学，2019.

[5] 叶文丹.基于SLA技术的3D打印机控制软件系统设计与实现[D].武汉：华中科技大学，2015.

【通联编辑：谢媛媛】