一站式3D打印云服務(wù)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

封朝永 羅宇強(qiáng) 賈冰慧 張智勇 楊忠誠 蔡俊濤 劉雪芳 李康業(yè)

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一站式3D打印云服務(wù)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

封朝永 羅宇強(qiáng) 賈冰慧 張智勇 楊忠誠 蔡俊濤 劉雪芳 李康業(yè)

（廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院）

為滿足工業(yè)領(lǐng)域3D打印從設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)到交付快速迭代的需求，基于Spring-boot、Spring-data-jpa、Thymeleaf集成技術(shù)框架，設(shè)計(jì)集3D打印、工業(yè)設(shè)計(jì)、3D掃描、模具制造等業(yè)務(wù)于一體的一站式云服務(wù)平臺，助力用戶實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速迭代與小批量生產(chǎn)。

3D打印；一站式服務(wù)；云平臺；工業(yè)設(shè)計(jì)；3D掃描；模具制造

0 引言

隨著3D打印技術(shù)與商業(yè)模式的成熟[1]，3D打印的商業(yè)價值正在被不斷挖掘[2]。同時互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等高新技術(shù)的深入應(yīng)用為3D打印提升生產(chǎn)效能、優(yōu)化運(yùn)營模式和降低制造銷售成本等提供了更加科學(xué)、有效的手段[3]。隨著消費(fèi)升級、智能制造趨勢的不斷發(fā)展[4]，各類型快速獲取和響應(yīng)用戶的3D打印個性化需求網(wǎng)絡(luò)平臺不斷涌現(xiàn)[5]，滿足了用戶個性化產(chǎn)品需求。

與傳統(tǒng)工業(yè)制造技術(shù)相比，3D打印幾乎能夠快速、便捷地打印制造任意形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，從而大幅度降低對復(fù)雜制造工藝、設(shè)備、技術(shù)和人才的依賴性。各類新型材料的研發(fā)與應(yīng)用，突破了3D打印在制造方式和成本上的限制，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定制化提供了一種快速、便捷、高效的實(shí)現(xiàn)手段和強(qiáng)有力的技術(shù)支撐[6]。云制造通過互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺對外提供服務(wù)，企業(yè)通過云平臺完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、采購和營銷等環(huán)節(jié)，從而提高企業(yè)資源利用效率。3D打印技術(shù)和云制造相結(jié)合，使得3D打印技術(shù)通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化滿足按需定制、共享服務(wù)的需求，突破時間、空間的限制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)制造服務(wù)，產(chǎn)品制造更加高效、智能化和個性化[7]。近年來，國內(nèi)外一些3D打印企業(yè)以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)打造3D打印云制造服務(wù)平臺，主要模式是通過共享3D打印專業(yè)化設(shè)備，使定制想法通過模型文件快速打印為成品或在平臺上展示、銷售創(chuàng)意3D打印成品。

3D打印云服務(wù)平臺的涌現(xiàn)為大規(guī)模定制化產(chǎn)品制造提供了技術(shù)支撐。一方面，人們的個性化需求能夠通過云服務(wù)平臺進(jìn)行表達(dá)，獲得快速響應(yīng)并被滿足；另一方面，分散的3D打印設(shè)備資源通過互聯(lián)網(wǎng)共享的方式匯集在平臺上統(tǒng)一在線管理，從而形成一個廣域、便捷的定制化實(shí)現(xiàn)環(huán)境。然而，當(dāng)前主流的3D打印平臺僅滿足將用戶提交的模型文件進(jìn)行加工制造或售賣其創(chuàng)意設(shè)計(jì)的打印成品。若用戶無法提供3D打印所需的模型文件，只有存在于腦海里的設(shè)計(jì)創(chuàng)意或僅提供實(shí)物參照物，服務(wù)商往往無能為力。如何滿足用戶從前期的創(chuàng)意設(shè)計(jì)或?qū)嵨锱R摹優(yōu)化再造、生產(chǎn)制造到小批量生產(chǎn)的全流程、一站式的快速生產(chǎn)迭代，打通制造生態(tài)鏈的上下游服務(wù)，更好地服務(wù)用戶是本文研究和解決的關(guān)鍵問題。

本文采用SSH（Spring-boot、Spring-data-jpa、Thymeleaf）框架與軟件分層思想，實(shí)現(xiàn)集設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)和銷售于一體的一站式3D打印云服務(wù)平臺。

1 3D打印一站式服務(wù)業(yè)務(wù)分析

3D打印一站式服務(wù)可實(shí)現(xiàn)3D掃描/建模、工業(yè)設(shè)計(jì)、3D打印、模具設(shè)計(jì)制造等功能，打造3D打印產(chǎn)品制造服務(wù)生態(tài)閉環(huán)鏈，滿足產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)、快速打樣和模具設(shè)計(jì)制造的需求。一站式3D打印業(yè)務(wù)邏輯如圖1所示，其核心業(yè)務(wù)包括：

圖1 一站式3D打印業(yè)務(wù)邏輯

1） 3D打印，用戶提供3D打印模型文件，利用高精度專業(yè)化設(shè)備與后處理技術(shù)將其打印成特定材料成品；

2）工業(yè)設(shè)計(jì)，根據(jù)用戶的需求進(jìn)行定制化工業(yè)設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)成果轉(zhuǎn)化成3D打印成品；

3） 3D掃描，包括實(shí)物掃描和人像掃描，利用3D掃描儀對實(shí)物或人像掃描后進(jìn)行數(shù)字化重建，并轉(zhuǎn)化成3D打印模型文件，通過3D打印復(fù)制為成品；

4）照片建模，通過相機(jī)等拍攝設(shè)備采集的多角度二維照片，經(jīng)高性能計(jì)算機(jī)集群進(jìn)行圖形圖像處理與三維計(jì)算重構(gòu)，合成逼真的三維模型，并通過3D打印將建模文件打印出來，做到所見即所得；

5）模具制造，以用戶提供的產(chǎn)品模型文件打印手板，以此設(shè)計(jì)模具模型文件，完成模具制造并交付用戶，用于大批量生產(chǎn)。

本文提出的一站式3D打印服務(wù)，不僅包含3D打印業(yè)務(wù)，還可根據(jù)用戶產(chǎn)品所處研發(fā)階段提供以3D打印為核心的一站式服務(wù)與系統(tǒng)化解決方案，幫助用戶實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速迭代。

2 云服務(wù)平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能結(jié)構(gòu)

一站式3D打印云服務(wù)平臺功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括云平臺網(wǎng)站（PC端）與微信小程序（移動端）以及后臺管理系統(tǒng)。

圖2 一站式3D打印云服務(wù)平臺功能結(jié)構(gòu)

PC端云平臺網(wǎng)站與移動端微信小程序主要為互聯(lián)網(wǎng)用戶（含個人用戶與企業(yè)用戶）提供一站式設(shè)計(jì)、制造與服務(wù)，主要包括如下功能模塊：

1）在線3D打印，用戶上傳模型文件，設(shè)置打印參數(shù)，錄入需求詳細(xì)信息，提交打印需求；一鍵確認(rèn)需求與報(bào)價信息，在線支付訂單，查看訂單的生產(chǎn)交付信息；系統(tǒng)推薦模具制造業(yè)務(wù)，用戶選擇是否以打印成品為手板提交模具設(shè)計(jì)制造需求；

2）工業(yè)設(shè)計(jì)，用戶錄入設(shè)計(jì)產(chǎn)品名稱、基本情況、功能、用途、尺寸、風(fēng)格和參考案例等信息，提交初步設(shè)計(jì)需求；確認(rèn)設(shè)計(jì)需求和報(bào)價，在線支付定金和尾款，獲取設(shè)計(jì)成果，可選擇以設(shè)計(jì)成果為模型，在線3D打印；

3）3D實(shí)物掃描，上傳實(shí)物照片，錄入實(shí)物參數(shù)規(guī)格與掃描需求；現(xiàn)場掃描后，用戶確認(rèn)實(shí)物掃描需求與報(bào)價，支付訂單，獲取實(shí)物掃描模型文件，可選擇以該掃描文件為模型文件打印成品，或通過工業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化；

4）3D人像掃描，用戶選擇掃描人像、掃描類型和服務(wù)類型；掃描后，確認(rèn)需求與報(bào)價，支付訂單，獲取人像掃描文件或人像掃描打印成品；根據(jù)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)推薦信息，提交照片建模等業(yè)務(wù)需求；

5）3D照片建模，用戶上傳若干滿足條件的照片，錄入建模主題，選擇建模精度，提交建模需求；通過高性能計(jì)算集群合成模型文件，用戶瀏覽模型，在線支付，獲得該合成模型文件，或?qū)⒑铣赡Ｐ痛蛴槌善罚?/p>

6）模具設(shè)計(jì)制造，用戶錄入模具、手板等信息，選擇模具制造方式，提交制造需求；確認(rèn)需求與報(bào)價，支付訂單，查看訂單生產(chǎn)、交付情況；

7）需求訂單管理，對該用戶提交的業(yè)務(wù)需求與訂單集中統(tǒng)一管理；

8）用戶中心，對用戶個人信息的管理維護(hù)，包括修改用戶密碼、手機(jī)號碼等。

后臺管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對上述業(yè)務(wù)與平臺的管理維護(hù)，主要的功能模塊包括：個人工作臺、需求管理、訂單管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、文件管理、價格方案、會員管理和系統(tǒng)管理等。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)開發(fā)采用MVC軟件設(shè)計(jì)框架，將表示邏輯、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)邏輯相分離，以提升系統(tǒng)的并行操作和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算能力，優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。服務(wù)器端采用Springboot、Spring-data-jpa、Thymeleaf集成框架進(jìn)行開發(fā)，前端采用Bootstrap、Jquery、Ajax、Echart集成框架。前端展現(xiàn)層主要為瀏覽器和Web服務(wù)器集群，支持IE、火狐、google等瀏覽器；Web服務(wù)器主要采用tomcat，服務(wù)組件層為java服務(wù)器集群，數(shù)據(jù)存儲層采用分庫設(shè)計(jì)。運(yùn)用上述系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)能夠降低開發(fā)難度、成本和組件的耦合度，增強(qiáng)軟件的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示。

圖3 前臺系統(tǒng)（云平臺網(wǎng)站與微信小程序）技術(shù)架構(gòu)

圖4 后臺管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

表現(xiàn)層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶交互和數(shù)據(jù)表示，提供數(shù)據(jù)綁定和請求的控制和分發(fā)功能。該層采用RIA技術(shù)交互展現(xiàn)方式，利用B/S模式的瘦客戶端，通過Jsp+Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)RIA；利用MARS UI提供良好的用戶交互式體驗(yàn)；通過HTML與CSS實(shí)現(xiàn)頁面內(nèi)容的渲染、顯示；使用Java Script 腳本語言為Web應(yīng)用添加動態(tài)功能，包括：運(yùn)用JQuery簡化Java Script使用，利用Ajax完成用戶前臺與Web后臺管理系統(tǒng)之間的異步數(shù)據(jù)交互。

控制層管理業(yè)務(wù)組件的裝配和調(diào)用，使用SpringBoot框架能夠簡化大量配置，便于快速建站以及跨平臺部署?？刂茖涌色@取前臺發(fā)送來的請求和數(shù)據(jù)，并判斷該請求所需調(diào)用的服務(wù)；通過對Service服務(wù)的調(diào)用執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯，并將業(yè)務(wù)邏輯處理結(jié)果通過實(shí)體對象與數(shù)據(jù)庫交互。在控制層中，通過使用注解配置實(shí)現(xiàn)地址映射，注解實(shí)現(xiàn)依賴注入，有效組織中間層對象。

業(yè)務(wù)層主要由Service組成，負(fù)責(zé)系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的執(zhí)行，同時對外提供WebService服務(wù)。采用組件化開發(fā)方法，便于系統(tǒng)功能的開發(fā)、代碼重用和管理。系統(tǒng)使用Spring AOP事務(wù)管理機(jī)制，以業(yè)務(wù)組件的統(tǒng)一訪問控制和生命周期管理容器的方式進(jìn)行管理，避免業(yè)務(wù)代碼與數(shù)據(jù)層、表現(xiàn)層耦合，同時提供業(yè)務(wù)流程定義和事務(wù)管理機(jī)制。提供對數(shù)據(jù)驗(yàn)證的支持，保證通過WebService和BO的數(shù)據(jù)的正確性，與持久層之間使用Entity或DTO傳遞數(shù)據(jù)。

持久層主要用來實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫之間的交互，獲取業(yè)務(wù)層發(fā)來的數(shù)據(jù)，完成與數(shù)據(jù)庫之間的連接，對數(shù)據(jù)庫執(zhí)行相關(guān)操作。云平臺采用持久化中間件等方式對數(shù)據(jù)、服務(wù)、流程邏輯進(jìn)行持久化存儲，對存儲在數(shù)據(jù)庫中的業(yè)務(wù)對象提供編程接口，執(zhí)行相關(guān)操作，如讀、寫或修改一個或多個持久性數(shù)據(jù)。

2.3 技術(shù)體系

平臺開發(fā)采用前后端分離模式，前后端技術(shù)體系如圖5所示。

1）前端技術(shù)：jquery+Ajax實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、layer+Bootstrap設(shè)計(jì)后臺界面、Webuploader實(shí)現(xiàn)上傳功能，echarts插件實(shí)現(xiàn)報(bào)表統(tǒng)計(jì)；

2）后端技術(shù)：采用Spring-boot微服務(wù)架構(gòu)與SpringMVC設(shè)計(jì)框架，使用JPA為應(yīng)用添加持久層，數(shù)據(jù)存儲采用MYSQL數(shù)據(jù)庫，緩存使用Ehcache緩存框架，F(xiàn)reemarker用于后臺系統(tǒng)頁面渲染引擎、Thymeleaf用于前臺系統(tǒng)頁面渲染。

2.4 物理結(jié)構(gòu)

平臺物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5 平臺技術(shù)體系

圖6 平臺物理結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用分布式集群架構(gòu)方式部署，構(gòu)建服務(wù)器集群，將所有應(yīng)用進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)部署。通過前端的負(fù)載均衡器實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)分發(fā)和負(fù)載均衡，以數(shù)據(jù)分流的方式將不同應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)放到不同的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上。在該部署方案中，將數(shù)據(jù)拆分放置于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和NFS文件系統(tǒng)，這樣業(yè)務(wù)系統(tǒng)只訪問業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，文件讀寫操作只訪問文件系統(tǒng)服務(wù)器，減少相互資源爭用，從而有利于性能的整體提升。該架構(gòu)具備良好的可擴(kuò)展性，能夠支撐橫向擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，以提高系統(tǒng)性能。在技術(shù)上，物理架構(gòu)的設(shè)計(jì)支持云應(yīng)用的彈性擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)支撐云應(yīng)用的虛擬機(jī)實(shí)例個數(shù)的動態(tài)增加或者減少，即在負(fù)載較高時啟動較多的實(shí)例，負(fù)載較低時停止一些實(shí)例。彈性擴(kuò)展為云平臺應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了真正意義上的資源按需分配。

3 典型應(yīng)用

易打網(wǎng)（www.3dyida.com）是基于本文所闡述的理念與平臺體系架構(gòu)所研發(fā)的工業(yè)級、一站式3D打印云服務(wù)平臺，易打網(wǎng)部分界面如圖7所示。

易打網(wǎng)PC端以B/S方式遠(yuǎn)程運(yùn)行，不僅將傳統(tǒng)的線下3D打印服務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上服務(wù)，還提供多元化服務(wù)。用戶登錄網(wǎng)站提交其設(shè)計(jì)制造需求；各業(yè)務(wù)人員在后臺業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)獲取其需求；用戶再與業(yè)務(wù)人員進(jìn)行溝通確認(rèn)，提交并支付訂單后，由線下3D打印、工業(yè)設(shè)計(jì)、3D掃描、照片建模以及模具制造等業(yè)務(wù)專屬團(tuán)隊(duì)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、打樣、制造與服務(wù)等程序。

微信小程序基于微信海量用戶群與小程序應(yīng)用開發(fā)框架，提供移動化的解決方案，開發(fā)易打網(wǎng)微信小程序。通過易打網(wǎng)網(wǎng)站與易打網(wǎng)微信小程序，全方位多角度觸達(dá)用戶，形成產(chǎn)品體系與生態(tài)閉環(huán)。微信小程序的功能結(jié)構(gòu)與易打網(wǎng)（PC端）基本一致，在此不累述。

4 結(jié)論

3D打印云服務(wù)平臺的建設(shè)，能夠進(jìn)一步推動生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，推動中小型生產(chǎn)制造企業(yè)新產(chǎn)品的研究與開發(fā)，推動新產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)、迭代和生產(chǎn)。本文構(gòu)造基于Spring-boot、Spring-data-jpa、Thymeleaf集成框架的一站式3D打印云服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)對3D打印、工業(yè)設(shè)計(jì)、實(shí)物掃描、照片建模、人像掃描以及模具制造等核心業(yè)務(wù)的定制化業(yè)務(wù)，以電商模式進(jìn)行全流程信息化管控，打造3D打印一站式的閉環(huán)服務(wù)體系。

[1] 張學(xué)軍,唐思熠,肇恒躍,等.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J].材料工程,2016,44(2):122-128.

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Design and Implementation of One-Stop 3D Printing Cloud Service Platform

Feng Chaoyong Luo Yuqiang Jia Binghui Zhang Zhiyong Yang Zhongcheng Cai Juntao Liu Xuefang Li Kangye

(Guangzhou Research Institute of O-M-E Technology)

To meet the need for fast iteration response in design, manufacturing, service and delivery for 3D printing industrial, we developed a one-stop 3D Printing cloud manufacturing service platform based on Spring-boot, Spring-data-jpa and Thymeleaf technology architecture, integrating 3D printing, industrial design, 3D scanning, mold manufacturing and other services to help people to achieve rapid iteration and small batch production of user products.

3D Printing; One-Stop Service; Cloud Platform; Industrial Design; 3D Scanning; Mold Manufacturing

封朝永，男，1987年生，碩士研究生，主要研究方向：云計(jì)算技術(shù)及應(yīng)用研究。E-mail: feng123th@163.com

羅宇強(qiáng)（通信作者），男，1975年生，高級工程師，主要研究方向：云計(jì)算技術(shù)及應(yīng)用研究。E-mail: luolyq@163.com

廣東省公益研究與能力建設(shè)項(xiàng)目（2015A030401004，2015A010104002）；廣東省工程技術(shù)研究中心開發(fā)區(qū)配套項(xiàng)目（2016S-P130）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016B040401002）；廣東省協(xié)同創(chuàng)新與平臺環(huán)境建設(shè)項(xiàng)目（2015A040404007）；廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目（201508030010）。