3D打印云平臺體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)分析

俞 挺 吳曉慶 戴魯科

（寧波第二技師學(xué)院，浙江寧波315000）

0 引言

隨著時代發(fā)展，制造業(yè)的生產(chǎn)模式也逐漸發(fā)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(tǒng)平臺的現(xiàn)代制造技術(shù)系統(tǒng)愈加重視，研究也愈加深入，大大推動了我國生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展與進步。而3D打印作為新時期發(fā)展應(yīng)用較為成熟的現(xiàn)代化制造技術(shù)，其與云技術(shù)系統(tǒng)結(jié)合的3D云打印平臺更是在制造業(yè)、建筑業(yè)以及醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

1 3D打印技術(shù)與云制造

1.1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)又被稱為3DP，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，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(gòu)造物體的技術(shù)，也稱為增材制造技術(shù)。3D打印技術(shù)近年來逐漸發(fā)展完善，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如模具制造、工業(yè)設(shè)計以及產(chǎn)品零件的直接打印制造等，且現(xiàn)階段的3D打印技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大的價值。尤其是2019年1月美國加州大學(xué)圣迭戈分校利用3D打印技術(shù)，模仿制造了中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的脊髓支架，實現(xiàn)了對大鼠運動功能的恢復(fù)，進一步證明了3D打印技術(shù)在仿生學(xué)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究價值。

1.2 云制造

云制造是信息技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的產(chǎn)物，是基于“制造即服務(wù)”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(tǒng)中，包含了信息技術(shù)系統(tǒng)、制造技術(shù)系統(tǒng)以及新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)，使得制造業(yè)在發(fā)達的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，能夠?qū)崿F(xiàn)對制造產(chǎn)品附加值的全面提升，并降低制造成本，實現(xiàn)全球化的制造服務(wù)。

區(qū)別于傳統(tǒng)生產(chǎn)制造理念，云制造在實際作業(yè)過程中是以減少制造資源浪費為基本目標(biāo)，借助云計算技術(shù)，以信息技術(shù)系統(tǒng)和平臺實現(xiàn)資源的充分共享。在資源共享的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出具有共享性質(zhì)的制造資源服務(wù)平臺，將社會制造資源池全面整合并連接在服務(wù)平臺之中，以實現(xiàn)生產(chǎn)制造業(yè)制造資源與服務(wù)在云計算與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的開放合作與資源共享。相較于傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造方式，云制造不再需要企業(yè)用戶投入設(shè)備與資源成本，實現(xiàn)了以公共平臺為基礎(chǔ)的制造能力與資源租賃，全面革新了制造工業(yè)的發(fā)展理念。

2 3D打印云平臺體系架構(gòu)

本文立足于3D打印技術(shù)以及云制造理念，為了進一步優(yōu)化和提升3D打印技術(shù)在云計算時代的制造能力，推動其發(fā)展，提出了一種3D打印云平臺體系架構(gòu)，以云制造平臺的多層架構(gòu)體系為參考，將3D打印云平臺體系架構(gòu)設(shè)計為用戶、應(yīng)用接口、服務(wù)資源、虛擬資源以及3D打印資源等5個系統(tǒng)架構(gòu)層次，以實現(xiàn)3D打印技術(shù)與云制造理念在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的充分融合。具體內(nèi)容如下：

第一，3D打印云平臺體系架構(gòu)的用戶層。云制造平臺作為一種交互式的制造資源應(yīng)用系統(tǒng)，在利用3D打印技術(shù)與云制造理念進行3D打印云平臺體系架構(gòu)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(xiàn)用戶與云平臺交互的關(guān)鍵。用戶能夠通過PC終端、移動設(shè)備終端等，實現(xiàn)與云平臺之間的交互，以此實現(xiàn)對3D打印云平臺系統(tǒng)的調(diào)用。

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

第三，3D打印云平臺體系架構(gòu)的服務(wù)資源層。服務(wù)資源層是3D打印云平臺的系統(tǒng)核心，是對平臺中虛擬資源以及制造資源進行系統(tǒng)管理與服務(wù)封裝的關(guān)鍵所在。3D打印云平臺的主要作用是實現(xiàn)對云服務(wù)系統(tǒng)的管理與維護，并及時更新和儲存系統(tǒng)信息，在這一過程中，服務(wù)資源層發(fā)揮著重要作用，其服務(wù)化封裝技術(shù)以虛擬資源和制造能力封裝為服務(wù)方式，以屏蔽資源自身的異構(gòu)性和復(fù)雜性，對外呈現(xiàn)統(tǒng)一的服務(wù)接口，以實現(xiàn)制造資源在云平臺環(huán)境中的調(diào)用。

第四，3D打印云平臺體系架構(gòu)的虛擬資源層。與服務(wù)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(tǒng)管理的主要功能層結(jié)構(gòu)，通過虛擬資源層的封裝管理能力，能夠?qū)⑵脚_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(gòu)的3D打印資源層。3D打印資源層是整體云平臺系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，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(chǔ)所在。

3 3D打印云平臺的關(guān)鍵技術(shù)

在本次3D打印云平臺系統(tǒng)設(shè)計中，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)主要包含了3D打印資源虛擬化技術(shù)以及3D打印服務(wù)智能匹配技術(shù)，其具體內(nèi)容如下。

3.1 3D打印云平臺的3D打印資源虛擬化技術(shù)

3D打印資源中包含了軟硬件兩種制造資源系統(tǒng)，硬件制造資源中包含了設(shè)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(gòu)中，需要使用虛擬化技術(shù)，以實現(xiàn)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(chǔ)，建立3D打印資源的描述模型，采用XML文檔構(gòu)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(jù)3D打印云平臺系統(tǒng)架構(gòu)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(jié)構(gòu)模型加以描述，其部分系統(tǒng)模型構(gòu)架如下：

3DPR={BasicInfo，F(xiàn)unctionInfo，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(yīng)用；StatusInfo為資源狀態(tài)；QoSInfo為資源服務(wù)質(zhì)量。

3.2 3D打印云平臺的服務(wù)智能匹配技術(shù)

在3D打印云平臺的實際運行中，大多以小批量、無時序性業(yè)務(wù)為主，基于此，筆者在3D打印云平臺系統(tǒng)架構(gòu)中提出了兩層算法的服務(wù)智能匹配技術(shù)方式，即初選和優(yōu)選。首先，初選層算法，以客戶的實際需求為核心，基于各服務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)和功能屬性信息，從數(shù)據(jù)庫中篩選出能完成該項任務(wù)的打印服務(wù)初選集；其次，優(yōu)化層算法，經(jīng)過初選后，以基于指標(biāo)評價熵的TOPSIS法，對成本、時間和服務(wù)質(zhì)量3個指標(biāo)進行綜合評估，組合任務(wù)評估結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 組合任務(wù)評估結(jié)構(gòu)

經(jīng)過系統(tǒng)評估后，將最優(yōu)的服務(wù)方案返回給用戶。

4 結(jié)語

3D打印云平臺系統(tǒng)的構(gòu)建對于現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展來說意義重大，是實現(xiàn)制造業(yè)云發(fā)展的關(guān)鍵。在3D打印云平臺建設(shè)中，需要對其系統(tǒng)架構(gòu)層次加以深入分析，保證其關(guān)鍵技術(shù)使用的科學(xué)性，以此推動3D打印云平臺的建設(shè)發(fā)展。