一站式3D打印云服务平台的设计与实现*

封朝永 罗宇强 贾冰慧 张智勇 杨忠诚 蔡俊涛 刘雪芳 李康业



一站式3D打印云服务平台的设计与实现*

封朝永 罗宇强 贾冰慧 张智勇 杨忠诚 蔡俊涛 刘雪芳 李康业

（广州市光机电技术研究院）

为满足工业领域3D打印从设计、制造、服务到交付快速迭代的需求，基于Spring-boot、Spring-data-jpa、Thymeleaf集成技术框架，设计集3D打印、工业设计、3D扫描、模具制造等业务于一体的一站式云服务平台，助力用户实现产品快速迭代与小批量生产。

3D打印；一站式服务；云平台；工业设计；3D扫描；模具制造

0 引言

随着3D打印技术与商业模式的成熟[1]，3D打印的商业价值正在被不断挖掘[2]。同时互联网技术的不断发展，大数据、云计算等高新技术的深入应用为3D打印提升生产效能、优化运营模式和降低制造销售成本等提供了更加科学、有效的手段[3]。随着消费升级、智能制造趋势的不断发展[4]，各类型快速获取和响应用户的3D打印个性化需求网络平台不断涌现[5]，满足了用户个性化产品需求。

与传统工业制造技术相比，3D打印几乎能够快速、便捷地打印制造任意形状复杂的产品，从而大幅度降低对复杂制造工艺、设备、技术和人才的依赖性。各类新型材料的研发与应用，突破了3D打印在制造方式和成本上的限制，为实现产品定制化提供了一种快速、便捷、高效的实现手段和强有力的技术支撑[6]。云制造通过互联网服务平台对外提供服务，企业通过云平台完成产品设计、制造、采购和营销等环节，从而提高企业资源利用效率。3D打印技术和云制造相结合，使得3D打印技术通过数字化、网络化满足按需定制、共享服务的需求，突破时间、空间的限制实现网络制造服务，产品制造更加高效、智能化和个性化[7]。近年来，国内外一些3D打印企业以互联网为基础打造3D打印云制造服务平台，主要模式是通过共享3D打印专业化设备，使定制想法通过模型文件快速打印为成品或在平台上展示、销售创意3D打印成品。

3D打印云服务平台的涌现为大规模定制化产品制造提供了技术支撑。一方面，人们的个性化需求能够通过云服务平台进行表达，获得快速响应并被满足；另一方面，分散的3D打印设备资源通过互联网共享的方式汇集在平台上统一在线管理，从而形成一个广域、便捷的定制化实现环境。然而，当前主流的3D打印平台仅满足将用户提交的模型文件进行加工制造或售卖其创意设计的打印成品。若用户无法提供3D打印所需的模型文件，只有存在于脑海里的设计创意或仅提供实物参照物，服务商往往无能为力。如何满足用户从前期的创意设计或实物临摹优化再造、生产制造到小批量生产的全流程、一站式的快速生产迭代，打通制造生态链的上下游服务，更好地服务用户是本文研究和解决的关键问题。

本文采用SSH（Spring-boot、Spring-data-jpa、Thymeleaf）框架与软件分层思想，实现集设计、制造、服务和销售于一体的一站式3D打印云服务平台。

1 3D打印一站式服务业务分析

3D打印一站式服务可实现3D扫描/建模、工业设计、3D打印、模具设计制造等功能，打造3D打印产品制造服务生态闭环链，满足产品外观设计、快速打样和模具设计制造的需求。一站式3D打印业务逻辑如图1所示，其核心业务包括：

图1 一站式3D打印业务逻辑

1） 3D打印，用户提供3D打印模型文件，利用高精度专业化设备与后处理技术将其打印成特定材料成品；

2）工业设计，根据用户的需求进行定制化工业设计，将设计成果转化成3D打印成品；

3） 3D扫描，包括实物扫描和人像扫描，利用3D扫描仪对实物或人像扫描后进行数字化重建，并转化成3D打印模型文件，通过3D打印复制为成品；

4）照片建模，通过相机等拍摄设备采集的多角度二维照片，经高性能计算机集群进行图形图像处理与三维计算重构，合成逼真的三维模型，并通过3D打印将建模文件打印出来，做到所见即所得；

5）模具制造，以用户提供的产品模型文件打印手板，以此设计模具模型文件，完成模具制造并交付用户，用于大批量生产。

本文提出的一站式3D打印服务，不仅包含3D打印业务，还可根据用户产品所处研发阶段提供以3D打印为核心的一站式服务与系统化解决方案，帮助用户实现产品快速迭代。

2 云服务平台系统设计

2.1 功能结构

一站式3D打印云服务平台功能结构如图2所示，包括云平台网站（PC端）与微信小程序（移动端）以及后台管理系统。

图2 一站式3D打印云服务平台功能结构

PC端云平台网站与移动端微信小程序主要为互联网用户（含个人用户与企业用户）提供一站式设计、制造与服务，主要包括如下功能模块：

1）在线3D打印，用户上传模型文件，设置打印参数，录入需求详细信息，提交打印需求；一键确认需求与报价信息，在线支付订单，查看订单的生产交付信息；系统推荐模具制造业务，用户选择是否以打印成品为手板提交模具设计制造需求；

2）工业设计，用户录入设计产品名称、基本情况、功能、用途、尺寸、风格和参考案例等信息，提交初步设计需求；确认设计需求和报价，在线支付定金和尾款，获取设计成果，可选择以设计成果为模型，在线3D打印；

3）3D实物扫描，上传实物照片，录入实物参数规格与扫描需求；现场扫描后，用户确认实物扫描需求与报价，支付订单，获取实物扫描模型文件，可选择以该扫描文件为模型文件打印成品，或通过工业设计进一步优化；

4）3D人像扫描，用户选择扫描人像、扫描类型和服务类型；扫描后，确认需求与报价，支付订单，获取人像扫描文件或人像扫描打印成品；根据系统关联业务推荐信息，提交照片建模等业务需求；

5）3D照片建模，用户上传若干满足条件的照片，录入建模主题，选择建模精度，提交建模需求；通过高性能计算集群合成模型文件，用户浏览模型，在线支付，获得该合成模型文件，或将合成模型打印为成品；

6）模具设计制造，用户录入模具、手板等信息，选择模具制造方式，提交制造需求；确认需求与报价，支付订单，查看订单生产、交付情况；

7）需求订单管理，对该用户提交的业务需求与订单集中统一管理；

8）用户中心，对用户个人信息的管理维护，包括修改用户密码、手机号码等。

后台管理系统实现对上述业务与平台的管理维护，主要的功能模块包括：个人工作台、需求管理、订单管理、统计报表、文件管理、价格方案、会员管理和系统管理等。

2.2 系统架构

系统开发采用MVC软件设计框架，将表示逻辑、业务逻辑和数据逻辑相分离，以提升系统的并行操作和网络计算能力，优化系统的整体性能。服务器端采用Springboot、Spring-data-jpa、Thymeleaf集成框架进行开发，前端采用Bootstrap、Jquery、Ajax、Echart集成框架。前端展现层主要为浏览器和Web服务器集群，支持IE、火狐、google等浏览器；Web服务器主要采用tomcat，服务组件层为java服务器集群，数据存储层采用分库设计。运用上述系统技术架构能够降低开发难度、成本和组件的耦合度，增强软件的可维护性、可扩展性，系统架构设计如图3、图4所示。

图3 前台系统（云平台网站与微信小程序）技术架构

图4 后台管理系统技术架构

表现层实现系统与用户交互和数据表示，提供数据绑定和请求的控制和分发功能。该层采用RIA技术交互展现方式，利用B/S模式的瘦客户端，通过Jsp+Ajax技术实现RIA；利用MARS UI提供良好的用户交互式体验；通过HTML与CSS实现页面内容的渲染、显示；使用Java Script 脚本语言为Web应用添加动态功能，包括：运用JQuery简化Java Script使用，利用Ajax完成用户前台与Web后台管理系统之间的异步数据交互。

控制层管理业务组件的装配和调用，使用SpringBoot框架能够简化大量配置，便于快速建站以及跨平台部署。控制层可获取前台发送来的请求和数据，并判断该请求所需调用的服务；通过对Service服务的调用执行业务逻辑，并将业务逻辑处理结果通过实体对象与数据库交互。在控制层中，通过使用注解配置实现地址映射，注解实现依赖注入，有效组织中间层对象。

业务层主要由Service组成，负责系统业务逻辑的执行，同时对外提供WebService服务。采用组件化开发方法，便于系统功能的开发、代码重用和管理。系统使用Spring AOP事务管理机制，以业务组件的统一访问控制和生命周期管理容器的方式进行管理，避免业务代码与数据层、表现层耦合，同时提供业务流程定义和事务管理机制。提供对数据验证的支持，保证通过WebService和BO的数据的正确性，与持久层之间使用Entity或DTO传递数据。

持久层主要用来实现与数据库之间的交互，获取业务层发来的数据，完成与数据库之间的连接，对数据库执行相关操作。云平台采用持久化中间件等方式对数据、服务、流程逻辑进行持久化存储，对存储在数据库中的业务对象提供编程接口，执行相关操作，如读、写或修改一个或多个持久性数据。

2.3 技术体系

平台开发采用前后端分离模式，前后端技术体系如图5所示。

1）前端技术：jquery+Ajax实现数据交互、layer+Bootstrap设计后台界面、Webuploader实现上传功能，echarts插件实现报表统计；

2）后端技术：采用Spring-boot微服务架构与SpringMVC设计框架，使用JPA为应用添加持久层，数据存储采用MYSQL数据库，缓存使用Ehcache缓存框架，Freemarker用于后台系统页面渲染引擎、Thymeleaf用于前台系统页面渲染。

2.4 物理结构

平台物理结构设计如图6所示。

图5 平台技术体系

图6 平台物理结构

系统采用分布式集群架构方式部署，构建服务器集群，将所有应用进行多节点部署。通过前端的负载均衡器实现节点分发和负载均衡，以数据分流的方式将不同应用系统的数据放到不同的数据库服务器上。在该部署方案中，将数据拆分放置于业务数据库和NFS文件系统，这样业务系统只访问业务数据库，文件读写操作只访问文件系统服务器，减少相互资源争用，从而有利于性能的整体提升。该架构具备良好的可扩展性，能够支撑横向扩展节点，以提高系统性能。在技术上，物理架构的设计支持云应用的弹性扩展，实现支撑云应用的虚拟机实例个数的动态增加或者减少，即在负载较高时启动较多的实例，负载较低时停止一些实例。弹性扩展为云平台应用实现了真正意义上的资源按需分配。

3 典型应用

易打网（www.3dyida.com）是基于本文所阐述的理念与平台体系架构所研发的工业级、一站式3D打印云服务平台，易打网部分界面如图7所示。

易打网PC端以B/S方式远程运行，不仅将传统的线下3D打印服务转变为线上服务，还提供多元化服务。用户登录网站提交其设计制造需求；各业务人员在后台业务管理系统获取其需求；用户再与业务人员进行沟通确认，提交并支付订单后，由线下3D打印、工业设计、3D扫描、照片建模以及模具制造等业务专属团队完成产品的设计、打样、制造与服务等程序。

微信小程序基于微信海量用户群与小程序应用开发框架，提供移动化的解决方案，开发易打网微信小程序。通过易打网网站与易打网微信小程序，全方位多角度触达用户，形成产品体系与生态闭环。微信小程序的功能结构与易打网（PC端）基本一致，在此不累述。

4 结论

3D打印云服务平台的建设，能够进一步推动生产制造业的发展与进步，推动中小型生产制造企业新产品的研究与开发，推动新产品的快速设计、迭代和生产。本文构造基于Spring-boot、Spring-data-jpa、Thymeleaf集成框架的一站式3D打印云服务平台，实现对3D打印、工业设计、实物扫描、照片建模、人像扫描以及模具制造等核心业务的定制化业务，以电商模式进行全流程信息化管控，打造3D打印一站式的闭环服务体系。

[1] 张学军,唐思熠,肇恒跃,等.3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程,2016,44(2):122-128.

[2] 苏秦,杨阳.3D打印颠覆性创新应用及商业模式研究[J].科技进步与对策,2016,33(1):9-15.

[3]孟炯,郭春霞.3D打印云智能-直接制造下的商业模式创新[J].技术经济,2016,35(11):57-61,112.

[4] 姜月娟,卢秉恒,方学伟,等.基于3D打印的网络化集散制造模式研究[J].计算机集成制造系统,2016,22(6):1424-1433.

[5] 于灏.“中国制造2025”下的3D打印[J].新材料产业,2015(7):20-27.

[6] 王延庆,沈竞兴,吴海全.3D打印材料应用和研究现状[J].航空材料学报,2016,36(4):89-98.

[7] Jingeng Mai, Lin Zhang, Fei Tao, et al. Customized production based on distributed 3D printing services in cloud manufacturing[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2016,84(1-4).

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，硕士研究生，主要研究方向：云计算技术及应用研究。E-mail: feng123th@163.com

罗宇强（通信作者），男，1975年生，高级工程师，主要研究方向：云计算技术及应用研究。E-mail: luolyq@163.com

广东省公益研究与能力建设项目（2015A030401004，2015A010104002）；广东省工程技术研究中心开发区配套项目（2016S-P130）；广东省科技计划项目（2016B040401002）；广东省协同创新与平台环境建设项目（2015A040404007）；广州市产学研协同创新项目（201508030010）。