La impresión 3D, considerada la tecnología de fabricación aditiva más popular, está encontrando muchas aplicaciones en varios sectores industriales. Junto con el aumento del número de sus aplicaciones industriales, la reducción de su consumo de material y el aumento de la resistencia de los objetos impresos en 3D se han convertido en un tema importante. En este documento, introducimos estructuras reforzadas unidireccional y bidireccionalmente en la impresión 3D para aumentar la resistencia y rigidez de los objetos impresos en 3D y reducir su consumo de material. Para maximizar las ventajas de tales estructuras reforzadas, investigamos el análisis de elementos finitos, especialmente para casos generales de refuerzos en posiciones y direcciones arbitrarias, y realizamos un diseño de optimización para minimizar el volumen total de las estructuras reforzadas. Se presentan muchos ejemplos para demostrar la efectividad del análisis de elementos finitos propuesto y el diseño de optimización, así como reducciones significativas en los costos de material y las tensiones en los objetos impresos en 3D reforzados con refuerzos unidireccionales y bidireccionales.