基于云制造与3D打印的阀门服务研究

0 引言

    云制造是通过网络提供服务的智能制造平台，集合企业的制造能力和制造水平，使企业通过平台即可完成产品的设计、工艺、制造、采购、营销等各个环节，提高了企业的资源利用效率。基于云制造服务的研究已经有很多，包括产品的协同设计方法、协同制造模式、云制造关键技术实现、中小企业云制造服务模式研究等，这也是实现阀门营销的前提。此外，基于云制造的服务平台研究已在企业中获得应用，包括集团企业云制造、模具云制造、航天云制造服务等。而3D打印技术与云制造相结合，将会充分发挥3D打印技术的数字化、网络化、定制化的特点，使得3D打印也像云一样遍布各地实现网络化制造服务，产品制造变得更加智能、高效和个性化。

1 煤化工行业阀门的营销基础

    在阀门传统营销模式中，往往以市场为导向，对用户的个性化需求、产品多样化难以满足，企业的营销往往是以产定销。传统的阀门营销过程：概念产品一样品制作一产品试制一产品营销。

    传统的阀门营销模式概括如下：1）代理营销模式（生产商→代理商→用户）；2）分销营销模式（生产商→分销商→用户）；3）直营模式（生产商→用户）。

    互联网的发展为企业阀门产品营销带来了新的思路，中国阀门网、阿里巴巴等网络平台已入驻多家阀门品牌企业，成为新的阀门营销服务平台。因此，在分析了云制造与3D打印在现代煤化工阀门中营销的关系（如图1所示）后，以当前网络化营销为基础，提出了云制造环境下3D打印支撑的阀门营销：以满足客户需求为核心，建立以整合各阀门制造企业、知名院校、科研机构、物流配送、原材料供应等的云阀门营销服务平台，为客户提供涵盖产品设计、制造、生产加工、配送、售后为一体的集成化营销方案。在产品设计研发阶段，以3D打印技术为支撑，为设计者创新设计环境；在制造阶段，利用3D打印快速制造样品原型，用来仿真实验，减少设计带来的误差。同时，整合服务平台中的资源，实现企业之间的协同设计，降低阀门的营销风险和成本，大大缩短其投放市场的时间和提高竞争能力，最终满足客户的需求，也即在现代煤化工行业中的应用。

图1 云制造与3D打印在现代煤化工阀门营销中的关系

2 云制造环境下3D打印支撑的阀门营销

    2.1 3D打印支撑的阀门营销

    良好的产品概念设计、原型制作、功能验证、产品评审是阀门质量的保证，是满足客户需求的重要因素。3D打印的出现，将阀门的设计与制造结合，实现产品制造的前移，阀门产品的设计与制造不再分开。设计与制造的结合也即CAD实体建模和3D打印能力相结合对于阀门产品的高效设计和开发是大有帮助的。利用3D打印技术，企业研发人员可以更专注于产品创新，进而提升市场竞争力。

    根据3D打印在阀门行业中的应用分析，分析了3D打印支撑阀门营销模式的架构，如图2所示。

图2 3D打印支撑的阀门营销模式架构图

    2.2 云制造环境下的阀门营销模式分析

    营销模式是企业生产经营过程中的重要环节。在现代市场营销快速发展的前提下，选择和建立适合的阀门营销模式能够有效地提高阀门生产企业产品市场占有率和盈利水平。云制造环境下的营销模式是在借鉴现有网络化营销模式的基础上提出来的，可实现分散资源集中化共享以及集中资源分散化服务。

    云制造环境下的阀门营销模式由阀门云制造服务用户层(Valve Cloud Manufacturer Service Consumer，VCMSC)、云阀门营销服务平台(Cloud Valve Marketing Service Platform，CVMSP)和阀门云制造服务企业联盟层(Valve Cloud Manufacturer Service Business，VCMSB)组成。如图3所示，利用瓦联网将各个中小阀门企业连接到阀门云制造营销服务平台上。VCMSC可以向阀门云制造营销服务平台提出关于阀门设计、制造、试验、仿真、采购、维护等业务需求，由平台在资源库中为客户搜索并匹配产品资源，向用户提供所需的产品服务；VCMSB由各个中小阀门企业的产品原材料供应、设计、制造、生产、物流配送等资源共同构成的涵盖阀门全生命周期的资源池。CVMSP在接收到用户层提出的业务需求后，便根据具体的阀门需求，将其智能地分配给各个相关的企业，由各个企业综合、协同来完成任务。

图3 云制造环境下的阀门营销模式框图

    2.3 3D打印支撑的阀门云制造营销模式探索

    基于云制造环境下3D打印支撑的阀门营销模式而建立的云阀门营销服务平台，其服务对象是以煤化工为主的行业性客户，阀门的需求量大，阀门的性能要求也各有不同。阀门产品的云制造营销模式支持阀门的网上销售与定购，利用定制产品库，可满足客户的个性化需求，实现阀门产品的网络化设计与定制，在满足客户的个性化需求的同时，丰富企业的设计资源，提高企业的阀门产品创新能力。该模式以是以当前高度发展的瓦联网环境为依托，将分散的中小企业联合，形成分布式的网络系统，并实现自动管理和控制，从而构建出3D打印支撑的阀门云制造营销模式，如图4所示。

图4 3D打印支撑的云阀门营销模式

    其中云阀门营销服务平台是信息交瓦、资源共享的平台，充分利用云计算等先进科技手段，给企业带来低门槛、高技术的优惠，把各阀门企业的制造资源、服务资源等放在云端，突破企业在资源环境上的束缚，连接企业上下游在内的产业链，实现阀门产业链的对接，真正为各企业带来商业价值。用户可以方便地获取资源、利用资源，并根据用户需求，迅速推出新的产品、实现柔性快速交货，同时也为用户提供系统化、集成的产品解决方案。

    2.3.1 设计服务层

    设计服务层服务于用户的阀门设计需求，为用户提供阀门的设计信息，包括阀门的设计参数、二维工程图纸（零件图+装配图）、三维模型等。根据用户对阀门型号、公称通径、公称压力、阀作用型式、执行机构、流体状态、流体名称等设计要求，由设计人员将设计要求输入智能选型系统，获得所需阀门的外形尺寸；阀座直径、法兰型式、阀体、阀芯、阀杆等数据信息直接由选型系统选定。设计人员再以SolidWorks三维建模软件建立阀门的三维模型，利用CAE分析工具对建立的阀门三维模型进行受力分析，并根据受载情况下的应力、应变等情况进一步优化阀门结构。最后将优化后的三维模型以STL格式导出，借助3D打印机快速获得阀门样品模型，以此来验证是否满足用户设计要求。通过计算机辅助设计软件及3D打印等先进设计工具的融合，实现产品零部件参数化设计、二维工程图绘制、三维样品模型打印，提供从工业设计到仿真验证再到实物验证的设计服务。

    2.3.2 制造服务层

    制造服务层服务于用户的阀门制造需求，根据已有的阀门设计信息，对用户所需的阀门进行生产加工。根据企业的现有生产设备、生产能力，按照阀门生产计划，确定最优资源服务提供者，由多家企业实现阀门的协同制造，从而将企业的能力资源、硬件资源、软件资源有效利用，提升资源的使用价值。制造服务层同时提供生产过程管理（在制品管理）所需的生产计划/物料计划、车间调度与排产、制造执行管理及在制品物流管理服务，帮助企业实现生产过程的精细化控制，提高生产效率。

    2.3.3 营销服务层

    营销服务层服务于用户的阀门采购需求，为用户提供包括设计服务、制造服务、营销服务在内的服务。营销服务层涵盖产品设计、研发、制造、销售等整个生命周期，为用户提供集成化的产品解决方案。提供成套产品采办服务、协同办公服务、产品选型服务、产品支付服务等，将产品的售前、售中、售后信息及时有效的传递给用户。物流输送服务保障了生产过程中的原材料供应、外协件采购供应及最终成品的运输。

    云阀门营销服务平台提供从设计到制造再到营销的服务，实现了设计为服务(Design as a Service)、制造为服务(Manufacturer as a Service)、营销为服务(Marketing as a Service)，建立了云阀门服务关系图，如图5所示。

图5 云阀门服务关系图

    2.4 云阀门营销模式的特点

    云阀门营销模式，结合3D打印与云制造可为用户提供一种产品设计的推介服务（相当于设计技术和新产品营销），把设计单位的产品设计直接以图形实物形态传递到生产企业，可为生产企业降低研发成本，同时加速研究成果转化力度。同时为用户提供设计服务、制造服务、营销服务，满足用户的多方面阀门需求。云阀门营销模式与其他营销模式比较如表1所示。

表1 云阀门营销模式与其它营销模式比较

3 云阀门营销模式在阀门企业中的应用分析

    以应用于水回收系统的灰水或黑水控制的灰水偏心旋转阀的设计、制造、配送过程为例来说明云制造环境下3D打印支撑的阀门云制造营销服务平台的工作流程，如图6所示。

图6 阀门云营销服务平台工作流程图

    以某公司为例，其下属单位需要采购一批阀门设备，其中包括灰水偏心旋转阀的定制。

    1)用户向阀门云制造营销服务平台发布灰水偏心旋转阀门的设计需求，平台接收到用户的请求后，对平台中汇聚的各类资源进行智能匹配、分析，最终由阀门制造公司4与用户签署合同，并与高等院校1、3D打印中心2、科研机构3、钢材厂5、供应商6、物流公司7合作来完成。

    2)阀门制造公司4接收到平台分配的任务后，根据用户提供的灰水偏心旋转阀门数据表，明确该阀门产品的具体要求。在阀门云制造营销服务平台的协同下与高等院校1、3D打印中心2、科研机构3共同完成阀门的设计工作。高等院校1根据用户的开发理念和业务需求，结合阀门的结构要求，将阀门分成阀体、阀盖（上阀盖、下阀盖）、阀瓣、阀杆、支架等部件，利用平台上的SolidWorks产品三维设计软件，对各部件建立三维模型、应力分析，完成阀门整体的转配图；再由3D打印中心2打印出实体原型，并与设计人员、用户交流沟通，共同验证阀门各个部件设计的合理性，验证产品样品是否符合初步要求并进行测试。得到用户认可后，由科研机构3在高等院校1的零部件图纸与3D打印中心3的样品模型的基础上进行工艺设计，包括工艺路线的拟定、加工工序的确定、具体的工序内容、绘制工序图等，由此完成阀门零部件的工艺设计。此外，此次阀门零部件的设计数据、工艺卡片信息筹会存储在平台中的数据库中，方便后续的查验。

    3)阀门制造公司4接到高等院校1的图纸和科研机构2的工艺卡片后，配以钢材厂5提供的原材料，在车床、铣床、镗床、钻床等机器设备上进行精加工，完成阀门零部件的制造；对由供应商6提供的所需的外协件和标准件（螺母、螺栓、弹簧、垫片、填料等）检测无误后，由制造公司完成阀门的整体装配、调试，由物流公司7负责产品的运输。至此，完成了此次任务，为用户提供了设计、制造、营销在内的阀门服务。此外，用户通过生产计划系统、物料输送系统等实时了解阀门的生产情况、计划进度。

    通过案例分析可知：借助于3D打印与云制造，用户角色发生变化，从消费者转变为阀门研发设计中的生产者；各企业的协同参与，加快了阀门的设计、研发、制造等过程，更快的实现了以用户的需求为目标的阀门以销定产、适路营销。

4 结论

    在对煤化工行业阀门的传统营销模式研究的基础上，结合阀门行业、企业及用户的需求变化，克服传统阀门营销模式的不足，实现阀门从原材料到最终成品的一体化创新服务，借助3D打印技术与云制造，提出了云制造环境下3D打印支撑的阀门营销模式。

    1)尝试性地将3D打印与云制造引入阀门行业，提出了云阀门营销服务的思想，为阀门行业提供一种新的营销思路。通过企业应用分析，表明云阀门营销模式具有整合中小企业阀门资源、提升阀门设计研发能力的效能，易于企业实现定制化生产、零库存生产。

    2)分析总结了传统阀门营销模式，引入云制造环境下3D打印支撑的阀门营销模式，是基于瓦联网营销的进一步发展，创新了阀门产品的服务模式，有利于加快企业由生产制造型向生产服务型企业的转变。

    3)从阀门用户的需求出发，归纳了阀门业应提供的设计服务、制造服务、营销服务，其他服务还有待进一步研究与完善。