【实验技术成果】材料成形(消失模铸造/冲压)虚拟仿真实验的研发和应用
《材料精密成形综合实验》是材料控制成型专业的核心课程，是培养该专业学生动手能力、实践能力、创新能力的重要课程之一。但是该课程中“消失模铸造”与“冲压成形”是典型的“不敢做、做不了、做不起”的项目。课程组响应教育部“建设虚拟仿真实验项目”的号召，将这些实验项目内容，开发成虚拟仿真系统。实现了虚实结合、线上线下结合的个性化、智能化实验教学新模式。目前国内市场上尚无该类虚拟系统出售，同类高等院校中也无此类虚拟教学项目开展。
一、成果的意义
拓展了实验内容、实验空间、实验时间的维度，且避免了实验隐患。解决了现有相关实验的内容不足、设备不足、观察手段有限等问题；同时消除了实验过程中的高温、高压、高污染等安全隐患，还节约了空间、设备、耗材的等开销。
提升了学生对抽象知识的领悟，提高了教学水平。系统中的设备、环境仿真度高，有身临其境效果，比现场实验更有助于认识设备的内部结构和工作原理。
可虚实结合使用，亦可独立开课使用。系统的功能在设计上，遵循了“教与学”的规律，实验教学内容完整，交互操作多；系统包含预习、实验操作、考核三个完整模块，利用该实验系统，可以完成全部实验教学环节，并达到事半功倍的效果。
二、成果的主要内容
1. 消失模铸造虚拟仿真实验系统
该系统按照实验教学的模式数字化了整个消失模铸造的工艺流程，包含“泡沫塑料准备、泡沫预发熟化、发泡成型、开模取样、白模烘干、泡沫切割、浇道粘接、配料涂料、填砂造型、浇注及凝固、铸件成型、金相检测”等。在预习和操作模块，实验者沉浸在虚拟环境中，可任意选择实验流程或设备进行预习或操作，与虚拟设备进行交互完成学习任务；在实验报告模块，系统随机为学生生成考核试卷，学生在规定的时间内完成考核内容，系统会自动批改并给出考核成绩。
图1 软件部分功能展示
图2 虚拟实验环境展示
2. 冲压虚拟仿真实验
结合三维建模和虚拟仿真技术，通过Unity3D虚拟现实引擎将环境、冲床、模具等构建三维冲压实验场景。通过该系统，学生能充分了解冲压设备（模具）的内部结构、理解实验原理、实验过程，完成冲压实验内容。该系统也可作为课前预习、课后复习工具。
图3 虚拟实验过程展示
三、成果的应用情况和相关产出
1． 成果应用情况
本成果可虚实结合使用，又可单独开课完成实验教学内容；性能稳定可靠，满足实验教学要求，技术先进。服务于材料成型及控制专业的本科生和材料工程硕士生，已完成约6000人时的实验教学，得到师生的好评。
图4 使用成果上课图
2. 成果的相关产出
“消失模铸造虚拟仿真实验”评为湖北高校首批省级虚拟仿真实验项目；获得软件授权2项；共发表相关论文5篇，在权威期刊发表相关论文3篇。该成果获2024年华中科技大学第十三届实验技术成果二等奖。
图5 相关成果
作者单位：材料科学与工程学院
撰稿：范淑媛
审核：金俊松、廖敦明
