随着我国3D打印技术的发展，3D打印技术方面的课程也成为了先进制造及职能制造、材料加工类专业的重要专业课程之一。目前，我们已经设立了3D打印的选修课程，主要内容包括适合于3D打印的优化创新设计、3D打印的过程控制、3D打印装备及质量检测等关键问题。虚拟仿真实验主要在适合于3D打印的优化创新设计、3D打印的过程控制两个方面开展虚拟仿真实验教学，提高学生对于激光3D打印的认知，以及对于增材零件设计、工艺设计的理解和分析能力。

       适合于3D打印的零件优化设计和工艺过程设计是保证激光3D打印零件产品质量的关键技术。目前还没有专门的课程针对这两个方面进行理论教学，都是穿插在专门的研究项目中，结合传统的工业零件设计课程，针对工业设计理论、材料性能等进行教学，而适合于3D打印的零件优化设计与工艺过程设计的基本理论与设计方法均与传统的有较大区别。本实验以激光3D打印理论为基础，结合专用的AM设计、工艺虚拟仿真软件，让学生能够从基本理论、结构设计、工艺仿真、系统验证等多个层面深入学习，旨在培养适合于3D打印的优化创新设计、3D打印工艺过程控制方面的高端技术人才。激光3D打印由于材料贵重，装备操作复杂、产品精度高等特殊性，使得其加工难度大。如果对每一个原型模型进行制造加工的话，会导致制造的研制成本高。采用先进的AM设计软件能够帮助设计人员从复杂的加工过程中解脱出来，同时提高设计的精确性和效率。

3D打印零件优化设计与工艺过程设计实验流程如下：

    对于激光3D打印零件优化设计与工艺过程设计，其流程如图所示。首先建立零件的三维模型，然后对模型进行结构完整性进行参数分析、进行激光3D打印支撑设计、设定加工材料参数、定义工艺参数、进行切片程序后，检查分析结果。如果结果符合设计要求，则输出相应模型；如果不符合，则修改初始模型，进行重新模拟仿真，直至符合要求为止。

  3D建模是一项用虚拟物质建立计算机模型的技术，可以实现用真实的物质建模一样的效果。一个3D立体模型被定义为由有限的表面组成，在激光3D打印中很重要的一个特点是表面的模型处理技术（mesh处理）。在Magic RP中可以采用多种方法来建立3D模型和对模型进行操作：

   可从其他 3D 建模软件（AUTOCAD、Solidworks 等）或其他CAD软件中导入模型； 可采用Magic中直接建立块、柱、锥、球面、薄板等，还可以直接建立常用的； 通过fixing处理，检查模型的面片特征，如图所示。

图2-2-51激光3D打印设计制造流程

图2-2-52对模型面片特征的检查与修改

  3D打印模型布局及支撑设计；对于3D打印来说，对于在加工区域内部的某些倾摆角度大于45°的特征，为了保证成形的精度和质量，需要根据CAD文件在模拟软件中进行重新工艺布局和支撑设计。主要工作由AM quantiam 软件射线，包括但是不限于布局、加工方向、支撑结构及参数等等，如图2-2-53所示。

图2-2-53对模型布局及支撑设计(a)零件布局；(b)短节点支撑；(c)细密节点支撑设计

  3D打印材料及预处理参数选择；针对实际制造零件的材料选择，主要包括高温合金、不锈钢、钛合金、铝合金、医疗植入材料等，从材料和激光3D打印的质量和性能的匹配，选择并修改对应的参数，并施加到对应的产品中，设计选择切片预处理参数，选择的过程及主要参数如图2-2-54所示。

图2-2-54 材料及预处理参数设计与选择 (a)材料选择；(b)路径规划；(c)不同区域的选择；(d)不同位置的参数

  3D打印分层切片设计优化；最后针对处理好的材料参数、零件布局模型，结合真实的零件处理过程，对零件进行最终的3D打印分层切片处理，主要包括切片的层厚、方向、路径的模式等，并施加到对应的产品中，可以通过放大、旋转、不同层面观察等方式查看模型的完整性，如果和设计一致，最后输出生成实际加工生产的数据文件。

图2-2-55 3D打印分层切片设计仿真模拟过程

（a）模型的分层切片参数；（b）不同层面剖分的路径显示图；（c）拐角细节处的扫描路径；（d）剖分细节的人工修改；（e）输出实际加工数据；（f）最终激光3D打印的零件

  已完成部分金属3D打印实验中的常用实验演示动画和参数设置计算模块的开发，包括金属3D打印中热应力及变形的有限元虚拟仿真，熔池热对流及凝固微观组织演化虚拟仿真等实验，并尝试应用于虚拟仿真过程实验教学和课程演示，通过激光束对粉体材料加热熔化，在熔池内进行快速成形。通过综合的软件计算平台模拟金属增材过程的温度场，变形和残余应力等。图2-2-56金属3D打印的应力变形数值模拟结果，图2-2-57为金属3D打印熔池流动数值模拟。

图2-2-56金属3D打印的应力变形数值模拟

图2-2-57 金属3D打印熔池流动数值模拟

  满足本校学生对增材制造相关过程的学习和了解，满足“增材制造”辅修专业对学生实践操作的要求；

  满足其他高校、职业学校和企业对增材制造知识的需求，满足相关人员的培训需求；

   实现增才制造设备的上岗培训，本课程可以成为设备操作上岗培训课程的一部分；

  获第一届同济大学工业4.0-国际大学生3D打印机设计邀请赛二等奖2项，如图2-2-58所示。

图2-2-58 首届同济大学工业4.0-国际大学生3D打印机设计邀请赛二等奖2项