面向未来生活的可穿戴首饰数智设计与失蜡铸造工艺数字孪生虚拟仿真实验

首饰是典型的“小体量、高单价、长工艺链”产品。从概念到成品需经造型设计、三维建模、缩水放量、浇注系统设计、蜡模打印、制壳、脱蜡、焙烧、熔炼浇注、清壳执模、镶嵌、表面处理十余道工序，任一环节参数失当，都会在最终铸件上留下不可逆缺陷。

真实课堂面临四重障碍：

• 高成本、高消耗：贵金属单价高，蜡模、石膏、包埋料、抛光耗材均有损耗；宝石一旦崩边断裂，损失无法挽回。
• 不可逆操作：蜡模在脱蜡时熔失，型壳焙烧后一次性使用，金属一旦浇入便无法回到设计阶段。
• 高危环境：熔炼温度普遍在 1000℃ 以上，涉及高温辐射、金属蒸气、坩埚爆裂与可吸入粉尘。
• 设备台套数不足：熔炼炉、离心/真空浇注机、焙烧炉单台同时只能服务一名操作者。

由此产生一个真实的教学缺口：学生能在建模软件里做出形态，却难以判断这个形态能不能铸出来、该用什么工艺参数铸、铸坏了归因于哪一步。这一“设计—工艺”之间的断裂，正是本实验要解决的问题。

实验纳入工艺美术专业本科教学计划，作为《首饰设计》《工艺美术数智设计》课程的实验环节开设，同时支撑《首饰工艺基础》的工艺认知教学，服务工艺美术、产品设计等专业。

实验以真实订单任务为起点，学生完成从需求定义到成品评价的完整链路。产出可直接进入课程作业集与毕业设计前期方案，也可作为企业定制方案的可行性预评估工具。实验对设备无依赖，普通机房或自有终端即可完成，缓解设备台套数不足导致的开课瓶颈。

• 知识目标：掌握贵金属首饰失蜡铸造完整工艺链及各工序的物理化学原理，能说明 8 道以上关键工序的作用机理与参数范围；掌握 Au-Ag-Cu、Pt 基、Ag 基合金的成分—性能关系；识别缩孔、气孔、欠铸、夹渣、裂纹、变形六类缺陷并说明成因链。
• 能力目标：能完成需求分析并输出含佩戴工学、结构强度、成本约束的设计任务书；能完成参数化与生成式形态生成，以及缩水率放量、浇注系统与支撑结构设计；能设定完整工艺参数并完成仿真浇注；能对缺陷归因、提出修正方案，二次仿真后缺陷率下降；能撰写含工艺卡、缺陷分析表与迭代记录的实验报告。
• 素养目标：形成“设计必须可制造”的工程意识；树立高温、粉尘、化学品作业的安全规范；建立贵金属节约与循环利用的资源观念。

物理原型是失蜡铸造（investment casting），基本原理可概括为“以蜡为形、以壳为模、以火去蜡、以液充型”。型壳层数与干燥时间决定常温强度与高温透气性；焙烧完成残蜡烧除与型壳烧结；金属液在离心力或真空负压作用下充型，充型能力取决于合金流动性、过热度、浇注速度与型壳温度；凝固收缩时若补缩通道提前封断，便形成缩孔。

实验将上述过程转化为四层数字孪生模型：

• 几何层：首饰与浇注系统的三维结构，壁厚、圆角、镂空跨度可测量。
• 材料层：Au750、Au585、Ag925、Pt950 的密度、熔点、线收缩率、流动性系数与氧化倾向随配比联动。
• 过程层：以时间序列还原熔炼、浇注、凝固的温度场演化。
• 缺陷层：依据凝固模拟结果判定缺陷类型、位置与严重程度。

学生在界面上调整的每一个数值，都对应真实车间里的一个操作决定；参数变化改变缺陷出现的概率与形态，而不是播放一段固定动画。

实验按五阶段拆解为 24 个交互步骤、24 个知识点，总赋分 200 分，按知识点掌握、参数正确性、操作规范性、诊断准确率四类依据计分，并依据过程数据生成学生能力画像。

实验设置 8 学时、分两次课完成：第一次课完成需求定义、形态生成与首轮工艺仿真；第二次课完成缺陷诊断、参数修正与二次仿真验证。期末不以单次结果论优劣，而以“缺陷率下降幅度”衡量迭代能力。

• 把“不可逆”变成“可迭代”：8 学时内完成两轮完整工艺循环，第一次必然出现缺陷，第二次依据归因修正，鼓励学生把错误当作数据。
• 设计与工艺之间建立因果链：壁厚 0.6 mm 与 0.9 mm 的差别，不只是模型上的一个数字，而是浇注后薄壁末端是否欠铸的确定结果。
• 人工智能以“边界可见”的方式介入：缺陷识别模型输出六类缺陷分类与定位热力图；形态生成模型辅助方案发散；工艺参数决策智能体给出参数窗口与依据条目，但不直接给答案。
• 产业标准进入课堂评价：缺陷分级采用企业质检口径，工艺参数区间取自企业作业指导书，任务原型来自真实定制订单。

实验不设唯一答案，典型结果分为四条路径：设计合理且参数在窗口内（可直接试制）；设计可行但工艺失当（调参数可解）；设计本身不可制造（必须回到设计修改）；设计与参数均失当且 AI 判定与人工不一致（理解模型边界）。第三条路径是本实验最重要的教学价值——让学生体验“从工艺反推设计”。

以工艺美术专业三年级本科生为主，产品设计、视觉传达设计专业四年级学生可选修。已修完《首饰设计基础》《三维建模》课程。

知识要求：了解首饰常用金属材料的基本性质，掌握失蜡铸造的基本流程概念，理解三维建模的基本操作逻辑。能力要求：能独立完成三维模型的基础建模与修改，能读懂工艺流程图与参数表，具备基本的比例与尺度判断能力。

先修课程：《首饰设计基础》《工艺美术材料与工艺》《三维建模基础》。