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铸造是装备制造的基础性手段。砂模铸造是利用型砂作为铸模材料的铸件制造方法，应用广泛且历史悠久，但砂模铸造存在铸模制作耗时、铸件成型精度不高、工人工作环境恶劣等问题。近年来，随着叠层制造技术的快速发展，基于叠层制造思想的砂模制作/造型技术与设备正在成为国际业界的研究热点，并逐步得到推广和应用。层叠制造亦称3D打印。采用3D打印思想的砂模造型技术可以实现砂模的设计、制造、性能优化与评估的数字化和一体化，能够大幅提高砂模制造的生产效率，提高铸件产品精度，改善工人劳动强度和工作环境，将会给铸造业的未来发展带来深远影响。 为从根本上提升我国铸造业的技术水平，推动我国高端制造业的长远发展，在我国某国有大型企业重点攻关课题支持下，我们开展了砂模打印机设计原理及其关键技术研究，研制我国具有自主知识产权的砂模打印设备。 本文主要工作及创新点如下： （1）在现状调研与分析基础上，对砂模打印机的增材制造工作原理及砂模叠层造型工作过程进行了深入研究。根据粘结剂、固化剂与原砂的选择性结合方式的不同提出三种砂模叠层成型原理。在砂模打印过程分析基础上，提出砂模打印设备的系统架构。分析了砂模打印的水平扫描运动模式，相应提出具有高成型效率的打印方案。分析了砂模打印成型精度及其误差来源，提出相应的误差控制方案。 （2）为避免成型砂模中粘结剂/固化剂过量问题引发的铸件质量缺陷，建立了微滴喷射关系模型，得出粘结剂/固化剂含量公式。在此基础上，为控制粘结剂/固化剂含量，提出造型材料改进、成型原理及工艺改进、喷嘴结构改进和优化等三种解决途径。为保障砂模造型精度，对喷嘴射流过程进行了动力学仿真分析。 （3）为精确控制粘结剂/固化剂含量，提出干/湿砂选择性铺敷成型原理，建立了砂料喷射需求关系模型，在此基础上进行喷射机构的概念方案设计。提出了湿砂回收再用的系统设计方法，建立了预测砂模固化时间的动态余量分析图法，基于粉体动力学进行了砂料喷射系统的机构参数设计。 （4）分析了砂模打印过程中的落料飞行过程，建立了喷嘴响应时间和液滴飞行时间计算模型，以补偿落料飞行滞后效应引起的成型误差。分析粘结剂/固化剂下沉渗透扩散过程，提出层厚参数的确定原则，以保障砂模的成型精度和成型强度。 （5）基于干/湿砂选择性铺敷原理完成了实验样机设计。研究了砂模CAD模型的切片、轮廓提取、代码生成、前后处理等构成的砂模打印工艺流程，开发了实验样机客户端软件，为实验样机的研制和调试提供条件。开发了客户端虚拟打印环境，进行了砂模的虚拟打印实验，验证了算法的正确性。