作为传统的铸造工艺,砂型铸造在铸造行业中占有非常重要的地位。采用传统铸造方法制造形状复杂、质量要求高的铸件时,需要多套甚至十多套模具翻模,存在砂型制造难度大、周期长、铸件成形精度低等问题。砂型增材制造技术为砂型的快速制造提供了更加便捷、柔性的手段。相比传统的砂型铸造,砂型增材制造技术不需要制作木模,具有制造周期短,成本低廉,砂型/芯一体化的特点,特别是在单件、小批量复杂铸件的生产和新产品的开发方面有较好的发展前景。本文研究了一种基于梯度打印的砂型喷墨打印成形方法,该方法是在灰度打印技术的基础上,在砂型强度要求较高的部分,打印的灰度等级较高,树脂喷射量较高;在砂型发气量要求较低的部分,打印的灰度等级较低,树脂喷射量较低,砂型的不同部分具有不同的树脂喷射量,从而减少砂型整体的树脂喷射量,改善砂型的整体性能。对砂型喷墨打印成形过程进行了理论分析,主要包括型砂颗粒堆积模型的建立以及液滴下落运动模型的建立。引入孔隙率计算的高度比例系数,建立了型砂颗粒的堆积模型,推导出孔隙率的计算公式。建立了液滴下落过程的运动模型,得到液滴水平/垂直方向上的速度、位移与液滴下落时间之间的关系,同时分析了液滴下落过程中,喷头安装高度、喷头扫描速度以及液滴体积等参数对液滴下落误差的影响规律。研究了铺砂过程中铺砂工艺对铺砂质量的影响规律。基于三维参数表征法,对铺砂过程中的铺砂表面质量进行量化分析。通过采集铺砂过程中型砂表面的三维轮廓信息,拟合基准平面,得出其表面轮廓均方根偏差的计算式。研究了不同的铺砂速度、固化剂添加量和型砂粒径大小情况下,铺砂表面质量的变化规律。研究表明:铺砂速度对铺砂质量的影响较小,可以通过提高铺砂速度来提高铺砂效率;固化剂添加量对铺砂质量的影响较为显著,当固化剂含量≤0.6%时铺砂质量良好,固化剂含量过高时,铺砂不稳定,出现波浪现象;型砂粒径较小时铺砂质量良好,成形精度高。针对砂型喷墨打印过程中砂型的强度低、发气量大的问题,基于自主开发的砂型喷墨打印成形机,研究了树脂含量和固化温度对砂型强度和砂型发气量的影响规律,研究结果表明:当树脂含量为5.2%,且固化温度为80℃时,砂型强度为1.71MPa,发气量为11 mL/g(850℃ 士 10℃)。同时,研究了梯度打印成形的砂型性能,表明砂型的强度/发气量与树脂的梯度含量线性相关,且梯度打印成形方法是降低砂型整体发气量的有效方法。通过对复杂砂芯的打印实验,验证了本文砂型喷墨打印工艺的合理性。同时,用手工混砂切削成形、砂型喷墨打印成形和梯度打印成形三种成形方法分别进行典型结构砂型的制作和铸件的浇铸实验,通过对铸件缺陷率的比较,验证了梯度打印成形方法在减少砂型整体发气量方面的可行性。