摘要
增材制造技术克服了传统建模的局限性，具有节省制造时间，降低成本和不受模型复杂性限制的优点，近年来得到了广泛的应用。其中，喷墨3D打印(3DP)具有成型速度快、成型尺寸大、成型效率高、环境适应性好等优点，成为砂型增材制造研究重点。其中，3DP打印砂型工艺参数对砂型(芯)性能的影响尤为重要，目前，3DP打印工艺参数基本上都是根据工人经验，或者是通过反复实验来确定，这不仅成本高而且生产效率低下。本文基于离散元法的仿真模拟方法研究了工艺参数对铺砂效果和砂型(芯)力学性能的影响，并通过实验验证了仿真模拟得到的工艺参数的准确性，为离散元法在3DP打印成型砂型(芯)提供了实际的指导作用。 针对3DP打印砂型的四个主要工艺参数，即型砂配比(硅砂/陶粒砂)、铺砂速度、硅砂尺寸、层厚四个重要参数进行数值模拟研究，并进行相关实验验证。具体工作如下：利用UG、ProE和EDEM软件设计3DP打印设备和颗粒模型，完成了3DP打印的铺砂仿真过程，分析了型砂配比和铺砂速度对铺砂效果和力学性能的影响；随着硅砂含量的减少，孔隙率先减小后增大，力学性能先增大后减小；随着铺砂速度的增大，孔隙率不断增大，力学性能先增大后减小；通过多组不同的仿真结果，得出了最佳型砂配比和铺砂速度。同时，利用AutoCAD和PFC软件建立了铺砂模型和砂型试样模型，根据模拟铺砂结果，分析了硅砂尺寸和层厚对孔隙率和砂型(芯)力学性能的影响；随着硅砂尺寸的增大，孔隙率先减小后增大，力学性能呈现先增大后减小的趋势；随着铺砂层厚的增大，孔隙率不断增大，力学性能不断减小；通过对比分析，得出了仿真模拟中的最佳硅砂尺寸和层厚。 通过扫描电子显微镜(SEM)和抗弯抗拉性能测试的实验方法，研究了型砂配比、铺砂速度、硅砂尺寸、层厚对孔隙率和砂型(芯)力学性能的影响，验证了数值模拟的准确性。根据仿真模拟结果及实验分析得出本文最佳工艺参数分别为：型砂配比3:7，铺砂速度160mm/s，硅砂尺寸0.18mm，层厚0.32mm。 本文通过仿真模拟和实验相结合的方法，验证了将基于离散元软件EDEM和PFC的仿真模拟方法应用于3DP打印过程中的可行性，根据仿真模拟结果可以及时调整参数，使砂型(芯)性能满足实际生产的需要，简化了选取工艺参数的步骤，提高了生产效率，为实际工艺生产提供了一定的理论依据，对于砂型3DP打印过程方法的分析具有一定的工程实用价值。
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