3D打印是区别于传统加工制造的一种技术,具有一次成型、材料利用率高、成本低、易于“打印”复杂结构等优点。相似模拟实验研究技术广泛应用于煤矿开采、海洋油气开发等领域,该方法具有直观、简便、经济高效等优点,但是,也存在制造周期长、效率低下、产生废料多,对复杂结构的模拟不足等缺点。因此,本文将两种技术相结合,设计了模拟砂箱3D打印装置的挤料系统及喷嘴结构,通过试验方法得到了3D打印材料的配比,并利用该装置进行相似模型的打印,试验研究对于完善相似模拟实验和扩展3D打印领域具有重要的意义。本文首先对喷嘴结构进行了选型、设计及有限元分析,验证了喷嘴结构的合理性。其次利用响应面法对喷嘴的主要结构参数进行了优化设计,得到了结构参数的最优解。然后以砂子为骨料,以粘土为胶结剂作为3D打印材料,利用Box-Behnken实验设计方法,得到了模拟砂箱3D打印材料的最佳配比,研究了该配比的流动性能;在此基础上,利用响应面法探究不同外加剂(石膏、石膏缓凝剂、高效减水剂)对3D打印材料粘度的影响,得到了不同条件下的最佳配比。最后,根据最佳配比,通过打印实验,探究成型后试样的物理力学性能,并分析不同材料及其配比对其物理力学性能的影响。