在2022年北京冬奥会来临之际,本文为解决北方冬季人工制作冰雪景观工作环境温度低、制作难度较大、加工成本高等问题,在研究了传统冰雕、雪雕的制作过程后,发现传统的制作方法是“减材制造”法,为解放人力、提高生产效率,提出了用3D打印“增材制造”的方法制作冰雪景观。通过研究发现3D打印在不同的材料、形态下有着不同的成型方法,主要包括液态材料成型、固态材料成型和粉末材料成型,成型方法与材料的物理特性息息相关。冰雪的物理特性为质地松软,强度低,易凝结,压缩成密集雪块或冻冰后强度较高,根据以上特性提出了针对冰雪材料的3D打印方法——颗粒体素成型法,即将需要打印的模型分解为球形颗粒,对材料进行预成型处理,形成具有适合物理属性和尺度的球形颗粒,通过对颗粒的输送、喷射和粘结剂粘结,最终打印成型。颗粒体素法为本文首次提出,具有创新性。然后对冰雪3D打印颗粒体素法的成型机理进行了研究,包括成型过程中的能量方程,动量方程,湍流方程及接触热阻等。在理论分析的基础上,提出了影响打印成型效果的工艺参数,包括基体材料、温度、喷射速度、液滴尺寸和冻结时间。通过试验对影响成型效果的工艺参数进行了研究,得到的结论为:满足打印条件的最高环境温度为-4℃,在[-6,-18]温度区间内,凝结所需时间随温度降低而减少,粘结力随温度降低而增大;颗粒喷射速度影响打印的精度和效率,在打印边缘位置或悬挑镂空结构时采用夹持的打印方式,在填充内部结构时采用低速喷射的打印方式;当颗粒直径为6 mm时,液滴的体积为0.06 cm~3最合适;随着冷冻时间的增加,冻结强度前期增长较快,冻结完成后趋于平缓,冻结强度满足打印要求。本文应用上述结论说明了颗粒体素法的打印方法并进行了成果展示。根据冰雪的物理特性及成型机理的研究,规划了基于颗粒体素法的冰雪3D打印机器人系统整体方案,主要由制粒模块、输送模块和打印模块组成。设计了针对冰雪材料的制粒设备、将颗粒分离的旋转卸料器和打印喷头。提出了基于颗粒体素法的压送式气力输送法,在研究了气力输送的原理后,设计了气力输送模块并进行试验分析,得出颗粒的输送速度受入口气体流速和竖直方向位移影响较大,并且需要根据实际情况调整旋转卸料器放料速度,在整个系统的协调运作下顺利完成冰雪3D打印任务。