基于3D打印技術的重金屬離子檢測盒設計與實驗

孟少明，李 培，譚海林，陳 艷，唐前鵬

（湖南化工職業(yè)技術學院 機電工程學院，湖南 株洲 412000）

近年來，隨著工業(yè)發(fā)展，各種各樣的重金屬離子排入土壤和水源，隨后被動、植物吸收，又隨著食物鏈進入人體，“鎘大米”“毒蔬菜”等食品安全事件屢有發(fā)生。重金屬在人體內能與蛋白質、酶等發(fā)生強烈的相互作用，使它們失去活性，也可能在人體的某些器官中累積，造成慢性中毒。那么，如何避免這些重金屬超標的產品流向餐桌？重金屬離子檢測成為一道保障“舌尖上的安全”的防線。

但是，傳統(tǒng)重金屬離子檢測方法依賴于大型儀器，操作煩瑣且耗時費力，不適用于現場檢測。授權公告號為CN 204832041U，授權公告日為2015 年12月2 日的中國實用新型專利公開了一種基于表面增強拉曼光譜的水中重金屬離子檢測系統(tǒng)，其包括光源、拉曼光譜儀、對巰基苯甲酸修飾過的鍍金載波片；光源發(fā)射出的激光入射到對巰基苯甲酸修飾過的鍍金載波片上，再反射到拉曼光譜儀上，得到待測樣品的拉曼光譜；由于根據拉曼光譜峰值位置可分析出待測樣品的重金屬離子種類，拉曼光譜峰值強度可得到重金屬離子濃度，從而達到檢測水中重金屬離子的目的。如何設計一種簡潔式重金屬離子檢測盒體，使得一般老百姓能隨時隨地的對食品中所含的重金屬離子進行初步檢測，保證食品安全是急需解決的技術問題。

本重金屬離子檢測盒操作簡單便捷，不需要經過培訓的專業(yè)人才進行操作，一般老百姓就能隨時隨地對食品中所含的重金屬離子進行初步檢測，保證食品安全。通過將溶劑儲存盒設置成三個獨立區(qū)域的小儲存盒，能根據被檢測物的實際情況，利用不同的溶劑與被檢測物分階段發(fā)生反應，對被檢測物中的重金屬離子進行濃度檢測，從而保證了檢測結果的準確性且提高了本實用新型的通用性。通過對開閉機構的設置，使得各個溶劑儲存盒內的溶劑能分階段流入到物質混合漏斗中進行反應，從而保證了檢測工作的順利進行。通過設置筒蓋，既使得本實用新型便于隨身攜帶，又便于溶劑的隨時添加。

1 重金屬離子檢測盒草圖構思

針對現有技術中存在的缺陷，構思了一種簡潔式重金屬離子檢測盒，其不需要經過培訓的專業(yè)人才進行操作，一般老百姓就能隨時隨地的對食品中所含的重金屬離子進行初步檢測，保證了食品安全。

為解決上述技術問題，結合3D 打印技術，構思的簡潔式重金屬離子檢測盒體，草圖結構如圖1 所示。結構包括中空的筒體，筒體的內腔上部設置有溶劑儲存盒，在溶劑儲存盒的底部上設置有溶劑通孔，在筒體內腔中位于溶劑儲存盒的下方位置處設置有用于控制溶劑通孔開、閉的開閉機構，在筒體內腔中位于開閉機構的下方位置處設置有物質混合漏斗，在筒體的內腔底部設置有液體濃度檢測裝置，物質混合漏斗的出液口通過管體與液體濃度檢測裝置的進液口連通，在管體上還設置有控制管體通、斷的電磁閥；在筒體內腔中設置供電電池，通過供電電池為開閉機構、液體濃度檢測裝置和電磁閥提供電源，在筒體的側部上位于物質混合漏斗處設置有側部筒體門，打開側部筒體門后能將被檢測物從筒體外部放置到物質混合漏斗內。

圖1 重金屬離子檢測盒設計草圖

2 結構設計與試制

3D 打印技術是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀、線狀塑料或金屬等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[1]。傳統(tǒng)的產品從設計到生產要經過漫長的周期，一些很復雜的產品需要耗費大量的時間對原料進行加工和建造[2]。而3D 打印技術集產品設計與打印制造于一身，短則幾小時，多則幾天就能把結構復雜的產品生產出來，還不受結構及機械制造技術水平的限制[3]。

根據采購的電子器件結構及尺寸，結合3D 打印技術的特征及重金屬離子檢測盒結構原理初步構想，設計檢測盒各部分結構如圖2 所示。

為了便于操作和安裝電子元器件，把設計草圖中的筒體一分為三，筒底結構如圖2a 所示，外形尺寸100mm，高度110mm，壁厚4mm，唇邊壁厚2mm，筒壁上開有開關按鈕、顯示器固定孔及銅體門安裝孔，底部設有液體濃度檢測裝置、電池及主板固定孔，上部設有唇邊，以便與銅體中部固定連接。

筒體中部結構如圖2b 所示。外形尺寸100mm，高度65mm，上下表面設有唇邊，方便與筒體底部及上部固定連接，底部開有3mm 檢測液漏料孔，表面內部設有電機固定孔，上部開有抽屜式混合料斗的固定與導滑槽，筒壁內開有4mm 電線過孔。

筒體上部結構如圖2c 所示。外形尺寸100mm，高度40mm，上下表面設有唇邊，方便與筒體中部及筒蓋固定連接，筒壁及儲液槽隔板上開有4mm 電源線過孔，筒內設有3 個儲液槽及一個電機固定孔，每個儲液槽底部開有3mm 漏料孔，由于每個孔開的距離不同，通過電機帶動漏液控制板（開閉機構）旋轉，可控制3 種原液的地漏順序及量的大小。

抽屜式混合漏料斗結構如圖2d 所示。最大外形尺寸長77mm，寬70mm，高30mm，內部料斗表面呈橢圓狀，在最低點位置開有3mm 原液漏料孔，筒體上部漏下的原液在此混合后，安裝在筒體中部的電機上帶動混合料斗漏液控制板，控制料斗的混合液體的滴漏狀況及量的大小，為方便混合漏料斗的抽出，在料斗圓形外壁上設有方便扣手的拉手結構。

漏料控制板結構如圖2e 所示。直徑70mm，最大高度11mm，中部凸臺內開有腰圓形孔，方便與筒體上部安裝的電機固定連接，在距離中心10mm，16mm及24mm 的位置，開有3 個3mm 漏料孔，通過電機的旋轉，可使筒體上部3 個不同儲液槽的原液滴漏及控制量的大小。

筒蓋結構如圖2f 所示。外形尺寸100mm，蓋厚5mm，唇邊高5mm，便于與筒體上部配合連接，筒蓋上部設有球形提手，方便揭蓋。

混合料斗漏液控制板結構如圖2g 所示。為勺子形狀，中間腰圓孔與安裝在筒體中部的電機固定連接，電機旋轉或暫停，帶動控制板，通過勺子柄部，控制抽屜式混合料斗內混合液的滴漏及量的大小。

為方便清洗液體濃度檢測裝置，在筒體底部開有筒體門，結構如圖2h 所示。采用榫卯結構與筒體底部進行連接固定。

圖2 檢測盒樣品部件結構

重金屬離子檢測盒結構總體結構如圖3 所示，采用自上而下滴漏式，通過將溶劑儲存盒設置成三個獨立區(qū)域的小儲存盒，能根據被檢測物的實際情況，利用不同的溶劑與被檢測物分階段發(fā)生反應，對被檢測物中的重金屬離子進行濃度檢測，從而保證了檢測結果的準確性且提高了本檢測盒的通用性。通過對開閉機構的設置，使得各個溶劑儲存盒內的溶劑能分階段流入到物質混合漏斗中進行反應，從而保證了檢測工作的順利進行。通過設置筒蓋，既使得本檢測盒便于隨身攜帶，又便于溶劑的隨時添加。

圖3 裝配圖

因是樣品的試制，采用桌面打印機，熔融沉積成型各部件，再進行組裝，因各受各電子元器件的結構和尺寸影響，組裝后的最終檢測盒最大外形尺寸為直徑100mm，高度230mm。經試用，基本能達到預期設計的效果。但由于高度與直徑比太大以，各運動部位配合精度不夠，特別是幾處液體滴漏控制部分，存在著泄漏的現象，影響使用效果，亟待進一步改進。

3 結構優(yōu)化設計與制作

吸取樣品的經驗教訓，特別是存在的泄漏情況，第二代重金屬離子檢測盒拋棄自上而下的滴漏式，采用從下而上自吸式，通過主板控制不同的泵，把最底層的不同檢測液，吸到混合料斗內，再把混合料斗的液體，吸到液體濃度檢測裝置進行檢測。各電子元器件結構如圖4所示。

圖4 各電子元器件結構圖

盒體主體結構如圖5a 所示。采用腰圓形結構，外形尺寸長186mm，寬48mm，高118mm，壁厚3mm，在距離底部高25mm 出設有3mm 厚底板，底板上面有4 個泵的安裝固定凸臺，1 個單片機主板、電池及液體濃度檢測裝置固定卡槽，底板上還設置有4 個6mm 泵的吸管過孔，底板下方中空，用于安置原液料盒，側壁設置有矩形通孔，用于安置抽屜式混合料斗，盒體正面設置有啟動開關及指示燈安裝孔，背面設置有電池充電器安裝孔，盒體最上部邊緣處，設有4 個提手安裝孔，方便檢測盒的攜帶。

原液料盒結構如圖5b 所示。外形尺寸長180mm，寬90mm，高25mm，與盒體下部內空相配合，料盒一端開有抽屜式料斗過孔，另一端設置有3 個儲料盒。

混合料斗結構如圖5c 所示。最大外形尺寸長74mm，寬60mm，高25mm，端面圓弧與盒體相同，設有方便料斗抽放的拉手。

內盒蓋結構如圖5d 所示。外形尺寸為長182mm，寬92mm，厚3mm，安裝在盒體上部的凹槽內，正中間設有泵吸管過孔和液體濃度檢測裝置安裝孔，使泵從混合料斗吸到的液體能進入液體濃度檢測裝置進行檢驗分析，也能對盒體內的電子元器件進行遮蔽，起到美觀的作業(yè)。

盒蓋結構如圖5e 所示。外形尺寸長186mm，寬96mm，厚6mm，設有唇邊與盒體配合，盒蓋中間設置有把手，方便起蓋。

圖5 重金屬離子檢測盒結構

重金屬離子檢測盒整體結構如圖6 所示。使用時，首先把需要檢測的物體放置在混合料斗內，按一下起到開關，單片機主板根據設計層序驅動泵把原液料盒的原液按順序吸入到混合料斗內，充分吸收混合后，單片機主板根據設計層序驅動泵把混合料斗內的混合料吸入到液體濃度檢測裝置，進行分析檢測，最后根據指示器亮燈的顏色，來判斷檢測對象重金屬離子是否超標。

圖6 重金屬離子檢測盒裝配圖

經實踐檢驗，第二代重金屬離子檢測盒比重金屬離子檢測盒樣品結構緊湊，攜帶方便，不需要運動配合結構，無液體泄漏現象，檢測結果準確。

4 結論

（1）基于3D 打印技術的產品結構設計可拋開傳統(tǒng)機械制造技術的限制[4]，可天馬行空地去構思，從而實現設計目標，縮短產品研發(fā)與制造時間，降低產品研發(fā)與制造成本[5]，從而使部分機械產品拋開傳統(tǒng)機械制造方法，探索3D 打印技術直接制造產品的可行性[6]。

（2）重金屬離子檢測盒，通過液體濃度檢測裝置中進行檢測并通過液體濃度檢測裝置的顯示器將代表濃度值的演示顯示出來，從而可以直觀地得到被檢測物中重金屬離子是否超標，不需要經過培訓的專業(yè)人才進行操作，一般老百姓就能隨時隨地的對食品中所含的重金屬離子進行初步檢測，保證了食品安全。

（3）相較于常規(guī)的重金屬檢測方法的儀器體積較大、操作要求高下、樣品的前處理復雜、應用范圍的局限性等問題，快速的重金屬檢測方法具有速度快、靈敏可靠、容易操作、經濟合理等優(yōu)點，是容易讓企業(yè)、單位和個人接受的重金屬檢測方法，具有較大的商業(yè)價值和研究潛力。