基于3D打印技術(shù)的重金屬離子檢測(cè)盒設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

孟少明，李 培，譚海林，陳 艷，唐前鵬

（湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)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(dòng)、植物吸收，又隨著食物鏈進(jìn)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(nèi)能與蛋白質(zhì)、酶等發(fā)生強(qiáng)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(biāo)的產(chǎn)品流向餐桌？重金屬離子檢測(cè)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(cè)方法依賴于大型儀器，操作煩瑣且耗時(shí)費(fèi)力，不適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。授權(quán)公告號(hào)為CN 204832041U，授權(quán)公告日為2015 年12月2 日的中國(guó)實(shí)用新型專利公開了一種基于表面增強(qiáng)拉曼光譜的水中重金屬離子檢測(cè)系統(tǒng)，其包括光源、拉曼光譜儀、對(duì)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(duì)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(cè)樣品的拉曼光譜；由于根據(jù)拉曼光譜峰值位置可分析出待測(cè)樣品的重金屬離子種類，拉曼光譜峰值強(qiáng)度可得到重金屬離子濃度，從而達(dá)到檢測(cè)水中重金屬離子的目的。如何設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)潔式重金屬離子檢測(cè)盒體，使得一般老百姓能隨時(shí)隨地的對(duì)食品中所含的重金屬離子進(jìn)行初步檢測(cè)，保證食品安全是急需解決的技術(shù)問題。

本重金屬離子檢測(cè)盒操作簡(jiǎn)單便捷，不需要經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)人才進(jìn)行操作，一般老百姓就能隨時(shí)隨地對(duì)食品中所含的重金屬離子進(jìn)行初步檢測(cè)，保證食品安全。通過將溶劑儲(chǔ)存盒設(shè)置成三個(gè)獨(dú)立區(qū)域的小儲(chǔ)存盒，能根據(jù)被檢測(cè)物的實(shí)際情況，利用不同的溶劑與被檢測(cè)物分階段發(fā)生反應(yīng)，對(duì)被檢測(cè)物中的重金屬離子進(jìn)行濃度檢測(cè)，從而保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性且提高了本實(shí)用新型的通用性。通過對(duì)開閉機(jī)構(gòu)的設(shè)置，使得各個(gè)溶劑儲(chǔ)存盒內(nèi)的溶劑能分階段流入到物質(zhì)混合漏斗中進(jìn)行反應(yīng)，從而保證了檢測(cè)工作的順利進(jìn)行。通過設(shè)置筒蓋，既使得本實(shí)用新型便于隨身攜帶，又便于溶劑的隨時(shí)添加。

1 重金屬離子檢測(cè)盒草圖構(gòu)思

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，構(gòu)思了一種簡(jiǎn)潔式重金屬離子檢測(cè)盒，其不需要經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)人才進(jìn)行操作，一般老百姓就能隨時(shí)隨地的對(duì)食品中所含的重金屬離子進(jìn)行初步檢測(cè)，保證了食品安全。

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

圖1 重金屬離子檢測(cè)盒設(shè)計(jì)草圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試制

3D 打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)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(gòu)造物體的技術(shù)[1]。傳統(tǒng)的產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)要經(jīng)過漫長(zhǎng)的周期，一些很復(fù)雜的產(chǎn)品需要耗費(fèi)大量的時(shí)間對(duì)原料進(jìn)行加工和建造[2]。而3D 打印技術(shù)集產(chǎn)品設(shè)計(jì)與打印制造于一身，短則幾小時(shí)，多則幾天就能把結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)出來，還不受結(jié)構(gòu)及機(jī)械制造技術(shù)水平的限制[3]。

根據(jù)采購(gòu)的電子器件結(jié)構(gòu)及尺寸，結(jié)合3D 打印技術(shù)的特征及重金屬離子檢測(cè)盒結(jié)構(gòu)原理初步構(gòu)想，設(shè)計(jì)檢測(cè)盒各部分結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

為了便于操作和安裝電子元器件，把設(shè)計(jì)草圖中的筒體一分為三，筒底結(jié)構(gòu)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(guān)按鈕、顯示器固定孔及銅體門安裝孔，底部設(shè)有液體濃度檢測(cè)裝置、電池及主板固定孔，上部設(shè)有唇邊，以便與銅體中部固定連接。

筒體中部結(jié)構(gòu)如圖2b 所示。外形尺寸100mm，高度65mm，上下表面設(shè)有唇邊，方便與筒體底部及上部固定連接，底部開有3mm 檢測(cè)液漏料孔，表面內(nèi)部設(shè)有電機(jī)固定孔，上部開有抽屜式混合料斗的固定與導(dǎo)滑槽，筒壁內(nèi)開有4mm 電線過孔。

筒體上部結(jié)構(gòu)如圖2c 所示。外形尺寸100mm，高度40mm，上下表面設(shè)有唇邊，方便與筒體中部及筒蓋固定連接，筒壁及儲(chǔ)液槽隔板上開有4mm 電源線過孔，筒內(nèi)設(shè)有3 個(gè)儲(chǔ)液槽及一個(gè)電機(jī)固定孔，每個(gè)儲(chǔ)液槽底部開有3mm 漏料孔，由于每個(gè)孔開的距離不同，通過電機(jī)帶動(dòng)漏液控制板（開閉機(jī)構(gòu)）旋轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)如圖2d 所示。最大外形尺寸長(zhǎng)77mm，寬70mm，高30mm，內(nèi)部料斗表面呈橢圓狀，在最低點(diǎn)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(jī)上帶動(dòng)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(shè)有方便扣手的拉手結(jié)構(gòu)。

漏料控制板結(jié)構(gòu)如圖2e 所示。直徑70mm，最大高度11mm，中部凸臺(tái)內(nèi)開有腰圓形孔，方便與筒體上部安裝的電機(jī)固定連接，在距離中心10mm，16mm及24mm 的位置，開有3 個(gè)3mm 漏料孔，通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，可使筒體上部3 個(gè)不同儲(chǔ)液槽的原液滴漏及控制量的大小。

筒蓋結(jié)構(gòu)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(shè)有球形提手，方便揭蓋。

混合料斗漏液控制板結(jié)構(gòu)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(jī)固定連接，電機(jī)旋轉(zhuǎn)或暫停，帶動(dòng)控制板，通過勺子柄部，控制抽屜式混合料斗內(nèi)混合液的滴漏及量的大小。

為方便清洗液體濃度檢測(cè)裝置，在筒體底部開有筒體門，結(jié)構(gòu)如圖2h 所示。采用榫卯結(jié)構(gòu)與筒體底部進(jìn)行連接固定。

圖2 檢測(cè)盒樣品部件結(jié)構(gòu)

重金屬離子檢測(cè)盒結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，采用自上而下滴漏式，通過將溶劑儲(chǔ)存盒設(shè)置成三個(gè)獨(dú)立區(qū)域的小儲(chǔ)存盒，能根據(jù)被檢測(cè)物的實(shí)際情況，利用不同的溶劑與被檢測(cè)物分階段發(fā)生反應(yīng)，對(duì)被檢測(cè)物中的重金屬離子進(jìn)行濃度檢測(cè)，從而保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性且提高了本檢測(cè)盒的通用性。通過對(duì)開閉機(jī)構(gòu)的設(shè)置，使得各個(gè)溶劑儲(chǔ)存盒內(nèi)的溶劑能分階段流入到物質(zhì)混合漏斗中進(jìn)行反應(yīng)，從而保證了檢測(cè)工作的順利進(jìn)行。通過設(shè)置筒蓋，既使得本檢測(cè)盒便于隨身攜帶，又便于溶劑的隨時(shí)添加。

圖3 裝配圖

因是樣品的試制，采用桌面打印機(jī)，熔融沉積成型各部件，再進(jìn)行組裝，因各受各電子元器件的結(jié)構(gòu)和尺寸影響，組裝后的最終檢測(cè)盒最大外形尺寸為直徑100mm，高度230mm。經(jīng)試用，基本能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的效果。但由于高度與直徑比太大以，各運(yùn)動(dòng)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(xiàn)象，影響使用效果，亟待進(jìn)一步改進(jìn)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與制作

吸取樣品的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，特別是存在的泄漏情況，第二代重金屬離子檢測(cè)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(cè)液，吸到混合料斗內(nèi)，再把混合料斗的液體，吸到液體濃度檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)。各電子元器件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 各電子元器件結(jié)構(gòu)圖

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

原液料盒結(jié)構(gòu)如圖5b 所示。外形尺寸長(zhǎng)180mm，寬90mm，高25mm，與盒體下部?jī)?nèi)空相配合，料盒一端開有抽屜式料斗過孔，另一端設(shè)置有3 個(gè)儲(chǔ)料盒。

混合料斗結(jié)構(gòu)如圖5c 所示。最大外形尺寸長(zhǎng)74mm，寬60mm，高25mm，端面圓弧與盒體相同，設(shè)有方便料斗抽放的拉手。

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

盒蓋結(jié)構(gòu)如圖5e 所示。外形尺寸長(zhǎng)186mm，寬96mm，厚6mm，設(shè)有唇邊與盒體配合，盒蓋中間設(shè)置有把手，方便起蓋。

圖5 重金屬離子檢測(cè)盒結(jié)構(gòu)

重金屬離子檢測(cè)盒整體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。使用時(shí)，首先把需要檢測(cè)的物體放置在混合料斗內(nèi)，按一下起到開關(guān)，單片機(jī)主板根據(jù)設(shè)計(jì)層序驅(qū)動(dòng)泵把原液料盒的原液按順序吸入到混合料斗內(nèi)，充分吸收混合后，單片機(jī)主板根據(jù)設(shè)計(jì)層序驅(qū)動(dòng)泵把混合料斗內(nèi)的混合料吸入到液體濃度檢測(cè)裝置，進(jìn)行分析檢測(cè)，最后根據(jù)指示器亮燈的顏色，來判斷檢測(cè)對(duì)象重金屬離子是否超標(biāo)。

圖6 重金屬離子檢測(cè)盒裝配圖

經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，第二代重金屬離子檢測(cè)盒比重金屬離子檢測(cè)盒樣品結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便，不需要運(yùn)動(dòng)配合結(jié)構(gòu)，無液體泄漏現(xiàn)象，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

（1）基于3D 打印技術(shù)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可拋開傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)的限制[4]，可天馬行空地去構(gòu)思，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，縮短產(chǎn)品研發(fā)與制造時(shí)間，降低產(chǎn)品研發(fā)與制造成本[5]，從而使部分機(jī)械產(chǎn)品拋開傳統(tǒng)機(jī)械制造方法，探索3D 打印技術(shù)直接制造產(chǎn)品的可行性[6]。

（2）重金屬離子檢測(cè)盒，通過液體濃度檢測(cè)裝置中進(jìn)行檢測(cè)并通過液體濃度檢測(cè)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(cè)物中重金屬離子是否超標(biāo)，不需要經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)人才進(jìn)行操作，一般老百姓就能隨時(shí)隨地的對(duì)食品中所含的重金屬離子進(jìn)行初步檢測(cè)，保證了食品安全。

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