基于3D打印技术的重金属离子检测盒设计与实验

2021-09-07孟少明谭海林唐前鹏

锻压装备与制造技术 2021年4期

孟少明，李培，谭海林，陈艳，唐前鹏

（湖南化工职业技术学院机电工程学院，湖南株洲 412000）

近年来，随着工业发展，各种各样的重金属离子排入土壤和水源，随后被动、植物吸收，又随着食物链进入人体，“镉大米”“毒蔬菜”等食品安全事件屡有发生。重金属在人体内能与蛋白质、酶等发生强烈的相互作用，使它们失去活性，也可能在人体的某些器官中累积，造成慢性中毒。那么，如何避免这些重金属超标的产品流向餐桌？重金属离子检测成为一道保障“舌尖上的安全”的防线。

但是，传统重金属离子检测方法依赖于大型仪器，操作烦琐且耗时费力，不适用于现场检测。授权公告号为CN 204832041U，授权公告日为2015 年12月2 日的中国实用新型专利公开了一种基于表面增强拉曼光谱的水中重金属离子检测系统，其包括光源、拉曼光谱仪、对巯基苯甲酸修饰过的镀金载波片；光源发射出的激光入射到对巯基苯甲酸修饰过的镀金载波片上，再反射到拉曼光谱仪上，得到待测样品的拉曼光谱；由于根据拉曼光谱峰值位置可分析出待测样品的重金属离子种类，拉曼光谱峰值强度可得到重金属离子浓度，从而达到检测水中重金属离子的目的。如何设计一种简洁式重金属离子检测盒体，使得一般老百姓能随时随地的对食品中所含的重金属离子进行初步检测，保证食品安全是急需解决的技术问题。

本重金属离子检测盒操作简单便捷，不需要经过培训的专业人才进行操作，一般老百姓就能随时随地对食品中所含的重金属离子进行初步检测，保证食品安全。通过将溶剂储存盒设置成三个独立区域的小储存盒，能根据被检测物的实际情况，利用不同的溶剂与被检测物分阶段发生反应，对被检测物中的重金属离子进行浓度检测，从而保证了检测结果的准确性且提高了本实用新型的通用性。通过对开闭机构的设置，使得各个溶剂储存盒内的溶剂能分阶段流入到物质混合漏斗中进行反应，从而保证了检测工作的顺利进行。通过设置筒盖，既使得本实用新型便于随身携带，又便于溶剂的随时添加。

1 重金属离子检测盒草图构思

针对现有技术中存在的缺陷，构思了一种简洁式重金属离子检测盒，其不需要经过培训的专业人才进行操作，一般老百姓就能随时随地的对食品中所含的重金属离子进行初步检测，保证了食品安全。

为解决上述技术问题，结合3D 打印技术，构思的简洁式重金属离子检测盒体，草图结构如图1 所示。结构包括中空的筒体，筒体的内腔上部设置有溶剂储存盒，在溶剂储存盒的底部上设置有溶剂通孔，在筒体内腔中位于溶剂储存盒的下方位置处设置有用于控制溶剂通孔开、闭的开闭机构，在筒体内腔中位于开闭机构的下方位置处设置有物质混合漏斗，在筒体的内腔底部设置有液体浓度检测装置，物质混合漏斗的出液口通过管体与液体浓度检测装置的进液口连通，在管体上还设置有控制管体通、断的电磁阀；在筒体内腔中设置供电电池，通过供电电池为开闭机构、液体浓度检测装置和电磁阀提供电源，在筒体的侧部上位于物质混合漏斗处设置有侧部筒体门，打开侧部筒体门后能将被检测物从筒体外部放置到物质混合漏斗内。

图1 重金属离子检测盒设计草图

2 结构设计与试制

3D 打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状、线状塑料或金属等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[1]。传统的产品从设计到生产要经过漫长的周期，一些很复杂的产品需要耗费大量的时间对原料进行加工和建造[2]。而3D 打印技术集产品设计与打印制造于一身，短则几小时，多则几天就能把结构复杂的产品生产出来，还不受结构及机械制造技术水平的限制[3]。

根据采购的电子器件结构及尺寸，结合3D 打印技术的特征及重金属离子检测盒结构原理初步构想，设计检测盒各部分结构如图2 所示。

为了便于操作和安装电子元器件，把设计草图中的筒体一分为三，筒底结构如图2a 所示，外形尺寸100mm，高度110mm，壁厚4mm，唇边壁厚2mm，筒壁上开有开关按钮、显示器固定孔及铜体门安装孔，底部设有液体浓度检测装置、电池及主板固定孔，上部设有唇边，以便与铜体中部固定连接。

筒体中部结构如图2b 所示。外形尺寸100mm，高度65mm，上下表面设有唇边，方便与筒体底部及上部固定连接，底部开有3mm 检测液漏料孔，表面内部设有电机固定孔，上部开有抽屉式混合料斗的固定与导滑槽，筒壁内开有4mm 电线过孔。

筒体上部结构如图2c 所示。外形尺寸100mm，高度40mm，上下表面设有唇边，方便与筒体中部及筒盖固定连接，筒壁及储液槽隔板上开有4mm 电源线过孔，筒内设有3 个储液槽及一个电机固定孔，每个储液槽底部开有3mm 漏料孔，由于每个孔开的距离不同，通过电机带动漏液控制板（开闭机构）旋转，可控制3 种原液的地漏顺序及量的大小。

抽屉式混合漏料斗结构如图2d 所示。最大外形尺寸长77mm，宽70mm，高30mm，内部料斗表面呈椭圆状，在最低点位置开有3mm 原液漏料孔，筒体上部漏下的原液在此混合后，安装在筒体中部的电机上带动混合料斗漏液控制板，控制料斗的混合液体的滴漏状况及量的大小，为方便混合漏料斗的抽出，在料斗圆形外壁上设有方便扣手的拉手结构。

漏料控制板结构如图2e 所示。直径70mm，最大高度11mm，中部凸台内开有腰圆形孔，方便与筒体上部安装的电机固定连接，在距离中心10mm，16mm及24mm 的位置，开有3 个3mm 漏料孔，通过电机的旋转，可使筒体上部3 个不同储液槽的原液滴漏及控制量的大小。

筒盖结构如图2f 所示。外形尺寸100mm，盖厚5mm，唇边高5mm，便于与筒体上部配合连接，筒盖上部设有球形提手，方便揭盖。

混合料斗漏液控制板结构如图2g 所示。为勺子形状，中间腰圆孔与安装在筒体中部的电机固定连接，电机旋转或暂停，带动控制板，通过勺子柄部，控制抽屉式混合料斗内混合液的滴漏及量的大小。

为方便清洗液体浓度检测装置，在筒体底部开有筒体门，结构如图2h 所示。采用榫卯结构与筒体底部进行连接固定。

图2 检测盒样品部件结构

重金属离子检测盒结构总体结构如图3 所示，采用自上而下滴漏式，通过将溶剂储存盒设置成三个独立区域的小储存盒，能根据被检测物的实际情况，利用不同的溶剂与被检测物分阶段发生反应，对被检测物中的重金属离子进行浓度检测，从而保证了检测结果的准确性且提高了本检测盒的通用性。通过对开闭机构的设置，使得各个溶剂储存盒内的溶剂能分阶段流入到物质混合漏斗中进行反应，从而保证了检测工作的顺利进行。通过设置筒盖，既使得本检测盒便于随身携带，又便于溶剂的随时添加。

图3 装配图

因是样品的试制，采用桌面打印机，熔融沉积成型各部件，再进行组装，因各受各电子元器件的结构和尺寸影响，组装后的最终检测盒最大外形尺寸为直径100mm，高度230mm。经试用，基本能达到预期设计的效果。但由于高度与直径比太大以，各运动部位配合精度不够，特别是几处液体滴漏控制部分，存在着泄漏的现象，影响使用效果，亟待进一步改进。

3 结构优化设计与制作

吸取样品的经验教训，特别是存在的泄漏情况，第二代重金属离子检测盒抛弃自上而下的滴漏式，采用从下而上自吸式，通过主板控制不同的泵，把最底层的不同检测液，吸到混合料斗内，再把混合料斗的液体，吸到液体浓度检测装置进行检测。各电子元器件结构如图4所示。

图4 各电子元器件结构图

盒体主体结构如图5a 所示。采用腰圆形结构，外形尺寸长186mm，宽48mm，高118mm，壁厚3mm，在距离底部高25mm 出设有3mm 厚底板，底板上面有4 个泵的安装固定凸台，1 个单片机主板、电池及液体浓度检测装置固定卡槽，底板上还设置有4 个6mm 泵的吸管过孔，底板下方中空，用于安置原液料盒，侧壁设置有矩形通孔，用于安置抽屉式混合料斗，盒体正面设置有启动开关及指示灯安装孔，背面设置有电池充电器安装孔，盒体最上部边缘处，设有4 个提手安装孔，方便检测盒的携带。

原液料盒结构如图5b 所示。外形尺寸长180mm，宽90mm，高25mm，与盒体下部内空相配合，料盒一端开有抽屉式料斗过孔，另一端设置有3 个储料盒。

混合料斗结构如图5c 所示。最大外形尺寸长74mm，宽60mm，高25mm，端面圆弧与盒体相同，设有方便料斗抽放的拉手。

内盒盖结构如图5d 所示。外形尺寸为长182mm，宽92mm，厚3mm，安装在盒体上部的凹槽内，正中间设有泵吸管过孔和液体浓度检测装置安装孔，使泵从混合料斗吸到的液体能进入液体浓度检测装置进行检验分析，也能对盒体内的电子元器件进行遮蔽，起到美观的作业。

盒盖结构如图5e 所示。外形尺寸长186mm，宽96mm，厚6mm，设有唇边与盒体配合，盒盖中间设置有把手，方便起盖。

图5 重金属离子检测盒结构

重金属离子检测盒整体结构如图6 所示。使用时，首先把需要检测的物体放置在混合料斗内，按一下起到开关，单片机主板根据设计层序驱动泵把原液料盒的原液按顺序吸入到混合料斗内，充分吸收混合后，单片机主板根据设计层序驱动泵把混合料斗内的混合料吸入到液体浓度检测装置，进行分析检测，最后根据指示器亮灯的颜色，来判断检测对象重金属离子是否超标。