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[经验分享] 教你做发光的宝石婚戒,有这还怕求婚不成功?

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    [LV.5]常住居民I

    发表于 2017-11-24 09:51:30 |显示全部楼层
    从前,有个男孩邂逅了一个女孩。过了没多久,男孩为了表达他的爱,决定为女孩制作一枚戒指。为爱而做的事情越是复杂,就越可以代表他爱的深沉。下面讲的就是这个故事。
    从2013年1月这个想法的出现开始,一直到细化出戒指的最终样式,这期间反反复复考虑了好几个方案。或是因为材料特殊性的要求,或是因为加工形状的限制,又或是因为违反了物理定律。虽然这是一次有趣的实践,可以探索独一无二的设计,不过最终,我还是需要为她做出一个我能呈现的东西,不能让她觉得那东西粗糙的像用勺子刻的。
    最终方案是在钛合金的戒指里嵌入 LED 和铜线圈电路。当戒指与一个感应交变磁场域(以下简称“发射器”)靠的很近时,来自宝石背后的光会点亮戒指。我用 Autodesk Inventor 这款软件完成了所有的规格设计。在一些帮助下,我得到了她戒指的尺寸,和一些其他的测量数据。 (15.72 毫米,如果有人想知道的话)
    6941baebgw1f0bnoxoaslj20hs0ccdhh.jpg

    图 0 – 初始 CAD 设计
    从图 0 到 图 1 经历了好多事情,下面是详细介绍。
    6941baebgw1f0bnove2ffj20hs0dxmyv.jpg


    图 1 – 戒指最后的样子


    6941baebgw1f0bnowdugcj20hs0dc765.jpg

    图 2 – 发着柔和的光
    制作细节
    操作钛合金是个一点一点学习的过程。它比铝和钢更坚硬,你得用硬质合金刀具才可以切割动。用高速钢制工具切割也是可以的,不过刀具磨损的会很快。应该先对刀口做硬化加工处理。老道的行家会让刀用的更持久,但是我必须搞定它。
    6941baebgw1f0bnoubzr0j20hs0dctab.jpg

    图 3 – 粗切削,明亮的白色火花
    戒指起初是一根直径为 0.875 英寸(为我的混合单位道歉,译注:22.225 mm)的钛 AL6V4 圆棒。我将它打磨并把外径消减到 19.8mm。这样就可以留出一边 2mm 的空间,容纳戒指的所有功能。
    6941baebgw1f0bnou2jkkj20hs0dcq4q.jpg

    图 4 – 钛棒的打磨和消减
    打中间的洞时,刚开始要用点钻,而不是相对大些的硬质合金钻,这样可以避免钻削引偏。 6941baebgw1f0bnot9d8bj20hs0dcdho.jpg
    图 5 – 导向钻孔
    注意不要让钻头过热(或者任何工具过热)。钛的导热性不是很好,所以热量会停留在工具的切削刃上。这样工具会有很大的风险被烧毁。如图所示,这些高速钢钻头都已报废,因为我对它们过热使用导致熔掉了刀刃。我的第一个教训:要使用硬质合金钻头!
    6941baebgw1f0bnoyhcznj20hs0dcjsf.jpg


    图 6 – 第一个钻头报废,刀刃熔化
    要让洞口达到最终要求的 15.8mm,我们需要一个镗杆。这个规格比她 15.72mm 的直径要大一点,那是因为我还要在里面填充电路,所以我要让它大点。
    6941baebgw1f0bnpa4obhj20hs0dc0ui.jpg

    图 7 – 钻杆操作,最终直径
    23 粒宝石底座的制作需要用到车间里的专用工作台,过程需要分三步进行。第一步,用 0.8mm 定位钻打出导孔。
    6941baebgw1f0bnp9jw1uj20hs0dc401.jpg

    图 8 – 钻导孔
    第二步需要用 2mm 的打孔钻打穿戒指。
    6941baebgw1f0bnp8hdmij20hs0dc0u3.jpg

    图 9 – 贯穿的洞
    第三步,用 2.3mm 的钻头在洞口扩出一个卡位,用来放置宝石。
    6941baebgw1f0bnp899myj20hs0dc0ug.jpg

    图 10 – 钻卡位
    这步一旦完成,就有必要把戒指从棒料上分离出来。如果你在这步没有这样做,那么在接下来你所做的一切都白干了。
    6941baebgw1f0bnp7upvgj20hs0dcgn4.jpg
    图 11 – 切割工具
    当戒指被切出的那一刻,还会产生一个又细又锋利的圆形金属环伴。提示:这可不能给孩子当礼物!
    6941baebgw1f0bnp74ib5j20hs0dc75p.jpg


    图 12 – 戒指雏形
    现在,是时候给戒指挖出一个内部空间来安放电子装置了。我用机床的夹头固定住了戒指,用一个合适的芯轴撑住使其对齐。
    6941baebgw1f0bnp72gyjj20hs0dcta6.jpg


    图 13 – 用夹头校准戒指
    用 O 型的开槽工具,我在戒指的内壁挖出了一个 2mm x 1mm 的凹槽。这个槽里会放置一个镍铁导磁合金条(稍后会解释),还有一个带有 LED 的线圈组件。
    6941baebgw1f0bnot4jfoj20hs0dc76f.jpg

    图 14 – 制作内部空间
    戒指需要切一个狭缝出来,原因后面解释。在宝石卡位上切狭缝能够让宝石去支撑住戒指,让戒指保持直线,不致扭曲。假如我在两个卡位之间切狭缝,戒指就会在狭缝出产生一个扭点,戒指会很容易扭曲。狭缝的切割用的是一个 0.006 英寸的锯子。幸运的是,小锯子使用高速钢支撑的,举着感觉很好。童鞋们要注意了,别忘记使用切削油!
    6941baebgw1f0bnp0s4ikj20hs0dctb2.jpg

    图 15 – 切狭缝
    金属环的最后一步是粗抛光。这项工作的完成要分成三步,还要用到显微镜。我不仅小心翼翼的在车床上操作,而且打磨时使用的是锋利的碳化钢工具,这样才能让多余的擦伤降到最低。我用 1200 目的粗砂纸打磨掉了所有看起来“大”的划痕。然后用我的 Dremel 牌电磨和毛毡轮去抛光戒指表面,先是用了黄色抛光剂,随后又用白色抛光剂。最后洗掉残留的抛光剂后,我对作品还算满意。我用的是 Ryobi 牌硬金属洗涤剂,型号是 P/N: A04HM01。彻底的清洗是必要的,这样可以提供一个干净的表面去涂抹环氧树脂材料。
    6941baebgw1f0bnouqq9vj20hs0dc75a.jpg

    图 16 – Dremel 抛光
    我尝试了几种镶嵌宝石的方法,但是这些方法要么损坏了戒指,要么损坏了宝石。因为卡座洞口的大小和宝石的直径非常接近,我选择了用珠宝粘合剂(粘合剂 300,Hughes Associates 上推荐的)来粘合宝石和戒指。为此我还自创了一个固定架来辅助完成工作。
    6941baebgw1f0bnoz9x3dj20hs0dcwfq.jpg

    图 17 – 宝石装配固定架
    宝石一次只能安装 8 个,这样可以使戒指上的环氧树脂材料得到固化。用抛光轮配上白色抛光剂快速的修整之后,戒指的金属部分就完成了。
    6941baebgw1f0bnoz9po8j20hs0dcab1.jpg


    图 18 – 已完成的装有(大部分)宝石的金属戒指
    戒指含有 13 颗白石和 10 颗蓝石。注意那个在狭缝的位置上的“定位”宝石。这个宝石要想镶嵌在这个位置上,必须经过压缩戒指才行。
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    图 19 – 蓝色的一侧
    电子配件
    理论上制造一个电子组件并不难。绕一个线圈当做电感,加入一组并联的电容和 LED,配上 TADA 电路,这样你就得到了电感能源接收器。为确保导线和绕组在一条线上,我还造了个带辅助线的管芯去辅助对齐。
    6941baebgw1f0bnpawz7uj20hs0dcdhw.jpg


    图 20 – (带有导槽)的绕线管芯
    在耐电胶带上面绕线是件很乏味的工作。先贴出一个粘性的面,然后绕上 40 号的漆包铜线,最后再刷一层绝缘层,放置在戒指剩余的空间中。
    6941baebgw1f0bnp1ahh0j20hs0dc3zv.jpg

    图 21 – 线圈特写
    线圈的电感大约是 13uH。需要加入一个  820pF 的电容,让共振频率达到大约 1.5MHz。ROHMs PicoLED 系列的 LED 非常适合这类微小的照明,而且能耗也小。耐热环氧树脂用来把 LED 和电容固定在绕着线圈的胶带上。
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    图 22 – 完成的线圈
    发射器电路是在 Marko Bakula 的设计上轻微改动而成的。我调整了一些电阻让电流增大,不过大部分还是一样的。
    6941baebjw1f0bo18rhnpj20hs06rwez.jpg

    图 23 – 发射器原理图
    为了设计简便和导电性能良好,我选择了单面覆铜板。
    6941baebgw1f0bnpa1vg6j20hs0dcabl.jpg

    图 24 – 切割发射机电路板
    粗硬的电线能够承受高交流电压(达 80V),并且可以避免因形变引起测量不准。我把线扭绕在一块 4×4 的圆柱形木头上,用一根较柔软的电线控制间距的一致性。固定好线圈后,我用环氧树脂涂遍线圈外部,当环氧树脂风干后,又用胶带包裹住线圈外部。
    6941baebgw1f0bnp6puytj20hs0dc400.jpg

    图 25 – 制作发射器线圈
    拆除(不如说是破坏)比预想的要容易点。我在木块上打了几个洞,轻松地敲下了一些残片,破坏掉了木块,只留下了完整的线圈。
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    图 26 – 从圆木上分离出线圈
    焊接大型感应线圈到发射电路上,需要一个大的电烙铁和很多热能,不过这并不会破坏什么。这个板子会安装在一个臂环上,这样就可以用我的小胳膊带上它。
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    图 27 – 臂环发射器
    还需要做个夹克测试:把发射器藏在夹克下面,测测当我靠近她的手时,戒指会不会亮。
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    图 28 – 发射器隐藏测试
    组装戒指
    最初的测试是为了显示发射器可以点亮戒指 LED 灯的有效范围。镍铁合金的磁芯可以让磁场变强,使更多的磁能穿过戒指的线圈。
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    图 29 – 戒指亮了
    给戒指填充线圈的时候要格外小心。第一次做的时候,我显然忘记了感应磁场是如何让金属戒指产生电流的。导致金属戒指本身也形成了一个磁场,抵消了电感线圈的磁场。这也是为什么我要在钛合金戒指上开个狭缝的原因。
    6941baebgw1f0bo4mhe47j20hs0bvdho (1).jpg
    图 30 – 戒指发光又不发光


    镍铁合金条很难做的合身,因为要让它和细槽紧密的贴合,所以我没有办法靠精确削切来实现。用打磨的方式可以让镍铁合金条很好的安装在细槽中。当镍铁合金条安放好,并且在槽内部充上了环氧树脂后,就可以进行最后的抛光了。在安装过程中做了一些乱七八糟的记号,最后要用抛光来去除它们。

    6941baebgw1f0bnoyg0gpj20hs0dcgmw.jpg


    图 31 – 戒指的最终样子
    戒指在行动!亮了!
    设计时的问题和挑战
    在制作这个戒指过程中,最大挑战是安装宝石。安装宝石的传统方法是通过尖叉、钩爪、或者扣环等机械装置。环氧树脂会因为微观应力、热胀冷缩和其他未提及的问题,导致与贴合物分离。宝石现在是固定住了,但是迟早有一天要掉下来。那只是时间问题。
    考虑到这一点,我制定了 4 套镶嵌宝石的初始方案。热扩张洞,让洞形变,点扩张形变和环氧树脂粘合。最终,我用了环氧树脂去粘合宝石。
    第一次测试是去尝试加热戒指,使洞口扩张,然后滴入宝石。这样,当洞口冷却收缩后,宝石就可以嵌入里面。悲剧的是,不只是洞口没有扩张到足够大,而且就算我足够幸运让洞口扩到足够大了(只发生了一次),滴入的宝石也会因为自身的纹路被压碎。
    6941baebgw1f0bnox6u0ej20hs0dcwg0.jpg

    图 32 – 热定型:失败
    接下来,我尝试让卡位洞口的上部形变,让金属迅速膨胀,使宝石固定在合适的位置。这步之前必须先用钢制工具制造出的负角开孔器来打一个洞。有点类似于皮革打孔器。
    6941baebgw1f0bnown9i4j20hs0sh0ty.jpg

    图 33 – 洞膨胀方案
    这个方案是失败的,原因是它压碎了宝石。我用探针去挑动压碎的宝石,它从洞口的底部掉了出来。这根金属棒是个钻头胚子,用钢制工具制造的,将被用来造一个打孔器。我在做按压试验的时候,把它掰断了。
    6941baebgw1f0bnp20n3mj20hs0dcmyk.jpg

    图 34 – 洞膨胀方案:失败
    第三个方案是用一股冲击力去按压洞口的四个角。让金属在可控制的方式下发生形变,在离散点嵌入宝石。
    6941baebgw1f0bnow5qynj20hs0a90to.jpg

    图 35 – 点扩张方案
    钛合金明显不愿意被刺压,因为戒指被轴向弄断了。
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    图 35 – 点扩张方案:失败
    其他有趣的设计
    我开始这个想法是在 2013 年 1 月,直到 2013 年 5 月才将戒指呈现给未婚妻。开始的时候,我不得不学习 AutoCAD,为戒指设计和开发一套电磁感应电路。同时还要学习如何更好地加工钛合金。在这段时间里,我做了一些测试模型,并探索了几个方案,最终才确定了现在这个方案。仅仅是切割戒指合金部分的方案,就有提出了 10 个版本。其中前 9 个方案奠定了第 10 个方案的理论基础,一步步地让我明白了如何去进行操作。好的科学家知道要做定性试验!最新的戒指版本(版本 10)是在左侧。最上面那个金属棒是根钛棒,是戒指环的原料。较小的那个棒是铝棒,用于最开始的训练和定型测试。
    6941baebgw1f0bnorx29cj20hs0dc3zt.jpg


    图 37 – 戒指的测试版本
    后序
    其实,我原本的计划是把这枚戒指送给我的未婚妻,然后第二天再带她到专门的珠宝店挑选一枚真正永恒的婚戒。不过,在她的坚持下,我改变了我的计划。我修改了戒指的设计,让它成为真正永恒的婚戒,而不再去定制一枚专业的婚戒。其实这枚婚戒是有一点瑕疵的。由于一点微小的测量误差,戒指的内径实际上只有 15.6mm。对于她 15.72mm 的手指,有一点点紧。我打算再做一个新的更舒服的戒指,镶嵌上宝石。
    所以,在不久的将来,她会带着这枚我设计的永恒的戒指。
    6941baebgw1f0bnosqrj7j20hs0f20ug.jpg

    图 38 – 半永恒的戒指
    在此我要由衷地感谢那些在我困难的不知所措时曾帮助过我的人。Tony Giannetti 帮助我筛选方案,Seahyaan Desai 是我的材料学专家,Jon Maiara 教会我一些电磁学方程,Jeremy Swerdlow 为我提供了很多他的实际经验,TechShop 商城的存在提供了我想要的一切工具,使所有的一切成为可能。而对于我的未婚妻 Julie ,我想说的是:你是我灵感的源泉,谢谢你!
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    图 39 – 男女主角亮相登场咯



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    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2017-11-24 09:55:12 |显示全部楼层
    厉害了,支持一下!
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    糯米团 发表于 2017-11-24 09:55
    厉害了,支持一下!

    支持一下,支持一下,要是我我就说:我的女朋友以后有福了。
    你这么木的娃,怎么找到妹子的
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    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2017-11-29 12:41:18 |显示全部楼层
    厉害了,钛合金加工让我钦佩
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