帅呆了，靠近就发光的宝石婚戒
有位美国工程师 Ben Kokes，耗时 5 个月，为其未婚妻打造了一枚独一无二的求婚戒指。当他靠近未婚妻时，那婚戒上就会发光。Ben 求婚时献出婚戒，未婚妻非常激动，激动的没让 Ben 说完求婚词就答应了。2013 年我们曾在极客范翻译过外媒对 Ben 的报道。本文是 Ben 制作发光婚戒的详细过程。
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)
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。
图 1 – 戒指最后的样子
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。
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。
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。
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!
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。
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。
图 8 – 钻导孔
第二步需要用 2mm 的打孔钻打穿戒指。
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。
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。
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!
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。
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。
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!
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
图 30 – 戒指发光又不发光
这个视频展示了未切开的戒指引发的事故。
视频 1 – 看看我干的傻事!
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。
图 31 – 戒指的最终样子
戒指在行动!
视频 2 – 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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