автореферат диссертации по искусствоведению, специальность ВАК РФ 17.00.06
диссертация на тему: Разработка дизайна и проектирование новых видов ювелирных изделий из кристаллов алмаза природной формы

Полный текст автореферата диссертации по теме "Разработка дизайна и проектирование новых видов ювелирных изделий из кристаллов алмаза природной формы"

На правах рукописи

005017572

ГЛАДЧЕНКОВ ЕВГЕНИЙ ВАДИМОВИЧ

Разработка дизайна и проектирование новых видов ювелирных изделий из кристаллов алмаза природной формы

Специальность 17.00.06. — «Техническая эстетика и дизайн»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 С ' • • >

Москва 2012

005017572

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный горный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Теплова Татьяна Борисовна

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор, заведующая кафедрой «Геммология» ИрГТУ Лобацкая Раиса Моисеевна

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник НИЛ СТМ НИТУ "МИСиС" Лаптев Александр Иванович

Ведущая организация: ООО «Смоленский геммологический центр»

Защита состоится «17» мая 2012 г. в «15.00» часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.04 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д.20, в зале заседания Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ.

Автореферат разослан «13» апреля 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Дрюкова Анна Эдуардовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Ювелирные дизайнеры ищут новые формы и новые решения для выпуска современной, интересной и востребованной рынком продукции. Все сложнее создавать новые оригинальные украшения с использованием бриллиантов, приходится все больше учитывать необычность форм исполнения конечного изделия при создании шедевров ювелирного мастерства. Для создания свежих форм изделий из алмазов нужны новые технологические методы обработки и нетрадиционный подход к исходному материалу.

Этим требованиям может отвечать проектирование новых форм изделий из природных алмазов с применением волнового метода обработки и максимальным сохранением естественной формы кристалла. На сегодняшний день такой нетрадиционный подход является актуальным решением этой проблемы. Он может быть реализован за счет использования совокупности естественных форм кристалла с учетом его природной кристаллографии и ярких оптических эффектов, создаваемых в процессе его обработки волновым методом как на поверхности, так и в объеме кристалла.

Известно, что всего 20% алмазов от общей массы добытого сырья относятся к кристаллам ювелирного качества и успешно используются для огранки в бриллианты. Остальные 80% относятся к неликвидному сырью и в основном применяются в различных отраслях промышленности. Волновая технология позволяет эффективно использовать значительную часть из этого сырья, несмотря на то что эти кристаллы содержат повышенное количество дефектов. Уникальные природные разновидности форм алмазов могут иметь большую ценность при использовании нового подхода к обработке нетрадиционного алмазного сырья. Природные кристаллы алмаза, обладающие многообразием и неповторимостью своих природных форм, удовлетворяют творческим изысканиям ювелиров. Введение новых

дизайнерских решений, художественных приемов и технологических способов в процесс обработки кристаллов алмаза будет способствовать расширению и дополнению существующей продукции, предназначенной для ювелирной отрасли.

В процессе традиционной огранки алмаза в бриллиант безвозвратно теряется от 40 до 70% этого уникального и драгоценного материала. Применение волновой технологии обработки алмаза по его природным граням позволяет снизить потери до минимума.

Создание новых ювелирных изделий на основе многообразия природных форм алмазного сырья ставит задачу разработки приемов и способов проектирования этих изделий. Новый дизайн подчеркивает индивидуальность и интеллектуальное восприятие, вносит новые критерии в оценку эстетической красоты естественного кристалла.

Таким образом, решение этой задачи позволит создать новые направления в дизайне украшений из алмаза и существенно дополнить ассортимент существующего рынка украшений с применением этого материала.

Подобный подход к проблемному сырью с повышенным содержанием внутренних напряжений и дефектов при создании нового дизайна ювелирных изделий позволяет в утвердительной форме говорить о новом направлении в ювелирном деле. На сегодняшний день оно имеет право называться прогрессивным и весьма актуальным.

Цель работы: практическое использование современных технологий для создания новых концепций в дизайне ювелирных изделий с применением кристаллов алмаза оригинальных природных форм.

Согласно поставленной цели работы были сформулированы задачи исследования:

1) Установить взаимосвязь дизайна и технологического процесса получения новых форм поверхности алмаза, описываемых уравнениями второго порядка.

2) Определить методы, приемы и способы проектирования изделий из алмазного сырья оригинальных природных форм.

3) Разработать дизайн изделия с учетом естественных граней кристалла, его внутренней структуры, возможностей нового метода и спроектировать технологический процесс волновой обработки поверхности алмаза.

4) Сформулировать критерии для отбора кристаллов, пригодных для обработки с помощью волновой технологии, учитывая основные классификационные признаки: размерность, форму и степень искажения формы, характер поверхности граней, дефектность (качество), цвет.

5) Разработать варианты дизайна ювелирных украшений, изготовленных с применением алмазов обработанных волновым методом.

6) Провести анализ рынка и определить тенденции стиля и направления моды существующей ювелирной продукции с использованием алмазов природной формы.

Научная новизна

1) Установлены закономерности автоматизированной волновой обработки поверхностного слоя алмаза с получением поверхностных форм, описываемых уравнениями второго порядка, что позволяет формировать объемные элементы дизайна в процессе обработки кристаллов природной формы.

2) Сформулированы критерии отбора категорий алмазного сырья, пригодного для волновой обработки с анализом их декоративной ценности, а также дальнейшего применения в ювелирных украшениях.

3) Впервые разработано обоснование практического использования обработанных по волновой технологии кристаллов алмаза с повышенным содержанием дефектов для проектирования дизайна новых видов ювелирных изделий.

4) Разработаны процесс и методы производства малоотходных и экологических изделий из природных алмазов.

Практическая значимость

1) Результаты работы внедрены в производственный процесс выпуска продукции из алмазного сырья НПП «Микроприбор» и позволили впервые реализовать автоматизированный процесс обработки сложнопрофильных поверхностей и изделий из природных алмазов с получением высокой чистоты обработанной поверхности.

2) Разработаны специализированная программа и реализуемый при работе станка с ЧПУ алгоритм компьютерного управления для выбора режимов технологического процесса обработки алмазов с формированием поверхностей второго порядка.

3) В результате применения разработанной методики проектирования и технологической последовательности процесса обработки по естественным граням получены изделия из природных кристаллов алмаза, не имеющие мировых аналогов.

4) Проведенные первые исследования обосновывают актуальность использования изделий из алмазного сырья с повышенным содержанием дефектов в качестве элементов ювелирных украшений.

5) Расширена практическая область применения нетрадиционных категорий алмазного сырья в ювелирной промышленности и разработаны критерии для отбора кристаллов.

6) Результаты исследований используются в реальном учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных занятий со студентами старших курсов по дисциплине «Технология гранильного производства» кафедры «ТХОМ» в Московском государственном горном университете.

Апробация работы

По результатам диссертации сделаны доклады:

-на конференции «Перспективы и риски использования наноматериалов в технических и природных системах» (г. Москва,2009г.), Московский институт стали и сплавов;

-на международной научно-практической конференции «Инженерные системы-2011» (г. Москва, 5-8 апреля 2011г.), Российский университет дружбы народов;

-на 1-м заседании в Клубе Инноваторов Москвы, доклад был признан лучшим и занял 1-е место в блоке проектов «Новые материалы и защитные покрытия» (г. Москва, 10 марта 2011г.);

- на научных симпозиумах «Неделя горняка», МГГУ, (г. Москва, 20082012гг.);

-на 15-ой Международной экологической конференции студентов и молодых ученых "Горное дело и окружающая среда. Инновационные и высокие технологии XXI века", МГГУ, (г. Москва 12-15 апреля, 2011г.);

-на научных семинарах кафедры «Технология художественной обработки материалов» МГГУ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано десять работ, в которых отражено основное содержание диссертации, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах по перечню ВАК РФ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографии из 76 наименований. Общий объем составляет 148 машинописных страниц, включающих 79 рисунков, 10 таблиц, 3 страницы приложений. В текстовые приложения внесен акт внедрения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе описана общая характеристика материала, подробно рассмотрены физико-механические, теплофизические, оптические,

электронные свойства алмаза как уникального природного минерала и перспективного предмета для исследований в этой сфере и поиска новых путей его применения в различных отраслях промышленности, науки, в медицине и новых направлениях ювелирного дизайна.

В последнее время значительно возрос интерес к естественным природным материалам, используемым в дизайне. Это связано с тем, что в современном обществе развиваются новые направления технических разработок в связке с концепциями дизайнерской деятельности бионического и природного образования. Применение природных необработанных кристаллов алмаза это одна из последних тенденций в ювелирной отрасли на сегодняшний день. Дизайнеры все больше используют разнообразие уникальных форм алмаза и учитывают их при изготовлении современных ювелирных украшений. На примерах известных западных ювелирных компаний, законодателей стиля и современной ювелирной моды, проведен обзор рынка украшений с применением алмазного сырья природной формы. Все имеющиеся на сегодняшний день тенденции применения природных форм алмаза в ювелирном дизайне продиктованы стремлением авторов выделить природную красоту и придать индивидуальность украшениям.

Кристаллы алмаза, обладающие неповторимостью и многообразием своих природных форм, наиболее полно удовлетворяют этим творческим требованиям (рис.1).

Рис.1. Природные формы алмазов

Во второй главе рассмотрены технологические методы, применяемые при обработке кристаллов алмаза. Существующие методы обработки алмазного сырья можно разделить на два вида: контактные и бесконтактные. В обработке используются механическое, химическое, тепловое воздействия или их комбинации. В настоящее время при обработке алмазов в некоторых операциях успешно применяются лазерные установки. Однако до сих пор механический способ обработки является самым распространенным, хотя он и позволяет эффективно обрабатывать алмаз только в определенных кристаллографических направлениях.

Особенности кристаллической структуры определяют у алмаза так называемые «мягкие» и «твердые» направления обработки. Для современной ограночной техники обработка сырья с поликристаллической структурой достаточно сложна, а тем более агрегатов и сростков кристаллов, но для дизайнеров именно они и представляют наибольший интерес. Из этого следует, что для алмаза особенно перспективны такие методы обработки, эффективность которых не зависит от анизотропии твердости обрабатываемого материала.

Для изготовления изделий из природного алмаза с новым дизайном необходим метод, позволяющий эффективно обрабатывать поверхность алмаза независимо от кристаллографических направлений, твердости и площади обрабатываемой поверхности. При этом данный метод должен обеспечивать высокую чистоту и качество обрабатываемой поверхности.

Еще в 1975 году в лаборатории экспериментальной минералогии Института геологии Якутского филиала Сибирского отделения АН СССР исследовали взаимодействие алмазов при высоких температурах с металлами переходной группы в среде различных газов. Так появился новый метод обработки алмазов, названный термохимическим. Данный метод не связан с анизотропией твердости алмаза, но у него есть существенный недостаток: скорость съема материала значительно падает при увеличении площади обрабатываемой поверхности. Термохимический метод требует

многочисленных дополнительных исследований и создания надежного оборудования, подходящего для объемной декоративной обработки алмазного сырья.

Инновационным методом в обработке кристаллов алмаза является волновая технология, основанная на волновом воздействии на структуру алмаза. Суть этой технологии заключается в создании в объёме алмаза системы упругих когерентных волн (рис. 2). При движении зерна абразива происходит локальное упругое деформирование поверхностного слоя, которое создаёт вынужденные упругие колебания кристаллической решётки алмаза. Задача обрабатывающей системы — не переходить предела упругости поверхностного слоя алмаза и не допускать образования микросколов.

объект

/>_ фрагмент зерна абразива

а) 1 = 0

2

X

область ПС

,г,„(0), гт\ (центральная контакта точка контакта)

Р.

4,(0,8,(0 г

1

Г

6П>0

\

г

—/- \

хт(1> 0), г,„ х,„(0),гт неравновесный сегмент

свободной поверхности

Рис. 2. Схематичное изображение процесса локального взаимодействия обрабатывающего инструмента с поверхностью алмаза

На рис. 2 представлена проекция сечения композиции «объект — инструмент» на плоскость хг. Ось у направлена в сторону наблюдателя, а — статическая ситуация взаимодействия (7 = 0); б - начальная стадия динамического взаимодействия (/ > 0). Движение зерна обрабатывающего диска происходит в направлении по оси х; ПС - поверхностный слой.

Волновая технология позволяет эффективно обрабатывать кристалл алмаза не только по плоскостям, но и замечательно реализует себя в объемной обработке кристалла, при этом обеспечивается достижение высокой чистоты обрабатываемой поверхности. Исходя из этих возможностей перспективы для создания ряда новых дизайнерских решений в сфере обработки природных кристаллов алмаза явятся определенным преимуществом данного метода.

Для реализации метода объемной волновой обработки и создания на его основе ряда ранее не существовавших нестандартных дизайнерских решений был проведен сравнительный анализ абразивного, термохимического и волнового методов обработки алмазов. Достоинства и недостатки рассмотренных технологических методов обработки приведены в табл. 1. Как видно, из перечисленных методов обработки алмаза для реализации объемной обработки наилучшим образом подходит волновой метод обработки.

Таблица 1

Сравнительная таблица методов обработки алмаза

Название метода

1. Абразивный метод обработки

2.Термохимиче ский метод обработки

Достоинства метода

Отработанная и проверенная временем технология для огранки алмаза в бриллиант

Позволяет достигать высокой чистоты обрабатываемой

поверхности материала, метод прост и доступен по экономическим показателям

Позволяет эффективно обрабатывать поверхность алмаза

независимо от кристалл ографическ их направлений твердости и площади обрабатываемой поверхности, при этом позволяет получать высокую чистоту обрабатываемой поверхности

Недостатки метода

Анизотропия твердости. Алмаз

необходимо ориентировать так, чтобы обработка производилась в направлении наименьшей твердости,а износ алмазного инструмента в направлении наибольшей твердости

Медленная скорость процесса обработки,

эффективность обработки падает с

ростом пятна контакта алмаза с

инструментом. Технология требует дополнительных исследований режимов обработки

Для обеспечения и контроля волнового процесса требуется

дорогостоящее специализированное высокоточное оборудование

3. Волновая технология

Используемое оборудование

Ограночный станок

Термохимическая установка

Станочный модуль с ЧПУ

В третьей главе рассмотрен новый подход к дизайну алмаза, обработанного при помощи волновых процессов, и предлагается техническое решение обработки нестандартного алмазного сырья с повышенной дефектностью - обработка с элементами дизайна по естественным граням кристалла. В качестве примера создания конечного изделия приводится изображение кристалла алмаза разновидности «ВоагЬ>, обработанного по волновой технологии (рис.3). Основной акцент при изготовлении новых изделий как в обработке, так и в дизайне, сосредотачивается на максимальном сохранении сформированных природой криволинейных поверхностей кристаллов, повторяющих изначальную кристаллографическую форму алмаза. Это является комплексной особенностью метода, никогда ранее не использовавшегося в производстве украшений.

*" а"' . ^

' * * : £

ЯВг яшлиетиНя г

■В % ж - ^ЧК

■Ег Ий! ■■ Т*!»

'ЯИИЙ. «Яши -'лйШЖГШ!

Ш .

До обработки После обработки

Рис. 3. Общий вид изделия до и после обработки, разновидность алмазного сырья «ВоагЬ>

Одной из поставленных задач при обработке алмаза являлась задача максимального сохранения изящности его естественной формы при сохранении массы кристалла.

Особый эффект возникает при комбинированной генерации волнового возбуждения в объёме алмаза. Определённый алгоритм возбуждения структуры алмаза с одной частотой сначала формирует условия периодического снятия внутренних напряжений, потом на сформированное состояние остаточных напряжений накладывается волновая энергия другой частоты. В результате воздействия в объёме алмаза формируются периодические модулированные области, которые разлагают падающий свет на цвета оптического спектра. Возникает оптический эффект, условно названный «радуга». Благодаря комбинированному процессу обработки напряженного алмазного сырья с повышенным содержанием дефектов, этот оптический эффект может проявляться в кристаллах, где эффект «радуга» уже имеется, его интенсивность в соподчинении с объемными элементами поверхностей второго порядка возможно увеличивать.

Трехмерные поверхности влияют на прохождение и отражение света в кристалле как на его поверхности, так и в его объеме. Комбинацией подобных форм в сочетании с разнообразными поверхностями и оптическим эффектом дисперсии света (условно названным «радуга») можно добиться принципиального отличия оптики готового изделия, которая существенно отличается от оптики бриллианта, подчеркивает в себе таинственность, богатую фактуру и неповторимый своеобразный шарм, присущий только природному алмазу.

Следующей задачей явилась работа по определению критериев отбора кристаллов и анализу категорий сырья, наиболее пригодного для объемной обработки с применением нового дизайна. На основе технологической классификации, а также основных классификационных признаков алмазного сырья предложен перечень критериев (табл. 2) по отбору кристаллов с учетом их декоративной ценности и пригодности для обработки с помощью волновой технологии. Разработанные критерии позволяют расширить возможности применения нестандартных категорий алмазного сырья в ювелирной промышленности.

Таблица 2

Критерии алмазного сырья пригодного для обработки волновым

методом

Основные классификационные признаки Критерии отбора сырья

1. Размерность Рекомендованы укрупненные группы +1.8 с!, свыше 10.80 с1

2 Форма и степень искажения формы, характер Октаэдры правильной и искаженной формы, округлой формы, двойники , монокристаллы кубической формы , округлые кристаллы, близкие к ромбододекаэдру.

3. Поверхности естественных граней Гладкие грани, незначительная рельефность, большая рельефность, ярко выраженная рельефность

4. Дефектность (качество) Бездефектные, с незначительными дефектами, с небольшими дефектами , с большими дефектами , с очень большими дефектами

5. Цвет Различные цвета

В четвертой главе рассмотрены основные этапы технологического проектирования изделий нового типа из нетрадиционного алмазного сырья, а также подробно рассмотрены технологические особенности формирования поверхностей второго порядка в процессе обработки. В ходе проектирования украшения определяется роль кристалла, будет ли эта вставка центральным камнем, либо альтернативным, либо дополнительным камнем в ювелирной композиции конечного продукта. Дизайнер решает - использовать его оригинальную природную форму или изготовить из него кабошон. Исходя из формы, массы и набора внутренних дефектов кристалла определяется его назначение в ансамбле изделия и назначаются технологические операции. Кристаллы правильной или оригинальной формы большой массы (свыше 2 с1) обрабатываются по природным граням с максимальным сохранением геометрии и массы.

В данной главе рассмотрены также некоторые элементы дизайна, получаемые на поверхности алмаза в процессе его обработки и технологические особенности их исполнения на поверхности кристалла. Они

могут иметь плоскую, параболическую, сферическую, эллиптическую и коническую формы.

Благодаря уникальным результатам, достигнутым в ходе экспериментов по обработке алмазного сырья волновым методом, стало возможным введение новых объемных элементов дизайна в процесс обработки алмаза. Под элементом дизайна здесь понимается определенным образом полированная (обработанная) поверхность алмаза с заданными параметрами (табл. 3).

Таблица 3

Элементы на алмазе, образованные поверхностями второго порядка

Элемент

.Параболическая поверхность

Уравнения

+

5Г

*

Внешний вид

2.Коническая поверхность

3.Сферическая поверхность

пнв

ШшШШЯ

■ТП

4.Эллипсоид

У : * Ь2 с2

I;

Сочетание таких элементов и их комбинаций по законам композиции в процессе обработки позволяет создать характерную картину поверхности алмаза, повышающую его декоративную привлекательность.

В пятой главе рассмотрен процесс проектирования дизайна ювелирных украшений с применением алмазов, обработанных по волновой технологии. Для создания дизайна украшений применялись методы компьютерного ЗЭ проектирования с использованием программы ЯтоСегоэ и специального приложения для проектирования ювелирных украшений МЛ1.пХ.

При проектировании украшений учитывались стандартные требования к дизайну:

• Генерация идеи - за основу была взята тема первозданности и естественности живого мира, а также идея соподчинения необычных форм обработанного алмаза и природных формам.

• Эскизное проектирование, или эскизирование, — для реализации идеи дизайна были созданы эскизы будущих украшений.

• Создание трехмерной модели украшения — в современной ювелирной отрасли используется вся мощь современных САПР. Создание ЗО модели украшения сводится к отрисовке поверхностей, элементов изделия и деталей в компьютере. В компьютере же проводится анализ будущей модели на технологичность.

• Визуализация ювелирного украшения — рендеринг. Создание фотореалистичного изображения будущего украшения.

• Прототипирование — создание полноразмерного прототипа украшения - финальный этап в дизайне ювелирных изделий. Использовалась технология «быстрого» прототипирования на трехмерном принтере. На выходе получилась модель в воске (восковка). ЗО модель украшений изображена на рис. 4.

Рис. 4. Компьютерная модель будущего украшения

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1) Установленная взаимосвязь новой концепции дизайна и технологического процесса обработки алмазов волновым методом позволила выбрать приемы и способы проектирования изделий из алмазного сырья оригинальных природных форм.

2) Разработанный дизайн, процессы и методы производства позволили изготавливать малоотходные и экологические изделия из природного алмаза.

3) Спроектированные технологический процесс волновой обработки поверхности кристаллов алмаза позволил разработать дизайн изделий с учетом естественных граней алмаза, его внутренней структуры и . возможностей нового метода.

4) Сформулированные критерии отбора алмазного сырья позволили выделить категории кристаллов, пригодных для обработки по волновой технологии.

5) Разработанный дизайн ювелирных украшений с применением алмазов природной формы позволил расширить область применения нетрадиционных категорий алмазного сырья в ювелирной отрасли.

6) На основе проведенного анализа рынка современной ювелирной продукции определены тенденции стиля и моды использования алмазов природной формы.

7) Установленные закономерности волновой обработки поверхностного слоя алмаза позволили получить уникальные формы поверхностей второго порядка, что позволило автоматизировать процесс шлифования на основе программирования параметров обработки.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Гладченков Е.В. Дизайн природных кристаллов алмаза,

обработанных волновой технологией с использованием его естественных граней [текст] // Научный журнал "Дизайн. Теория и Практика" Выпуск 9 /2012,- М.: Изд-во МГУПИ, 2012.-С.1-13.

2. Е.В. Гладченков. Разработка дизайна ювелирных изделий нового типа из природных кристаллов алмаза, обработанных волновым методом [текст] // Научный журнал «Дизайн. Материалы. Технология» №1(21)2011. -С.-Пб.: Изд-во СПГУТД, 2011.-С. 84-87.

3. Е.П. Мельников, H.H. Холин, Е.В. Гладченков, Моделирование

ювелирных изделий на основе нетрадиционного алмазного сырья и волновой обработки [текст] // Научный журнал "Дизайн. Теория и Практика" Выпуск 9 /2012,-М.: Изд-во МГУПИ, 2012.-С.

4. С. М. Пинтус, В. Ю. Карасёв, Е. В. Гладченков. Роль волновых явлений в процессе обработки кристаллов алмаза [текст] //Микроэлектроника / Том 40№ 6. -М.: 2011- С. 430-440.

Статьи, опубликованные в сборниках научных трудов:

5. В.Ю.Карасёв, С.М. Пинтус, Е.В. Гладченков, O.A. Безпалов. Проект

Талисман [текст] //Информационно-аналитический журнал «Ювелирная Россия» №3 (33) май 2011), Санкт-Петербург. — С-Пб.:2011. - С.71-73.

6. Теплова Т.Б., Гладченков Е.В. Перспективы применения методов

комбинированной обработки алмаза для производства высокотехнологичных изделий [текст]//Инженерные системы -2011/ Международная научно-практическая конференция: Тезисы докладов. Москва, 5-8апреля 2011г. -М.:РУДН, 2011.-С.132.

7. Гладченков Е.В. Исследование чистоты поверхности алмаза при термохимическом методе обработки [текст] //Перспективы и риски использования наноматериалов в технических и природных системах/Материалы форума-М.: МИСиС, 2009.-С. 31-39.

8. Гладченков Е.В., Антонова И.И., Бундина О.Н., Свирин С.А. Перспективы применения метода волновой обработки алмаза для производства высокотехнологичных изделий [текст] //XXIII Международная инновационно-ориентированная конференция молодых учёных и студентов (МИКМУС-2011)/ Материалы конференции (Москва, 14-17 декабря 2011г.)/ -М.: Изд-во ИМАШ РАН, 2011,- С. 33.

9. Гладченков Е.В. Термохимическая обработка алмаза и перспективы

её применения в современной промышленности [текст] // Сборник статей XIII Всероссийской научно-практической конференции и смотра-конкурса работ студентов и аспирантов (с международным участием) по специальности «Технология художественной обработки материалов». Москва, 11-15 октября 2010г.-М.: МГГУ. —С. 132—140.

Теплова Т.Б., Свирин С.А., Гладченков Е.В., Бундина О.Н., Антонова И.И.Способы формирования поверхности полировки алмаза [текст] //Научный вестникМГГУ,- 2011.-№10 (19). -С.3-18.

Подписано в печать 17.04.2012 г. Формат 60x90/16 Объем 1 л. печ. Тираж 100 экз. Заказ № 1220.

Отпечатано в ОУИП МГГУ 119991 г. Москва, Ленинский пр-т, 6.

Текст диссертации на тему "Разработка дизайна и проектирование новых видов ювелирных изделий из кристаллов алмаза природной формы"

61 12-5/2164

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный горный университет»

на правах рукописи

ГЛАДЧЕНКОВ ЕВГЕНИЙ ВАДИМОВИЧ

«Разработка дизайна и проектирование новых видов ювелирных изделий из кристаллов алмаза природной формы»

Специальность 17.00.06. - «Техническая эстетика и дизайн»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Теплова Т. Б.

Мосьсва 2012

Содержание

Стр.

Введение 4

Глава 1 Алмаз и его свойства 10

1.1. Общая характеристика материала 10

1.2. Структура кристаллов алмаза 17

1.3. Физико-механические свойства 20

1.4. Теплофизические свойства 22

1.5. Оптические свойства 24

1.6. Электронные свойства 25

1.7. Физическая классификация природных алмазов 28

1.8. Мировые тенденции стиля и моды ювелирных изделий

с применением алмазного сырья природной формы 30

Выводы 43

Глава 2 Технологии обработки алмазов 45

2.1. Технологические методы, применяемые в обработке кристаллов алмаза 45

2.2. Абразивный механический метод обработки алмаза 49

2.3. Термохимический метод обработки алмаза 53

2.4. Волновой метод обработки алмаза 56

2.5. Чистота обрабатываемой поверхности при волновом методе обработки 58 Выводы 63

Глава 3 Критерии отбора алмазного сырья, пригодного

для волновой обработки с применением нового дизайна 65

3.1. Дизайн алмаза обработанного при помощи

волновых процессов 65

3.2. Основные категории алмазного сырья

и их классификационные признаки 72

3.3. Критерии пригодности к обработке волновым методом

с учетом формы кристалла 77

3.4. Критерии пригодности к обработке волновым методом

с учетом классификационных групп и дефектности 79

3.5. Анализ декоративной ценности кристаллов с повышенным содержанием дефектов 82

3.6. Оптический эффект «Радуга» 92 Выводы 97

Глава 4 Технологическое проектирование изделий нового типа на примере алмазного сырья с повышенным

содержанием дефектов 99

4.1. Этапы технологического проектирования изготовления

изделий нового типа 99

4.2. Основные элементы дизайна на поверхности алмаза и технологические особенности их формирования волновым методом 104

4.3. Программное обеспечение, применяемое при проектировании

и реализации технологического процесса волновой обработки 112 Выводы 117

Глава 5 Разработка дизайна ювелирных изделий 118

5.1. Компьютерное моделирование изделий из природного алмаза

с учетом технологических особенностей 118

5.2. Этапы компьютерного моделирования ювелирных украшений

с применением алмазов, обработанных волновым методом 122

5.3. Программное обеспечение, применяемое в процессе моделирования ювелирных изделий нового типа 125 Выводы 136 Заключение 137 Библиография 138 Приложения 145

Введение

Актуальность исследования. Ювелирные дизайнеры ищут новые формы и новые решения для выпуска современной, интересной и востребованной рынком продукции. Все сложнее создавать новые оригинальные украшения с использованием бриллиантов, приходится все больше учитывать необычность форм исполнения конечного изделия при создании шедевров ювелирного мастерства. Для создания свежих форм изделий из алмазов нужны новые технологические методы обработки и нетрадиционный подход к исходному материалу.

Этим требованиям может отвечать проектирование новых форм изделий из природных алмазов с применением волнового метода обработки и максимальным сохранением естественной формы кристалла. На сегодняшний день такой нетрадиционный подход является актуальным решением этой проблемы. Он может быть реализован за счет использования совокупности естественных форм кристалла с учетом его природной кристаллографии и ярких оптических эффектов, создаваемых в процессе его обработки волновым методом, как на поверхности, так и в объеме кристалла.

Известно, что всего 20% алмазов от общей массы добытого сырья относятся к кристаллам ювелирного качества и успешно используются для огранки в бриллианты. Остальные 80% относятся к неликвидному сырью и в основном применяются в различных отраслях промышленности. Волновая технология позволяет эффективно использовать значительную часть из этого сырья, несмотря на то, что эти кристаллы содержат повышенное количество дефектов. Уникальные природные разновидности форм алмазов могут иметь большую ценность при использовании нового подхода к обработке нетрадиционного алмазного сырья. Природные кристаллы алмаза,

обладающие многообразием и неповторимостью своих природных форм, удовлетворяют творческим изысканиям ювелиров. Введение новых дизайнерских решений, художественных приемов и технологических способов в процесс обработки кристаллов алмаза будет способствовать расширению и дополнению существующей продукции, предназначенной для ювелирной отрасли.

В процессе традиционной огранки алмаза в бриллиант безвозвратно теряется от 40 до 70% этого уникального и драгоценного материала. Применение волновой технологии обработки алмаза по его природным граням позволяет снизить потери до минимума.

Создание новых ювелирных изделий на основе многообразия природных форм алмазного сырья ставит задачу разработки приемов и способов проектирования этих изделий. Новый дизайн подчеркивает индивидуальность и интеллектуальное восприятие, вносит новые критерии в оценку эстетической красоты естественного кристалла.

Таким образом, решение этой задачи позволит создать новые направления в дизайне украшений из алмаза и существенно дополнить ассортимент существующего рынка украшений с применением этого материала.

Подобный подход к проблемному сырью с повышенным содержанием внутренних напряжений и дефектов при создании нового дизайна ювелирных изделий позволяет в утвердительной форме говорить о новом направлении в ювелирном деле. На сегодняшний день оно имеет право называться прогрессивным и весьма актуальным.

Цель работы: практическое использование современных технологий для создания новых концепций в дизайне ювелирных изделий с применением кристаллов алмаза оригинальных природных форм.

Согласно поставленной цели работы были сформулированы задачи исследования:

1) Установить взаимосвязь дизайна и технологического процесса получения новых форм поверхности алмаза, описываемых уравнениями второго порядка.

2) Определить методы, приемы и способы проектирования изделий из алмазного сырья оригинальных природных форм.

3) Разработать дизайн изделия с учетом естественных граней кристалла, его внутренней структуры, возможностей нового метода и спроектировать технологический процесс волновой обработки поверхности алмаза.

4) Сформулировать критерии для отбора кристаллов, пригодных для обработки с помощью волновой технологии, учитывая основные классификационные признаки: размерность, форму и степень искажения формы, характер поверхности граней, дефектность (качество), цвет.

5) Разработать варианты дизайна ювелирных украшений, изготовленных с применением алмазов обработанных волновым методом.

6) Провести анализ рынка и определить тенденции стиля и направления моды существующей ювелирной продукции с использованием алмазов природной формы.

Научная новизна

1. Установлены закономерности автоматизированной волновой обработки поверхностного слоя алмаза с получением поверхностных форм, описываемых уравнениями второго порядка, что позволяет формировать объемные элементы дизайна в процессе обработки кристаллов природной формы.

2. Сформулированы критерии отбора категорий алмазного сырья, пригодного для волновой обработки с анализом их декоративной ценности, а также дальнейшего применения в ювелирных украшениях.

3. Впервые разработано обоснование практического использования обработанных по волновой технологии кристаллов алмаза с повышенным содержанием дефектов для проектирования дизайна новых видов ювелирных изделий.

4. Разработаны процесс и методы производства малоотходных и экологических изделий из природных алмазов.

Практическая значимость

1) Результаты работы внедрены в производственный процесс выпуска продукции из алмазного сырья НПП «Микроприбор» и позволили впервые реализовать автоматизированный процесс обработки сложнопрофильных поверхностей и изделий из природных алмазов с получением высокой чистоты обработанной поверхности.

2) Разработаны специализированная программа и реализуемый при работе станка с ЧПУ алгоритм компьютерного управления для выбора режимов технологического процесса обработки алмазов с формированием поверхностей второго порядка.

3) В результате применения разработанной методики проектирования и технологической последовательности процесса обработки по естественным граням получены изделия из природных кристаллов алмаза, не имеющие

мировых аналогов.

4) Проведенные первые исследования обосновывают актуальность использования изделий из алмазного сырья с повышенным содержанием дефектов в качестве элементов ювелирных украшений.

5) Расширена практическая область применения нетрадиционных категорий алмазного сырья в ювелирной промышленности и разработаны

критерии для отбора кристаллов.

6) Результаты исследований используются в реальном учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных занятий со студентами старших курсов по дисциплине «Технология гранильного

производства» кафедры «ТХОМ» в Московском государственном горном университете.

Апробация работы

По результатам диссертации сделаны доклады:

-на конференции «Перспективы и риски использования наноматериалов в технических и природных системах» (г. Москва,2009г.), Московский институт стали и сплавов;

-на международной научно-практической конференции «Инженерные системы-2011» (г. Москва, 5-8 апреля 2011г.), Российский университет дружбы народов;

-на 1-м заседании в Клубе Инноваторов Москвы, доклад был признан лучшим и занял 1-е место в блоке проектов «Новые материалы и защитные покрытия» (г. Москва, 10 марта 2011г.);

- на научных симпозиумах «Неделя горняка», МГГУ, (г. Москва, 20082012гг.);

-на 15-ой Международной экологической конференции студентов и молодых ученых Торное дело и окружающая среда. Инновационные и высокие технологии XXI века", МГГУ, (г. Москва 12-15 апреля, 2011г.);

-на научных семинарах кафедры «Технология художественной обработки материалов» МГГУ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано десять работ, в которых отражено основное содержание диссертации, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах по перечню ВАК РФ.

Благодарность. Автор работы выражает глубокую благодарность заместителю руководителя, заведующему лабораторией экспериментальных технологий научно-производственного предприятия «МИКРОПРИБОР» Карасёву Владимиру Юрьевичу за помощь в проведении экспериментов.

Михаилу Олеговичу Щербакову за оказание консультативной помощи в вопросах экспертной и геммологической оценки алмазного сырья. Алтухову Андрею Александровичу, Тепловой Татьяне Борисовне за оказание помощи в вопросах написания диссертации. Чертову Леониду Михайловичу, Соколовой Марине Леонидовне за плодотворные дискуссии. А так же студентам кафедры ТХОМ: Илье Мельнику, Ирине Антоновой и Ольге Бундиной за помощь в решении вопросов художественного и компьютерного проектирования дизайна ювелирных украшений с применением алмазов.

Особую благодарность: Мельникову Евгению Павловичу, Ножкиной Алле Викторовне за научное руководство.

Глава I Алмаз и его свойства

1.1. Общая характеристика материала

Самое раннее упоминание об алмазе в древних источниках относится к «Ветхому Завету» , II тысячелетие до нашей эры. Происходит оно из второй книги Пятикнижия Моисеева, «Исход» глава 39, где алмаз упомянут среди украшений служебных одежд в числе камней судного наперсника первосвященника Аарона [1]. Книга гласит:

" Ж сделал наперснш^искусною работою...

Ж вставили в него в четыре ряда камни.

Фядом: рубин, топаз, изумруд, - это первый ряд;

(Ъо втором ряду: -карбункул, сапфир и алмаз;

(В третьем ряду: яхонт, агат и аметист;

(В четвертом ряду: хризолит, оникс и яспис; и вставлены они в золотыхгнеъдах %амней Выло по числу имен сынов Жзраилевы% двенадцать было их по числу имен их и на каждом из нихвырезано было, как^на печати, по одному имени, для двенадцати колен "

Другое упоминание также относится к книге «Ветхого Завета. Книга пророка Иеремии», датируемая приблизительно 600 годом до нашей эры [2]. В 17 главе первый стих гласит:

" Трех.Яуды написан железным резцом, алмазным острием начертан на скрижали сердца ихи на рогах-^ртвенникрв их!' ('Яс. 65, 6.)

Эти стихи представляет особый интерес, потому что они показывают, что уже в древности алмаз был признан не только как декоративный элемент украшения, но и камень исключительной твердости.

О том, что алмаз обрабатывается алмазом, знали еще в древней Индии задолго до написания «Ветхого Завета». Упоминание об алмазе так же относится ко II тысячелетию до нашей эры в древнейших индийских Ведах [3]. Считается, что история алмазов начинается с III века до нашей эры, когда были впервые найдены россыпные месторождения алмазов в индийской провинции Голконда (шт. Мадхья-Прадеш). Первым европейцем, описавшим в 1565 году месторождения Голконды, был Гавея де Орта, португальский врач, служивший у короля провинции Гоа (Индия) [4]. В Европе обрабатывать алмазы начали значительно позже, в XIV-XV веках, куда они попали с европейскими путешественниками, прибывшими из Индии. Гранильное производство в Европе зародилось после нахождения нового способа гранения алмазов. Голландский мастер Людовик Ван Беркен в 1454г. применил для обработки алмаза алмазный порошок и изобрел первую форму огранки. Первым европейским огранщиком стал венецианский мастер Винченцо Перуцци [5].

Уже XVIII век вошёл в европейскую и российскую историю как век бриллиантов [6]. Этому способствовало два важных события, открытие россыпных месторождений алмазов в Бразилии и изобретение бриллиантовой огранки алмаза. С появлением и совершенствованием нового эффективного оборудования для обработки алмаза в бриллиант люди создали для себя культ вокруг бриллиантового блеска, что привело к резкому росту популярности бриллиантов.

В последующие три столетия ход истории развития обработки и применения природных кристаллов алмаза, открытие новых месторождений этого уникального природного минерала осуществил значительный

технологический и научно-технический прорыв достижений и открытий человечества в области использования алмаза.

В связи с развитием науки и техники все большее применение в различных отраслях промышленности находят природные и синтетические алмазы. Прогресс в машиностроении и электронике, строительной индустрии, горной промышленности и нефтедобыче, медицине и оптике, а так же во многих других сферах деятельности невозможен без использования алмазных материалов. Весомость алмазов в промышленности настолько велика, что их относят к стратегическим материалам, а одним из критериев оценки уровня технологии развитых стран является количество потребляемых природных и синтетических алмазов [7].

Кроме традиционных отраслей применения, алмазы все чаще используют при производстве высокотехнологичных изделий, благодаря их уникальным свойствам. Алмаз обладает высокими механическими, теплофизическими, оптическими, электронными свойствами, обладает высокой химической и радиационной устойчивостью и т.д. (см.табл. 1-5). За свои уникальные свойства алмаз был объявлен «материалом двадцать первого века» [8]. Алмаз также является уникальным материалом в оптической электронике, оптике [9]. Он обладает высокой фоточувствительностью в очень широком диапазоне спектра излучений, от короткого ультрафиолетового УФ-излучения до длинного инфракрасного ИК- излучения. Для регистрации, измерения и преобразования УФ-излучения (особенно в коротковолновой его части от 220 нм до 320 нм) он является практически единственным материалом, способным решать задачи в области экологии, медицины, астрономии, диагностики плазмы, создания датчиков газов (озон, окись углерода, окись азота, хлор и др.), военной техники и научно-исследовательских работ [10]. В настоящее время кристаллы синтетического и природного алмаза используются в качестве датчиков ионизирующего излучения, а подложки из алмаза широко используются в

микроэлектронике в качестве теплоотводов для мощных дискретных приборов [11].

Так же алмаз обладает исключительными декоративными свойствами в обработанном виде и уже много столетий применяется человеком в ювелирном искусстве. Вопрос о происхождении алмазов - один из самых интереснейших и неоднозначных в минералогии. Французский минеролог Добрэ одним из первых посвятил этому вопр�