Rubik's Cube

Achtergrond

Rubik's Cube is een speelgoedpuzzel ontworpen door Erno Rubik in het midden van de jaren zeventig. Het is een kubusvormig apparaat dat bestaat uit kleinere kubusstukken met zes vlakken met verschillende kleuren. De primaire fabricagemethode omvat het spuitgieten van de verschillende onderdelen van de componenten, vervolgens de daaropvolgende assemblage, etikettering en verpakking. De kubus was enorm populair in de jaren tachtig en op zijn hoogtepunt tussen 1980 en 1983 werden er wereldwijd 200 miljoen kubussen verkocht. Vandaag de dag worden er nog steeds meer dan 500.000 kubussen verkocht die wereldwijd elk jaar worden verkocht.

De Rubiks kubus lijkt te bestaan ​​uit 26 kleinere kubussen. In opgeloste toestand heeft het zes vlakken, elk bestaande uit negen kleine vierkante vlakken van dezelfde kleur. Hoewel het lijkt alsof alle kleine vlakken kunnen worden verplaatst, kunnen alleen de hoeken en randen daadwerkelijk worden verplaatst. De middelste kubussen zijn elk vast en draaien alleen op hun plaats. Wanneer de kubus uit elkaar wordt gehaald, is te zien dat de middelste kubussen elk door assen zijn verbonden met een binnenkern. De hoeken en randen zitten nergens aan vast. Hierdoor kunnen ze rond de middelste kubussen bewegen. De kubus behoudt zijn vorm doordat de hoeken en randen elkaar op hun plaats houden en worden vastgehouden door de middelste kubussen. Elk stuk heeft een intern lipje dat wordt vastgehouden door de middelste kubussen en opgesloten door de omringende stukken. Deze tabbladen zijn gevormd om langs een gebogen baan te passen die wordt gecreëerd door de achterkant van de andere stukken. De centrale kubussen zijn bevestigd met een veer en klinknagel en behouden alle omringende stukken. De veer oefent precies de juiste druk uit om alle onderdelen op hun plaats te houden en biedt voldoende flexibiliteit voor een soepele en vergevingsgezinde functie.

Geschiedenis

Puzzelmakers creëren al eeuwenlang problemen voor mensen om op te lossen. Enkele van de vroegste puzzels dateren uit de tijd van de oude Grieken en Romeinen. De Chinezen hebben een ringpuzzel waarvan wordt gedacht dat deze in de tweede eeuw A.D. is ontwikkeld. Dit werd voor het eerst beschreven door de Italiaanse wiskundige Girolamo Carolano (Cardan) in 1550. Toen de drukpers werd uitgevonden, circuleerden complete boeken met wiskundige en mechanische problemen die speciaal voor recreatie waren ontworpen.

Uit deze vroege raadsels en woordproblemen werden op natuurlijke wijze speelgoedpuzzels ontwikkeld. In 1857 vond de Ierse wiskundige Sir William Hamilton de Icosische puzzel uit. Ergens rond 1870 werd de beroemde 15 Puzzle geïntroduceerd, naar verluidt door Sam Lloyd. Deze puzzel bestond uit numerieke tegels die op volgorde moesten worden gelegd en werd in het begin van de twintigste eeuw enorm populair. In 1883 creëerde de Franse wiskundige Edouard Lucas de puzzel Toren van Hanoi. Deze puzzel bestond uit drie pinnen en een aantal schijven met verschillende afmetingen. Het doel was om de schijven in de juiste volgorde op de pinnen te plaatsen.

Er zijn verschillende puzzels met gekleurde vierkante tegels en gekleurde kubussen. Enkele vroege voorlopers van de Rubiks kubus zijn apparaten zoals de Katzenjammer en de Mayblox-puzzel. De Mayblox-puzzel is begin jaren twintig gemaakt door de Britse wiskundige Percy MacMahon. In de jaren zestig introduceerde Parker Bothers nog een ander kubus-puzzelachtig speelgoed genaamd Instant Insanity. Dit speelgoed bereikte een matige populariteit in de Verenigde Staten. De vroege jaren 70 brachten een apparaat met zich mee genaamd de Pyraminx, uitgevonden door Uwe Meffert. Dit speelgoed was een piramide met beweegbare stukken die op kleur moesten worden gerangschikt.

Erno Rubik, een architect en professor aan de Universiteit van Boedapest, ontwikkelde het eerste werkende prototype van de Rubiks kubus in 1974. Hij ontving een Hongaars patent in 1975. Blijkbaar was het ook onafhankelijk ontworpen door Terutoshi Ishige, een ingenieur uit Japan, die een Japans patent in 1976. Professor Rubik creëerde de kubus als leerhulpmiddel voor zijn studenten om hen te helpen driedimensionale ruimtelijke relaties te herkennen. Toen hij het werkende prototype aan zijn studenten liet zien, was het meteen een schot in de roos.

De daaropvolgende jaren werkte Rubik samen met een fabrikant om de kubus op grote schaal te kunnen produceren. Na drie jaar ontwikkeling waren de eerste kubussen beschikbaar in de speelgoedwinkelrekken in Boedapest. Hoewel de kubus populair bleef in Hungry, maakte de politieke sfeer van die tijd het moeilijk om hem in de Verenigde Staten te introduceren. De twee mannen die het meest verantwoordelijk waren om de kubus tot een internationaal succes te maken, waren Dr. Laczi Tibor en Tom Kremer van Seven Towns Ltd., Londen. Seven Towns heeft de Rubik Cube-uitvinding van professor Rubik in licentie gegeven voor wereldwijde distributie. Dr. Tibor werkte binnen Hungry om bureaucraten te overtuigen om de technologie het land uit te laten. Kremer vond een Amerikaanse speelgoedfabrikant, het bedrijf Ideal Toy, die bereid was te helpen het product op de markt te brengen. Het product was meteen een hit en in de jaren tachtig werden er meer dan 200 miljoen kubussen verkocht. Rond 1983 begon de waanzinnige populariteit van de kubus af te nemen en de verkoop vertraagde drastisch. Het bleef in kleinschalige productie totdat Seven Towns de marketing overnam en in 1995 de Rubik Cube in licentie gaf aan de Oddzon Company voor de Amerikaanse markt. Sindsdien is de verkoop gestaag gestegen tot meer dan 500.000 eenheden per jaar.

Ontwerp

Het belangrijkste onderdeel bij het vervaardigen van een Rubiks kubus is het ontwerpen van de mal voor de verschillende stukken. Een mal is een holte die in staal is uitgehouwen en de omgekeerde vorm heeft van het onderdeel dat het zal produceren. Wanneer vloeibaar plastic in de mal wordt gedaan, neemt het de vorm van de mal aan wanneer deze afkoelt. Het maken van de mal is uiterst precies. De holte is zeer gepolijst om eventuele gebreken op het oppervlak te verwijderen. Elke fout zou worden gereproduceerd op elk van de miljoenen stukjes die de mal zal produceren. Bij de vervaardiging van de kubusonderdelen wordt typisch een tweedelig mal gebruikt. Tijdens de productie worden de twee vormstukken samengebracht om het plastic onderdeel te vormen en vervolgens geopend om het los te maken. Het gereedschap bevat uitwerppennen die de gegoten onderdelen van het gereedschap losmaken wanneer het wordt geopend. Alle onderdelen zijn gegoten met automatische poortgereedschappen die de onderdelen automatisch uit de spruw verwijderen wanneer deze wordt uitgeworpen. De mallen worden ook geproduceerd met een lichte tapsheid, de zogenaamde release-hoek, wat helpt bij het verwijderen. Ten slotte, wanneer mallen worden ontworpen, zijn ze iets groter dan de stukken die ze uiteindelijk zullen produceren. Dit komt omdat als de kunststoffen afkoelen, ze krimpen. Verschillende kunststoffen hebben een verschillende krimpsnelheid en elk gereedschap moet specifiek zijn ontworpen voor het materiaal dat zal worden gebruikt.

De commerciële kubus is samengesteld uit zes vaste kubussen, acht verplaatsbare kubussen op de hoeken en 12 verplaatsbare kubussen op de randen. Elke kubus is een van de zes kleuren. De Rubiks kubus heeft de kleuren rood, geel, blauw, groen, wit en oranje. In de opgeloste toestand bevindt elke kleur zich op slechts één zijde. Wanneer de kubus wordt gedraaid, bewegen de randen en hoeken en wordt de kubus vervormd. De uitdaging van de puzzel is om elke kubus in zijn oorspronkelijke positie te herstellen. De kubus is buitengewoon uitdagend omdat er iets meer dan 43 triljoen (4,3 × 10 ¹⁹ ) mogelijke regelingen, en slechts één oplossing.

De standaard Rubiks kubus heeft zijden van ongeveer 2,2 inch (5,7 cm) per vierkant. Er zijn ook verschillende andere formaten geproduceerd, zoals een minikubus van 3,8 cm, een microkubus met een sleutelhanger van 2 cm en een gigantische kubus van 9 cm. Hoewel de standaardkubus een segmentatie van 3 × 3 × 3 is, zijn er ook andere typen geïntroduceerd. Enkele van de interessantere zijn de kubus van 2 × 2 × 2, de kubus van 4 × 4 × 4 (genaamd Rubik's Revenge) en de kubus van 5 × 5 × 5. De vorm is ook gevarieerd en puzzels in de vorm van een tetraëdrische, een piramide en een octaëdrische behoren tot de typen die werden geproduceerd. De Rubik's Cube leidde ook tot de ontwikkeling van game-derivaten zoals de Rubik's Cube-puzzel en de Rub it-kubuswisser.

Grondstoffen

De afzonderlijke stukken waaruit de Rubiks kubus bestaat, zijn meestal gemaakt van plastic. Kunststoffen zijn materialen met een hoog molecuulgewicht die kunnen worden geproduceerd door middel van verschillende chemische reacties die polymerisatie worden genoemd. De meeste kunststoffen die in een Rubiks kubus worden gebruikt, zijn thermoplasten. Deze verbindingen zijn stijf, duurzaam en kunnen permanent in verschillende vormen worden gegoten. De kunststoffen die in de Rubiks kubus worden gebruikt, zijn acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) en nylon. Andere kunststoffen die kunnen worden gebruikt, zijn onder meer polypropyleen (PP), slagvast polystyreen (HIPS) en polyethyleen met hoge dichtheid (HDPE).

Voor decoratieve doeleinden wordt meestal een kleurstof aan het plastic toegevoegd. De stukjes van een Rubiks kubus zijn typisch zwart. Tijdens de productie worden gekleurde stickers op de buitenkant van de kubus geplakt om de kleur van een zijde aan te geven. De kunststoffen die tijdens de productie worden gebruikt, worden in korrelvorm geleverd aan de fabrikant, compleet met vulmiddel en kleurstoffen. Deze korrels kunnen dan direct in de vormmachines worden geladen.

Het fabricageproces

De vervaardiging van de eerste prototypes van de Rubiks kubus gebeurde met de hand. Tijdens de late jaren 1970 werden methoden voor massaproductie ontwikkeld en worden ze nog steeds gebruikt. Doorgaans is de productie een stapsgewijs proces waarbij de stukken worden gespuitgiet, de stukken in elkaar passen, de Rubiks kubus wordt versierd en het eindproduct in een verpakking wordt gedaan.

Vormen

• 1 Bij de start van de productie worden de kunststofkorrels door middel van spuitgieten omgevormd tot Rubik's kubusdelen. Bij dit proces worden de korrels in de trechter van een spuitgietmachine gedaan. Ze worden gesmolten wanneer ze door een hydraulisch gestuurde schroef worden geleid. Terwijl de schroef draait, wordt het gesmolten plastic door een mondstuk geduwd en fysiek in de mal gedwongen of geïnjecteerd. Vlak voor de komst van het gesmolten plastic worden de twee helften van de mal samengebracht om een ​​holte te creëren die de identieke vorm heeft van het Rubiks kubusdeel. Dit kan een rand, een hoek of het middenstuk zijn. In de mal wordt het plastic een bepaalde tijd onder druk gehouden en vervolgens afgekoeld. Tijdens het afkoelen hardt het plastic uit in de mal. Nadat er voldoende tijd is verstreken, worden de vormhelften geopend en worden de kubusstukken uitgeworpen. De mal sluit zich dan weer en het proces begint opnieuw. Elke keer dat de machine een set onderdelen vormt, is er één cyclus van de machine. De cyclustijd van de Rubiks kubus is ongeveer 20 seconden.
• 2 Nadat de kubusonderdelen uit de mal zijn geworpen, worden ze in containerbakken gedropt en met de hand geïnspecteerd om er zeker van te zijn dat er geen aanzienlijk beschadigde onderdelen worden gebruikt. Het afval sprue materiaal wordt opzij gezet om te worden hergebruikt of gesloopt. Afvalmateriaal kan worden vermalen en opnieuw gesmolten om nieuwe onderdelen te maken, maar opnieuw gemalen materiaal kan degraderen en onderdelen van slechte kwaliteit veroorzaken. Rubik's kubussen zijn altijd gemaakt van nieuw materiaal en gebruiken nooit opnieuw vermalen afvalplastic.

Onderdelenmontage

• 3 De onderdelen van de Rubiks kubus worden naar een lopende band gebracht. In deze productiefase worden de afzonderlijke kubusstukken in elkaar gezet. Beginnend met de nylon kern, is elke ABS-middenkubus aan de kern geklonken met een veerafstandhouder. De klinknagel wordt zorgvuldig gecontroleerd met een diepteaanslag om ervoor te zorgen dat de veer precies de juiste hoeveelheid wordt samengedrukt. Elke middelste kubus heeft een plastic hoes die is gelijmd om de klinknagel te verbergen. Een van de zes middelste kubussen blijft over tot het laatste deel van de montage. De ABS-randen en hoekstukken zijn individueel om de kern gestapeld. De kubus wordt van onder naar boven opgebouwd en het laatste stuk dat moet worden geassembleerd, is de laatste middenkubus die opnieuw in de kern wordt geklonken met een veerafstandhouder en de laatste dop wordt vastgelijmd.

Etikettering

• 4 Vervolgens moeten de kubusvlakken van de Rubik worden gelabeld. De etiketten zijn gemaakt van polypropyleen vel materiaal dat bedrukt is met de kleuren. Het bedrukte vel PP wordt vervolgens gelamineerd met een heldere PP-beschermlaag. Het materiaal wordt vervolgens gestanst met de labels op rollen gewikkeld. De labels zijn gemaakt met alle negen vierkanten van elk vlak precies uitgelijnd. Zo kunnen de labels perfect uitgelijnd worden wanneer ze op de kubus worden aangebracht.

Verpakking

• 5 Nadat alle etikettering is voltooid, worden de blokjes in hun definitieve verpakking gedaan. Dit kan een kleine doos zijn met een instructieboekje of een plastic blisterverpakking met een kartonnen achterkant. De verpakking heeft een tweeledig doel:de Rubiks kubus beschermen tegen schade veroorzaakt door verzending en reclame voor het product. De Rubik's kubusverpakkingen worden in dozen gedaan en op een pallet geplaatst. De pallets worden vervolgens op vrachtwagens geladen en de producten worden over de hele wereld verscheept.

Kwaliteitscontrole

Om ervoor te zorgen dat elk speelgoed een product van hoge kwaliteit is, controleren kwaliteitscontrole-inspecteurs het product in elke productiefase. De binnenkomende kunststofkorrels worden chemisch getest om te bepalen of ze aan bepaalde chemische specificaties voldoen. Deze omvatten controles op uiterlijk, kleur, smeltpunt, toxiciteit en molecuulgewicht.

Direct na het verlaten van de matrijs wordt ook de kwaliteit van de afzonderlijke onderdelen gecontroleerd. Aangezien er dagelijks duizenden onderdelen worden gemaakt, zou een volledige inspectie moeilijk zijn. Dientengevolge kunnen lijninspecteurs willekeurig de plastic onderdelen met vaste tijdsintervallen controleren en controleren of ze voldoen aan de specificaties voor grootte, vorm en consistentie. Deze bemonsteringsmethode geeft een goede indicatie van de kwaliteit van de totale productierun van Rubik's kubus. Waar naar wordt gezocht zijn onder meer vervormde onderdelen, onjuist gemonteerde onderdelen en ongepaste etikettering. Hoewel visuele inspectie de primaire testmethode is die wordt gebruikt, kunnen ook strengere metingen worden uitgevoerd. Meetapparatuur wordt gebruikt om de lengte, breedte en dikte van elk onderdeel te controleren. Meestal worden apparaten zoals een schuifmaat, een micrometer of een microscoop gebruikt. Net voordat een kubus in de verpakking wordt gedaan, kan deze worden gedraaid om ervoor te zorgen dat deze bij elkaar blijft en in goede staat verkeert. Dit kan met de hand of met een draaimachine. Als een stuk speelgoed defect blijkt te zijn, wordt het opzij gelegd om later opnieuw te worden bewerkt.

De Toekomst

Terwijl de extreme populariteit van de Rubiks kubus rond 1984 afnam De Rubiks kubus begint met een nylon kern. De plastic vierkanten worden vervolgens van onder naar boven bevestigd, waarbij de labels als laatste worden bevestigd. maakte onlangs een belangrijke comeback. Dit is het resultaat van indrukwekkende marketinginspanningen van Seven Towns. In de toekomst zou deze marketinginspanning de verkoop van de Rubiks kubus moeten blijven verhogen. Naast de kubus zijn er andere afgeleide puzzels geïntroduceerd, waaronder de Rubik's slang, Rubik's triamid en de Rubik's magische vouwpuzzel. De verwachting is dat in de nabije toekomst ook nieuwe varianten zullen worden geïntroduceerd.

Waar meer te leren

Boeken

Chabot, J.F. De ontwikkeling van machines en methoden voor kunststofverwerking. Brookfield:Society of Plastics Engineers, 1992.

Anders, Kirk. Encyclopedie van chemische technologie. vol. 22, 1992.

Rubik, E. Rubik's Cubic Compendium. Oxford University Press, 1987.

Seymour, R. en C. Carraher. Polymeerchemie. New York:Marcel Dekker, Inc., 1992.

Overige

Seven Towns Ltd. Rubik's online webpagina. 27 september 2001. .

Amerikaans octrooi nr. 4378116.

Amerikaans octrooi nr. 4471959.

Webpagina van virtueel puzzelmuseum. 27 september 2001. .

Perry Romanowski

Steven Perijn