Rubiks Würfel

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Hintergrund

Rubiks Würfel ist ein Spielzeugpuzzle, das Mitte der 1970er Jahre von Erno Rubik entworfen wurde. Es ist ein würfelförmiges Gerät, das aus kleineren Würfelstücken mit sechs unterschiedlichen Farben besteht. Das primäre Herstellungsverfahren umfasst das Spritzgießen der verschiedenen Komponententeile, dann die anschließende Montage, Etikettierung und Verpackung. Der Würfel war in den 1980er Jahren äußerst beliebt, und auf seinem Höhepunkt zwischen 1980 und 1983 wurden weltweit 200 Millionen Würfel verkauft. Heute werden jedes Jahr mehr als 500.000 Würfel weltweit verkauft.

Der Zauberwürfel scheint aus 26 kleineren Würfeln zu bestehen. Im gelösten Zustand hat es sechs Gesichter, die jeweils aus neun kleinen quadratischen Gesichtern der gleichen Farbe bestehen. Es scheint, dass alle kleinen Flächen verschoben werden können, aber nur die Ecken und Kanten können tatsächlich verschoben werden. Die mittleren Würfel sind jeweils feststehend und drehen sich nur an Ort und Stelle. Beim Zerlegen des Würfels erkennt man, dass die mittleren Würfel jeweils durch Achsen mit einem inneren Kern verbunden sind. Die Ecken und Kanten sind an nichts befestigt. Dadurch können sie sich um die mittleren Würfel herum bewegen. Der Würfel behält seine Form, weil die Ecken und Kanten sich gegenseitig an Ort und Stelle halten und von den mittleren Würfeln gehalten werden. Jedes Teil hat eine interne Lasche, die von den mittleren Würfeln gehalten und von den umgebenden Teilen gefangen wird. Diese Laschen sind so geformt, dass sie entlang einer gebogenen Schiene passen, die von den Rückseiten der anderen Teile erzeugt wird. Die zentralen Würfel werden mit Feder und Niete fixiert und halten alle umliegenden Teile. Die Feder übt genau den richtigen Druck aus, um alle Teile an Ort und Stelle zu halten, und bietet gleichzeitig genügend Flexibilität für eine reibungslose und fehlerverzeihende Funktion.

Verlauf

Puzzle-Hersteller schaffen seit Jahrhunderten Probleme, die Menschen lösen müssen. Einige der frühesten Rätsel stammen aus der Zeit der alten Griechen und Römer. Die Chinesen haben ein Ringrätsel, von dem angenommen wird, dass es im zweiten Jahrhundert n. Chr. . entwickelt wurde Dies wurde erstmals 1550 vom italienischen Mathematiker Girolamo Carolano (Cardan) beschrieben. Als die Druckerpresse erfunden wurde, wurden ganze Bücher mit mathematischen und mechanischen Problemen speziell für die Erholung in Umlauf gebracht.

Aus diesen frühen Rätseln und Wortaufgaben wurden natürlich Spielzeugrätsel entwickelt. 1857 erfand der irische Mathematiker Sir William Hamilton das Icosian-Puzzle. Irgendwann um 1870 wurde das berühmte 15 Puzzle eingeführt, angeblich von Sam Lloyd. Bei diesem Puzzle handelte es sich um numerische Kacheln, die in eine Reihenfolge gebracht werden mussten, und wurde im frühen 20. Jahrhundert äußerst beliebt. 1883 schuf der französische Mathematiker Edouard Lucas das Puzzle Tower of Hanoi. Dieses Puzzle bestand aus drei Stiften und mehreren Scheiben unterschiedlicher Größe. Ziel war es, die Scheiben in der richtigen Reihenfolge auf die Stifte zu legen.

Es gibt verschiedene Puzzles mit farbigen quadratischen Kacheln und farbigen Würfeln. Zu den frühen Vorläufern des Zauberwürfels gehören Geräte wie der Katzenjammer und das Mayblox-Puzzle. Das Mayblox-Puzzle wurde Anfang der 1920er Jahre vom britischen Mathematiker Percy MacMahon entwickelt. In den 1960er Jahren führte Parker Bothers ein weiteres Würfel-Puzzle-Spielzeug namens Instant Insanity ein. Dieses Spielzeug erreichte in den Vereinigten Staaten eine mäßige Popularität. Die frühen 1970er Jahre brachten ein Gerät namens Pyraminx mit sich, das von Uwe Meffert erfunden wurde. Dieses Spielzeug war eine Pyramide mit beweglichen Teilen, die nach Farben aufgereiht werden mussten.

Erno Rubik, Architekt und Professor an der Universität Budapest, entwickelte 1974 den ersten funktionierenden Prototyp des Rubik's-Würfels. 1975 erhielt er ein ungarisches Patent. Offenbar wurde er auch unabhängig von Terutoshi Ishige, einem Ingenieur aus Japan, entworfen, der die 1976 ein japanisches Patent. Professor Rubik schuf den Würfel als Lehrmittel für seine Studenten, um ihnen zu helfen, dreidimensionale räumliche Zusammenhänge zu erkennen. Als er seinen Schülern den funktionierenden Prototyp zeigte, war er sofort ein Hit.

In den nächsten Jahren arbeitete Rubik mit einem Hersteller zusammen, um die Produktion des Würfels in Massenproduktion zu ermöglichen. Nach dreijähriger Entwicklungszeit standen die ersten Würfel in den Regalen der Spielwarenläden in Budapest. Während der Würfel in Ungarn beliebt blieb, erschwerte die politische Atmosphäre der Zeit seine Einführung in den Vereinigten Staaten. Die beiden Hauptverantwortlichen für den internationalen Erfolg des Würfels waren Dr. Laczi Tibor und Tom Kremer von Seven Towns Ltd., London. Seven Towns lizenzierte die Rubik-Würfel-Erfindung von Professor Rubik für den weltweiten Vertrieb. Dr. Tibor arbeitete innerhalb von Hungry, um Bürokraten davon zu überzeugen, die Technologie aus dem Land zu lassen. Kremer fand einen US-amerikanischen Spielzeughersteller, die Firma Ideal Toy, der bereit war, das Produkt zu vermarkten. Das Produkt war sofort ein Hit und in den 1980er Jahren wurden über 200 Millionen Würfel verkauft. Um 1983 begann die rasende Popularität des Würfels nachzulassen und der Verkauf verlangsamte sich drastisch. Es blieb in Kleinserienproduktion, bis Seven Towns die Vermarktung übernahm und 1995 den Rubik Cube an die Oddzon Company für den US-amerikanischen Markt lizenzierte. Seitdem ist der Verkauf stetig auf über 500.000 Einheiten pro Jahr gestiegen.

Design

Der wichtigste Teil bei der Herstellung eines Zauberwürfels ist die Gestaltung der Form für die verschiedenen Teile. Eine Form ist ein in Stahl gehauener Hohlraum, der die umgekehrte Form des zu produzierenden Teils hat. Wenn flüssiger Kunststoff in die Form gefüllt wird, nimmt er beim Abkühlen die Form der Form an. Die Herstellung der Form ist äußerst präzise. Die Kavität ist hochglanzpoliert, um eventuelle Fehler auf der Oberfläche zu beseitigen. Jeder Fehler würde auf jedem der Millionen von Teilen reproduziert, die die Form produzieren wird. Bei der Herstellung der Würfelteile wird typischerweise eine zweiteilige Form verwendet. Bei der Herstellung werden die beiden Formteile zum Kunststoffteil zusammengeführt und anschließend zum Lösen geöffnet. Das Werkzeug enthält Auswerferstifte, die beim Öffnen die Formteile aus den Werkzeugen lösen. Alle Teile werden mit automatischen Angusswerkzeugen geformt, die die Teile beim Auswerfen automatisch aus dem Anguss entfernen. Die Formen werden auch mit einer leichten Verjüngung, dem sogenannten Ablösewinkel, hergestellt, was das Entfernen erleichtert. Wenn Formen schließlich entworfen werden, sind sie etwas größer als die Stücke, die sie letztendlich produzieren werden. Dies liegt daran, dass die Kunststoffe beim Abkühlen schrumpfen. Unterschiedliche Kunststoffe haben eine unterschiedliche Schrumpfrate und jedes Werkzeug muss speziell für das verwendete Material entwickelt werden.

Der kommerzielle Würfel besteht aus sechs festen Würfeln, acht beweglichen Würfeln an den Ecken und 12 beweglichen Würfeln an den Kanten. Jeder Würfel hat eine von sechs Farben. Der Zauberwürfel hat die Farben Rot, Gelb, Blau, Grün, Weiß und Orange. Im gelösten Zustand befindet sich jede Farbe nur auf einer Seite. Wenn der Würfel gedreht wird, bewegen sich die Kanten und Ecken und der Würfel wird durcheinander gebracht. Die Herausforderung des Puzzles besteht darin, jeden Würfel wieder in seine ursprüngliche Position zu bringen. Der Würfel ist extrem herausfordernd, denn es gibt etwas mehr als 43 Trillionen (4,3 × 10 ¹⁹ ) mögliche Anordnungen und nur eine Lösung.

Der Standard-Rubik-Würfel hat Seiten von etwa 2,2 Zoll (5,7 cm) pro Quadrat. Es wurden auch verschiedene andere Größen hergestellt, wie ein 1,5 Zoll (3,8 cm) Miniwürfel, ein 0,8 Zoll (2 cm) Schlüsselanhänger-Mikrowürfel und ein 3,5 Zoll (9 cm) Riesenwürfel. Während der Standardwürfel eine 3 × 3 × 3-Segmentierung ist, wurden auch andere Typen eingeführt. Einige der interessanteren sind der 2 × 2 × 2-Würfel, der 4 × 4 × 4-Würfel (genannt Rubik's Revenge) und der 5 × 5 × 5-Würfel. Auch die Form wurde variiert und Puzzles in Form eines Tetraeders, einer Pyramide und eines Oktaeders gehören zu den Typen, die hergestellt wurden. Der Zauberwürfel führte auch zur Entwicklung von Spielderivaten wie dem Zauberwürfel-Puzzle und dem Rubik-Würfel-Radiergummi.

Rohstoffe

Die einzelnen Teile, aus denen der Zauberwürfel besteht, werden typischerweise aus Kunststoff hergestellt. Kunststoffe sind Materialien mit hohem Molekulargewicht, die durch verschiedene chemische Reaktionen, die als Polymerisation bezeichnet werden, hergestellt werden können. Die meisten der in einem Zauberwürfel verwendeten Kunststoffe sind Thermoplaste. Diese Verbindungen sind steif, haltbar und können dauerhaft in verschiedene Formen gebracht werden. Die im Zauberwürfel verwendeten Kunststoffe sind Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Nylon. Andere Kunststoffe, die verwendet werden könnten, umfassen Polypropylen (PP), hochschlagfestes Polystyrol (HIPS) und hochdichtes Polyethylen (HDPE).

Zu dekorativen Zwecken wird dem Kunststoff typischerweise ein Farbstoff zugesetzt. Die Stücke eines Zauberwürfels sind typischerweise schwarz. Während der Produktion werden farbige Aufkleber auf der Außenseite des Würfels angebracht, um die Farbe einer Seite zu kennzeichnen. Die bei der Produktion eingesetzten Kunststoffe werden in Granulatform komplett mit Füllstoffen und Farbstoffen an den Hersteller geliefert. Diese Pellets können dann direkt in die Formmaschinen geladen werden.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die Herstellung der ersten Rubik's Cube Prototypen erfolgte in Handarbeit. In den späten 1970er Jahren wurden Verfahren für die Massenproduktion entwickelt und werden bis heute verwendet. Typischerweise ist die Produktion ein schrittweiser Prozess, der das Spritzgießen der Teile, das Zusammenfügen der Teile, das Dekorieren des Zauberwürfels und das Verpacken des fertigen Produkts umfasst.

Formen

• 1 Wenn die Produktion anläuft, werden die Kunststoffgranulate durch Spritzgießen in Rubik's Cube-Teile umgewandelt. Bei diesem Verfahren werden die Pellets in den Trichter einer Spritzgussmaschine gegeben. Sie werden geschmolzen, wenn sie durch eine hydraulisch gesteuerte Schnecke geführt werden. Während sich die Schnecke dreht, wird der geschmolzene Kunststoff durch eine Düse geführt und physisch in die Form gedrückt oder eingespritzt. Kurz vor dem Eintreffen des geschmolzenen Kunststoffs werden die beiden Werkzeughälften zu einer Kavität zusammengeführt, die die identische Form des Zauberwürfels hat. Dies kann eine Kante, eine Ecke oder das Mittelstück sein. Im Werkzeug wird der Kunststoff für eine bestimmte Zeit unter Druck gehalten und anschließend abkühlen gelassen. Beim Abkühlen härtet der Kunststoff im Werkzeug aus. Nach ausreichender Zeit werden die Formhälften geöffnet und die Würfelstücke ausgeworfen. Anschließend schließt sich das Werkzeug wieder und der Prozess beginnt von neuem. Jedes Mal, wenn die Maschine einen Satz von Teilen formt, ist dies ein Zyklus der Maschine. Die Zykluszeit des Zauberwürfels beträgt etwa 20 Sekunden.
• 2 Nachdem die Würfelteile aus der Form ausgeworfen wurden, werden sie in Containerbehälter geworfen und von Hand geprüft, um sicherzustellen, dass keine erheblich beschädigten Teile verwendet werden. Das Abfallmaterial des Angusses wird zur Wiederverwendung oder Verschrottung beiseite gelegt. Abfallmaterial kann zermahlen und wieder geschmolzen werden, um neue Teile herzustellen, jedoch kann nachgemahlenes Material sich zersetzen und Teile von schlechter Qualität verursachen. Rubik's Cubes werden immer aus Neumaterial hergestellt und verwenden nie wieder gemahlene Plastikabfälle.

Teilemontage

• 3 Die Teile des Zauberwürfels werden zu einem Fließband gebracht. In dieser Produktionsphase werden die einzelnen Würfelstücke zusammengesetzt. Beginnend mit dem Nylonkern wird jeder ABS-Mittelwürfel mit einem Federabstandshalter mit dem Kern vernietet. Die Niete wird mit einem Tiefenanschlag sorgfältig kontrolliert, um sicherzustellen, dass die Feder genau richtig komprimiert wird. Jeder Mittelwürfel hat eine Plastikabdeckung, die aufgeklebt ist, um die Niete zu verbergen. Einer der sechs mittleren Würfel bleibt bis zum letzten Teil des Zusammenbaus übrig. Die ABS Kanten und Eckstücke werden einzeln um den Kern gestapelt. Der Würfel wird von unten nach oben gebaut und als letztes Teil wird der letzte Mittelwürfel montiert, der wieder mit einem Federabstandshalter in den Kern genietet und die letzte Kappe aufgeklebt wird.

Kennzeichnung

• 4 Als nächstes müssen die Würfelflächen des Rubiks beschriftet werden. Die Etiketten bestehen aus Polypropylen-Blattmaterial, das mit den Farben bedruckt ist. Der bedruckte PP-Blatt wird dann mit einer klaren PP-Schutzhülle laminiert. Anschließend wird das Material gestanzt, wobei die Etiketten auf Rollen aufgewickelt werden. Die Etiketten werden so erstellt, dass alle neun Quadrate jeder Seite genau ausgerichtet sind. So können die Etiketten beim Aufbringen auf den Würfel perfekt ausgerichtet werden.

Verpackung

• 5 Nachdem alle Etikettierungen abgeschlossen sind, werden die Würfel in ihre Endverpackung gegeben. Dies kann eine kleine Schachtel sein, in der eine Bedienungsanleitung enthalten ist, oder eine Plastikblisterpackung mit Kartonrückseite. Die Verpackung dient dem doppelten Zweck, den Zauberwürfel vor Schäden durch Versand und Werbung für das Produkt zu schützen. Die Rubik's Cube-Pakete werden in Kisten verpackt und auf eine Palette transportiert. Anschließend werden die Paletten auf LKWs verladen und die Produkte in die ganze Welt verschickt.

Qualitätskontrolle

Um sicherzustellen, dass jedes Spielzeug ein qualitativ hochwertiges Produkt ist, überprüfen Qualitätsprüfer das Produkt in jeder Produktionsphase. Die eingehenden Kunststoffpellets werden chemisch getestet, um festzustellen, ob sie bestimmten chemischen Spezifikationen entsprechen. Dazu gehören Prüfungen auf Aussehen, Farbe, Schmelzpunkt, Toxizität und Molekulargewicht.

Auch die Qualität der Einzelteile wird direkt nach dem Verlassen des Werkzeugs geprüft. Da täglich Tausende von Teilen hergestellt werden, wäre eine vollständige Inspektion schwierig. Folglich können Linienprüfer die Kunststoffteile in festgelegten Zeitintervallen stichprobenartig überprüfen und sicherstellen, dass sie die Spezifikationen für Größe, Form und Konsistenz erfüllen. Diese Stichprobenmethode liefert einen guten Hinweis auf die Qualität des gesamten Produktionslaufs von Rubik's Cube. Gesucht wird unter anderem nach verformten Teilen, falsch montierten Teilen und unsachgemäßer Kennzeichnung. Obwohl die visuelle Inspektion das primär verwendete Testverfahren ist, können auch strengere Messungen durchgeführt werden. Mit Messgeräten werden Länge, Breite und Dicke jedes Teils überprüft. Typischerweise werden Geräte wie ein Messschieber, ein Mikrometer oder ein Mikroskop verwendet. Unmittelbar vor dem Einlegen eines Würfels in die Verpackung kann dieser verdreht werden, um sicherzustellen, dass er zusammenhält und funktionstüchtig ist. Dies kann von Hand oder mit einer Drehmaschine erfolgen. Wenn sich ein Spielzeug als defekt herausstellt, wird es zur späteren Überarbeitung beiseite gelegt.

Die Zukunft

Während die extreme Popularität des Zauberwürfels um 1984 nachließ Der Zauberwürfel beginnt mit einem Nylonkern. Die Plastikquadrate werden dann von unten nach oben angebracht, wobei die Etiketten zuletzt angebracht werden. vor kurzem ein bedeutendes Comeback. Dies ist das Ergebnis beeindruckender Marketing-Bemühungen von Seven Towns. Künftig sollen diese Marketingmaßnahmen den Absatz des Zauberwürfels weiter steigern. Neben dem Würfel wurden andere abgeleitete Rätsel eingeführt, darunter die Zauberschlange des Zaubers, das Triamid von Zauber und das magische Falträtsel von Zauber. Es wird erwartet, dass in naher Zukunft auch neue Varianten eingeführt werden.

Weitere Informationen

Bücher

Chabot, J. F. Die Entwicklung von Maschinen und Verfahren zur Kunststoffverarbeitung. Brookfield:Society of Plastics Engineers, 1992.

Othmer, Kirk. Enzyklopädie der chemischen Technologie. vol. 22., 1992.

Rubik, E. Rubiks kubisches Kompendium. Oxford University Press, 1987.

Seymour, R. und C. Carraher. Polymerchemie. New York:Marcel Dekker, Inc., 1992.

Andere

Seven Towns Ltd. Rubiks Online-Webseite. 27. September 2001. .

US-Patent Nr. 4378116.

US-Patent Nr. 4471959.

Webseite des virtuellen Puzzlemuseums. 27. September 2001. .

Perry Romanowski

Steven Perrin