Cube de Rubik

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Contexte

Le Rubik's cube est un puzzle jouet conçu par Erno Rubik au milieu des années 1970. C'est un appareil en forme de cube composé de morceaux de cubes plus petits avec six faces ayant des couleurs différentes. La principale méthode de fabrication implique le moulage par injection des différentes pièces constitutives, puis l'assemblage, l'étiquetage et l'emballage ultérieurs. Le cube était extrêmement populaire dans les années 1980, et à son apogée entre 1980 et 1983, 200 millions de cubes ont été vendus dans le monde. Aujourd'hui, les ventes continuent à dépasser les 500 000 cubes vendus dans le monde chaque année.

Le Rubik's cube semble être composé de 26 cubes plus petits. Dans son état résolu, il a six faces, chacune composée de neuf petites faces carrées de la même couleur. Bien qu'il semble que toutes les petites faces puissent être déplacées, seuls les coins et les bords peuvent réellement bouger. Les cubes centraux sont chacun fixes et ne tournent que sur place. Lorsque le cube est démonté, on peut voir que les cubes centraux sont chacun reliés par des essieux à un noyau interne. Les coins et les bords ne sont fixés à rien. Cela leur permet de se déplacer autour des cubes du centre. Le cube conserve sa forme car les coins et les bords se maintiennent en place et sont retenus par les cubes centraux. Chaque pièce a une languette interne qui est retenue par les cubes centraux et piégée par les pièces environnantes. Ces onglets sont façonnés pour s'adapter le long d'une piste incurvée créée par le dos des autres pièces. Les cubes centraux sont fixés avec un ressort et un rivet et retiennent toutes les pièces environnantes. Le ressort exerce juste la bonne pression pour maintenir toutes les pièces en place tout en offrant suffisamment de flexibilité pour une fonction douce et tolérante.

Historique

Les fabricants de puzzles créent des problèmes à résoudre depuis des siècles. Certaines des premières énigmes remontent à l'époque des anciens Grecs et Romains. Les Chinois ont un puzzle en anneau qui aurait été développé au cours du IIe siècle après JC Cela a été décrit pour la première fois par le mathématicien italien Girolamo Carolano (Cardan) en 1550. Lorsque l'imprimerie a été inventée, des livres complets de problèmes mathématiques et mécaniques conçus spécifiquement pour les loisirs ont été diffusés.

À partir de ces premières énigmes et problèmes de mots, des puzzles-jouets se sont naturellement développés. En 1857, le mathématicien irlandais Sir William Hamilton a inventé le puzzle Icosian. Vers 1870, le célèbre 15 Puzzle a été introduit, apparemment par Sam Lloyd. Ce puzzle impliquait des tuiles numériques qui devaient être placées dans l'ordre et est devenu extrêmement populaire au début du XXe siècle. En 1883, le mathématicien français Edouard Lucas a créé le puzzle de la Tour de Hanoï. Ce puzzle était composé de trois chevilles et d'un certain nombre de disques de différentes tailles. Le but était de placer les disques sur les chevilles dans le bon ordre.

Il existe divers puzzles qui impliquent des tuiles carrées colorées et des cubes colorés. Certains des premiers précurseurs du Rubik's cube incluent des appareils tels que le Katzenjammer et le puzzle Mayblox. Le puzzle Mayblox a été créé par le mathématicien britannique Percy MacMahon au début des années 1920. Dans les années 1960, Parker Bothers a introduit un autre jouet de type puzzle cubique appelé Instant Insanity. Ce jouet a atteint un niveau de popularité modéré aux États-Unis. Le début des années 1970 a apporté un appareil appelé Pyraminx, inventé par Uwe Meffert. Ce jouet était une pyramide qui avait des pièces mobiles qui devaient être alignées selon la couleur.

Erno Rubik, architecte et professeur à l'Université de Budapest a développé le premier prototype fonctionnel du Rubik's cube en 1974. Il a reçu un brevet hongrois en 1975. Apparemment, il a également été conçu indépendamment par Terutoshi Ishige, un ingénieur du Japon, qui a reçu un brevet japonais en 1976. Le professeur Rubik a créé le cube comme outil pédagogique pour ses étudiants afin de les aider à reconnaître les relations spatiales tridimensionnelles. Lorsqu'il a montré le prototype fonctionnel à ses étudiants, ce fut un succès immédiat.

Au cours des années suivantes, Rubik a travaillé avec un fabricant pour permettre la production du cube à grande échelle. Après trois ans de développement, les premiers cubes étaient disponibles dans les rayons des magasins de jouets à Budapest. Alors que le cube est resté populaire à Hungry, l'atmosphère politique de l'époque a rendu difficile son introduction aux États-Unis. Les deux hommes les plus responsables du succès international du cube étaient le Dr Laczi Tibor et Tom Kremer de Seven Towns Ltd., Londres. Seven Towns a concédé sous licence l'invention du Rubik Cube du professeur Rubik pour une distribution mondiale. Le Dr Tibor a travaillé au sein de Hungry pour convaincre les bureaucrates d'autoriser la technologie à sortir du pays. Kremer a trouvé un fabricant de jouets américain, la société Ideal Toy, qui était prêt à aider à commercialiser le produit. Le produit a été un succès immédiat, et au cours des années 1980, plus de 200 millions de cubes ont été vendus. Vers 1983, la popularité frénétique du cube a commencé à décliner et les ventes ont considérablement ralenti. Il est resté en production à petite échelle jusqu'à ce que Seven Towns prenne en charge la commercialisation et licencie le Rubik Cube à la société Oddzon pour le marché américain en 1995. Depuis lors, les ventes n'ont cessé d'augmenter pour atteindre plus de 500 000 unités par an.

Conception

La partie la plus importante dans la fabrication d'un Rubik's cube est la conception du moule pour les différentes pièces. Un moule est une cavité taillée dans l'acier qui a la forme inverse de la pièce qu'elle va produire. Lorsque du plastique liquide est mis dans le moule, il prend la forme du moule lorsqu'il refroidit. La création du moule est extrêmement précise. La cavité est hautement polie pour éliminer tous les défauts de la surface. Tout défaut serait reproduit sur chacune des millions de pièces que le moule produira. Dans la fabrication des pièces cubiques, un moule en deux pièces est typiquement utilisé. Lors de la fabrication, les deux pièces du moule sont réunies pour former la pièce en plastique puis ouvertes pour la libérer. L'outil comprend des broches d'éjection qui libèrent les pièces moulées des outils lorsqu'il s'ouvre. Toutes les pièces sont moulées avec des outils de blocage automatique qui retirent automatiquement les pièces de la carotte lorsqu'elle est éjectée. Les moules sont également fabriqués avec une légère conicité, appelée angle de libération, qui facilite le retrait. Enfin, lorsque les moules sont conçus, ils sont légèrement plus gros que les pièces qu'ils finiront par produire. En effet, lorsque les plastiques refroidissent, ils rétrécissent. Différents plastiques auront un taux de retrait différent, et chaque outil doit être spécifiquement conçu pour le matériau qui sera utilisé.

Le cube commercial est composé de six cubes fixes, huit cubes mobiles sur les coins et 12 cubes mobiles sur les bords. Chaque cube est l'une des six couleurs. Le Rubik's cube a des couleurs rouge, jaune, bleu, vert, blanc et orange. Dans son état résolu, chaque couleur est sur une seule face. Lorsque le cube est tourné, les bords et les coins se déplacent et le cube se brouille. Le défi du puzzle est de restaurer chaque cube à sa position d'origine. Le cube est extrêmement difficile car il y a un peu plus de 43 quintillions (4,3 × 10 ¹⁹ ) dispositions possibles, et une seule solution.

Le Rubik's cube standard a des côtés d'environ 2,2 pouces (5,7 cm) par carré. Diverses autres tailles ont également été produites, telles qu'un mini cube de 1,5 po (3,8 cm), un micro cube porte-clés de 0,8 po (2 cm) et un cube géant de 3,5 po (9 cm). Alors que le cube standard est une segmentation 3 × 3 × 3, d'autres types ont également été introduits. Parmi les plus intéressants, citons le cube 2 × 2 × 2, le cube 4 × 4 × 4 (appelé Rubik's Revenge) et le cube 5 × 5 × 5. La forme a également été variée et des puzzles sous la forme d'un tétraèdre, d'une pyramide et d'un octaèdre font partie des types qui ont été produits. Le Rubik's cube a également conduit au développement de jeux dérivés comme le puzzle Rubik's cube et la gomme Rub it cube.

Matières premières

Les pièces individuelles qui composent le Rubik's cube sont généralement fabriquées en plastique. Les plastiques sont des matériaux de poids moléculaire élevé qui peuvent être produits par diverses réactions chimiques appelées polymérisation. La plupart des plastiques utilisés dans un Rubik's cube sont des thermoplastiques. Ces composés sont rigides, durables et peuvent être moulés de façon permanente sous diverses formes. Les plastiques utilisés dans le Rubik's cube sont l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) et le nylon. D'autres plastiques qui pourraient être utilisés comprennent le polypropylène (PP), le polystyrène résistant aux chocs (HIPS) et le polyéthylène haute densité (PEHD).

À des fins décoratives, un colorant est généralement ajouté au plastique. Les morceaux d'un Rubik's cube sont généralement noirs. Pendant la production, des autocollants colorés sont placés à l'extérieur du cube pour indiquer la couleur d'un côté. Les plastiques utilisés pendant la production sont fournis au fabricant sous forme de granulés avec la charge et les colorants. Ces pastilles peuvent ensuite être chargées directement dans les machines de moulage.

Le processus de fabrication

La fabrication des premiers prototypes de Rubik's cube était à la main. À la fin des années 1970, des méthodes de production de masse ont été développées et continuent d'être utilisées aujourd'hui. En règle générale, la production est un processus étape par étape qui implique le moulage par injection des pièces, l'assemblage des pièces, la décoration du Rubik's cube et l'emballage du produit fini.

Moulage

• 1 Lorsque la production est lancée, les granulés de plastique sont transformés en pièces de Rubik's cube par moulage par injection. Dans ce processus, les granulés sont placés dans la trémie d'une machine de moulage par injection. Ils sont fondus lorsqu'ils sont passés dans une vis à commande hydraulique. Au fur et à mesure que la vis tourne, le plastique fondu est transporté à travers une buse et physiquement forcé, ou injecté, dans le moule. Juste avant l'arrivée du plastique fondu, les deux moitiés du moule sont réunies pour créer une cavité qui a la forme identique de la pièce Rubik's cube. Cela pourrait être un bord, un coin ou la pièce centrale. À l'intérieur du moule, le plastique est maintenu sous pression pendant un certain temps, puis refroidi. En refroidissant, le plastique durcit à l'intérieur du moule. Après suffisamment de temps, les moitiés du moule sont ouvertes et les morceaux de cube sont éjectés. Le moule se referme alors et le processus recommence. Chaque fois que la machine moule un ensemble de pièces, c'est un cycle de la machine. Le temps de cycle du Rubik's cube est d'environ 20 secondes.
• 2 Une fois les pièces cubiques éjectées du moule, elles sont déposées dans des conteneurs et inspectées à la main pour s'assurer qu'aucune pièce significativement endommagée n'est utilisée. Les déchets de carottes sont mis de côté pour être réutilisés ou mis au rebut. Les déchets peuvent être broyés et refondus pour fabriquer de nouvelles pièces, mais les matériaux rebroyés peuvent se dégrader et provoquer des pièces de mauvaise qualité. Les cubes Rubik's sont toujours fabriqués à partir de matériaux vierges et n'utilisent jamais de déchets plastiques rebroyés.

Assemblage de pièces

• 3 Les pièces du Rubik's cube sont acheminées vers une chaîne de montage. Dans cette phase de production, les morceaux de cubes individuels sont assemblés. En commençant par le noyau en nylon, chaque cube central en ABS est riveté au noyau avec une entretoise à ressort. Le rivet est soigneusement contrôlé avec une butée de profondeur pour garantir que le ressort est compressé juste la bonne quantité. Chaque cube central a un couvercle en plastique qui est collé pour cacher le rivet. L'un des six cubes du centre est laissé jusqu'à la dernière partie de l'assemblage. Les bords et les coins en ABS sont empilés individuellement autour du noyau. Le cube est construit de bas en haut et la dernière pièce à assembler est le cube central final qui est à nouveau riveté dans le noyau avec une entretoise à ressort et le capuchon final est collé.

Étiquetage

• 4 Ensuite, les faces du Rubik's cube doivent être étiquetées. Les étiquettes sont fabriquées à partir d'une feuille de polypropylène imprimée avec les couleurs. La feuille imprimée PP est ensuite laminée avec un revêtement protecteur transparent en PP. Le matériau est ensuite découpé avec les étiquettes enroulées sur des rouleaux. Les étiquettes sont faites avec les neuf carrés de chaque face exactement alignés. De cette façon, les étiquettes peuvent être parfaitement alignées lorsqu'elles sont appliquées au cube.

Emballage

• 5 Une fois tous les étiquetages terminés, les cubes sont mis dans leur emballage définitif. Il peut s'agir d'une petite boîte contenant un livret d'instructions ou d'un blister en plastique avec un support en carton. L'emballage a le double objectif de protéger le Rubik's cube des dommages causés par l'expédition et la publicité du produit. Les emballages du Rubik's cube sont placés dans des caisses et déplacés vers une palette. Les palettes sont ensuite chargées sur des camions et les produits sont expédiés dans le monde entier.

Contrôle qualité

Pour s'assurer que chaque jouet sera un produit de haute qualité, les inspecteurs du contrôle qualité vérifient le produit à chaque phase de production. Les pastilles de plastique entrantes sont testées chimiquement pour déterminer si elles répondent à certaines spécifications chimiques. Ceux-ci incluent des contrôles sur l'apparence, la couleur, le point de fusion, la toxicité et le poids moléculaire.

La qualité des pièces individuelles est également contrôlée juste après la sortie du moule. Étant donné que des milliers de pièces sont fabriquées quotidiennement, une inspection complète serait difficile. Par conséquent, les inspecteurs de ligne peuvent contrôler au hasard les pièces en plastique à des intervalles de temps fixes et s'assurer qu'elles répondent aux spécifications de taille, de forme et de consistance. Cette méthode d'échantillonnage fournit une bonne indication de la qualité du cycle de production global de Rubik's cube. Les éléments recherchés comprennent des pièces déformées, des pièces mal ajustées et un étiquetage inapproprié. Bien que l'inspection visuelle soit la principale méthode d'essai utilisée, des mesures plus rigoureuses peuvent également être effectuées. Un équipement de mesure est utilisé pour vérifier la longueur, la largeur et l'épaisseur de chaque pièce. En règle générale, des dispositifs tels qu'un pied à coulisse, un micromètre ou un microscope sont utilisés. Juste avant de mettre un cube dans l'emballage, il peut être tordu pour s'assurer qu'il tient ensemble et qu'il est en bon état de fonctionnement. Cela peut être fait à la main ou par une machine de tournage. Si un jouet s'avère défectueux, il est mis de côté pour être retravaillé plus tard.

Le futur

Alors que l'extrême popularité du Rubik's cube s'est calmée vers 1984. Le Rubik's cube commence par un noyau en nylon. Les carrés en plastique sont ensuite fixés de bas en haut, les étiquettes étant fixées en dernier. a récemment fait un retour en force. Cela a été le résultat des efforts de marketing impressionnants de Seven Towns. A l'avenir, cet effort marketing devrait se poursuivre pour augmenter les ventes du Rubik's cube. En plus du cube, d'autres puzzles dérivés ont été introduits, notamment le serpent de Rubik, le triamide de Rubik et le puzzle pliant magique de Rubik. On s'attend à ce que de nouvelles variantes soient également introduites dans un proche avenir.

Où en savoir plus

Livres

Chabot, J. F. Le développement des machines et des méthodes de traitement des plastiques. Brookfield :Society of Plastics Engineers, 1992.

Othmer, Kirk. Encyclopédie de la technologie chimique. Vol. 22, 1992.

Rubik, E. Compendium cubique de Rubik. Oxford University Press, 1987.

Seymour, R. et C. Carraher. Chimie des polymères. New York :Marcel Dekker, Inc., 1992.

Autre

Seven Towns Ltd. Page Web en ligne de Rubik. 27 septembre 2001. .

Brevet américain no. 4378116.

Brevet américain no. 4471959.

Page Web du Musée Virtuel des Puzzles. 27 septembre 2001. .

Perry Romanowski

Steven Perrin