Aufgabe 2 · Abitur NRW Physik GK · Elektronenstrahlhärtung 2026

Material 2: Leistungsdaten des Lackierprozesses

Die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls muss an die Dicke der Lackschicht angepasst werden. So wird sichergestellt, dass eine Aushärtung in der gesamten Schicht erfolgt, jedoch keine weitere unnötige Energieaufnahme des darunter liegenden Bauteils erfolgt.

Die Leistung des Elektronenstrahls beträgt $1{,}0\text{ kW}$. Pro Gramm des aufgetragenen Lacks muss insgesamt eine Energie von $5{,}0\text{ kJ}$ zugeführt werden. Pro $1\text{ kWh}$ zugeführte Energie ist mit Energiekosten von $20\text{ Cent}$ zu rechnen.

Bei dem hier betrachteten Lackierprozess wird eine Schicht mit $80\,\frac{\text{g}}{\text{m}^2}$ Lack aufgetragen. Abbildung 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der kinetischen Energie der einzelnen Elektronen im Strahl und der damit erreichten prozentualen Aushärtung dieser Lackschicht bei ausreichender Bestrahlungszeit.

Die betriebswirtschaftliche Abteilung eines Lackierbetriebes kalkuliert die Betriebskosten der Anlage unter anderem in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit eines Bauteils, die sich nach der Dicke der Lackschicht und den Energiekosten richtet.

a)

Begründen Sie mithilfe von Abbildung 2 die optimale Beschleunigungsspannung für den in Material 2 beschriebenen Lackierprozess unter Berücksichtigung der Konsequenzen einer zu hohen bzw. zu niedrigen Beschleunigungsspannung.

b)

Bestimmen Sie die Bestrahlungszeit pro Fläche für den in Material 2 beschriebenen Lackierprozess, um eine vollständige Aushärtung zu erzielen.

c)

Erläutern Sie den Mitarbeitenden der betriebswirtschaftlichen Abteilung die Kalkulation der Höhe der Energiekosten pro $\text{m}^2$ am Beispiel des in Material 2 beschriebenen Lackierprozesses.