Titel: Autolackierung

Transkript

1 Titel: Autolackierung Thema: Die Lernenden untersuchen mittels verschiedener interdisziplinärer Aktivitäten die mathematischen und naturwissenschaftlichen Themen, die bei der Lackierung eines Autos eine Rolle spielen und treffen Entscheidungen über Autolack. Zeit: 5 x 45 Min. Einheiten Alter: Schulstufe 6-9, Jahre Differenzierung Niedrigeres Level Das grundlegende Ziel der Lernenden ist es, ein Verständnis für den Lackiervorgang eines Autos und die Dicke der Farbe zu entwickeln. Sie können ebenfalls mit 2D-Formen arbeiten, um den Farbbedarf für die Oberfläche eines Autos zu berechnen. Höheres Level Zusätzlich können die Lernenden Erkenntnisse über den Prozess gewinnen, der bei der Lackierung eines Autos verwendet wird (elektrostatische Aufladung) und sie können 3D-Modelle entwickeln, um den Farbbedarf für ein Auto zu berechnen. Richtlinien, IKT Unterstützung etc. Problem / Kernfrage: Ein Produktionsleiter eines Autounternehmens ist besorgt über die Qualität der Autofarbe, weil sich wiederholt Kunden über die Qualität und Haltbarkeit des Autolacks beschweren. Gibt es irgendwelche Schwachstellen im Lackierungsvorgang der Autos? Die Schülerinnen und Schüler arbeiten in Gruppen, um die Kernfrage zu beantworten und dem Produktionsleiter hilfreiche Informationen über mögliche Verbesserungen des Lackierungsprozesses zu verschaffen. Zwei Videos können verwendet werden, um die Lernenden in die Welt von Lackierungen von Autos einzuführen. Sie arbeiten in Gruppen von 3-4 Personen. Die Lernenden können GeoGebra verwenden, um die Oberfläche von verschiedenen unregelmäßigen Polygonen zu berechnen oder sie können einfach regelmäßige Formen für die Berechnung der Oberfläche des Autos benutzen. Sie können auch Tabellenkalkulationen (oder Taschenrechner) in ihren Berechnungen verwenden.

2 Benötigtes Zubehör für diese Aktivität Arbeitsblätter für die Lernenden Computer mit Internetzugang Computer, die mit der GeoGebra Software ausgestattet sind (die Software kann kostenlos heruntergeladen/oder verwendet werden unter Benötigte Kenntnisse: Elementare arithmetische Operationen Oberfläche von regelmäßigen Formen (Quadrat, Dreieck, Rechteck) Maßstab Gesundheit und Sicherheit: Keine besonderen Anforderungen Lernergebnisse für diese Aktivität Alle: Es wird erwartet, dass alle Lernenden das Kernproblem der Situation (spezieller Prozess der Autolackierung, verschiedene Perspektiven auf ein Auto) verstehen. Es wird auch gefordert, dass alle Lernenden ein Verständnis dafür bekommen, wie die verschiedenen Ansichten eines Autos zueinander in Beziehung stehen. Viele: Von den meisten Lernenden wird erwartet, dass sie ein vollständiges Verständnis für die verschiedenen Prozesse entwickeln (verschiedene Schichten, Berechnung der Oberfläche eines Autos) und in der Lage sind, ein passendes Modell für die Lösung des Problems zu entwickeln. Es wird von den Lernenden erwartet, dass sie in der Lage sind, die zur Verfügung gestellten 2D Figuren zu verwenden/verbinden, um die Oberfläche des Autos zu berechnen. Einige: Es wird von einigen Lernenden erwartet, dass sie den naturwissenschaftlichen Prozess (elektrostatische Ladung) der Autolackierung verstehen, und dass sie das Modell zur Berechnung der Form des Autos von 2D auf 3D unter Verwendung der zur Verfügung gestellten Werkzeuge transformieren können.

3 Beschreibung der Lehreinheit Startaktivität Während des ersten Teils der Aktivität können die Lernenden einzeln arbeiten, um den bereitgestellten Einleitungstext zu lesen und die Fragen zu beantworten (Arbeitsblatt 1). Der Zweck dieser Startaktivität ist es, die Lernenden in die Thematik des Problems einzuführen und sie mit der Problemsituation, den verschiedenen Konzepten und den bereitgestellten Einheiten der Messung vertraut zu machen. Hauptaktivität Die Lernenden bilden Gruppen zu 3 oder 4 Personen. Während der Hauptaktivität (Arbeitsblatt 2, 3, 4) arbeiten die Lernenden in ihren Gruppen, um das Problem zu lösen. Allerdings erhalten alle Lernenden eigene Arbeitsblätter. Jede Gruppe arbeitet an dem Problem mithilfe der Leitung einer Mathematik- oder anderen naturwissenschaftlichen Lehrperson. Angemessenes Feedback und Unterstützung (um Schwierigkeiten zu bewältigen) wird, wenn nötig, gegeben. In der zweiten Aktivität (Arbeitsblatt 2) arbeiten die Lernenden sowohl daran, die Lackdicke eines Autos zu verstehen, als auch Verbindungen zwischen den verschiedenen Messeinheiten (Thou, Mikrometer, Meter) herzustellen. Sie verknüpfen die Lackdicke mit verschiedenen alltäglichen Gegenständen (z.b. Blatt Papier). In Aktivität 3 (Arbeitsblatt 3) arbeiten die Lernenden wieder in Gruppen und versuchen, ein Verständnis für den Prozess, der bei der Autolackierung durchgeführt wird (elektrostatische Ladung), zu entwickeln und andere Situationen, in welchen dieser Prozess auch eingesetzt wird, zu bestimmen. In Aktivität 4 (Arbeitsblatt 4) werden die Lernenden ermutigt, in Geogebra (oder wenn bevorzugt auf ihrem Arbeitsblatt) an der Entwicklung eines Models für die Berechnung der Oberfläche eines Autos zu arbeiten. Die Lernenden müssen die verschiedenen 2D-Bilder verknüpfen können, um das 3D-Modell eines Autos zu verstehen, während sie den angegebenen Maßstab verwenden müssen, um die tatsächliche Oberfläche des Autos zu berechnen. Während des letzten Teils (Arbeitsblatt 5) bereiten die Lernenden in Einzelarbeit ihren Brief vor, in dem sie die Schlüsselerkenntnisse ihrer Arbeit ansprechen. Abschlussaktivität Es findet eine gemeinsame Diskussion in der Klasse statt. Jede Gruppe präsentiert ihre Ergebnisse, um ihren Teil zur Diskussion und Reflexion beizutragen. Die Lehrperson leitet eine Diskussion, welche sich auf die in der Arbeit verwendeten naturwissenschaftlichen Kernkonzepte (elektrostatische Ladung), räumliche Argumentation und mathematische Konzepte und Prozesse (z.b. proportionale Argumentation) konzentriert und Richtlinien für weitere Verbesserungen der Lösungen der Lernenden zur Verfügung stellt.

4 Autolackierung Arbeitsblatt 1 Der Geschäftsführer einer Autolackfirma ist beunruhigt, weil sich manche seiner Kunden darüber beschweren, dass Autolackierungen zu teuer sind. Er ist auch besorgt, dass die verwendete Technik womöglich viel mehr Farbe verbraucht, als eigentlich benötigt wird, um ein Auto zu lackieren. Wenn man in Erwägung zieht, dass der Preis für Lack in den vergangenen Monaten enorm gestiegen ist, ist es dringend notwendig, die Kosten für die Lackierung neuer Autos zu reduzieren. Als er von einer örtlichen Zeitung befragt wurde, sagte der Geschäftsführer: Lack ist komplexer und genauer entwickelt, als meistens angenommen wird. Automobillack wurde konzipiert, um Folgendem zu trotzen: Verblassen durch Sonnenlicht, Aufprall von größeren Steinen und Kieselsteinen, Schäden durch Regen, Öl und Benzin und Schäden durch Autowäsche. Der Lack besteht meistens aus fünf verschiedenen Sichten jede auserwählt um eine genaue Funktion zu erfüllen. Der Lack besteht typischerweise aus: Einem galvanisierten Stahlsubstrat mit einem dünnen kristallinen Tri-Kation- Phosphat-Verfahren, um die Adhäsion zu erhöhen und den Korrosionsschutz zu verbessern; Ein ~25µm Elektro-Überzug wird dann hinzugefügt, dies ist die erste schützende Schicht. Stellen, die sich näher zum Boden befinden, haben eine Anti-Splitter-Schicht, wobei es sich um eine dicke Schicht handelt, die als Schutz gegen Steinschläge dienen soll; Eine Grundierungsschicht (~25µm), eine Basislackschicht (welche die Farbschicht ist, Dicke ~25µm) und ein Klarlack (50µm). Für gebrauchte Autos werden mehrere Schritte für eine Neulackierung benötigt. Zuerst muss man alle Teile, die nicht lackiert werden sollen, abdecken. Dann müssen wir den alten Lack mit Schleifpapier abschmirgeln. Es kann auch vorkommen, dass wir gröberes Papier verwenden müssen, um Rost oder überschüssige Füllfarbe zu entfernen. Danach tragen wir mehrere dünne Schichten qualitativer Füllfarbe auf, bis das Auto schlussendlich lackiert wird. Während das Auto lackiert wird, überlappen wir das Sprühbild zu 33% bis 75% vom vorherigen Durchlauf und benutzen mittlere feuchte Überzuge, welche glatt und glänzend sind. Die Dicke des

5 Lacks (Überzuge und Farbe) sollte zwischen 6-8 Thou sein (1000 Thou entsprechen 1 Zoll).

6 Beantworte die folgenden Fragen: a. Mit welchen Problemen wird der Geschäftsführer der Autofirma konfrontiert? b. Welche sind die fünf Schichten einer Autolackierung? Was ist der Zweck jeder einzelnen? c. Wie dick ist der Autolack? Um wie viel dicker ist ein Blatt Papier verglichen mit der Dicke des Autolacks?

7 Autolackdicke Arbeitsblatt 2 Die typische Dicke der Autolackschichten ist: Grundschicht: Thou Basis(farb)schicht: Thou spezielle Überzüge (optional): Thou Klarlack: Thou Wie dick ist ein Thou genau? Ein Thou ist eine Standardmesseinheit, die für ein Tausendstel eines Zolls oder.001 eines Zolls steht. In anderen Worten: 1000 Thou ergeben einen Zoll. Aufgabe 1: Berechne die gesamte Dicke von Autolack in Thou und Meter (du kannst auch Mikrometer verwenden (eine metrische Messeinheit, bedeutend 1 Millionstel von einem Meter). Aufgabe 2 Wie dick sind gebräuchliche Gegenstände im Klassenraum (Blatt Papier, fester Einband, Lineal) verglichen mit dem Klarlack, den man auf den meisten Autos findet?

8 Autolackierung technisch Arbeitsblatt 3 Bei der Lackierung eines Autos wird elektrostatische Ladung verwendet. Die Farbe wird auf das Auto gesprüht und dieser Prozess wird effizienter gemacht, indem man elektrostatische Ladung verwendet. Der Farblack passiert eine positive geladene Hochspannungsnadel, wenn er die Spritzpistole verlässt, und die kleinen Farbtröpfchen nehmen eine positive Ladung auf. Sie tun dies, indem sie negative Elektronen abgeben. Nur Elektronen können sich bewegen. Die Karosserie bekommt dann eine negative Hochspannungsladung ab, welche die positive geladenen Farbtröpfchen anzieht. Normale Spritzpistole ungeladene Farbtröpfchen Elektrostatische Spritzpistole geladene Farbtröpfchen Dies erhöht die Effizienz, da (a) die Farbtröpfchen sich mehr verteilen, wenn sie die Pistole verlassen und (b) die Farbtröpfchen von der negativ geladenen Metallkarosserie angezogen werden. Dadurch landet weniger Farbe auf dem Boden oder Wänden des Farbgeschäfts und es wird weniger verschwendet. Aufgabe 1: Liste die Gründe dafür auf, dass elektrostatische Ladung bei der Lackierung eines Autos verwendet wird: Aufgabe 2: Durchsuche das Internet nach anderen Anwendungen der Methode der elektrostatischen Ladung.

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10 Autolackierung Arbeitsblatt 4 Aufgabe 1: Unten befinden sich die Entwürfe von zwei Sportwagen, die lackiert werden müssen. Bitte wähle eines der beiden Autos aus. Verwende dann die verschiedenen Bilder, um die Oberfläche des Autos, die lackiert werden muss, zu schätzen (notiere die Dimensionen! Fällt dir die Einheit ein?). Du kannst die Bilder auch in GeoGebra importieren und mithilfe der Werkzeuge der Software die Oberfläche messen/berechnen. Auto A

11 Auto B

12 Aufgabe 2: Berechne wie viel Lack für dieses Auto benötigt wird, wenn die Dicke des Lacks 10 Thou beträgt. Aufgabe 3: Basierend auf deinen Ergebnissen in Aufgabe 2, was ist die maximale Menge von Farbe, die benötigt wird, um 100 Autos zu lackieren? (du solltest auch an die Menge Lack denken, die während der Arbeit verschwendet wird!)

13 Autolackierung Arbeitsblatt 5 Schreibe einen Brief an den Geschäftsführer der Autofirma und beschreibe, wie deine Gruppe gearbeitet hat, um das Problem zu lösen. Du solltest in deinem Brief klar machen, wie deine Gruppe das Wissen über ebene und 3D-Geometrie und Algebra verwendet hat, um das Problem zu lösen! Sehr geehrter Geschäftsführer, Unsere Gruppe,, hat auf folgende Weise gearbeitet, um zu berechnen, wie viel Lack für die Lackierung eine Autos benötigt wird: