ISO 22081 - Allgemeine geometrische und Größenmaßspezifikationen

1. Anwendungsbereich von ISO 22081
2. Grundsätzliche Anforderungen an technische Produktdokumentationen und ISO 22081
3. Allgemeintoleranznormen und Kompatibilität zum GPS-Regelwerk der ISO
4. ISO 22081 – Altes Konzept, neue Norm
5. Sinn und Zweck von ISO 22081
6. Inhalt und Regeln für die Anwendung von ISO 22081
7. Voraussetzung für die Anwendung von ISO 22081
8. Grenzen der Anwendung von ISO 22081
9. Fazit

Eine allgemeine geometrische Spezifikation bzw. eine allgemeine Maßspezifikation, wie z. B. ISO 22081, ist eine geometrische Spezifikation bzw. eine Maßspezifikation (IGPS-Norm der ISO), die nicht direkt an einem Geometrieelement in der Technischen Produktdokumentation (TPD) eingetragen ist.

ISO 22081 (ISO 22081:2021) ist eine Norm innerhalb des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) zur allgemeinen dimensionalen und geometrischen Tolerierung. Die Norm findet in technischen Produktdokumentationen zunehmend Verwendung und wird damit rechtsverbindlicher Vertragsbestandteil. Wie unsere tägliche Praxis jedoch zeigt, wird ISO 22081 häufig nicht korrekt verstanden, falsch interpretiert, fehlerhaft angewandt oder es bleiben elementare werkstoffphysikalische Eigenschaften (z. B. Schwindung bei Kunststoff-Formteilen) unberücksichtigt. Nachfolgend wollen wir Ihnen daher einige Hinweise zu Inhalt, korrekter Anwendung und Anwendungsgrenzen von ISO 22081 aufzeigen.

ISO 22081 ermöglicht es, Produktspezifikationen aber auch den Konformitäts­nach­weis signifikant zu vereinfachen, da alle nicht funktionsrelevanten Merk­male eindeutig und vollständig toleriert werden können. Trotz ihrer Einfachheit wird ISO 22081 jedoch in der Praxis häufig falsch angewandt und die Grenzen der Anwendbarkeit mitunter nicht beachtet. Nachfolgend zeigen wir Ihnen auf Basis unserer langjährigen Erfahrung, worauf bei der Anwendung besonders zu achten ist.

In allen unseren Seminaren zur dimensionalen und geometrischen Tolerierung, wie z. B. unser Basis- oder Vertiefungsseminare zu „Maß-, Form- und Lagetoleranzen (ISO GPS)“, ob offen oder kundenspezifisch, Online oder in Präsenz, stellen wir Ihnen ISO 22081 ausführlich vor und beantworten diesbezügliche offene Fragen. Falls Sie sich aber nur über ISO 22081 informieren möchten, haben wir ein spezielles Online-Kurzseminar unter dem Titel „Allgemeine Spezifikationen – Online-Seminar zur neuen ISO 22081“ entwickelt.

Technische Produktdokumentationen müs­sen grundsätzlich die folgenden Eigenschaften auf­weisen:

• Für alle funktionsrelevanten Geometrieelemente muss sichergestellt werden, dass die gewählte Tolerierungsstrategie, ein­schließlich der zugrunde liegenden Tole­ranzwerte, die funktionalen Anforderungen bestmöglich beschreiben (Minimierung der Unsicherheit der Funktionsbeschreibung).
• Alle Geometrieelemente - auch diejenigen, für welche primär keine direkte funktionale Anforderung besteht - müssen geometrisch vollständig beschrieben werden (Festlegung des Ortes relativ zu anderen Geometrieelementen des Bauteils). Für Letztere stehen allgemeine geometrische Toleranzen und die zugehörigen Normen, wie z. B. ISO 22081, zur Verfügung.

Seit mehr als zwei Jahrzehnten sind Allgemeintoleranznormen auf Basis einer „Plus-Minus-Tolerie­rung“, wie zum Beispiel ISO 2768-1, ISO 2768-2 (zurückgezogen), ISO 13915, ISO 20457 u.v.m.  (siehe hierzu DIN 30630)  ein integraler Bestandteil technischer Produktdokumentationen. Es ist jedoch auch heute noch immer nicht flächendeckend bekannt, dass mit Hilfe von „Plus-Minus-Toleranzen“ ein Produkt weder eindeutig noch vollständig beschrieben werden kann (siehe ISO 14405-2) und zwar unabhängig davon, ob es sich um eine individuelle (direkte) oder eine indirekte Tolerierung unter Verwendung einer Allgemeintoleranznorm handelt. Die wesentlichen Gründe hierfür sind bekanntermaßen:

1. Eine “Plus-Mi­nus"-Tolerierung von linearen Abstän­den stellt grundsätzlich eine Spezifikationsmehr­deutigkeit dar, da ein ISO-Default-Spezifika­tionsoperator für Nichtgrö­ßenmaße werder im GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) noch in anderen Regelwerken (z. B. ASME Y14.5:2018/ASME Y14.5.1:2019) existiert.
2. Die Definition eines Default-Spezifika­tionsoperators für Nichtgrößenmaße von Nichtgrößenmaßelementen ist nicht zielführend, da Nicht-Größenmaßele­mente - im Vergleich zu linearen Größenmaßelementen und Winkelgrößenmaßelementen - kein eindeutig quantifizierbares intrinsisches Maß­merkmal aufwei­sen.
3. Nicht-Größenmaße sind hinsichtlich ihrer funktionalen Relevanz nicht klassifizierbar. Somit können keine funktionskonformen Operatoren zur Herstellung einer Kausalität zwi­schen Messer­gebnis und Funktion definiert werden.
4. Analog zu einer individuellen Tolerierung kann auch für nicht funktionsrelevante Geometrieelemente eine eindeutige geometrische Spezifikation nur mit Hilfe des Konzepts der geometrischen Tolerierung sichergestellt werden. Dieses Konzept liegt ISO 22081 zugrunde.

Das ISO 22081 zugrunde liegende Tolerierungskonzept, ist nicht neu. Bereits vor mehr als zwei Jahrzehnten wurden – sofern die o. g. Allgemeintoleranznormen als unzureichend für die allgemeine Tolerierung erkannt wurden - in einzelnen Unternehmen Flächenprofiltoleranzen zur allgemeinen Tolerierung verwendet, da bekanntlich nur dieses geometrische Merkmal auf alle Flächengeometrieelemente anwendbar ist und - von zwei Ausnahmen abgesehen - alle anderen sich auf Flächengeometrieelemente beziehenden geometrischen Merkmale beinhaltet (siehe hierzu auch unser offenes Präsenzseminar zu „Profil- und Positionstoleranzen (ISO GPS)“.

Mangels einer normativen Grundlage, wie z. B. ISO 22081, blieb aber in derartigen Produktdokumentationen unklar, ob die „allgemeine Flächenprofiltoleranz“ eine individuell spezifizierte Toleranz „überschreibt“ oder als zusätzliche Anforderung zu deuten ist (und damit möglicherweise zu einer Spezifikationsmehrdeutigkeit führen könnte). Da mitunter auch keine Bezüge spezifiziert wurden, kam darüber hinaus zur Assoziation des Referenzgeometrieelements (i. d. R. das digitale Konstruktionsmodell) die L_∞- („Minimax“) oder L₂-Funktion („Gauss“) zur Anwendung. Standardmäßig wäre gemäß ISO 1101:2017 als Zielfunktion L_∞ korrekt, diese Tatsache war aber häufig nicht bekannt. Die Abweichungen der Messergebnisse bei Anwendung von L₂ anstelle L₂ als Zielfunktion können mitunter signifikant (deutlich größer) sein.

Das Fehlen eines vollständigen Bezugssystems hatte, unabhängig von der Wahl der Zielfunktion, jedoch zur Folge, dass Messergebnisse nur schwer reproduzierbar waren, da bereits kleine Abweichungen der Oberflächentopographie (z. B. Grate, Einfallstellen, Staubkörner) zu einer nicht unerheblichen Veränderung der Abweichung der Messergebnisse auf der gesamten Bauteiloberfläche führen konnten.

Ferner wurde in Zusammenhang mit einer „allgemeinen Flächenprofiltoleranz“ ohne spezifiziertes vollständiges Bezugssystem häufig die formale Festlegung einer Elementgruppe aus den einzelnen Geometrieelementen des Bauteils (CZ-Modifikator) oder alternativ die Definition eines vereinigten Geometrieelements und damit Änderung der Symmetrieklasse (UF-Modifikator) vergessen (Grundsatz der Unabhängigkeit wurde nicht beachtet oder dessen Bedeutung war nicht bekannt oder wurde nicht verstanden).

ISO 22081 ermöglicht es nunmehr, den Ort von Geometrieelementen, welche keine individuelle dimensionale oder geometrische Tolerierung aufweisen und nicht als Bezugselement in Zusammenhang mit einer allgemeinen Tolerierung nach ISO 22081 benutzt werden, relativ zu anderen Geometrieelementen (den in Zusammenhang mit dieser Norm spezifizierten Bezügen) vollständig festzulegen. Der Inhalt von ISO 22081 ist dabei simpel. Die Norm folgt im Wesentlichen der oben genannten Logik der allgemeinen Tolerierung, schließt aber Spezifikationsmehrdeutigkeit aus - vorausgesetzt es werden einige einfache Regeln beachtet.

ISO 22081 ist eine Norm aus dem GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) und zu diesem dementsprechend kompatibel. Nur mit Hilfe des Konzepts der geometrischen Tolerierung kann die (makroskopische) Abweichung des gefertigten Produkts von seinem idealen Zustand eindeutig beschrieben und definitionskonform bzw. definitionsnah verifiziert werden. ISO 22081 folgt diesem Konzept. Die Anwendung von ISO 22081 und der Verzicht auf eine allgemeine Tolerierung, basierend auf mehrdeutigen „Plus-Minus-Toleranzen“ (s. o.), hat für den Anwender unter anderem die folgenden Vorteile:

• Signifikante (visuelle) Vereinfachung der technischen Produktdokumentation bzw. der Informationen im notierten digitalen Modell bei ausschließlicher Anwendung einer Norm zur allgemeinen geometrischen Tolerierung, wie z. B. ISO 22081 oder ISO 8062-4.
• Einfache, vollständige, definitionskonforme bzw. definitionsnahe und kostengünstige Verifikation.
• Aus den sehr einfach zu interpretierenden Messergebnissen kann direkt ein möglicher Handlungsbedarf abgeleitet werden (z. B. Korrektur bei mechanischen Zerspanungsprozessen, Werkzeugoptimierung bei Formteilen, usw.).
• Anpassung von ISO 22081 z. B. an das Fertigungsverfahren oder werkstoffphysikalische Besonderheiten, da ISO 22081 nur ein Konzept, nicht jedoch konkrete Toleranzwerte festlegt.
• Für Produktdokumentationen ab Klassifizierungscode 3 (ISO 16792) ist eine vollständige Einbindung in die digitale Prozesskette im Sinne der modellbasierten Produktdefinition (MBD) möglich.

ISO 22081 legt zwei Arten von allge­mei­nen Toleranzen fest:

• Allgemeine geometrische Toleranzen
• Allgemeine dimensionale Toleranzen (allge­meine Maßtoleranzen). Vor der Anwendung wird allerdings dringend abgeraten (s. u.)

Eine allgemeine Spezifikation nach ISO 22081 wird wie folgt ge­kennzeichnet:

1. Allgemeiner Hinweis auf ISO 22081
   Bezeichnung „Allgemeine Toleranzen“ bzw. „General tolerances“ ge­folgt von der Norm­num­mer (ISO 22081). Obwohl ISO 22081 eine GPS-Norm der ISO (ISO GPS) ist, sollte – der Eindeutigkeit wegen und um unnötige Diskussionen zu vermeiden - die Normnummer (ISO 22081) angegeben werden, die vorangestellte Bezeichnung „Allgemeine Toleranzen“ bzw. „General tolerances“ beinhaltet keine spezifischen Hinweise und kann der Einfachheit halber auch weggelassen werden.
2. Geometrisches Merkmal
   Das Geometrische Merkmal in Zusammenhang mit einer allgemeinen geometrischen Spezifikation auf Basis von ISO 22081 ist ausschließlich das Flächenprofil, da nur dieses Geometriemerkmal den Ort des Situationselements bzw. der Situationselemente eines flächenhaften Nenngeometrieelements von beliebiger Form relativ zu einem Bezugssystem (bzw. dessen Situationselement(en)) festlegen kann.
3. Toleranzzonenweite
   Im Gegensatz zu anderen Normen für die allgemeine Tolerierung wie z. B. ISO 2768-1, -2 (zurückgezogen), DIN 6930-1 oder ISO 20457 legt ISO 22081 keine Toleranzzonenweiten, sondern lediglich das Tolerierungskonzept fest. Der Toleranzwert (konstante oder variable Weite der Toleranzzone für die Flächenprofilspezifikation) muss vom An­wender definiert werden.
4. Vollständiges Bezugssystem
   Jedem nicht individuell tolerierten Geometrieelement muss ein eindeutiger Ort zugeordnet werden. Zu diesem Zweck muss ein vollständiges Bezugsystem festgelegt werden. Das Bezugssystem bzw. dessen Situationselement(e) muss/müssen dabei alle nicht redundanten (also blockierbaren) Freiheitsgrade des Referenzgeometrieelements (toleriertes Nenngeometrieelement) bzw. Situationselement(e) blockieren. Analog zur Festlegung der Toleranzzonenweite, muss bei Anwendung von ISO 22081 auch das (vollständige) Bezugssystem vom Anwender individuell festgelegt werden.

Damit keine Mehrdeutigkeiten entstehen, müssen bei der Anwendung von ISO 22081 die nachfolgen­den Ausschlusskriterien bekannt sein und berücksichtigt werden (nur die wichtigsten Ausnahmen sind aufgezählt):

1. ISO 22081 gilt nicht für integrale Geometrieelemente und alle aus integralen Größen­maßelementen abgeleitete Geometrie­elemente mit einer individuellen geometrischen Spezifi­kation (direkt in der Technischen Produktdokumentation oder indirekt durch CAD-Attribute im digitalen Datensatz für die Produktde­finition festge­legt).
2. ISO 22081 gilt nicht für lineare Größenmaßelemente oder Teilberei­che von linea­ren Größenma­ßelementen, welche einer allgemei­nen Maßspe­zifikation unterliegen oder eine in­dividuelle Maß­spezifikation aufweisen (direkt in der technischen Produktdokumentation oder indirekt durch CAD-Attribute im digitalen Datensatz für die Produktde­finition festge­legt).
   In diesem Zusammenhang raten wir dringend davon ab, zusätzlich zu einer allgemeinen geometrischen Spezi­fi­katio­n (allgemeinen geometrischen Toleranz) eine allgemeine dimensionale Spezifikation (allgemeine dimensionale Toleranz) festzulegen. Bei Festlegung einer allgemeinen dimensionalen Spezifikation für lineare Größenmaßelemente und/oder Winkelgrößenmaßelemente wird häufig übersehen, dass hierdurch gemäß ISO 22081 keine allgemeine geometrische Toleranz festgelegt und somit das Geometrieelement hinsichtlich des Ortes (und somit auch Richtung und Form) nicht definiert ist.
3. ISO 22081 gilt nicht für Bezugselemente, die im Bezugsfeld des Toleran­zin­dika­tors der allgemeinen geometrischen Spezifikati­on fest­gelegt sind.

ISO 22081 kann nur (sinnvoll) angewandt werden, sofern die technische Produktdokumentation bereits eindeutig und vollständig mit Hilfe dimensionaler und geometrischer Toleranzen ausnahmslos nach den Grundsätzen des GPS-Normensystems der ISO aufgebaut ist. Auf Spezifikationen, welche nach auf veralteten und nicht mehr dem Stand der Technik basierende „Plus-Minus-Spezifikationen“ aufgebaut sind ist ISO 22081 grundsätzlich nicht anwendbar.

Bei der Anwendung allgemeiner Spezifikationen nach ISO 22081 ist zu beachten, dass die folgenden beispielhaft genannten Besonderheiten nicht erfasst und daher vom Anwender festzulegen sind:

1. Fertigungstechnische Besonderheiten, wie z. B. der Ein­zugs- oder Ausbruchbereich sowie der Grat­zustand bei Stanzteilen.
2. Werkstoffphysikalische Besonderheiten, wie zum Beispiel die Schwindung von Kunststoff-Formtei­len (und damit die Not­wendigkeit zur Spezifikation variabler Toleranzen).
3. Konstruktive Besonderheiten, wie zum Beispiel „Wanddi­cken“.
4. Rückfederung von Blechbiegeteilen
5. Verwindung von Strangpressprofilen,

Gerne unterstützen wir Sie im Rahmen unserer Seminare oder durch individuelle Beratungen, bei der individuellen Anpassung von ISO 22081 an Produkte unter Berücksichtigung der spezifischen Produktanforderungen.

Beispiel: Kunststoff-Formteile
Bei Kunststoff-Formteilen ist, bedingt durch Schwindungseffekte, eine feste Weite der Toleranzzone für die Flächenprofilspezifikation in der Regel nicht sinnvoll, da der relative Abstand zweier Geomet­rieelemente auf dem Bauteil nicht konstant, sondern abhängig von deren Entfernung ist. In diesem Fall ist es sinnvoll ein vollständiges Bezugssys­tem zu definieren und eine variable, vom Abstand zwischen Bezug und toleriertem Geometrieelement abhängige Toleranzzonenweite zu wählen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass:

1. Ein Bezugssystem weder ein Koordinatensystem repräsentiert, noch einen Koordinatenursprung festlegt. Dieser muss zusätzlich durch explizite Spezifikation (siehe ISO 128-1) der dem Bezugssystem innewohnenden Situationselemente erfolgen.
2. Ein "ortsfestes" Bezugssystem beispielsweise bei äquidistanten Geometrieelementen, wie z. B. Wanddicken zu einer Überschneidung der Toleranzzonen und somit zu "negativen" Wanddicken führen kann. Die Lösung dieses Problems kann dabei auf unterschiedliche Weisen erfolgen, gerne unterstützen wir Sie dabei im Rahmen eines Seminars oder einer Beratung.

1. Die Anwendung von ISO 22081 erlaubt - korrekte Anwendung vorausgesetzt - eine signifikante Vereinfachung von Produktdokumentatio­nen einschließlich des Konformitätsnachweises (Verifikation) und vermeidet somit lückenhafte und mehr­deutige Spezifikationen.
2. Die Anwendung von ISO 22081 im Kontext mit dem GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) stellt die Konformität zu einschlägigen Qualitätsmanagementsystemen, wie z.B. ISO 9001, her und reduziert im Sinne der Eindeutigkeit Produkthaftungsrisiken.
3. ISO 22081 definiert keine Toleranzwerte, sondern ist Teil eines Tolerierungskonzeptes und muss dementsprechend vom Anwender an das Produkt, insbesondere an die fertigungstechnischen so­wie die werkstoffphysikalischen Besonderheiten angepasst werden.
4. Die Anwendung von ISO 22081 ist nur auf Produktspezifikationen möglich, die bereits funktionelle Anforderungen konsequent auf Basis des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) beschreiben.
5. Produktspezifikationen in Verbindung mit einer Allgemeintolerierung auf Basis von ISO 22081 sind eine notwendige Vo­raussetzung für eine modellbasierte Produktdefinition (MBD), insbesondere bei Spezifikationen auf Basis von Klassifizierungscode 5 (ISO 16792).