ISO GPS - Das GPS-Regelwerk der ISO

Das GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) ist eines der größten Regelwerke der mechanischen Technik und eines der größten zusammenhängenden Normenprojekte der ISO insgesamt. Das Projekt wurde 1996 begonnen und bereits Ende der 1990er-Jahre erste ISO-GPS-Standards publiziert. In den nachfolgenden Jahrzehnten wurde das Regelwerk konsequent weiterentwickelt. Es definiert wider­spruchsfreie Regeln und mathematische Opera­to­ren, die es dem Anwender erlauben, die geo­metri­schen Merk­male eines tech­ni­schen Produktes ein­deutig zu beschreiben aber auch Re­geln für einen eindeutigen Konformitätsnachweis (Prüfprinzipien, Mess­geräte und deren Kalibrierung einschließlich der Messunsi­cherheit).

Da sowohl in den digitalen Medien aber auch in Printmedien, vielfach unzutreffende und mitunter auch fehlerhafte Informationen zum GPS-Regelwerk der ISO publiziert werden, haben wir nachfolgend ausführliche allgemeine Informationen zum Regelwerk (u. a. Wesen, Nutzen, Komplexität) sowie zu dessen betrieblicher Implementierung zusammengestellt.

In unseren mehr als 2.000 Kundenprojekten, insbesondere aber in unseren Seminaren mit zwischenzeitlich weit über 40.000 Teilnehmern, werden regelmäßig vergleichbare Fragen zur Sinnhaftigkeit der geometrischen Tolerierung allgemein und zum GPS-Regelwerk der ISO im Besonderen gestellt. Daher finden Sie im letzten Abschnitt dieser Publikation die Antworten auf regelmäßig wiederkehrende Fragen (FAQ). Die Liste der FAQ wird kontinuierlich fortgeschrieben.

1. ISO GPS - Nutzen und Ziele des GPS-Regelwerks der ISO
2. ISO GPS - Zahlen und Fakten zu einem der größten Regelwerke der mechanischen Technik
3. ISO GPS, ISO TPD, ASME Y14.5 - Regelwerke zur Produktspezifikation und Dokumentation
4. ISO GPS - Weshalb ist das GPS-Regelwerk der ISO mitunter schwer verständlich?
5. ISO GPS - Notwendige Voraussetzung für die modellbasierte Produktdefinition
   5.1  Digitale Vernetzung und künstliche Intelligenz in der Produktentwicklung (Industrie 4.0+)
   5.2  "Status Quo" in der Produktentwicklung - 2D und nicht konform zu ISO GPS
   5.3  Modellbasierte Produktdefinition (MBD) – Signifikante Steigerung der Effizienz des Produktentstehungsprozesses
6. ISO GPS - Unterschätzte Komplexität und falsche Anwendung
   6.1 Konsequente Vermeidung einer nicht funktionskonformen „Plus-Minus-Tolerierung“
   6.2 Kenntnis der Bedeutung geometrischer Merkmale sowie allgemein anwendbarer Operatoren von ISO GPS
   6.3 Vorhandensein eines grundlegenden Verständnisses der Logik sowie der mathematischen Zusammenhänge
   6.4 Kenntnis der Grenzen des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS)
7. ISO GPS - Strategien zur betrieblichen Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS)
   7.1 Projektfreigabe
   7.2 Interner Projektleiter und internes Expertenteam
   7.3 Projektplan
   7.4 Analyse des "Ist"-Zustands (Konformität zu "ISO GPS")
   7.5 Unternehmensinterne Projektinformation
   7.6 Professioneller Dienstleister
   7.7 Pilotschulungen zu "ISO GPS" für das Expertenteam
   7.8 Praktische Umsetzung auf kundenspezifische Produkte (Workshops und Beratungen)
   7.9 Erarbeitung von Konstruktionsrichtlinien
   7.10 Erarbeitung von Arbeitsplänen und Prüfplänen
   7.11 "Roll-Out"
   7.12 Coaching der geschulten Mitarbeiter
   7.13 Regelmäßige Updates
   7.14 Information von Vertragspartnern
8. ISO-GPS - Mindestanforderungen an Dienstleister und Trainer
   8.1 Mindestanforderungen und fachliche Expertise des Dienstleisters
   8.2 Mindestanforderungen und fachliche Expertise der Trainer
   8.3 Mindestanforderungen an die Dokumentationen
9. ISO GPS - Häufig gestellte Fragen zum GPS-Regelwerk der ISO (FAQ)
   FAQ1:  Geometrische Tolerierung und Kosten
   FAQ2:  Geometrische Tolerierung und erforderliche Mess- bzw. Prüfmittel

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Gender-Hinweis
Zur besseren Lesbarkeit wird in den nachfolgenden Texten das generische Maskulinum verwendet. Die verwendeten Personenbezeichnungen beziehen sich – sofern nicht anders kenntlich gemacht – auf alle Geschlechter.

Die Geometrie eines gefertigten Bauteils (reale Geometrie) weicht durch vielfältige prozess­bedingte Einflüsse sowie aus werk­stoffphysi­kalischen Gründen stets von seiner idealen Ge­stalt (Nenngeometrie), wie sie beispielsweise in der technischen Pro­duktdo­kumentation oder in digi­talen CAD-Da­tensät­zen (Konstruktionsmodell) defi­niert ist, ab. Eine Begrenzung dieser Gestaltabwei­chungen ist zur Si­cherstellung funktioneller, in der Re­gel meist mechani­scher Anforderungen (z. B. Mon­tier­barkeit) notwendig. Zur Beschreibung der zulässigen Ab­weichungen des gefertig­ten Produkts bedarf es ei­nes leistungsfähigen, inter­national anerkann­ten Re­gelwerks, wie zum Beispiel dem GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS).

Das GPS-Normensystem der ISO, kurz „ISO GPS“ (GPS = Ge­ometrische Produktspezifi­kation und Verifikation), ist ein techni­sches Regelwerk, basierend auf Normen der ISO (In­ter­natio­nale Organisation für Normung, Genf) mit dem Ziel der Be­reitstellung von:

• wider­spruchsfreien Regeln und mathematischen Opera­to­ren, die es erlauben, die geo­metri­schen Merk­male al­ler Ge­o­metrieele­mente eines tech­ni­schen Produktes (z. B. Größenmaß, Abstand, Winkel, Radius, Form, Rich­tung, Ort, Lauf, Ober­flächen­be­schaffen­heit wie Rauheit und Welligkeit, Oberflächenunvollkommenheiten, Kanten), sowie deren Abweichung von ihrer ide­a­len Geo­metrie voll­ständig und ein­deutig zu beschreiben, mit dem Ziel der Sicher­stellung funktiona­ler Anforderun­gen,
• Re­geln für einen eindeutigen Nachweis der Konformi­tät des gefertigten Pro­dukts mit den spe­zifizierten Anforde­rungen (Verifi­kation), um somit u. a. eine Grundlage für nach­voll­ziehbare Freigabepro­zesse zu schaffen. Letz­te­res schließt die zugehö­rigen Prüfprinzipien, Mess­geräte und deren Kalibrierung sowie die Messunsi­cherheit mit ein.

Das GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) ist ein weltweites technisches Re­gel­werk zur Geo­metri­schen Produktspezifikation und Verifika­tion auf Basis von ISO-Nor­men. Merkmale des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) sind:

• Operatorkonzept, basierend auf ma­the­matisch beschreib­ba­ren Grunds­ät­zen und Mo­dellen.
• Generischer (allgemeingültiger) Aufbau.
• Medienunab­hängigkeit.
• Ermöglicht die eindeu­ti­ge und wi­der­spruchsfreie Be­schrei­bung der Makro- und Mikro­geo­metrie ei­nes Bauteils in tech­ni­schen Pro­duktdo­kumen­tatio­nen (z. B. notierte digitale Modelle).

Aktueller Status des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS):
150   Veröffentlichte und somit rechtsverbindliche ISO GPS-Standards
Link:  https://www.iso.org/committee/54924/x/catalogue/p/1/u/0/w/0/d/0  

19     In Vorbereitung befindliche ISO GPS-Standards
Link:  https://www.iso.org/committee/54924/x/catalogue/p/0/u/1/w/0/d/0

Für die Erstellung, Aktualisierung und Pflege der ISO-GPS-Normen (ISO GPS) ist das internationale Komitee ISO/TC 213 verantwortlich. Das Komitee wurde 1996 unter der Leitung des dänischen Normungsinstituts (Danish Standards) gegründet.

Im Sinne einer eindeutigen Kommunikation zwischen Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Produktion, Qualitätssicherung/Messtechnik und Einkauf sowie zwischen Kunde und Lieferant müssen Geometrie­merkmale mathematisch eindeutig definiert werden, eine einheitliche Codierung (Symbolik) auf­weisen und letztlich in verbindlichen Regelwerken (Normen) zusammengefasst und der Allgemein­heit zur Verfügung gestellt werden.

Regelwerke zur geometrischen Produktspezifikation und Produktdokumentation, wie das GPS-Regel­werk der ISO (ISO GPS), das TPD-Regelwerk der ISO (ISO TPD) und die Standards der ASME Y14-Normenreihe beinhalten unter ande­rem:

• eine verbindliche Symbolik für die Beschreibung dimensionaler und geometri­scher Merkmale sowie Merkmale der Oberflächenbeschaffenheit nebst zugehöriger Syntaxregeln.
• Operatoren einschließlich ihrer vollständigen mathematischen Definition am nicht idealen Bauteil bzw. Hautmodell (siehe auch ISO 17450-2):
  - Default-Spezifikationsoperatoren
  - Spezielle Spezifikationsoperatoren
• Regeln für die Verifikation (z. B. Kalibrierung von Mess- und Prüfmitteln).

Zur Beschreibung und ggf. Visualisierung der nominellen (idealen) Gestalt des Bauteils so­wie der zu­lässigen Abweichungen des gefertig­ten Produkts (Tolerierung) bedarf es ei­nes leistungsfähigen, inter­national aner­kann­ten Regelwerks. Derar­tige Regelwerke stellen heute die ISO mit dem GPS-Regelwerk (ISO GPS) und dem TPD-Regelwerk (ISO TPD) sowie die ASME Y14.5-Normenreihe zur Verfü­gung.

Das GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) ist für den Anwender oft schwer verständlich und mitunter ohne professionelle Schulungen und Beratungen kaum oder nicht zugänglich. Einzelne Normen sind, der Tatsache geschuldet, dass das Regelwerk über mehrere Jahrzehnte gewachsen ist (Gründung ISO/TC 213 in 1996) teilweise thematisch redundant und verwenden daher eine nicht immer einheitliche Terminologie.

GPS-Normen der ISO (ISO GPS) werden in der Praxis nicht selten falsch angewandt – sowohl in der Konstruktion als auch in der Messtechnik - sodass für den Nutzer primär kein Vorteil entsteht. Auch müssen für die praktische Anwendung mitunter Festlegungen in einzelnen ISO-GPS-Normen zwischen den Vertragspartnern ausgeschlossen bzw. ersetzt werden. Das Regelwerk hält zudem nicht für alle funktionalen Anforderungen „passende“ Werkzeuge für die „Übersetzung“ und Codierung bereit. Hierfür müssen einzelne Themen vom Anwender eigenständig weiterentwickelt werden.

Das Regelwerk (ISO GPS) oder zumindest einzelne Themenbereiche, können nur selten aus dem Studium der Normen heraus verstanden und korrekt angewendet werden. Ein typisches Beispiel stellt die Bezugsbildung (ISO 5459) und in diesem Zusammenhang die Richtungs- und Ortstolerierung dar. Vielmehr muss der Anwender erst die mathematischen Zusammenhänge im Detail verstehen, dann werden auch einzelne Norminhalte zugänglich. Ein sehr einfaches, aber typisches Beispiel, stellt die in Abschnitt 6.3 näher beschriebene Klassifizierung von Flächen hinsichtlich Ihrer Eigenschaft Freiheitsgrade zu blockieren um somit die Richtung (Winkel) oder den Ort eines anderen geometrischen Objekts (Referenzgeometrieelement) zu beschreiben, dar. Darüber hinaus erlaubt es die Klassifizierung, das Tolerierungsproblem auf einfache, die Fläche(n) charakterisierende Elemente (Punkt, Gerade, Ebene, Schraubenlinie oder deren Kombinationen) zu reduzieren, um somit ggf. über die Reduktion von Freiheitsgraden (Modifikatoren ><, [PT], [SL], [PL], Tx, Tx, Tz, Rx, Ry, Rz, usw.) die funktionalen Anforderung in mathematische Operatoren zu „übersetzen“.

Eine wesentliche Ursache weshalb GPS-Normen der ISO (ISO GPS) nicht oder nur teilweise verstanden, als zu komplex empfunden und letztlich mitunter auch falsch angewendet werden, ist zumeist nicht die Komplexität der Norminhalte selbst (diese codieren nur einen Sachverhalt), sondern vielmehr die Tatsache, dass die zum Verständnis der Inhalte einzelner Normen zugrundeliegenden mathematischen (Grund-)Kenntnisse (welche in den Normen selbst nicht thematisiert werden) nicht vorhanden sind.

Die Produktentwicklung sowie die in­dustrielle Produktion befindet sich in einem radikalen Umbruch. Die heuti­gen digitalen Möglich­keiten er­lauben es, Produktentwicklungs-, Pro­dukti­ons- und Qualitätssicherungs­pro­zesse durch die in­telligente, digitale Ver­net­zung von Software, Maschi­nen und Abläufen flexibler zu ge­stal­ten, zu au­tomatisie­ren und zu optimie­ren. Mit ei­nem sich immer stärker be­schleuni­gen­den Innovati­onsdruck durch die Di­gita­lisierung und den Fort­schrit­ten künstlicher Intelli­genz, er­höhen sich aber auch die Her­ausfor­de­rungen für die Konstruktion, Pro­duktion und Qualitäts­sicherung.

Der Produktentwicklungsprozess beginnt mit einer Idee und endet bei einem serienreifen Produkt. Dieser Prozess kann bei vielen Produkten mitunter mehrere Jahre in Anspruch nehmen. Entscheidend für wettbewerbsfähige Produkte sind jedoch neben innovativen Lösungen und kundenspezifischer Funktionalität letztlich auch Kosten sowie die Zeitspanne, die ein Unternehmen benötigt, um ein Produkt von der Idee über die Entwicklung bis zur Markteinführung zu bringen.

Durch die Integration digitaler Technologien sowie den Einsatz künstlicher Intelligenz können Entwicklungszeiten bei gleichzeitiger Steigerung der Innovationsrate deutlich reduziert werden. Beispiele sind die Findung neuer innovativer Lösungen oder die Optimierung von Designprozessen.

Dennoch: In den meisten Unternehmen wird der digitale Produktentwicklungsprozess durch "analoge" Prozessschritte, wie zum Beispiel der Zeichnungsableitung (Erstellung einer "Technischer Zeichnung") und deren Re-Digitalisierung in CNC-Codes und Messprogramme deutlich verlangsamt und dabei nicht zuletzt die Kosten des Produkts erhöht. Ein digitaler Produktdefinitionsdatensatz würde diese Schritte überflüssig machen. Eine notwendige Voraussetzung für die durchgängige Nutzung "digitaler Werkzeuge" im Produktentwicklungsprozess ist jedoch die betriebliche Implementierung des und das Verständnis für das GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) in allen relevanten Bereichen des Unternehmens (Konstruktion, Produktion, Qualitätssicherung, technischer Einkauf).

Auf dem Gebiet der (digitalen) Produktentwicklung besteht derzeit noch erheblicher Nachholbedarf. Wäh­rend auf vielen Gebieten die Möglichkeiten der Digitalisierung zunehmend genutzt werden und die meisten Un­ternehmen 3D-Technologien bereits erfolgreich eingeführt haben, ist in der Pro­duktentwick­lung – ab­gesehen von einigen Bereichen, wie der Herstellung von Spritz- oder Druckgussteilen sowie Blechkon­struktionen - trotz Nutzung von 3D-CAD-Systemen, die analoge (2D) „Technische Zeichnung“ noch immer unverzichtbar, da sie einerseits Informationen (Produktdefinitionsdaten) enthält, welche das Produkt voll­ständig be­schrei­ben und über das digitale Modell derzeit nur unzureichend ausgetauscht werden können und anderseits Vertragsgrundlage der meisten Kunden-Lieferanten-Beziehungen darstellen (Klassifizie­rungscode 1 und 2, ISO 16792).

Die Abbildung zeigt ein Beispiel für eine typische (analoge) 2D-Produktdokumentation („Technische Zeichnung“) gemäß Klassifizierungscode 1 oder 2 (ISO 16792) mit einer Reihe typischer Fehler. Die Produktdokumentation ist nicht konform zum GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS):

• mehrdeutige und nicht funktionskonforme "Plus-Minus-Tolerierung"
• Festlegung teilweise unbrauchbarer Bezüge
• verbindliche Festlegung zurückgezogener Normen sowie zum GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) nicht "kompatibler" Normen (z. B. ISO 2768-2)
• unvollständige geometrische Tolerierung und damit Mehrdeutigkeit der Funktionsbeschreibung
• unvollständige Operatoren (Spezifikationsmehrdeutigkeit),
• ... u.v.m.

Somit besteht noch immer die Notwendigkeit, das digitale 3D-CAD-Modell mit entsprechend hohem Zeit-, Personal- und Kostenaufwand wieder zweidimensional umzusetzen („Zeich­nungsableitung“ in 2D-Ansichen, Beschreibung der nominalen Geometrie durch Maße, Er­gänzung von Toleranzinformati­onen, usw.), um es in nachfolgenden Arbeitsschritten wieder „manuell“ in digitale 3D-Informationen für den Fertigungs- und Qualitätssicherungsprozess zu „über­setzen“ (z. B. NC-Programmierung, Erstel­lung von Messprogrammen).

Neben einem nicht un­erheblichen Risiko hierbei Fehler zu implementie­ren, gehen bei diesem „Medien­bruch“ zwi­schen Modell und Zeichnung viele Informationen beispiels­weise zu Werkstoff, Toleranzen aber auch zu Fertigungs- und Qualitätssicherungsprozessen verloren, d. h. sie stehen damit im di­gitalen Prozess der Produktentstehung nicht mehr zur Verfügung. 

Da viele Informationen in einer Spezifikation, welche nicht konform zum GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) ist, mehrdeutig sind (z. B. Nicht-Größenmaße) und nicht auf eindeutig definierten Operatoren basieren, sind damit letztlich unterschiedliche Deutungen der verwendeten Symbolik in Bezug auf die (in der Spezifikation nicht ersichtliche) Konstruktionsabsicht möglich. In Konsequenz sind fehlerhafte Freigabeprozesse möglich, die zu falsch negativen („Sonderfreigaben“) aber auch zu falsch positiven Ergebnissen führen können.

Zeit- und mitunter kostenintensive Diskussionen einer Produktdokumentation, zumindest die zulässige Geometrie des Produkts betreffend, sind fast ausschließlich auf Tolerierungsfehler oder Informationen, welche nicht konform zu einem technischen Regelwerk (z. B. ISO GPS) sind, zurückzuführen und damit grundsätzlich vermeidbar.

Mit Hilfe der modellbasierten Produktdefini­tion (Model-Based Definition oder MBD) werden alle, die Geometrie beschreiben­den sowie zur Fertigung und Prüfung notwen­digen Produktin­formationen (Nenngeomet­rie, Werkstoff, Produkt­fertigungsinformationen/PMI, Tole­ranzen, u.v.m.) di­rekt am Modell defi­niert und können innerhalb des Un­ternehmens orga­nisationsübergrei­fend (z. B. Pro­duktion und Qualitäts­siche­rung) aber auch von Kunden und Zulieferern gleichermaßen ge­nutzt werden. Mit Hilfe von MBD wer­den also 3D-CAD-Modelle mit allen digitalen Infor­mationen, die für den Pro­duktentste­hungsprozess notwen­dig sind, aus­ge­stattet (notierte Modelle, ISO 16792) und somit mittelfristig eine signifikante Effizienzsteigerung in Konstruktion, Produktion und Qualitätssicherung ermöglicht.

Die Hersteller von Software in Konstruktion, Produktion und Qualitätssicherung bieten für die Anwender zunehmend die Möglichkeit, digitale Toleranzinformationen zu verarbeiten, sodass der „Umweg“ über eine „Zeichnung“ und somit ein Medienbruch nicht mehr erforderlich ist.

Anstelle von digitalen Konstruktionsmodellen werden zunehmend notierte digitale Modelle verwendet. Somit ist es im Sinne der Rechtsverbindlichkeit bei gleichzeitiger Verwendung digitaler und analoger Vertragsdaten (Modell und Zeichnung) erforderlich, über einen Klassifizierungscode (wird beispielsweise in der ISO-GPS-Norm ISO 16792 definiert) festzulegen, auf welche Weise die Produktdokumentation innerhalb des Produktdefinitionsdatensatzes organisiert ist, insbesondere im Falle von Widersprüchen zwischen Modell und Zeichnung.

Im Gegensatz zur menschenlesbaren Information auf einer 2D-Zeichnung (z. B. als PDF-Da­tei) werden durch entsprechende Annotationen direkt am CAD-Modell (notiertes Modell) maschinenlesbare In­formationen, z. B. im CAD-neutralen STEP-AP242-Format (ISO 10303-242), an die nachfol­genden Prozesse (CAD-CAM und CAD-CAQ/CMM) weitergegeben. Die „Übersetzung“ von Informationen aus einer Zeichnung in eine nachgeschaltete Software entfällt, die Effizienz steigt und die Fehlerquote sinkt.

Hieraus folgt eine signifikante Einsparung von Zeit, Kosten und Ressourcen nicht nur in Zusammen­hang mit dem Konstruktionsprozess, sondern auch für alle der Konstruktion nachgelagerten Instanzen, wie zum Beispiel:

• Arbeitsvorbereitung und NC-Programmierung (Toleranzinformationen können zur Steuerung des Fertigungsprozesses verwendet werden).
• Kostenkalkulation (z. B. Angebotserstellung, Einfluss einer Toleranz auf Fertigungs- und Prüfkos­ten).
• Import von To­leranzin­formationen in eine Messsoftware (CAD - CAQ/CMM) und somit Ver­mei­dung der Erstellung eines zeit- und kostenintensiven sowie fehleranfälligen Messprogramms).
• Softwaregestützte 3D-Tole­ranzanalysen (u. a. Ermittlung von Hauptbeitragsleistern und somit Festlegung sinn­voller Toleranzen, anstelle von „Angsttoleranzen“).

Ge­mäß einer Studie des National Institute of Standards and Technology (NIST) kann MBD künftig den Prozess von der Konstruktion über die Fer­tigung bis zur Qualitätssicherung um bis zu 80 % verkürzen.

Künftig wird es nicht mehr die Frage sein, ob MBD in ein Unternehmen eingeführt wird, sondern wie, und wann. Unternehmen müssen sich damit auseinandersetzen, MBD (Model-Based Product Definition) und damit einhergehend MBE (Model-Based Enterprise) als gesamtheitlichen Prozess in das Unter­nehmen zu integrieren.

Die „Übersetzung“ der relevanten funktionalen Anforderungen in mathematische Operatoren des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) ist ein essentieller und Bestandteil des Konstruktionsprozesses und notwendige Voraussetzung für eine modellbasierte Produktentwicklung auf Basis eines digitalen Produktdefinitionsdatensatzes. Hierfür erforderlich sind:

• Bereitstellung geeigneter „Tolerierungswerkzeuge“ (u. a. Symbolik, Definition von Default- und speziellen Spezifikationsoperatoren) durch ein leistungsfähiges, international anerkanntes Regelwerk, wie zum Beispiel das GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS).
• Die korrekte Anwendung des Regelwerks, durch alle in den Produktentstehungsprozess involvierte Abteilungen des Unternehmens:
  - Für die Konstruktion: Spezifikation mit geringer Mehrdeutigkeit der Funktionsbeschreibung und Spezifikationsmehrdeutigkeit),
  - Für die Produktion: Fähigkeit Produktdokumentationen auf Basis des GPS-Regelwerks der ISO (ISO) korrekt zu interpretieren und eines darauf basierend korrekte Planung des Fertigungsprozesses.
  - Für die Qualitätssicherung: Fähigkeit Produktdokumentationen auf Basis des GPS-Regelwerks der ISO (ISO) korrekt zu interpretieren und eine darauf basierende Verifikation mit geringer Messunsicherheit festzulegen (Herstellung einer Kausalität zwischen Funktion und Messergebnis)
• Eine leistungsfähige CAD-Software mit der Möglichkeit, u. a. Toleranzinformationen als Attribute dem Konstruktionsmodell hinzuzufügen (notiertes Modell) und diese Informationen über eine geeignetes Datenformat (z. B. STEP AP 242 (ISO 10303-242) nachgelagerten Instanzen zur digitalen Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Diese können beispielsweise sein:
  - Fertigungssoftware
  - Messsoftware
  - Software zur Kostenabschätzung
  - Software zur Durchführung komplexer Toleranzanalysen

Eine modellbasierte Produktdefinition ist grundsätzlich nur möglich, falls die geometrischen Eigen­schaften und somit die funktionalen Anforderungen des Produkts konsequent und ausnahmslos mit mathematischen Operatoren, basierend auf dem GPS-Re­gelwerk der ISO (ISO GPS) beschrieben werden. Ohne eine konsequente betriebliche Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) ist eine durchgängig modellbasierte, digitale Beschreibung des Produkts nicht möglich.

Voraussetzung für eine erfolgreiche betriebliche Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) ist ein grundlegendes Verständnis:

1. dass ein „Festhalten“ an einer unbrauchbaren „Plus-Minus-Tolerierung“ von Nicht-Größenmaßelemen­ten (siehe auch ISO 14405-2), die betriebliche Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) unmöglich macht. Deshalb finden sich auch in keinem Regelwerk zur geometrischen Tolerierung, wie z. B. dem GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) oder der ASME Y14-Normenreihe entsprechende standardmäßige oder spezielle Spezifikationsoperatoren,
2. der Bedeutung der verfügbaren geometrischen Merkmale sowie der wichtigsten allgemein an­wend­baren Operatoren,
3. für die Logik einzelner Regel sowie der bereitgestellten Operatoren nebst korrekter Anwen­dung zur Beschreibung funktionaler Anforderungen, insbesondere aber die mathematischen Zu­sammen­hänge hinter diesen Regeln und Operatoren,
4. für die Grenzen des Regelwerks.

Die „Plus-Minus-Tolerierung“ war die logische Konsequenz aus der fertigungsgerechten Bemaßung und in Zeiten analoger Zeichnungserstellung und Fertigungsprozessen mittels handgesteuerter Maschinen gängige Praxis.

Bereits vor mehr als 50 Jahren setzte sich jedoch die Erkenntnis durch, dass diese Art der „Tolerierung“ nicht dazu geeignet ist, die zulässige Abweichung zwischen Ist- und Nenngeometrie eines gefertigten Produkts mit in der Regel dreidimensionaler Gestalt und somit die funktionalen Anforderungen eindeutig zu beschreiben. In Konsequenz wurden die ersten Regelwerke entwickelt, die es erlauben auf geometrisch eindeutige Weise, die zulässigen Abweichungen und somit die funktionalen Anforderungen mit Hilfe mathematischer Operatoren zu beschreiben. Derartige Regelwerke sind heute unter anderem das GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) sowie diverse Standards aus der ASME Y14-Normenreihe (z. B. ASME Y14.5-2016 / ASME Y14.5.1-2019).

Maße definieren die nominelle Gestalt eines Kör­pers. Sie sind intrinsi­sche (die geometri­sche Eigen­schaft bestim­mende) Merk­male der Gestalt eines Körpers und verän­dern sich nicht, wenn sich der Kör­per be­wegt. Durch Begrenzung von Maßabweichungen mittels Maßtoleranzen ist es aber nicht grundsätzlich möglich, eine Kausalität zwischen Maßmerkmal und Funktion herzustellen, da nicht für alle Maße eine Klassifizierung hinsichtlich ihrer funktionalen Relevanz möglich ist. Letzteres gelingt nur für lineare Größenmaße und Winkelgrößenmaße, nicht jedoch für Nicht-Größenmaße (u. a. lineare Abstände, Radien, Winkelabstände). Daher ist folgende Einteilung sinnvoll (siehe auch ISO 14405-1, -2, -3):

Lineare Größenmaße: Klassifizierung der funktionalen Anforderungen möglich, daher in ISO 14405-1 (ISO-GPS-Norm) Definition eines standardmäßigen (Default-)Spezifikationsoperators sowie diverser spezieller Spezifikationsoperatoren. Die Spezifikation einer grundlegenden linearen Größenmaßspezifikation führt daher zu einer geringen Spezifikationsmehrdeutigkeit, einer geringen Unsicherheit der Funktionsbeschreibung sowie einer geringen Verfahrensunsicherheit und stellt somit eine Kausalität zwischen Messergebnis und funktionaler Anforderung her.

Winkelgrößenmaße: Klassifizierung der funktionalen Anforderungen möglich, daher in ISO 14405-3 (ISO-GPS-Norm) Definition eines standardmäßigen (Default-)Spezifikationsoperators sowie diverser spezieller Spezifikationsoperatoren. Die Spezifikation einer grundlegenden Größenmaßspezifikation für Winkelgrößenmaße führt daher zu einer geringen Spezifikationsmehrdeutigkeit, einer geringen Unsicherheit der Funktionsbeschreibung sowie einer geringen Verfahrensunsicherheit und stellt somit eine Kausalität zwischen Messergebnis und funktionaler Anforderung her.

Nicht-Größenmaße (u. a. lineare Abstände, Radien, Winkelabstände): Klassifizierung der funktionalen Anforderungen nicht möglich, daher ist die Definition eines standardmäßigen (Default-)Spezifikationsoperators nicht sinnvoll sowie diverser spezieller Spezifikationsoperatoren nicht möglich. Die Spezifikation einer grundlegenden Größenmaßspezifikation für Nicht-Größenmaße führt daher zu einer hohen Spezifikationsmehrdeutigkeit, einer hohen Unsicherheit der Funktionsbeschreibung sowie einer hohen Verfahrensunsicherheit. Eine Kausalität zwischen Messergebnis und funktionaler Anforderung ist nicht herstellbar.

Nicht-Größenmaße sind aus den folgenden Gründen grundsätzlich mehrdeutig:

1. Es existiert in keinem allgemein anerkannten technischen Regelwerk zur geometrischen Tolerierung, wie dem GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS), ein standardmäßiger (Default-)Spezifikationsoperator sowie diverse spezielle Spezifikationsoperatoren zur Beschreibung der funktionalen Anforderung.
2. Aufgrund von Formabweichungen des gefertigten Bau­teils ergeben sich daher vielzählige Möglichkeiten für die Interpretation sowie für die Verifikation. Die Spezifikation einer grundlegenden Größenmaßspezifikation für Nicht-Größenmaße führt daher zu einer hohen Spezifikationsmehrdeutigkeit, einer hohen Unsicherheit der Funktionsbeschreibung sowie einer hohen Verfahrensunsicherheit und kann somit letztlich keine Kausalität zwischen Messergebnis und funktionaler Anforderung herstellen. Eine Unterschei­dung in funkti­onsfä­hige und nicht funk­tionsfähige Bau­teile auf Basis eines Mess-/Prüfergebnisses ist somit auf Basis dieser Maßmerkmale (Nicht-Größen­maße) grundsätzlich nicht möglich. Daher werden u. a. im GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) keine Operatoren bereitgestellt.
3. Die Definition eines ISO-Default-Spezifika­tionsoperators sowie spezieller Spezifikationsoperatoren für Nichtgrößenmaße zur Beschreibung funktionaler Anforderungen ist weiterhin nicht sinnvoll, da Nicht-Größenmaßele­mente:
   - kein eindeutig quantifizierbares intrinsisches Maß­merkmal aufwei­sen.
   - hinsichtlich ihrer funktionalen Relevanz and technischen Bauteilen nicht klassifizierbar sind.

Mit Ausnahme von linearen Größenmaßelementen und Winkelgrößenmaßelementen ist die Beschreibung der funktionalen Anforderungen nur mit Hilfe geometrischer Toleranzen und den darauf basierenden Operatoren möglich. Die hierzu notwendigen Schritte sind:

1. Identifikation der Bezugselemente (in der Regel die physischen Schnittstellen des zu tolerierenden Bauteils zu seinen Nachbarbauteilen).
2. Identifikation des zu tolerierenden Geometrieelements und seines idealen Zustands (Form sowie Richtung und Ort zum Nachbarbauteil/Bezug bzw. Bezüge).
3. Ermittlung der maximal zulässigen Abweichung, um die funktionalen Anforderungen sicherzustellen (Form, Weite und ggf. Orientierung einer Toleranzzone). Gegebenenfalls ist hierfür zusätzlich eine arithmetische oder statistische Toleranzanalyse erforderlich.

Das GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) definiert 14 geometrische Merkmale (Geradheit, Rundheit, usw.). Diese Merkmale sind mit Ausnahme des Linien- und Flächenprofils jedoch nur auf einfache Geometrieelemente (ebene bzw. gerade sowie zylinder- bzw. kreisförmige tolerierte Nenngeometrieelemente anwendbar). Technische Bauteile bestehen jedoch häufig aus komplexeren mitunter beliebig geformten tolerierten Nenngeometrieelementen, wie z. B. Kegel, Keile, Kugeln, Tori oder Freiformflächen (z. B. Bézierflächen).

Damit auch für diese allgemeinen Geometrieelemente die zulässige Abweichung zwischen der extrahierten tolerierten Linie bzw. Fläche und dem Referenzgeometrieelement begrenzt werden kann, hält das GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) zusätzlich spezielle Spezifikationsoperatoren (Modifikatoren) bereit. Sind diese Operatoren (einschließlich ihrer mathematischen Definition) bekannt und werden sie insbesondere korrekt angewandt, dann ist es möglich, beliebige Geometrien hinsichtlich Form, Richtung und Ort zu tolerieren.

Ein sehr einfaches Beispiel soll die Verallgemeinerung der Anwendbarkeit geometrischer Merkmale auf beliebige Geometrien am Beispiel des Geometriemerkmals "Rundheit" zeigen. Ein standardmäßiger Operator für "Rundheit" ist im GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) nur für nominell kreisförmige Linien oder Gruppen kreisförmiger Linien nominell zylinderförmiger oder nominell kugelförmiger Geometrieelemente definiert. Am Beispiel eines nominellen Zylinders wie folgt:

1. Anpassung (Assoziation) eines idealen Zylinders an das extrahierte Geometrieelement (extrahierte integrale Oberfläche). Assoziationskriterium: L2-Funktion, veränderliches Größenmaß
2. Schnitt des extrahierten Geometrieelements mit einer beliebigen Ebene, senkrecht zur Achse des assoziierten Zylinders ergibt in jeder Schnittebene eine extrahierte integrale (Umfangs-)Linie
3. In jeder beliebigen Schnittebene, Anpassung eines idealen Kreises (Referenzgeometrieelement) an die extrahierte integrale (Umfangs-)Linie (toleriertes extrahiertes Geometrieelement). Assoziationskriterium: L∞-Funktion, veränderliches Größenmaß (MZCI, ISO 12181-1)
4. Die Rundheitsspezifikation ist erfüllt, falls in jeder Schnittebene, die maximale Abweichung zwischen der extrahierte integralen (Umfangs-)Linie und dem Referenzgeometrieelement den halben Toleranzwert nicht überschreitet.

Da die Anwendung des Operators „Rundheit“ sich ausschließlich auf nominelle Kreiszylinder und Kugeln beschränkt ist eine Übertragung auf andere Geometrien (z. B. Kegel, elliptischer Zylinder, Prismen mit beliebiger Grundfläche, usw.) ohne Kenntnis der verfügbaren Operatoren des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) nicht möglich (Hinweis: Für andere als nominell kreiszylindrische Rotationsflächen und Kugeln existiert im GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) kein standardmäßiger Operator für das Geometriemerkmal „Rundheit“)

Die detaillierte Kenntnis der wichtigsten allgemein an­wend­baren Operatoren (Modifikatoren) zur Festlegung von speziellen Spezifikationsoperatoren aus "ISO GPS", ermöglicht eine uneingeschränkte Übertragung auf beliebige andere Nenngeometrieelemente (z. B. Kegel, elliptischer Zylinder, Prismen mit beliebiger Grundfläche, usw.). Die Übertragung auf beliebige Geometrien (hier: Kegel, elliptischer Zylinder und Prisma mit regelmäßiger sechseckiger Grundfläche) wird mit Hilfe der nachfolgenden Modifikatoren definiert:

• Analog zum Geometriemerkmal „Rundheit“ kann auch das Geometriemerkmal „Linienprofil“ nur auf lineare Geometrieelemente angewandt werden. Da die (intrinsischen) Maße des Referenzgeometrieelements beim Linienprofil theoretisch exakt sind, bei der Rundheit jedoch variabel (variabler Durchmesser), muss eine unspezifiziert versetzte lineare Toleranzzone (OZ) festgelegt werden (das nominelle lineare Größenmaß ist somit nicht definiert).
• Um lineare Geometrieelemente (tolerierte extrahierte Umfangslinien) aus einem Flächengeometrieelement (extrahierte integrale Oberfläche) zu gewinnen, wird die Schnittmenge der extrahierten Oberfläche mit einem Schnittelement gebildet. Das Schnittelement ist in diesem Fall eine Ebene (Schnittebene). Die Festlegung der Schnittebene erfolgt durch Spezifikation eines dem Toleranzindikator nachgestellten Schnittebenen-Indikators. Im Falle eines nominellen Kegels, kann alternativ auch ein Richtungselement-Indikator ("Messrichtungsanzeiger") festgelegt werden.
• Die Schnittrichtung der Schnittebenen wird durch das Situationselement „Gerade“ eines Bezugs definiert. Das Bezugselement ist dabei die extrahierte integrale Oberfläche selbst. Zur Bezugsbildung und letztlich Festlegung der genannten Geraden, wird an die extrahierte Oberfläche ein idealer Zylinder mit variablem linearen Größenmaß (Modifikator [SV]) angepasst (die assoziierte Fläche ist ein nomineller Zylinder mit variablem Durchmesser). Als Zielfunktion ist in ISO 1101 (ISO-GPS-Norm) die L2-Funktion ohne Materialbedingung (Modifikator [GM]) festgelegt.
• Ist die zur Bezugsbildung erforderliche assoziierte Fläche kein nomineller Zylinder (z. B. ein Kegel, ein elliptischer Zylinder oder ein Prisma mit regelmäßiger sechseckiger Grundfläche), dann sollte – der Eindeutigkeit halber – das Situationselement „Gerade“ der assoziierten Fläche explizit im zweiten Feld des Schnittebenen-Indikators genannt (Modifikator [SL]) und gemäß ISO 128-2 und ISO 5459 in der Spezifikation visualisiert werden. Ist die assoziierte Fläche im Fall der Rundheit eines nominell zylinderförmigen Geometrieelements ein Zylinder, so kann die Angabe des Situationselements entfallen, dass ein Zylinder nur durch ein Situationselement (Gerade) charakterisiert wird.
• Ist die zur Bezugsbildung erforderliche assoziierte Fläche ein nomineller Kegel dann wird an die extrahierte Oberfläche ein idealer Kegel mit festem Winkelgrößenmaß (Modifikator [SF]) angepasst (die assoziierte Fläche ist ein nomineller Kegel mit festem Kegelwinkel).
• Ist die zur Bezugsbildung erforderliche assoziierte Fläche weder ein nomineller Zylinder, eine nominelle Kugel oder ein nomineller Kegel, dann entfallen die Modifikatoren [SV] bzw. [SF], da diese assoziierten Flächen kein intrinsisches Größenmaßmerkmal besitzen.

Die detaillierte Kenntnis der Operatoren des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) zur geometrischen Tolerierung sowie der allgemeinen Operatoren aus "ISO GPS", ermöglicht ferner eine signifikante Reduktion auf letztlich nur drei geometrische Merkmale: Position, Linien- und Flächenprofil.

Hierdurch ist es nicht nur möglich, die Produktdokumentationen signifikant zu vereinfachen und mögliche Tolerierungsfehler weitgehend zu vermeiden, auch die gesamte Prüfung wird erheblich vereinfacht und damit zusammenhängende Kosten für Prüfung, Kommunikation und Interpretation von Prüfprotokollen nachweislich reduziert.

Wir bieten in Zusammenhang mit der Reduktion der geometrischen Merkmale ein zweitägiges Präsenzseminar unter den Titel: "Profil- und Positionstoleranzen (ISO GPS)" an: "Positionstoleranzen und Profiltoleranzen - Intensivseminar mit Praxisworkshop (ISO GPS)". Das Seminarformat ist gleichermaßen für Mitarbeiter aus der Konstruktion sowie aus der Qualitätssicherung/Messtechnik gedacht.

Klassifizierung (Symmetrieklassen)
Richtungs- sowie insbesondere Ortsspezifikationen sind die mit Abstand wichtigsten geometrischen Merkmale zur Beschreibung funktioneller Anforderungen. Weit mehr als die Hälfte aller Produktspezifikationen, insbesondere bei geometrisch komplexen Tolerierungsaufgaben oder Funktionsanforderungen, weisen jedoch elementare Fehler auf und sind somit letztlich unbrauchbar. Die Ursache ist hierbei nicht im GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) selbst zu suchen, sondern in einem fehlenden Verständnis der dem Regelwerk zugrunde liegenden mathematischen Zusammenhänge.

Die der Richtungs- und Ortstolerierung zugrunde liegenden mathematischen Zusammenhänge sind dabei relativ einfach: Bekanntlich lassen sich alle Flächen und Kombinationen unterschiedlicher Flächen (Linien und Kombinationen unterschiedlicher Linien) hinsichtlich ihrer Eigenschaften Freiheitgrade gegenüber anderen geometrischen Objekten (ebenfalls Flächen bzw. Kombinationen unterschiedlicher Flächen oder Linien bzw. Kombinationen unterschiedlicher Linien) klassifizieren. Ein nicht blockierbarer translatorischer Freiheitsgrad bedeutet dabei, dass der Ort eines anderen geometrischen Objekts nicht festgelegt werden kann, ein nicht blockierbarer rotatorischer Freiheitsgrad bedeutet, dass die Richtung (Winkel) eines anderen geometrischen Objekts nicht festgelegt werden kann.

Die Tatsache der Klassifizierung von Flächen und Linien hinsichtlich ihrer geometrischen Eigenschaften, Freiheitsgrade anderer geometrischer Objekte zu blockieren, lässt sich ebenfalls auf einfach Weise erklären: Betrachtet man als Fläche beispielsweise einen Zylinder mit einem Radius von 3 Längeneinheiten und eine mit der z-Achse zusam­menfallende Zylinderachse mit S = {(x, y, z): x² + y² = 9}, dann ist diese Punktmenge (Zylindermantelfläche) invariant bezüglich der Rotation um und der Verschiebung längs der z-Achse. Der Ort eines geometrischen Objekts (z. B. des Referenzgeometrieelements bzw. des tolerierten Nenngeometrieelements) in Richtung der Zylinderachse, sowie seine Richtung (Winkel) zur Zylinderachse kann nicht festgelegt werden. Die Zylindermantelfläche könnte beispielsweise die assoziierte Fläche bei der Bildung eines Bezugs aus einem nominellen Zylinder sein.

Die 2-parametrige (Ø, d) Familie von Abbil­dungsmatrizen (alle Kombinationen von Rotationen um und Translationen längs der z-Achse) bildet dabei eine Automorphismengruppe Aut(S). Unter einer Automorphismengruppe einer Struktur (hier: die Zylindermantelfläche definierende Punktmenge S) versteht man die Menge aller Automorphismen (bijektive, lineare Abbildung auf sich selbst) eines mathematischen Objekts (hier: Punktmenge S, welche das geometrische Objekt definiert) zusammen mit der Verkettung von Funktionen (hier: Abbildungsmatrizen für die Punktmenge). Sie ist eine kontinuierliche Untergruppe der Gruppe der Starr­körpertransformation SO(3).

Das Beispiel zeigt: Weist ein geometrisches Objekt (Punktmenge S) eine Symmet­rie auf, dann findet sich eine Untergruppe der Gruppe der Starr­körpertransformation welche dieses geomet­ri­sche Objekt (Punktmenge S) auf sich selbst abbildet, d. h. eine Automorphismengruppe Aut(S). Für eine Klassifizierung von Symmetrien geo­metrischer Objekte müssen somit innerhalb der Gruppe SO(3) der Starrkörpertransformation die zusammenhängenden Lie-Untergruppen betrachtet werden. Insgesamt ergeben sich aus SO(3) im euklidischen Raum 12 Un­tergrup­pen, welche die Eigenschaften einer Lie-Gruppe erfüllen. Weist also eine Punktmenge S Symmetrieeigenschaften auf, dann muss diese letztlich aus einer oder mehreren der 12 Lie-Untergruppen kommen.

Eine genauere Un­tersuchung [Srinivasan, V. (2004). Theory of Dimensioning. New York, Basel: Marcel Dekker.] zeigt, dass für räumliche geometrische Ob­jekte sieben dieser Lie-Untergruppen eine Punktmenge S auf sich selbst abbildet, also Auto­morphismengruppen darstellen. Sie bilden die in sieben Symmet­rieklas­sen für räumliche geometrische Ob­jekte (in ISO 5459, ISO-GPS-Norm, auch als „Invarianzklassen“ bezeichnet). Auf analoge Weise kann gezeigt werden, dass für ebene geometrische Objekte drei Symmetrieklassen existieren.

Reklassifizierung von Kollektionen beliebiger Objekte
Werden n beliebige geometrische Objekte bzw. Punkt­mengen S₁, S₂, …, S_n kombiniert, betrachtet man also eine Kol­lektion (Tupel) von n Punkt­mengen, dann kann diese ebenfalls einer der drei bzw. sie­ben Symmetrieklassen zugeordnet wer­den (Reklas­sifi­zierung). Auch für ein Tupel von Punkt­mengen exis­tiert eine Automorphismen­gruppe, also eine Menge von geometrischen Trans­formationen wel­ches das Tupel der Punktmenge in­variant lässt:

wobei R die 4x4-Matrix der speziellen euklidischen Gruppe SE(3) bzw. die Gruppe der Starrkörpertransformation darstellt, r ein Element aus R und S_i eine Punktmenge aus S₁, S₂, …, S_n darstellt.

Um die Automorphismen einer Kollektion von Punkt­mengen (S₁, S₂, …, S_n) zu ermitteln, müs­sen le­diglich die gemein­samen Elemente in den Au­to­mor­phis­men der Komponenten des Tupels be­trach­tet wer­den, d. h. deren Schnitt­menge. Es gilt:

In nebenstehender Tabelle ist die Zuord­nung zu ei­ner Symmetrieklasse (Reklassifizierung) eines 2-Tupels (S₁, S₂) und die Anzahl unabhängiger Parameter zur relati­ven Anordnung zweier Punktmen­gen zusammengestellt. Sonderfälle, welche die Symmetrieklasse nicht verändern, sind teil­weise nicht aufgeführt. Die Be­nennung der einzelnen Symmetrieklassen (C_S, C_C, C_P, usw.) erfolgt nach ISO 17450-1. Die Tabelle ist symmetrisch, da aufgrund der Kommu­tativität

die Klassi­fizierung von (S₁, S₂) identisch ist zu (S₂, S₁) ist.

Theoreme der relativen Anordnung geometrischer Objekte
Für das Verständnis der Logik der Bezugsbildung sowie der Richtungs- und Ortstolerierung sind drei Theoreme (Lehrsätze) von fundamentaler Bedeutung:

1. Theorem der Kongruenz von geordneten Mengen geo­metri­scher Objekte: Die Anordnung von geo­metri­schen Objekten bzw. Punktmengen S₁, S₂, … S_n zueinander (relative Anordnung) ist unab­hängig von der Orien­tierung und dem Ort der Kollektion (n-Tupel) die­ser Punktmengen (S₁, S₂, … S_n) in Bezug auf ein stationäres Koordinatensys­tem.
2. Theorem der Ersetzung von Komponenten einer geordneten Menge geometrischer Objekte:  Das The­o­rem zur Kon­gruenz von Tupeln geometrischer Objekte bleibt auch gültig, falls die Kompo­nenten bzw. Punktmengen eines Tupels durch Punkt­mengen derselben Symmetrieklasse, insbe­son­dere durch ihre Situationselemente ersetzt wer­den. Dies bedeutet: Die relative Anordnung von geometrischen Ob­jek­ten kann auf die Be­trachtung der relativen Anord­nung einfacher geometrischer Ele­mente, den Situa­tionsele­menten (Punkt, Gerade, Ebene, Schrau­ben­linie oder deren Kombination) dieser geometri­scher Objekte reduziert werden.
3. Theorem der „relativen Freiheitsgrade“  zwi­schen geometrischen Objekten: Die Anzahl der (maximal) not­wendigen unabhängigen Pa­ra­me­ter bzw. „relativen Freiheitsgrade“ n_RDOF zur allge­mei­nen, relativen Anord­nung von zwei Punkt­mengen S₁ und S₂ ergibt aus: 
   

Räumliche (ebene) geometrische Objekte lassen sich hinsichtlich ihrer Eigenschaft Freiheitsgrade ge­genüber anderen geometrischen Objekten zu blockieren und somit deren relative Richtung (Winkel) oder deren relativen Ort zu beschreiben sieben (drei) Gruppen (Symmetriegruppen) zuordnen und äqui­valent auf deren Situationselemente reduzieren. Diese geometrischen Objekte sind die assoziierten Flächen (Linien) in Zusammenhang mit der Bezugs­bildung sowie die Flächen (Linien) des tolerierten Geometrieelements (Referenzgeometrieelement).

Für räumliche (ebene) geometrische Objekte ergeben sich hieraus 28 (6) Kombinationsmöglichkeiten. Die rot markierte Stelle in der Matrix der Fallgruppen blockierbarer Freiheitsgrade zwischen Bezug und Referenzgeometrieelement (Fall 5-7) bezieht sich auf das nachfolgende Tolerierungsbeispiel.

Das Wissen um die genannten Zusammenhänge, d. h. der Klassifizierung bzw. Reklassifizierung der assoziierten Fläche(n) des Bezugs sowie des Referenzgeometrieelements, deren Zuordnung zu einer Symmetrieklasse, die Reduktion auf einfache Geometrieelemente (Theorem der Ersetzung von Kom­ponenten einer geordneten Menge geometrischer Objekte) und letztlich die Zuordnung zu einer Fall­gruppe zur Ermittlung der relativen Freiheitsgrade zwischen den genannten geometrischen Objekten, erlaubt es ausnahmslos jegliche Tolerierungsaufgabe (Spezifikation) in Zusammenhang mit der Rich­tungs- und Ortstolerierung vollständig und korrekt in Operatoren des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) zu „übersetzen“.

Das Beispiel (Fallgruppe 5-7) zeigt ein fiktives Bauteil. Als Bezug dient ein Kegel, das tolerierte Geometrieelement ist eine Elementgruppe aus vier nominellen Zylindern. Die assoziierte Fläche des Bezugs ist ein Kegelmantel (Assoziationskriterium: L_∞, äußere Materialbedingung, festes oder variables Winkelgrößenmaß, abhängig von der Spezifikation) und wird somit durch die Situationselemente Gerade [SL] und Punkt [PT] auf der Geraden repräsentiert (rotationssymmetrische Symmetrieklasse). Das Referenzgeometrieelement (toleriertes Nenngeometrieelement) ist eine Elementgruppe auf vier windschiefen Zylindern und wird somit durch die Situationselemente Ebene [PL], Gerade in oder parallel zur Ebene [SL] und Punkt [PT] auf der Geraden repräsentiert (komplexe Symmetrieklasse).

Das Tolerierungsbeispiel gehört zur Fallgruppe 5-7. Zwischen Bezug und Referenzgeometrieelement können allgemein 5 relative Freiheitsgrade (a, b, c, α, β) blockiert werden. Ein rotatorischer Freiheitsgrad ist nicht blockierbar. Unter Berücksichtigung von Ort und Richtung von Bezug und Referenzgeometrieelement gemäß Spezifikation, reduzieren sich in diesem Fall die relativen Freiheitsgrade auf 1 (a = 0; b =0; α = 0; β =0). Die „geometrische Analyse“ zeigt, dass die Elementgruppe nur noch um die Kegelachse rotieren kann, eine Translation relativ zum Kegel oder eine Winkeländerung zur Kegelachse ist nicht möglich.

Werden' bei der Spezifikation zudem Modifikatoren aus dem GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) ver­wendet (z. B. ><, [PT], [SL], [PL], Tx, Ty, Tz, Rx, Ry, Rz, CZ, UF, SIM, CZR, SZ, DV, DF), dann ermöglicht die beschriebene Reduktion des Tolerierungsproblems auf einfache Geometrieelemente (Situationselemente), eine einfache Analyse der geometrischen Zusammenhänge und somit eine sichere Abschätzung der Unsicherheit der Funk­tionsbeschreibung (siehe auch ISO 17450-2).

Der aktuelle Stand des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) erlaubt es etwa 60 % bis 70 % der funkti­onalen Anforderungen in mathematische Operatoren auf Basis des Regelwerks zu "übersetzen“. Für die verbleibenden Anforderungen müssen firmen- und produktspezifische Lösungen gefunden werden.

Beispiele hierfür sind:

• Aufbau einer Bezugskoordinatensystem und Funktionsbeschreibung mittels Reduktion von Frei­heitsgraden durch Auswahl indivi­dueller Frei­heitsgrade.
• Schwindung von Kunststoffformteilen und diesbezüglich Notwendigkeit der Festlegung einer variab­len, entfernungsabhängigen Toleranz zwischen einzelnen Geometrieelementen des Bauteils. Nor­men, wie z. B. ISO 20457, sind diesbezüglich fachlich nicht korrekt und sollten daher nicht als Ver­tragsgrundlage herangezogen werden.
• Rückfederung von Blechteilen und Festlegung einer linearen oder nicht-linearen Variation der Tole­ranzzonenweite (anstelle einer konstanten Weite).  
• Verwindung von Strangpressprofilen.
   

Die betriebliche Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) beinhaltet die nachfolgend näher beschriebenen Schritte:

1. Schritt:  Projektfreigabe
2. Schritt:  Interner Projektleiter und internes Expertenteam
3. Schritt:  Projektplan
4. Schritt:  Analyse des "Ist"-Zustands (Konformität zu "ISO GPS")
5. Schritt:  Unternehmensinterne Projektinformation
6. Schritt:  Professioneller Dienstleister
7. Schritt:  Pilotschulungen zu "ISO GPS" für das Expertenteam
8. Schritt:  Praktische Umsetzung auf kundenspezifische Produkte (Workshops und Beratungen)
9. Schritt:  Erarbeitung von Konstruktionsrichtlinien
10. Schritt:  Erarbeitung von Arbeitsplänen und Prüfplänen
11. Schritt:  "Roll-Out"
12. Schritt:  Coaching der geschulten Mitarbeiter
13. Schritt:  Regelmäßige Updates
14. Schritt:  Information von Vertragspartnern

Die Freigabe des Projekts zur betrieblichen Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) durch das Management ist der erste und möglicherweise auch der schwierigste Schritt. Zwar ist es nach Erarbeitung eines Projektplans auf einfache Weise möglich, die internen und externen Kosten sowie die notwendige Zeitdauer für die Implementierung von "ISO GPS" abzuschätzen, es ist jedoch kaum möglich eine Kosten-Nutzen-Analyse zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit des Projekts durchzuführen, da in den Unternehmen in der Regel keine belastbaren Zahlen vorliegen, welche Kosteneinsparung durch eindeutige Spezifikationen möglich sind. Beispiele hierfür sind die Vermeidung unnötiger interner sowie externer Diskussionen und "Zeichnungsdurchsprachen", die Prüfung von Merkmalen ohne Funktionsbezug, falsch positive oder falsch negative ("Sonderfreigaben) Prüfergebnisse mit entsprechen Konsequenzen auf die Freigabeprozesse.

Das Projekt der betrieblichen Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) darf daher in der Einführungsphase nicht von der wirtschaftlichen Seite aus gedacht werden. Analog zur Einführung einer Software (z. B. CAD-Systeme, Software in Messtechnik und Verwaltung, usw.) bedeutet die Implementierung von „ISO GPS“ zunächst eine Investition des Unternehmens sowie die Notwendigkeit der Bereitstellung personeller Ressourcen, die sich erst nach der Einführung, z. B. in Form einer nicht unerheblichen Verkürzung des Produktentstehungsprozesses bei gleichzeitiger Optimierung der Konstruktions-, Produktions- und Qualitätssicherungsprozesse bezahlt machen (siehe hierzu auch Abschnitt 5.1).

Interner Projektleiter:
Für die betriebliche Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) ist ein interner Projektleiter zwingend erforderlich, um einerseits das Projekt (intern) zu begleiten und zu koordinieren und andererseits als Ansprechpartner (Schnittstelle) für den externen Dienstleister zur Verfügung zu stehen. Der interne Pro­jektverantwortliche (Projekt­leiter) sollte idealerweise bereits gute fachliche Kenntnisse zum Thema "ISO GPS" aufweisen und mit einem angemessenen Zeitbudget ausgestattet werden.

Grund­sätzlich sollte ein exter­ner Dienstleister nur dort aktiv wer­den, wo der Kunde keine ei­gene Expertise und/oder eigene Res­sourcen be­sitzt. Falls mehrere Firmenstandorte existieren, sollte der Projektleiter werksübergreifend aktiv werden. Gegebenenfalls sollten weitere Projektverantwortliche an den einzelnen Firmen­standorten zur Un­terstützung definiert werden.

Internes Expertenteam:
Notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche Einführung von „ISO GPS“ ist neben einem internen Projektleiter ein fachlich gut ausgebildetes und in der praktischen Anwendung erfahrenes internes Expertenteam, idealerweise aus Mitarbeitenden der Konstruktion, Produktion und Qualitätssicherung. Primäre Aufgabe des Expertenteams ist es, zumindest in der Phase nach dem „Roll-Out“ (Abschnitt 7.11) als fachliche Ansprechpartner, insbesondere für die Anwendung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) auf hauseigene Produkte zu unterstützen.

Das Expertenteam kann (falls relevant) werks­übergrei­fend aktiv sein, sofern ver­gleichbare Produkte/Produktgruppen (u. a. Funktion, Werkstoff, Ferti­gungspro­zesse) existieren. Auch können produktbezogen mehrere Teams definiert werden. Ein regelmäßiger Informationsaustausch zwischen den Teams und den einzel­nen Mitglie­dern ist empfehlenswert (z. B. „jour fixe“).

Ein Projektplan ist für die effiziente betriebliche Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) unverzichtbar. Er ist das zentrale Dokument, das Ziele, Zeitpläne, Aufgaben und Ressourcen eines Projekts zusammenfasst und als „Fahrplan“ für den Einführungsprozess dient. Wesentliche Inhalte des Projektplans sind unter anderem:

1. Projektorganisation: Benennung eines Projektleiters mit den entsprechenden zeitlichen Ressourcen sowie Entscheidungs- und ggf. Weisungskompetenzen. 
2. Definition der Projektziele sowie des Nutzens für das Unternehmen.
3. Festlegung des Projektumfangs (welche Inhalte gehören zum Projekt und welche Inhalte sind nicht Gegenstand des Projekts?).
4. Projekt strukturieren, d. h. Aufstellen eines Projektstrukturplans welcher alle Teilaufgaben und Arbeitspakete beinhaltet und beschreibt.
5. Erarbeitung eines Zeitplans aus welchem der Beginn und die Dauer der einzelnen Arbeitspakete ersichtlich ist sowie Festlegung von „Meilensteinen“.
6. Planung der Kosten sowie der notwendigen Ressourcen an Personal, Material und Technik.
7. Bewertung des Risikos, d. h. Identifikation potenzieller Risiken der einzelnen Arbeitspakete und Maßnahmen zu deren Minderung bzw. Vermeidung.
8. Festlegung eines Kommunikationsplans mit Regelungen für Berichte, Meetings und dem Informationsfluss zwischen Personen, Gruppen oder Organisationen, welche in das Projekt eingebunden sind oder das Projekt begleiten.

Die Abbildung zeigt keinen vollständigen Projektplan, sondern soll lediglich einen Hinweis über die mögliche Abfolge der einzelnen Projektschritte und den Zeitbedarf geben.

Die Strategie zur betrieblichen Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) muss grundsätzlich an das Unternehmen, d. h. dessen Produktportfolio, die Komplexität der Produkte sowie den Kenntnisstand der Mitarbeiter zur geometrischen Tolerierung angepasst werden. Eine „standardmäßige“ Implementierungsstrategie gibt es nicht. Die Analyse des „Ist-Zustandes“ ist daher notwendige Voraussetzung für die Festlegung eines individuellen Projektplans sowie der Inhalte und der Dauer der späteren Schulungs- und Beratungsmaßnahmen.

Die Analyse des "Ist-Zustandes" sollte unter anderem die folgenden Punkte umfassen:

• Produktdokumentation: Werden in der Produktdokumentation die funktionalen Anforderungen eindeutig und vollständig mit Operatoren aus dem GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) beschrieben (Ermittlung der Unsicherheit der Funktionsbeschreibung)? Zu diesem Zweck sollten beste­hende Dokumentationen hin­sichtlich der Komplexität des Pro­dukts/der Produkte, ihrer Funktions­an­forderungen sowie even­tueller Ne­ben­bedingungen aus Pro­duktion und Qua­litätssicherung ana­lysiert und klassifi­ziert werden.
• Sind GPS-Operatoren (weitgehend) vollständig (geringe Spezifikationsmehrdeutigkeit)?
• Welche messtechnische Ausstattung (Hard- und Software) ist vorhanden (Abschätzung der Methoden- und Implementierungsunsicherheit)?
• Kenntnisstand der Mitarbeiter in Konstruktion, Produktion, Qualitätssicherung und technischer Einkauf über die geometrische Tolerierung auf Basis von "ISO GPS" (Spezifikation. Interpretation, Verifikation).
• Sind außer dem GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) noch weitere Regelwerke zur geometrischen Tolerierung relevant (z. B. ASME Y14.5-1194, 2009 oder 2018)?
   

Die betriebliche Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) stellt für die am Produktentstehungsprozess beteiligten Bereiche (Konstruktion, Produktion, Qualitätssicherung, technischer Einkauf) eine nicht unerhebliche und zumeist unterschätzte Veränderung zumindest eines Teils der Arbeitsabläufe dar („Paradigmenwechsel“). Daher ist die rechtzeitige Information aller Mitarbeiter der betroffenen Bereiche zwingend erforderlich, um die Akzeptanz für die Implementierung von „ISO GPS“ sicherzustellen. Nicht wenige Projekte scheitern aufgrund einer unzureichenden (internen) Unternehmenskommunikation.

Die unternehmensinterne Projektinformation sollte dabei die folgenden Themen umfassen:

• Worum es bei der betrieblichen Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) geht (Ziele, Nutzen und Herausforderungen für das Unternehmen).
• Weshalb eine betriebliche Einfüh­rung von "ISO GPS" mittelfristig einen Wettbewerbs­vorteil darstellt (u. a. Model-Based Definition und Model-Based Enter­prise).
• Auf welche Weise die Einführung von "ISO GPS" im Unternehmen erfolgt (Pro­jekt vor­stellen).
• Wer das Projekt intern leitet (An­sprechpartner benennen).
• Vorstellung des Projektplans (zeitlicher Ablauf, involvierte Abteilungen, usw.)

Diese unternehmensinterne Projektinformation sollte vor der ersten Schulungsmaßnahme (Abschnitt 7.7) für einen größeren Teilneh­merkreis des Unternehmens erfolgen (Dauer ca. 60 min.).

Die betriebliche Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) wird Kosten verursachen und zumindest anfänglich Ressourcen binden. Für den Erfolg des Projekts ist daher ein professioneller Dienstleister entscheidend. Beachten Sie bei der Auswahl unter ande­rem:

• Ist das Angebot auf die Anfrage abge­stimmt und enthält es weitere Informati­onen zum Thema? Für den ersten Ein­druck gibt es keine zweite Chance.
• Kann der Dienstleister ausreichend positive Referenzen bei der betrieblichen Implementierung von „ISO GPS“ vorweisen?
• Kann der Dienstleister das gesamte Themengebiet des "Toleranzmanagements" fachlich abdecken – von der Implementierung im CAD über professionelle Zeichnungsberatungen bis zur funktionskonformen und mess­technischen Umsetzung und zudem bei Bedarf softwaregestützte 3D-Toleranzanalysen durchführen?
• Versteht das Referententeam das Thema wirklich oder werden nur Norminhalte rezitiert, ohne die Zusammenhänge, Logik und Mathematik hinter den Operatoren zu kennen? Können die mitunter komplexen Themen und Zusammenhänge fachlich korrekt aber dennoch für den Anwender gut verständlich und praxisnah vermittelt werden?
• Existiert eine ausführliche und insbesondere didaktisch aufbereitete Dokumentation (zur Nachbereitung)? Gibt es kostenfreie und regelmäßige Updates der Trainingsunterlagen?
• Können alle Dienstleistungen, einschließlich zugehöriger Dokumentationen in englischer Sprache und weltweit angeboten werden. Gibt es zudem Kooperationen mit anderen Dienstleistern, damit die Schulungen und Beratungen mit derselben Professionalität in der Landessprache des Kunden angeboten werden können?
   

Die Schulungsreihe zum GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) beginnt zunächst mit Pilotseminaren für das Projektteam. Das Ziel der ersten initialen Schulung(en) ist es nicht, das gesamte Regelwerk zu schulen (ist in der Kürze der Zeit nicht möglich und auch nicht erforderlich), sondern - neben ausgewählten fachlichen Inhalten - darzulegen, welche Vorteile eine geomet­risch eindeutige und funktional korrekte Produktbeschreibung bietet („Interesse wecken“), welche Herausforderungen das Regelwerk bereithält und auf welche Weise eine Umsetzung auf die firmenspezifischen Produkte erfolgen kann.

Durch die initialen Pilotschulungen zum GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) sollten unter anderem die folgenden Ziele erreicht werden:

• Identifikation des „Ist-Zu­stand“ im Unternehmen bezüglich eindeutiger und funktionskonformer Produktdokumentationen, korrekte Interpretation (Produktion, Kunde, Lieferant, Qualitätssicherung/Messtechnik).
• Optimierung des Projektplans (falls erforderlich).
• Identifikation von notwendigen, aber derzeit im GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) nicht beinhalteter Operatoren zur Beschreibung funktionaler Anforderungen und ggf. Definition in einer werksinternen Norm.
• Herstellung eines Grundverständnisses für die Logik der geometrischen Tolerierung auf Basis des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) nebst Erläuterung der wichtigsten Operatoren sowie zugehöriger Spezifikationselemente und Syntaxregeln.

Die Durchführung der Pilotschulung(en) zu ISO GPS sollte ein externer, professioneller Dienstleister/Referent mit entsprechender fachlicher Expertise und langjähriger Erfahrung übernehmen. Sinnvolle initiale Schulungsthemen sind dabei:

• Dimensionale und geometrische Tolerierung auf Basis des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS)
  - Dauer: 2 bis 3 Tage (Präsenzschulung)
  - Durchführung: Obligatorisch
• Oberflächenbeschaffenheit Profil (2D) und ggf. Fläche (3D) auf Basis des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS)
  - Dauer: 2 bis 3 Tage (Präsenzschulung)
  - Durchführung: Optional
• Arithmetische und statistische Tolerierung
  Dauer: 2 Tage (Präsenzschulung)
  Durchführung: Optional

Für die Effizienz eines Seminars zum GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS Normensystem) bzw. zum "Toleranzmanagement" insgesamt, ist es unerlässlich, dass die zur Verfügung stehende Seminarzeit (2 oder besser 3 Tage) optimal und vor allem pra­xis­nah genutzt wird. Daher sollten die Seminarin­halte stan­dardmäßig individuell an die Anforde­rungen und Produkte des Unternehmens sowie an den Kenntnis­stand der Teil­nehmer angepasst werden (kein Seminar "von der Stange" und keine Lehrbuchin­halte!). Die Schulungsschwerpunkte sollten in einem Vorgespräch geklärt werden.

Idealerweise werden an­hand firmeneigener Beispiele (ggf. auch Kundenzeichnungen) und Auf­gaben­stellungen die konkrete Anwen­dung der komplexen Normin­halte aus dem ISO-GPS-Regelwerk praxisnah aufgezeigt. So gut es die Zeit erlaubt, sollten fir­menspezi­fische Spezifikationen (Zeichnungen) in das Seminar einge­bun­den und im Teilnehmerkreis diskutiert werden.

Die erste Trainingsstunde kann zudem dazu genutzt werden, einem größeren Teilnehmerkreis (z. B. Geschäftsführung, Entwicklungsleitung) die Thematik (Nutzen und mögliche Implementierungsstrate­gien) näherzubringen.
 

Mit einer (in der Regel zwei- oder dreitägigen) Schulung werden die Teilnehmer – der Komplexität der Thematik geschuldet – nicht in der Lage sein, reale Produkte mathematisch korrekt mit GPS-Operato­ren der ISO (ISO GPS) zu beschreiben.

Nach der Schulung sind zeitnahe professionelle Beratungs- und Coachingmaß­nahmen, insbesondere konkrete Zeich­nungsdurchsprachen erforderlich und sinnvoll. Erst dadurch werden die Anwender nach und nach in die Lage versetzt, das Erlernte auch tatsächlich korrekt und nutzbringend in die Praxis bzw. auf ihre eigenen Produkte umsetzen zu können und sind somit für einen späteren Übergang zu Produktdokumentationen gemäß Klassifizierungscode 4 oder 5 (ISO 16792, MBD) optimal vorbereitet.

Das Projekt- bzw. Expertenteam sollte in den auf das Pilotseminar zu „ISO GPS“ folgenden Monaten ausreichend Zeit er­halten, um sich mit den Produktdokumentationen intensiv zu beschäftigen. Der zeitliche Umfang hängt dabei von der Diver­sität der Produkte und den Produktanforderungen ab.

Die Coachingmaßnahmen könnten idealerweise wie folgt ablaufen:

• Auswahl typischer ­Produkte und Pro­duktdokumentationen und konsequente „Übersetzung“ der relevanten funktionalen Anforderungen in mathematische Operatoren aus dem GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS). Hierbei kann es sich auch um Produktdokumentationen für ein neues Entwicklungsprojekt handeln.
• Zur Durchspreche der vorbereiteten Produktdokumentationen und zur Klärung offener Fragen, die bei der praktischen Umsetzung stets auftreten, werden bedarfsgerecht (auch kurzfristig) mit dem Trainer individuelle Meetings (idealerweise Online) mit einer Dauer von jeweils ca. 3 bis 4 h fest­gelegt.
• Die in das GPS-Regelwerk der ISO überführten Spezifikationen können bei wiederkehrenden funktionalen Anforderungen in eine firmeninterne Kon­struktionsricht­li­nie übernommen und/oder als Vorlage für die Schulungen unter Abschnitt 11 („Roll-Out") dienen.

Das GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) ist zwischenzeitlich eines der größten Regelwerke in der mechanischen Technik. In einem zwei- oder dreitägigen Seminar können allenfalls 20 % der notwendigen Tolerierungswerk­zeuge und Regeln vorgestellt und diskutiert werden. Bei der ersten Umsetzung auf die kundenspezifischen Produkte können die zur Produktbeschreibung tatsächlich notwendigen Werkzeuge aus dem GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) identifiziert werden. Sie bil­den idealerweise die spätere Grundlage der Schulungsinhalte während des „Roll-Out“ (Schritt 11).

Mit den standardisierten Werkzeugen, welche das Regelwerk („ISO GPS“) gemäß heutigem Stand bietet, können bestenfalls 60 % bis 70 % der funktionalen Anforderungen „übersetzt“ werden (unsere Erfahrung aus mehr als 2.000 Zeichnungsberatungen pro Jahr). Die „restlichen“ Anforderungen müssen in werks­in­ternen Richtlinien/Normen fixiert werden. Diese sollten erstellt werden, noch bevor das Roll-Out beginnt. Die notwendigen Inhalte dieser werksinternen Standards kön­nen dabei im Rahmen der Beratungen und Zeichnungsdurchsprachen identifiziert werden.
 

Identische funktionale Anforderun­gen und Fertigungsverfahren soll­ten aus Gründen eines wirtschaftlichen Produktentwicklungsprozesses zu identischen Tolerierungslö­sun­gen mit Hilfe der im GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) zur Verfügung gestellten Operatoren führen.

Da ferner mit Hilfe der verfügbaren Regelwerke zur geometrischen Tolerierung (z. B. ISO GPS oder ASME) nach heutigem Stand nicht alle funktionalen Anforderungen be­schrieben können, d. h. keine "passenden" Operatoren zur Verfügung stehen (ISO GPS: 60 % bis 70%, ASME Y14.5 etwa 50 %), besteht grundsätzlich die Not­wendigkeit der Erar­bei­tung von Konstruktionsrichtlinien bzw. Konstruktionsempfehlungen be­vor mit umfangreichen Schu­lungs­maßnahmen („Roll-Out“) be­gonnen wird.

Die Erarbeitung von Konstruktionsrichtlinien erfolgt durch das Expertenteam in Zusammenarbeit mit dem externen Dienstleister. Die relevanten Inhalte der Konstruktionsrichtline sollten in den Seminaren in Zusammenhang mit dem „Roll-Out“ (Abschnitt 7.11) den teilnehmenden Mitarbeitern erläutert werden.

Beinhaltet die Konstruktionsrichtlinie auch Produktdokumentationen („Musterzeichnungen“), welche das Produkt funktional und konsequent mit Operatoren des GPS-Regelwerks der ISO („ISO GPS“) beschreiben und ferner mit der Produktion sowie der Qualitätssicherung abgestimmt sind, dann sollten diese Produktdokumentationen ebenfalls in die Seminare eingebunden und in Zusammenhang mit dem „Roll-Out“ im Teilnehmerkreis vorgestellt und diskutiert werden.

Die Konstruktionsrichtlinie sollte für vergleichbare funktionale Anforderungen praktikable Tolerierungslösungen aufzeigen. Eine "ideale" Lösung gibt es dabei grundsätzlich nicht. Allerdings sollten die Lösungsvorschläge generell den Funktionsoperator bestmöglich annähern (möglichst voll­ständige und eindeutige Funktionsbeschreibung).

Randbedingungen aus Produktion und/oder Mess­technik sollten den Spezifikationsoperator primär nicht be­einflussen, da dieser unverän­derlich ist, wäh­rend sich die fertigungs- und messtechnischen Möglich­keiten im Rahmen des techni­schen Fortschritts oder durch Investitionen (z. B. neue Hard- und/oder Software für die Qualitätssiche­rung) grundsätzlich verän­dern (können). Ausnahme sind beispielsweise nicht funktionsorientierte Anforderungen, wie z. B. Bezugssysteme an Guss­rohteilen oder Tolerierungslösungen die einzig zur Quantifizierung der Abweichung zwischen dem realen Bauteil und dem CAD-Modell dienen (siehe auch Abschnitt 7.10).

Die vollständige, eindeutige, funktionskonforme und kosteneffiziente Beschreibung der geometrischen Anforderungen an ein Produkt, unabhängig davon, ob das GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) oder ein anderes anerkanntes Regelwerk zur Tolerierung (z. B. ASME Y14.5) zugrunde gelegt wird, impliziert weder einen Fertigungs- noch einen Prüfprozess oder die Verwendung spezifischer Prüfmittel (siehe hierzu auch Abschnitt 9, FAQ 1).

Zwar können Anforderungen aus der Produktion (z. B. Aufspannung von Rohgussteilen) und/oder der Qualitätssicherung (z. B. Notwendigkeit einer geringen Messunsicherheit) den Spezifikationsoperator beeinflussen, zumeist müssen diese Forderungen aber in einer Anpassung des Designs (Nenngeometrie) berücksichtigt werden. 

Die Beschreibung von Fertigungs- oder Prüfprozessen nebst den zu verwendenden Mess-/Prüfmitteln ist grundsätzlich nicht Gegenstand einer geometrischen Produktspezifikation auf Basis des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS). Aus diesem Grund bietet das Regelwerk hierfür auch keine diesbezüglichen Operatoren und Spezifikationselemente. 

Vielmehr müssen Anforderungen aus der Produktion sowie der Qualitätssicherung, sofern diese nicht in einer Anpassung des Designs berücksichtigt werden können, in separaten Arbeits- sowie Prüfplänen dokumentiert werden. Diese Dokumente sind ebenfalls Bestandteil des rechtverbindlichen Vertragswerks.

In einem Arbeitsplan („MAN-SPEC“ nach ISO/TS 21619) soll sichergestellt werden, dass der Fertigungsprozess und die dabei gewählten Ferti­gungsparameter die gemäß Spezifikationsoperator festgelegten zulässigen Abweichungen bestmöglich annähern. In einem Prüfplan („VERI-SPEC“ nach ISO/TS 21619) soll sichergestellt werden, dass der Prüfprozess den Spezifikationsoperator möglichst gut annähert (siehe auch ISO 17450-2), d. h. eine geringe Messunsicherheit erreicht wird.

Nach Abschluss der Coachingmaßnah­men des Expertenteams sowie der Erarbeitung von Arbeits- und Prüfplänen, sollte das „Roll-Out“ im Sinne von Schu­lungen al­ler am Produktentstehungsprozess betei­ligter Abteilungen und Mitarbeiter (u. a. Konstruktion, Produktion, Qualitätssicherung, technischer Einkauf) erfolgen. Die Gruppengröße sollte dabei idealerweise 15 Personen nicht übersteigen. Sinnvolle Schulungsthemen sind dabei analog zu den Schulungsmaßnahmen für das Expertenteam.

ie Durchführung sollte ebenfalls von einem professionellen Dienstleister ggf. unterstützt durch Mitarbeiter des Expertenteams erfolgen. Gemeinsam mit dem Projektverantwortlichen (Projektleiter) sollten für jede Gruppe die Schulungs­inhalte individuell festgelegt und ggf. in Online-Vorgesprächen geklärt werden.

Analog zum Coaching des Expertenteams (Workshops und Beratungen; Abschnitt 7.8) müssen auch die im Rahmen des „Roll-Out“ geschulten Mitarbeiter (Abschnitt 7.11) bei der späteren Anwendung auf die hauseigenen Produkte – zumindest anfänglich – professionell unterstützt werden.

Zu diesem Zweck sollten die geschulten Mitarbeiter in den auf das jeweilige Se­mi­nar folgenden Monaten ebenfalls ausrei­chend Zeit erhalten, um die Konformität ihrer Produktspezifikati­o­nen zum GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) herzustellen. Eine professionelle Unterstützung durch das Expertenteam und/oder den externen Dienstleister ist dabei obligatorisch. Der zeitliche Umfang der Unterstützung hängt auch hier von der Diversität der einzelnen Pro­dukte und den Produktanforderungen (Komplexität) ab.

Zur Klärung von Fragen, die bei der praktischen Umsetzung auch bei diesen Gruppen auftreten werden, sowie zur Besprechung einzelner Spe­zifikationen, sollten bedarfsgerecht und kurzfristig individuelle Meetings mit einer Dauer von jeweils ca. 3 bis 4 h geplant und durchgeführt werden.
 

Das GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) ent­wickelt sich stetig weiter. Bei jedem Normupdate bzw. jeder neu publizierten Norm aus dem GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS), sollte zeitnah geprüft werden, ob einzelne Norminhalte für die Anwendung auf die Produkte des Unternehmens nutzbringend sind oder aber vertraglich ausgeschlossen werden sollten (z. B. „Regel 2A“ und „Regel 2C“ in ISO 5459:2024). Die Prüfung kann durch das Expertenteam oder den externen Dienstleister erfolgen. Ein regelmäßiger Infobrief/Newsletter, welche an alle Kunden des Dienstleisters bzw. das Expertenteam des Kunden versendet wird, ist dabei hilfreich. 

Informationen über Normänderungen und neue ISO-GPS-Normen sollten durch das Expertenteam intern und zeitnah kommuniziert werden. Analog zu Softwareupdates sollten zudem regelmäßige Updateschulungen geplant und durchgeführt werden. Auch eine vertiefte Schulung des Exper­tenteams ist sinnvoll, damit die mitunter komplexen Nor­menupdates und neuen GPS-Normen der ISO ver­standen und korrekt kommuniziert und umgesetzt werden.
 

Die betriebliche Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) stellt einen Paradigmenwechsel, ins­besondere der Entwicklungs- und Qualitätssi­cherungsprozesse dar (z. B. sichtbar in deutlich veränderten Produktspezi­fikationen). Nach Pro­jektbeginn wird es erfahrungsgemäß mehrere (1 bis 3) Jahre dau­ern, bis im Unter­nehmen das Regelwerk eingeführt ist. Die au­genscheinlichsten Verän­derungen sind bereits zu Beginn des Implementierungsprojekts in den Produktdokumentationen sichtbar.

Sie werden bereits festgestellt haben, dass der Kenntnisstand Ihrer Zulieferbetriebe und möglicherweise auch Ihrer Kunden zum Thema "ISO GPS" und somit die korrekte Interpretation Ihrer Produktdokumentationen nicht einheitlich ist. Einen ersten wirtschaftlichen Vorteil der betrieblichen Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) ergibt sich aber erst, sobald alle am Prozess der Produktentstehung Beteiligten  - also auch die der Lieferant/die Lieferanten und ggf. Kunden - die den Produktdokumentationen innewohnenden geometrischen Spezifikationen korrekt interpretieren und - falls zusätzlich ein Konformitätsnachweis vereinbart wurde - eine definitionsnahe Verifikation (geringe Messunsicherheit) erfolgt.

Es ist daher empfehlenswert, zu Beginn oder während der Implementierungsmaßnahme, Ihre Lieferanten und ggf. Kunden zu informieren und gegebenenfalls in das Projekt zu integrieren.

Checkliste für die empfohlenen Anforderungen an einen externen Dienstleister, welche die betriebliche Implementierung eines Toleranzmanagementsystems auf Basis des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) profes­sionell unterstützen kann.

Die betriebliche Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) erschöpft sich nicht alleine durch Seminare und Beratungen. Vielmehr sollte der Dienstleister zu allen relevanten Themen auf dem Gebiet des Toleranzmanagements fachliche Unterstützung leisten können und bereits eine Vielzahl an vergleichbaren Projekten abgeschlossen haben. Diesbezüglich sollten an den potentiellen Dienstleister die folgenden Fragen gestellt werden:

• Kann der Dienstleister ausreichend Referenzen mit erfolgreich abgeschlossenen Projekten nachweisen?
• Ist eine ständige und zeitnahe Kommunikation mit dem Dienstleister sichergestellt?
• Hat der Dienstleister genügend Kapazität, um auch größere „GPS-Projekte“ zeitnah zu betreuen?
• Können Termine (z. B. Coaching, Beratungen oder Klärung offener Fragen) auch kurzfristig verein­bart werden (Flexibilität)?
• Hat der Dienstleister ein ausreichendes Netzwerk bzw. Expertenteam, um das gesamte Gebiet des Toleranzmanagements bzw. die gesamte Informationskette von der Spezifikation mittels CAD (idealerweise notiertes Modell) bis zur korrekten Interpretation von Prüfprotokollen abzudecken?
• Kann der Dienstleister auch über reine Schulungen und Beratungen hinaus, beispielsweise bei der Erstellung von Gutachten unterstützen?
• Können alle Dienstleistungen, einschließlich zugehöriger Dokumentationen in englischer Sprache und weltweit angeboten werden?
• Gibt es Kooperationen mit anderen Dienstleistern, damit die Schulungen sowie die Beratungen und letztlich auch die Implementierungsmaßnahmen mit derselben Professionalität in der Landessprache des Kunden angeboten werden können?

Nicht nur der Dienstleister selbst, sondern insbesondere auch seine Trainer müssen Mindestanforderungen erfüllen, damit eine erfolgreiche und effiziente Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) sichergestellt ist. Die wichtigsten Anforderungen an den Trainer sind dabei:

• Hat der Trainer ausreichende Schulungserfahrung (Didaktik)? Mindestanforderung aus Sicht Stein­beis: 300 Schulungen zu „ISO GPS“ und ggf. der ASME Y14-Normenreihe in unterschiedlichen Un­ternehmen und Produktbereichen?
•  Hat der Trainer die Logik und die mathematischen Zusammenhänge der geometrischen (insbeson­dere der Richtung- und Ortstolerierung) selbst im Detail verstanden (Nachweis z. B. durch einschlä­gige Publikationen) oder können nur die Inhalte des Regelwerks (der Normen) rezitiert wer­den?
• Ist der Trainer in der Lage, die komplexen, logischen (geometrisch-mathematischen) Zusammen­hänge anschaulich, praxisgerecht und nachvollziehbar zu vermitteln?
• Beherrscht der Trainer alle relevanten Inhalte der aktuellen GPS- und TPD-Standards der ISO und ggf. ASME Y14.5-1994, -2009 und -2018 sowie ASME Y14.5.1-1994 und -2019? Auf welche Weise stellt der Trainer die Aktualität seines Fachwissens sicher?
• Überblickt der Trainer auch die mit ISO GPS assoziierten Fachgebiete, wie z. B. die messtechnische Umsetzung und die damit verbundenen hard- und softwareseitigen Herausforderungen?
• Ist der Trainer in der Lage, nicht nur die Theorie zu vermitteln, sondern auch souverän die praktische Umsetzung (ohne Vorbereitung) aufzuzeigen - auch bei komplexen Funktionsanforderungen und werkstoffphysikalischen Besonderheiten (z. B. Schwindung bei Kunststoffformteilen)? Mindestanfor­derung aus Sicht Steinbeis: Erfahrung aus mindestens 1.500 Zeichnungsberatungen.
• Ist der Trainer in der Lage, bei Produktanforderungen, die sich mit dem heutigen Stand des GPS-Regelwerks der ISO nicht beschreiben lassen (ca. 30 bis 40 % aller Anfor­derungen) praxisgerechte Lö­sungsvorschläge spontan zu unterbreiten?
• Kennt der Trainer die relevanten Fehler, Mehrdeutigkeiten und Redundanzen im GPS-Normensys­tem der ISO sowie ggf. im ASME Y14.5-Regelwerk und ist er in der Lage dem Kunden adäquate alternative, praxisgerechte und funktionskonforme Lösungen vorzuschlagen?
• Erstellt der Trainer ein digitales Protokoll während der Trainings?
• Ist der Trainer in der Lage, alle Dienstleistungen (Training, Coaching, Beratung, usw.) in englischer Sprache durchzuführen?
• Ist der Trainer in der Lage, alle Veranstaltungen Online mit einer zur Präsenzveranstaltungen iden­ti­schen Qualität anzubieten?
• Ist der Trainer dazu bereit, Präsenzveranstaltungen bei Bedarf auch an Firmenstandorten weltweit durchzuführen?

Die wichtigsten Regeln und Modifikatoren des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) können in einem Seminar mit einer standardmäßigen Dauer von 2 bis 3 Tagen nicht erlernt werden. Zudem stellt die Anwendung des in den Seminaren vermittelten Wissens auf die firmeneigenen Produkte unter Berücksichtigung funktionaler, fertigungstechnischer Randbedingungen eine ungleich größere Herausforderung dar.

Dementsprechend ist eine aktuelle, ausführliche, fachlich korrekte, didaktisch gut aufbereitete und idealerweise zweisprachige (deutsch/englisch) Seminardokumentation für die Akzeptanz zur Anwendung des Regelwerks zwingend erforderlich. Zudem sollten die Dokumentationen eine möglichst hohe Anzahl an kommentierten „echten“ Praxisbeispielen und Tolerierungsproblemen nebst Lösungsvorschlägen und Lösungsalternativen enthalten („Platten mit Bohrungen“ reichen hierfür keinesfalls aus).

Die folgenden Mindestanforderungen sind daher an die Dokumentationen des Dienstleisters zu stellen:

• Steht eine ausführliche, didaktisch gut aufbereitete Dokumentation zur Verfügung? Befindet sich diese Spezifikation auf dem aktuellen Stand (das GPS-Regelwerk entwickelt sich stetig weiter)? Ko­pien aus Normen oder Lehrbüchern sind nicht ausreichend.
• Steht die Dokumentation zusätzlich durchgehend in englischer Sprache zur Verfügung?
• Steht die Dokumentation zusätzlich als Online-Dokument (PDF) für den Kunden zur Verfügung?
• Besitzt der Dienstleister oder Trainer ein uneingeschränktes zeitliches und räumliches Urheberrecht an der/den Seminardokumentation(en)?
• Enthalten die Dokumentationen sinnvolle und kommentierte Praxisbeispiele mit Lösungsvorschlägen und Lösungsalternativen?

FAQ2
„Werden in einer Produktdokumentation geometrische Toleranzen, z. B. auf Basis des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) festgelegt, dann können einfache (analoge) Mess- oder Prüfmittel nicht mehr verwendet werden („Messmaschine erforderlich“). Dies stellt insbesondere für die fertigungsnahe Prüfung ein Problem dar.“

Die Annahme ist falsch und beruht zumeist auf einer Unwissenheit über Sinn und Wesen einer geometrischen Tolerierung sowie dem Einfluss der Messunsicherheit auf den Konformitätsnachweis. Sinn und Zweck des Messens ist unter anderem der Nachweis der Konformität oder der Nicht-Konformität des gefertigten Produkts mit den in der Produktdokumentation spezifizierten Produktanforderungen, sodass eine sichere Funktion (z. B. Montierbarkeit) gewährleistet wird. In Zusammenhang mit der geometrischen Tolerierung somit der quantitative Nachweis, dass die Abweichung der Geometrie des gefertigten Produkts von seiner idealen Geometrie nicht überschritten wird (Einhaltung der spezifizierten Toleranz).

Für den Nachweis der Konformität oder der Nicht-Konformität mit der Spezifikation ist dabei die Kenntnis der Messunsicherheit essentiell (siehe auch ISO 14253-1; ISO GPS-Norm). Diese setzt sich zusammen aus (siehe hierzu auch ISO 17450-2):

• Methodenunsicherheit: Abweichung des tatsächlichen Spezifikationsoperators vom tatsächlichen Verifikationsoperator.
• Implementierungsunsicherheit: Abweichung zwischen dem tatsächlichen Verifikationsoperator und dem perfekten Verifikationsoperator. Letzterer beruht auf einer vollständigen Menge perfekter Verifikationsoperationen, durchgeführt in einer vorgeschriebenen Reihenfolge. Ursachen für die Implementierungsunsicherheit können beispielsweise die Genauigkeit des Messsystems oder Umgebungseinflüsse, wie Erschütterungen, sein.

Grundsätzlich kann der Konformitätsnachweis eines spezifizierten geometrischen Merkmals mit jedem beliebigem Mess-/Prüfmittel erfolgen. Wird ein analoges Mess-/Prüfmittel in einer nicht definierten Umgebung eingesetzt, dann ist eine relativ hohe Messunsicherheit (Summe der Methodenunsicherheit und der Implementierungsunsicherheit) zu erwarten. Findet hingegen ein Messmittel mit hoher (mechanischer) Genauigkeit, digitaler Auswertung und definierter Umgebung, wie zum Beispiel ein Koordinatenmessgerät mit entsprechender Messoftware, Anwendung, dann ist die Messunsicherheit relativ gering.

Die Messunsicherheit ist für den Nachweis der Konformität oder Nichtkonformität mit der Spezifikation von Bedeutung. Eine steigende Messunsicherheit verkleinert sowohl den Akzeptanzbereich als auch den Nichtannahmebereich (siehe hierzu auch ISO 14253-1). Aufgrund der Messunsicherheit ist es möglich, dass sich der wahre Wert des Merkmals außerhalb des Spezifikationsbereich befindet, selbst wenn der Messwert innerhalb des Spezifikationsbereichs liegt oder umgekehrt (wahrer Wert des Merkmals liegt innerhalb der Spezifikation, obwohl der Messwert außerhalb liegt).

Probleme treten dabei auf, sobald sich ein Messwert nahe der oberen oder unteren Spezifikationsgrenze befindet. In diesem Fall ist der Nachweis der Konformität bzw. Nichtkonformität mit der Spezifikation und somit eine Entscheidung darüber, ob das Bauteil angenommen oder zurückgewiesen wird, nicht mehr möglich.