Maß-, Form- und Lagetoleranzen (ISO GPS)

Wenngleich die "Technische Zeichnung" über mehr als ein Jahrhundert hinweg die alleinige Informationsquelle war, um Geometrien bildlich darzustellen und konstruktive Absichten zu beschreiben, so vollzieht sich mit zunehmender Einführung der "modellbasierten Produktdefinition" (MBD) ein grundlegender Wandel hin zu digitalen Datensätzen, die alle Informationen enthalten, um Produkte ohne die Notwendigkeit einer "Technischen Zeichnung" beschreiben, fertigen und prüfen zu können. "Zeichenregeln", welche an die Existenz einer "2D-Spezifikation" gebunden waren, können somit im GPS-Regelwerk der ISO nicht mehr existieren, d. h. das Regelwerk kennt keine "Zeichenebene" mehr.

Damit Produktspezifikationen dennoch eindeutig interpretiert werden können, sind Ebenen- und Geometrieelement-Indikatoren notwendig. Indikatoren existieren zur Identifikation von Geometrieelementen, zur Festlegung der Orientierung von Toleranzzonen, zur Festlegung von Schnittrichtungen zur Erzeugung von (tolerierten) Linienelementen sowie zur Spezifikation der Richtung einer geometrischen Abweichung („Messrichtung“). Erst damit wird die Voraussetzung geschaffen, geometrische Attribute direkt dem digitalen Modell hinzuzufügen ohne die Notwendigkeit eines „Medienbruchs“ (keine Zeichnungsableitung aus dem CAD-Datensatz notwendig). Die Erfahrung zeigt jedoch, dass diese Indikatoren einerseits nicht immer korrekt im Sinne ihrer Definition angewandt werden, anderseits jedoch im Regelwerk (u. a. ISO 1101) nicht vollständig, im Sinne einer Überführung in die Allgemeinheit, beschrieben werden.

Anhand typischer Beispiele zeigen wir Ihnen die korrekte Anwendung von Ebenen- und Geometrieelement-Indikatoren aber auch ihre Anwendungsgrenzen.

Assoziation (ISO 4351) ist die grundlegendste Elementoperation zur Festlegung der meisten dimensionalen und geometrischen Merkmale (z. B. bei der Bezugsbildung im Rahmen der Richtungs- und Ortstolerierung, bei der Festlegung von Referenzgeometrieelementen, zur Definition geometrischer Merkmale und zur Festlegung assoziierter tolerierter Geometrieelemente). Wird die Logik des Optimierungsprozesses der Assoziation (das Assoziationskriterium) und deren Werkzeuge nicht verstanden (u. a. Zielfunktionen, wie die L- oder S-Funktionen sowie Nebenbedingungen des Materials, des Größenmaßes, der Richtung oder des Orts), dann ist – zumindest für komplexe Tolerierungsaufgaben - erfahrungsgemäß eine korrekte Tolerierung und ein vollumfängliches Verständnis einer gewählten Tolerierungsstrategie kaum möglich. Wir haben einprägsame Aufgaben vorbereitet, Ihnen das grundlegende Verständnis der Elementoperation der Assoziation näher zu bringen.

Ein Geometriemerkmal, wie zum Beispiel die Ebenheit oder die Parallelität, wird auf Basis lokaler geo­metrischer Abweichungen und einer Quantifizierungsfunktion festgelegt. Um jedoch eine Abweichung zu quantifizieren, damit sie nach der Verifikation mit den Vorgaben in der Produktspezifikation verglichen werden kann, sind Referenzgeometrieelemente nötig (ISO 17450-4). Da für die Merkmalsgruppen der Form- und Richtungstoleranzen der Ort des Referenzgeometrieelements nicht eingeschränkt ist, werden - den Anwendern meist nicht bekannt - im GPS-Regelwerk der ISO (ISO 1101) ein standardmäßiges Assoziationskriterium festgelegt und Spezifikationselemente zu deren Modifikation zur Verfügung gestellt.

Diese auf den ersten Blick theoretisch erscheinenden und in der Praxis weitgehend unbekannten Zusammenhänge müssen seitens der Konstruktion aber auch der Qualitätssicherung zwingend bekannt sein, da eine fehlerhafte Festlegung und/oder Verifikation in Zusammenhang mit Referenzgeometrieelementen (z. B. Referenzebene der kleinsten Abweichungsquadrate LSPL, anstelle richtigerweise Referenzebene der minimalen Zone, MZPL) erfahrungsgemäß die Messergebnisse erheblich beeinflussen und somit zu einer Fehlentscheidungen führen kann (z. B. ungerechtfertigte Reklamation, ungerechtfertigte Zurückweisung spezifikationskonformer Produkte oder Annahme nicht spezifikationskonformer Produkte, verbunden mit einem entsprechenden Sicherheitsrisiko).

Wir werden Ihnen die Zusammenhänge anhand einfacher aber einprägsamer Beispiele aus unserer eigenen langjährigen Praxis veranschaulichen und Ihnen aufzeigen, in welch hohen Ausmaß Messergebnisse u. a. von der Wahl der Zielfunktion bei der Assoziation der Referenzgeometrieelemente abhängen können.

Eine „Herausforderung“ des geometrischen Tolerierens besteht erfahrungsgemäß darin, die verfügbaren geometrischen Merkmale der Form-, Richtungs- und Ortstolerierung korrekt anzuwenden. Sieht man jedoch von den Lauftoleranzen ab (welche aus geometrischer Sicht strenggenommen keine eigene Merkmalsgruppe darstellen) dann lassen sich alle übrigen geometrischen Merkmale (z. B. Geradheit, Ebenheit, Rechtwinkligkeit, Position, usw.) auf das Linienprofil (für linienförmige zu tolerierende nominelle Geometrieelemente) und das Flächenprofil (für flächenhafte zu tolerierende nominelle Geometrieelemente) reduzieren (u. a. ISO 1101, ISO 1660). Auf alle anderen Merkmale könnte prinzipiell verzichtet werden, da sie (ggf. ergänzt durch Modifikatoren) in den genannten Profiltoleranzen bereits beinhaltet sind – vorausgesetzt die elementare Logik des geometrischen Tolerierens wird grundlegend verstanden.

Wir zeigen Ihnen an typischen Beispielen die Möglichkeit der Substitution geometrischer Form-, Richtungs- und Ortsmerkmale durch das Linien- und Flächenprofil und damit eine Möglichkeit die Produktdokumentation zu vereinfachen. Die Kenntnis dieser relativ einfachen Zusammenhänge wird es Ihnen künftig erlauben auch komplexe Tolerierungsaufgaben fehlerfrei zu lösen.

Bekanntlich lassen sich alle geometrischen Objekte (z. B. Flächen oder Linien) entsprechend ihrer Eigenschaft, Freiheitsgrade gegenüber anderen Objekten zu blockieren und damit deren Richtung (Winkel) bzw. deren Ort zu beschreiben, klassifizieren (Symmetrieklassen) und letztlich auf ihre Situationselemente reduzieren. Beispiele für diese geometrischen Objekte sind Referenzgeometrieelemente oder die assoziierten idealen Geometrieelemente bei der Bildung eines gemeinsamen Bezugs oder eines Bezugssystems. Dieses elementare Wissen ist erforderlich, nicht nur um eine Vielzahl an GPS-Normen der ISO (wie z. B. ISO 5459) zu verstehen und richtig anzuwenden, sondern auch die Logik des geometrischen Tolerierens insgesamt und grundlegend zu verstehen und damit praktische Tolerierungsaufgaben - welche ansonsten unlösbar sind - souverän zu lösen.

Wir zeigen Ihnen anhand typischer Beispiele (Aufgabenstellungen) aus der Praxis auf welche Weise Situationselemente identifiziert, zur Lösung funktionaler Anforderungen (Reduktion von Freiheitsgraden) korrekt ausgewählt und in der Technischen Produktdokumentation letztlich normkonform spezifiziert werden. Die Praxisbeispiele sind aus funktionaler Sicht relativ einfach, aber ohne das Wissen der genannten Zusammenhänge nicht in GPS-Operatoren der ISO „übersetzbar“ (mathematische Beschreibung der funktionalen Anforderungen ist nicht möglich).

Formmerkmale sind intrinsische geometrische Merk­male, die sich nicht ändern, wenn sich das Objekt durch den Raum bewegt. Mit Hilfe von Formtoleran­zen wird die Formabweichung eines Geometrieele­ments (toleriertes Geometrieelement) begrenzt. Obwohl Formtoleranzen prinzipiell einfache geometrische Merkmale sind, werden sie in der Praxis vielfach nicht korrekt oder unvollständig angewandt oder falsch interpretiert und verifiziert.

So werden mitunter Formtoleranzen festgelegt und damit Widersprüche erzeugt, obwohl die For­mabwei­chung bereits durch andere dimensionale oder geometrische Toleranzen, wie z. B. Größenmaßtole­ranzen (falls die Hüllbe­dingung verein­bart ist) oder Richtungs-, Orts-, oder Lauftoleranzen be­grenzt wird.

Wir zeigen Ihnen anhand praktischer Anwendungsbeispiele – jenseits der Lehrbuchdidaktik - worauf Sie bei der korrekten Anwendung und Interpretation von Formtoleranzen achten müssen (z. B korrekte Zielfunktion bei der Assoziation des Referenzgeometrieelements, Vermeidung von Widersprüchen).

Bezüge bzw. deren Situationselemente sind theoretisch exakte Geometrieelemente und integraler Be­standteil einer geometrischen Produktspezifika­tion, insbesondere für die Richtungs- und Ortstolerierung. Eine geometrisch korrekte und funktionsgerechte Bezugsbildung ist – zumindest für „echte“ Tolerierungsaufgaben jenseits der trivialen Beispiele in Lehrbüchern und den Normen selbst - in der Regel komplex und erfordert gute Kenntnisse der Logik des geometrischen Tolerierens, unabhängig vom zugrundeliegenden Regelwerk.

In unseren Seminaren haben wir intensiv diese Logik besprochen, im Workshop wollen wir das erlernte Wissen zur Lösung praxisorientierter Aufgaben umsetzen. Zur Beschreibung funktionaler Anforderung bzw. deren „Übersetzung“ in geometrisch-mathematische Operatoren auf Basis des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) ist es in Zusammenhang mit der Bezugsbildung häufig erforderlich, die Anzahl der Freiheitsgrade zu reduzieren. Hierfür stehen bekanntlich verschiedene „Werkzeuge“ wie z. B. die Operatoren [PL], [SL], [PT], [HX] und >< zur Verfügung.

Wir zeigen Ihnen anhand typischer Praxisbeispiele die korrekte Bezugsbildung sowie die richtige Anwendung der genannten Operatoren und erklären Ihnen, weshalb viele Tolerierungsaufgaben ohne das genannte Fachwissen unlösbar sind. Ferner zeigen wir Ihnen auf welche Weise Bezugskoordinatensysteme in Verbindung mit Situationselmenten korrekt aufgebaut und zur Reduktion individueller Freiheitsgrade (Operatoren [Tx], [Ty], [Tz], [Rx], [Ry], [Rz]) genutzt werden können.

Weiterhin werden wir aber auch auf die Problematik der Mehrdeutigkeit der überwiegenden Zahl von Bezugssystemen im GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) eingehen und ihnen einfache Möglichkeiten der Identifikation und Festlegung eindeutiger Bezugssysteme aufzeigen.

Letztlich werden wir kurz auf die für den Anwender z. T. nicht durchweg positiven Änderungen in der neuen ISO 5459:2024 eingehen (z. B. Abhängigkeit der Nebenbedingung des Größenmaßes von der „Zeichnungseintragung“ bei der Bezugsbildung in Zusammenhang mit linearen Größenmaßelementen und Winkelgrößenmaßelementen) und Ihnen aufzeigen, wie Sie durch Ausschluss einzelner Regeln in ISO 5459:2024 das Risiko für Fehlinterpretationen, insbesondere in Zusammenhang mit der Einbindung digitaler Datensätze zur Beschreibung der Nenngeometrie, vermindern können.

Mit einer Allgemeintoleranznorm konnte und kann ein Produkt weder eindeutig noch vollständig beschrieben wer­den, jedoch gibt es deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Normen. Während einige Standards, wie zum Beispiel ISO 2768-2, richtigerweise ersatzlos zurückgezogen wurden, existieren – insbesondere außerhalb des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) Allgemeintoleranznormen, die hinsichtlich der eindeutigen und vollständigen Produktbeschreibung fachlich falsch (ISO 20457) oder unnötig sind und zu unbeabsichtigten Tolerierungsfehlern (Widersprüchen) führen können (z. B. DIN 2769). Die Anwendung dieser Normen in Vertragsdokumenten (z. B. Technischen Produktdokumentationen) kann – wie unsere Gutachtertätigkeit regelmäßig zeigt - zu nicht unerheblichen Tolerierungsfehlern, Fehlinterpretationen, Widersprüchen und nicht funktionsfähigen Produkten führen und somit letztlich ein Risiko im Sinne der Produkthaftung darstellen.

Aber auch ISO 22081 hat Anwendungsgrenzen. So können werkstoffphysikalische Besonderheiten (z. B. Schwindung von Kunststoff-Formteilen, Rückfederung von Blechteilen, Verwindung von Bauteilen, welche durch Strangpressen hergestellt werden, usw.) geometrisch-mathematisch nicht bzw. nur ungenügend beschrieben werden. Auch kann mit Hilfe von ISO 22081 die Toleranzgröße für integrale Geometrieelemente, die kein intrinsisches Größenmaßmerkmal (und somit kein Klassifizierungsmerkmal) aufweisen nicht differenziert werden.

Wir werden anhand typischer Beispiele die Problematik der allgemeinen Tolerierung diskutieren aber auch praktische und pragmatische Lösungsansätze aus unserer mehr als 20-järigen Erfahrung aufzeigen.

Zum Abschluss unseres Workshops werden wir Ihnen anhand eines konkreten Funktionsbeispiels aus der Praxis den prinzipiellen Weg bzw. die Systematik von der Funktionsanalyse bis zur funktionsgerechten geometrischen Spezifikation aber auch die heutigen Grenzen des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) aufzeigen. Ferner werden wir Lösungsalternativen vorstellen und diskutieren. Die aufgezeigte systematische Vorgehensweise lässt sich prinzipiell auf alle Tolerierungsaufgaben in Zusammenhang mit Baugruppen übertragen.

Die meisten Projekte zur betrieblichen Implementierung des GPS-Regelwerks der ISO scheitern, da die Komplexität der Thematik und die Auswirkungen auf Konstruktions-, Fertigungs- und Qualitätssicherungsprozesse vollkommen unterschätzt und Projekte fehlerhaft geplant werden. Auch Aufwand, Kosten und Zeit für die Einführung eines der größten zusammenhängenden Regelwerke in der mechanischen Technik werden regelmäßig falsch eingeschätzt. Die Einführung stellt erfahrungsgemäß ein mehrjähriges, zeit‐ und kostenintensives Projekt dar, das einer guten Vorbereitung, einer konsequenten Umsetzung und der Bereitstellung adäquater Ressourcen bedarf. Die Einführung erfordert ferner von allen Mitarbeitern sowohl in den Konstruktions‐/Entwicklungsabteilungen als auch in der Fertigung und der Qualitätssicherung/Messtechnik meist ein vollständiges "Umdenken".

Wir haben in unserer mehr als 20-jährigen Praxis weit über 2.000 Projekte begleitet und stellen Ihnen aus unserer Erfahrung, mögliche Strategien zur wirtschaftlichen betrieblichen Einführung des GPS-Regelwerks – jenseits von Seminaren und Workshops – vor. Hilfreiche Tipps aus unserer langjährigen Praxis runden den Workshop ab.