Was ist GD&T? Grundlagen und Definitionen

Technische Zeichnungen „sprechen“ durch ihre Form- und Lagetoleranzen eine Sprache, die für alle verständlich sein soll. Sie basieren auf einer Reihe von sehr präzisen Normen, Symbolen und Regeln, die die geometrischen Merkmale und Toleranzen eines Teils angeben.

Im Ingenieurwesen (Engineering) werden technische Zeichnungen zum Entwerfen und Entwickeln von Produkten verwendet. Sie sind ebenfalls hilfreich bei der Auswahl geeigneter Materialien und Fertigungsprozesse während der Produktionsplanung. Auch bei der Fertigung und Prüfung von Teilen müssen die durch diese Sprache vermittelten Informationen genauestens interpretiert werden. Wir müssen uns nur das Ausmaß der technischen Probleme und Fehler vorstellen, die auftreten würden, wenn es diese Sprache nicht gäbe.

Was bedeutet die Abkürzung „GD&T“: „Geometric Dimensioning and Tolerancing“ („Auswertung von Form-Lage-Toleranzen“).

In diesem Blogbeitrag werden die grundlegenden Konzepte und Definitionen der Auswertung von Form-Lage-Toleranzen (GD&T) – genauer gesagt, worum es sich bei GD&T handelt, wie sie angewendet wird und warum es wichtig ist, GD&T-Prozesse zu implementieren – erläutert. Darüber hinaus wird verdeutlicht, dass alle geometrischen Merkmale und Toleranzen, die auf einer technischen Zeichnung angegeben sind, einem bestimmten Zweck dienen, nämlich der Funktionalität. Manchmal zeigt sie uns, dass wir toleranter sein können, um die Produktionskosten zu senken. Oft informiert sie uns über die Befestigungsbaugruppe, die bei der Fertigung oder Prüfung zu verwenden ist.

Die GD&T muss daher genau verstanden werden, da sie eine Reihe von Beschränkungen mit sich bringt, die während des gesamten Fertigungsprozesses von größter Bedeutung sind.

Worum handelt es sich bei GD&T?

GD&T (Auswertung von Form-Lage-Toleranzen) ist ein System zur Definition und Übermittlung von technischen Abmessungen und Toleranzen. Das System verwendet eine symbolische Sprache in den technischen Zeichnungen und computergenerierten, dreidimensionalen Volumenmodellen, die die nominale (theoretisch perfekte) Geometrie von Teilen und Baugruppen explizit beschreiben. Es gibt an, welcher Grad an Genauigkeit und Präzision für jedes kontrollierte Merkmal des Teils erforderlich ist. Es definiert die mögliche Größe der einzelnen Merkmale und die zulässige Abweichung in der Ausrichtung und Lage zwischen diesen Merkmalen.

Als dokumentierter Designansatz und Fertigungsmechanismus hilft GD&T Designern, Ingenieuren und Technikern, unmissverständlich miteinander zu kommunizieren. Auf diese Weise können sie ein Teil realisieren und es so bauen, dass es dem computergestützten Design (CAD, Computer Aided Design) einwandfrei entspricht.

Wie wird GD&T angewendet?

GD&T stellt sicher, dass alle an technischen Zeichnungen Beteiligten – vom Design bis zur Bearbeitung – die gleiche Sprache sprechen. Ihr Vokabular besteht aus geometrischen Merkmalen wie Ebenheit, Geradheit, Zylindrizität, Rundheit, Rechtwinkligkeit, Parallelität, Winkligkeit, Position, Profil, Konzentrizität und Symmetrie (unter anderem). Diese verschiedenen geometrischen Merkmale werden in verschiedene Toleranzkategorien eingeteilt (z. B. Form, Ausrichtung, Lage und Rundlauf) und verwenden Bezugspunkte (z. B. Punkt, Linie, Ebene und Volumen) als Referenz, auf die andere Elemente in der Zusammenstellung des Teils bezogen werden können.

Durch Missverständnisse zwischen Mitarbeitern in der Forschung und Entwicklung (F&E), die das Teil entwerfen, und denjenigen, die die technische Zeichnung in der Fertigungshalle lesen und interpretieren, kann eine Menge Geld verschwendet werden. Daher hilft die einheitliche und logische Sprache von GD&T, die geometrischen Merkmale und Toleranzen des Teils zu verstehen. Das System bietet Einheitlichkeit und Benutzerfreundlichkeit, reduziert das Rätselraten und die Interpretation und gewährleistet gleichzeitig konsistente Geometrien in Design und Fertigung.

Da die Designs von heute immer komplexer und anspruchsvoller werden, müssen sich Designer, Ingenieure und Techniker auf eine möglichst genaue und zuverlässige Kommunikation verlassen können. GD&T ermöglicht es jedem im Team, klar und effektiv miteinander zu kommunizieren, Zeit zu sparen und die Design- und Fertigungsprozesse noch effizienter zu gestalten.

Warum sollten Sie GD&T-Prozesse einführen?

GD&T ist eine universelle Sprache, die es Ingenieuren und Maschinenbauern ermöglicht, das gleiche Vokabular zu verwenden und sich gegenseitig zu verstehen, und ist somit der Schlüssel zu einer fundierten Interpretation von technischen Zeichnungen. Da einige Materialien leichter zu bearbeiten sind als andere, kann die Wahl eines bestimmten Materials auf seine potenziellen Auswirkungen hin untersucht werden, was zur Senkung der Fertigungskosten beiträgt. Nach der Analyse der technischen Zeichnung kann dann ein Material einem anderen vorgezogen werden, insbesondere wenn es keine funktionellen Auswirkungen auf das Teil hat.

Ein weiterer wichtiger Punkt, der die Einführung von GD&T-Prozessen rechtfertigt, ist die Tatsache, dass jedes geometrische Merkmal eine Toleranz hat, d. h. die Differenz zwischen den Höchst- und Mindestgrenzen, innerhalb derer ein Maß variieren darf. Toleranzen werden auf technischen Zeichnungen verwendet, um Teile zu kontrollieren, die in einer Baugruppe zusammengefügt werden müssen. Dank der Verwendung von Toleranzen können Teile ausgetauscht und einzelne Bauteile ersetzt werden.

Da die maximale Abweichung zwischen zwei Merkmalen gleich der Summe der für die Kontrollmaße geltenden Toleranzen ist, summieren sich die Toleranzen der verschiedenen Merkmale. Mit zunehmender Anzahl der Kontrollmaße nimmt also auch die Kumulation der Toleranzen zu. Im schlimmsten Fall kann ein bearbeitetes Teil zwar problemlos innerhalb dieser kumulierten Toleranzen liegen, aber in der Montagephase passt es möglicherweise nicht zu den anderen Teilen.

Bei einem GD&T-Ansatz, bei dem Positionen und Ausrichtungen kontrolliert werden, ist es jedoch weniger wahrscheinlich, dass dieser Aspekt der Fehlerkumulation Probleme bei der Montage verursacht. Im Gegenteil, es werden sämtliche Toleranzen berücksichtigt, sodass die Fertigung des Modells reproduzierbar ist und die Teile austauschbar sind. Durch die ausdrückliche Angabe aller Designanforderungen garantiert ein gründlicher GD&T-Prozess die genaue Einhaltung aller Maß- und Toleranzspezifikationen.

Warum ist GD&T so wichtig?

Je komplexer ein Design und je enger die Toleranzen sind, desto aufwendiger sind die benötigten Werkzeuge, desto teurer sind die Fertigungs- und Prüfverfahren und desto höher sind die Ausschussraten. Es ist daher wichtig, dies beim Entwerfen eines Teils zu berücksichtigen.

Anstatt also sehr enge Maßtoleranzen für Positionen und Lochdurchmesser festzulegen, was die Bearbeitung teurer und komplexer macht, können Designer und Ingenieure stattdessen die Profile und die Positionierung kontrollieren, um die Toleranzen zu erweitern. Dies spart Geld, da die Komplexität des Fertigungsprozesses reduziert wird.

In dieser Hinsicht verbessert GD&T die Designgenauigkeit, indem es die entsprechenden Toleranzen zur Maximierung der Produktion ermöglicht. Das Gute daran ist, dass das Verfahren bei vielen Projekten größere bzw. zusätzliche Toleranzen zulässt, wodurch die Kosteneffizienz weiter erhöht wird.

GD&T und 3D-Messung

 GD&T ist mit dem Prüfprozess verflochten. Eine der wichtigsten Phasen der Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung ist die Datenerfassung, die durch manuelle Messungen, taktile Messungen oder 3D-Scans erfolgen kann. Mit diesen Techniken digitalisieren wir ein physikalisches Teil. Dann ermitteln wir, ob die gemessenen Werte den erwarteten geometrischen Körpern entsprechen, die auch als GD&T-Beschriftungen bezeichnet werden. Durch den Vergleich der Messdaten mit den Abmessungen in den CAD-Modellen können wir feststellen, ob das Teil den Anforderungen entspricht oder nicht. Noch wichtiger ist, dass wir die Abweichung von den Grenztoleranzen quantifizieren können.

Kurz gesagt, 3D-Messungen sind erforderlich, um GD&T-Beschriftungen zu bewerten. Sobald die Daten durch Abtasten einer Stichprobe von Punkten oder durch Scannen einer Oberfläche erfasst sind, können wir die Qualität des Teils und damit den Fertigungsprozess anhand bestimmter geometrischer Merkmale wie Ebenheit, Geradheit, Zylindrizität, Rundheit, Rechtwinkligkeit usw. Bewerten.

Definitionen

Ebenheit

Die Ebenheit, symbolisiert durch ein Parallelogramm, ist der Zustand einer Oberfläche oder einer abgeleiteten Medianebene, bei der alle Elemente in einer Ebene liegen. Die Toleranz für die Ebenheit gibt einen durch zwei parallele Ebenen definierten Toleranzbereich an, innerhalb dessen die Fläche oder die abgeleitete Medianebene liegen muss.

Geradheit

Geradheit ist ein Zustand, bei dem ein Element einer Oberfläche oder eine abgeleiteten Medianlinie eine gerade Linie ist. Die Toleranz für die Geradheit gibt einen Toleranzbereich an, innerhalb dessen das betrachtete Element einer Oberfläche oder eine abgeleitete Medianlinie liegen muss. Die Toleranz für die Geradheit wird in der Ansicht angewendet, in der die zu kontrollierenden Elemente durch eine gerade Linie dargestellt werden.

Zylindrizität

Die Zylindrizität, symbolisiert durch einen Kreis, der von parallelen Linien auf jeder Seite umschlossen wird, ist der Zustand einer Rotationsfläche, bei dem alle Punkte der Oberfläche gleich weit von einer gemeinsamen Achse entfernt sind („äquidistant“). Die Toleranz für die Zylindrizität gibt einen von zwei konzentrischen Zylindern begrenzten Toleranzbereich an, innerhalb dessen die Oberfläche liegen muss.

Zirkularität (Rundheit)

Die Zirkularität, symbolisiert durch einen Kreis, ist ein Zustand einer Oberfläche, bei dem (a) bei einem Merkmal, das keine Kugel ist, alle Punkte der Oberfläche, die von einer beliebigen Ebene senkrecht zu einer Achse oder einem Bogen (gekrümmte Linie) geschnitten werden, von dieser Achse oder diesem Bogen gleich weit entfernt sind („äquidistant“), und (b) bei einer Kugel alle Punkte der Oberfläche, die von einer beliebigen Ebene geschnitten werden, die durch einen gemeinsamen Mittelpunkt verläuft, von diesem Mittelpunkt gleich weit entfernt sind. Die Toleranz für die Zirkularität gibt einen durch zwei konzentrische Kreise begrenzten Toleranzbereich an, innerhalb dessen jedes kreisförmige Element der Oberfläche liegen muss, und wird unabhängig von jeder Ebene angewendet.

Rechtwinkligkeit

Die Rechtwinkligkeit, symbolisiert durch eine horizontale Linie, zu der eine weitere Linie senkrecht gezeichnet wird, ist der Zustand einer Oberfläche, einer Mittelebene eines Merkmals oder einer Achse eines Merkmals im rechten Winkel zu einer Bezugsebene oder Bezugsachse.

Parallelität

Die Parallelität, symbolisiert durch zwei schräg verlaufende parallele Linien, ist der Zustand einer Oberfläche oder Mittelebene eines Merkmals, die an allen Punkten gleich weit von einer Bezugsebene entfernt ist, oder die Achse eines Merkmals, die entlang ihrer Länge gleich weit von einer oder mehreren Bezugsebenen oder Bezugsachsen entfernt ist.

Winkligkeit

Die Winkligkeit, symbolisiert durch zwei Linien in einem Winkel, ist der Zustand einer Oberfläche, einer Mittelebene eines Merkmals oder einer Achse eines Merkmals in einem bestimmten Winkel zu einer Bezugsebene oder Bezugsachse.

Position

Eine Position, repräsentiert durch ein Fadenkreuzsymbol, ist die Lage eines oder mehrerer Größenmerkmale, die relativ zueinander oder zu einem oder mehreren Bezugspunkten liegen. Die Toleranz einer Position definiert einen der folgenden Punkte: (a) einen Bereich, innerhalb dessen der Mittelpunkt, die Achse oder die Mittelebene eines Größenmerkmals von der wahren (theoretisch exakten) Position abweichen darf, und (b) (sofern auf MMC- oder LMC-Basis angegeben) eine Grenze, definiert als virtuelle Bedingung, die sich an der wahren (theoretisch exakten) Position befindet und die von der Oberfläche oder den Oberflächen des betreffenden Größenmerkmals nicht überschritten werden darf.

Oberflächenprofil

Dargestellt durch einen Halbkreis, bei dem die gekrümmte Kante nach oben und die flache Kante nach unten zeigt. Der durch die Toleranz des Oberflächenprofils festgelegte Toleranzbereich ist dreidimensional (ein Volumen) und erstreckt sich entlang der Länge und Breite (oder des Umfangs) des oder der betrachteten Merkmale. Das Oberflächenprofil kann auf Teile beliebiger Form angewandt werden, einschließlich Teile mit konstantem Querschnitt, Teile mit einer Rotationsfläche oder Teile mit einer ganzflächig angewendeten Profiltoleranz.

Linienprofil

Jeder durch die Toleranzanforderung des Linenprofils festgelegte Toleranzbereich eines Linienelements ist 2D (eine Fläche), und der Toleranzbereich ist senkrecht zum tatsächlichen Profil des Merkmals bei jedem Linienelement. Ein Design-Volumenmodell oder eine Zeichnungsansicht wird erstellt, um das tatsächliche Profil darzustellen. Das Linienprofil kann auf Teile mit variierendem Querschnitt, wie z. B. die sich verjüngende Tragfläche eines Flugzeugs, oder mit konstantem Querschnitt, wie z. B. ein Strangpressprofil, angewendet werden, bei denen es nicht erwünscht ist, dass der Toleranzbereich die gesamte Oberfläche des Merkmals als einen einzigen Körper umfasst.

Konzentrizität

Die Konzentrizität ist der Zustand, bei dem die Medianpunkte aller diametral gegenüberliegenden Elemente einer Rotationsfläche (oder die Medianpunkte der entsprechend angeordneten Elemente von zwei oder mehr radial angeordneten Merkmalen) mit einer Bezugsachse (oder einem Mittelpunkt) kongruent sind. Die Toleranz für die Konzentrizität ist ein zylindrischer (oder kugelförmiger) Toleranzbereich, dessen Achse (oder Mittelpunkt) mit der Achse (oder dem Mittelpunkt) des Bezugsmerkmals bzw. der Bezugsmerkmale übereinstimmt. Die Medianpunkte aller entsprechend angeordneten Elemente des/der zu kontrollierenden Merkmals/Merkmale müssen, unabhängig von der Größe des Merkmals, innerhalb des zylindrischen (oder kugelförmigen) Toleranzbereichs liegen.

Symmetrie

Die Symmetrie ist der Zustand, bei dem die Medianpunkte aller gegenüberliegenden oder entsprechend angeordneten Elemente von zwei oder mehr Merkmalsflächen mit einer Bezugsachse oder Mittelebene kongruent sind. Die im vorigen Absatz gegebene Erklärung gilt für das/die betrachtete(n) Merkmal(e), da Symmetrie- und Konzentrizitätskontrollen auf demselben Konzept beruhen, mit Ausnahme ihrer Anwendung auf unterschiedliche Teilekonfigurationen.

Rundlauf

Ein Rundlauf ermöglicht die Kontrolle von kreisförmigen Elementen einer Oberfläche. Die Toleranz wird unabhängig an jeder kreisförmigen Messposition angewandt, wenn das Teil um die gesamte Winkelausdehnung der Oberfläche um die simulierte Bezugsachse gedreht wird.

Gesamtrundlauf

Der Gesamtrundlauf ermöglicht die Kontrolle aller Oberflächenelemente. Die Toleranz wird gleichzeitig auf alle kreisförmigen und profilierten Messpositionen angewendet, während das Teil um 360° um die Bezugsachse gedreht wird.

Maximaler Materialzustand (MMC)

Der maximale Materialzustand (MMC) ist der Zustand, in dem ein Größenmerkmal die maximale Menge an Material innerhalb der angegebenen Größengrenzen (z. B. minimaler Lochdurchmesser, maximaler Wellendurchmesser) enthält.

Minimaler Materialzustand (LMC)

Der minimale Materialzustand (LMC) ist der Zustand, in dem ein Größenmerkmal die geringste Materialmenge innerhalb der angegebenen Größengrenzen (z. B. maximaler Bohrungsdurchmesser, minimaler Wellendurchmesser) enthält.

Geometrische Merkmale	Symbol
Geradheit
Ebenheit
Zirkularität
Zylindrizität
Symmetrie
Position
Konzentrizität
Rechtwinkligkeit
Winkligkeit
Parallelität
Linienprofil
Oberflächenprofil
Rundlauf
Gesamtrundlauf

Referenz: ASME Y14.5-2009, Dimensioning and Tolerancing, Engineering Drawing and Related Documentation Practices, The American Society of Mechanical Engineers (ASME)