Caratteristiche della GD&T: nozioni di base e definizioni

Attraverso le informazioni di quotatura e tolleranza, il disegno tecnico esprime informazioni comprensibili per tutti. Si tratta di un insieme di norme, simboli e regole di elevata accuratezza che indica le caratteristiche geometriche e tolleranze di una parte.

L’ingegneria utilizza i disegni tecnici per progettare e sviluppare i prodotti. Consentono anche di scegliere i materiali e processi produttivi più adatti per la pianificazione della produzione. Anche la produzione e l’ispezione dei pezzi richiedono un’interpretazione rigorosa delle informazioni, senza le quali è facile immaginare l’entità dei problemi tecnici e delle inadempienze che potrebbero verificarsi.

Il termine GD&T indica “quotatura e tolleranza geometrica”.

Questo post del blog fornisce maggiori informazioni sui concetti e sulle definizioni di base della quotatura e delle tolleranze geometriche (GD&T), ovvero caratteristiche, funzionamento e importanza dell’implementazione dei processi di GD&T. Inoltre, tutte le caratteristiche geometriche e tolleranze presenti in un disegno tecnico offrono funzionalità specifiche. A volte tali dati indicano la necessità di una maggiore permissività per ridurre i costi di produzione. Altre volte, forniscono informazioni sul gruppo di fissaggi da utilizzare durante la produzione o l’ispezione. Di conseguenza, occorre analizzare attentamente la GD&T, poiché impone vincoli fondamentali per l’intero processo di produzione.

Che cos’è la GD&T?

Un sistema che consente di definire e comunicare le quotature e tolleranze di progettazione. Utilizza un linguaggio simbolico per disegni tecnici e modelli solidi tridimensionali generati al computer, in modo da descrivere esplicitamente la geometria nominale (teoricamente perfetta) di parti e gruppi. Inoltre, tale sistema specifica il grado di accuratezza e precisione necessario per ciascuna caratteristica controllata della parte. Definisce le possibili dimensioni dei singoli elementi e la variazione consentita in termini di orientamento e posizione tra questi elementi.

Trattandosi di un approccio documentato alla progettazione e un meccanismo di produzione, la GD&T consente a progettisti, ingegneri e tecnici di comunicare in modo univoco, in modo da creare una parte e costruirla in linea con la relativa progettazione assistita dal computer (CAD).

Come funziona la GD&T?

Fa in modo che tutti i progettisti che lavorano sui disegni tecnici, dalla progettazione alla lavorazione, possano comprendersi. A tale scopo vengono usate le caratteristiche geometriche, come ad esempio planarità, rettilineità, cilindricità, rotondità, perpendicolarità, parallelismo, angolarità, posizione, profilo, concentricità, simmetria e via dicendo. Queste caratteristiche geometriche vengono classificate in diverse categorie di tolleranza (es. forma, orientamento, posizione e deviazione) e utilizzano i datum (es. punto, linea, piano e volume) come riferimento per gli altri elementi della composizione della parte.

In caso di incomprensioni tra il reparto ricerca e sviluppo (ReS), che progetta la parte, e le persone che leggono e interpretano il disegno tecnico in officina, le aziende potrebbero subire spese molto onerose. Di conseguenza, il linguaggio uniforme e logico della GD&T consente di comprendere le caratteristiche geometriche e le tolleranze delle parti. Offrendo uniformità e convenienza, tale paradigma riduce le congetture e interpretazioni, creando geometrie coerenti nella progettazione e produzione.

A causa della sempre maggiore complessità e sofisticazione dei progetti, i designer, gli ingegneri e i tecnici devono tenere una comunicazione accurata e affidabile. La GD&T consente a tutti i membri del team di comunicare in modo chiaro ed efficace, risparmiando tempo e rendendo i processi di progettazione e produzione ancora più efficienti.

Perché implementare i processi GD&T?

Trattandosi di un linguaggio universale per ingegneri e operatori delle macchine, la GD&T è la chiave per un’interpretazione approfondita dei disegni tecnici. Essendo alcuni materiali più facili da lavorare di altri, la scelta di uno di essi può dipendere dalle potenziali ripercussioni che contribuiranno a ridurre i costi di produzione. Dopo aver analizzato il disegno tecnico, è possibile scegliere un materiale specifico, soprattutto nel caso in cui non abbia alcun impatto funzionale sulla parte.

Un altro punto importante che giustifica l’implementazione dei processi di GD&T è la tolleranza specifica di ciascuna caratteristica geometrica, vale a dire la differenza tra i limiti massimi e minimi entro cui una quotatura può variare. Le tolleranze nei disegni tecnici consentono di controllare le parti che devono combaciare in un assemblaggio. L’uso delle tolleranze consente di usare le parti in modo intercambiabile e sostituire i singoli componenti.

Essendo la variazione massima tra due caratteristiche pari alla somma delle tolleranze imposte alle quotature di controllo, le tolleranze delle diverse caratteristiche vengono sommate. Quindi, con l’aumentare del numero delle quotature di controllo, crescerà anche l’accumulo della tolleranza. Nel peggiore dei casi, una parte lavorata potrebbe rientrare nelle tolleranze accumulate ma, una volta giunta alla fase di assemblaggio, non combaciare con gli altri pezzi.

Usando un approccio GD&T per controllare le posizioni e gli orientamenti, l’accumulo degli errori avrà minori probabilità di causare problemi di assemblaggio. Al contrario, è importante considerare l’insieme completo delle tolleranze in modo da rendere la produzione del modello ripetibile e basata su parti sostituibili. Indicando esplicitamente tutti i requisiti di progettazione, un accurato processo di GD&T garantisce il rispetto rigoroso di tutte le specifiche di quotatura e tolleranza.

Qual è l’importanza della GD&T?

La complessità del progetto e il rigore delle tolleranze sono proporzionali alla sofisticazione dell’attrezzatura richiesta, al costo dei processi di produzione e ispezione e all’entità degli scarti. Quindi, è importante valutare questo scenario nel progettare una parte.

Invece di applicare tolleranze dimensionali strette su posizioni e diametri dei fori, che renderanno la lavorazione più costosa e complessa, i progettisti e gli ingegneri possono controllare i profili e il posizionamento in modo da ampliare le tolleranze. In questo modo risparmieranno denaro riducendo la complessità del processo di produzione.

La GD&T migliora l’accuratezza della progettazione consentendo offrendo la possibilità di usare tolleranze appropriate per aumentare al massimo la produzione. Fortunatamente, per molti progetti il processo offre tolleranze extra o bonus per aumentare ulteriormente l’efficienza dei costi.

GD&T e misurazioni 3D 

La GD&T è intrecciata con il processo di ispezione. Una delle fasi essenziali del controllo e della garanzia di qualità è l’acquisizione dei dati, che è possibile eseguire mediante misurazioni manuali, sonda tattile o scansione 3D. Grazie a queste tecniche è possibile digitalizzare una parte fisica. Quindi, viene stabilita l’eventuale corrispondenza dei valori misurati alle entità geometriche richieste, dette anche “tabella GD&T”. È possibile stabilire l’adeguatezza o lo scarto della parte confrontando i dati misurati con le quotature indicate nei modelli CAD. Inoltre, è possibile quantificare la deviazione dalle tolleranze limite.

In breve, per valutare i richiami della GD&T occorre eseguire una misurazione 3D. Una volta acquisiti i dati attraverso il sondaggio di un campione di punti o la scansione di una superficie, potremo valutare la qualità della parte e del processo di produzione in base a caratteristiche geometriche specifiche, come ad esempio planarità, rettilineità, cilindricità, rotondità, perpendicolarità ecc.

Definizioni

Planarità

Simboleggiata da un parallelogramma, la planarità è la condizione di una superficie, o un piano mediano derivato, che contenga tutti gli elementi in un singolo piano. La tolleranza della planarità indica una zona definita da due piani paralleli entro i quali la superficie o il piano mediano derivato devono trovarsi.

Rettilineità

Condizione in cui un elemento di una superficie, o una linea mediana derivata, si estende in linea retta. La tolleranza della rettilineità indica una zona di tolleranza entro la quale l’elemento analizzato di una superficie o una linea mediana derivata devono trovarsi. La tolleranza della rettilineità viene applicata in una visualizzazione in cui gli elementi da analizzare vengono rappresentati da una linea retta.

Cilindricità

Indicata da un cerchio racchiuso da linee parallele su ogni lato, la cilindricità è la condizione di una superficie di rivoluzione in cui tutti i punti della superficie siano equidistanti da un asse comune. La tolleranza della cilindricità indica una zona di tolleranza delimitata da due cilindri concentrici all’interno della quale la superficie deve trovarsi.

Circolarità (rotondità)

Simboleggiata da un cerchio, la circolarità è la condizione di una superficie in cui, (a) per un elemento diverso da una sfera, tutti i punti della superficie intersecati da qualsiasi piano, perpendicolare a un asse o una spline (linea curva), siano equidistanti da tale asse o spline e (b) per una sfera, tutti i punti della superficie intersecati da qualsiasi piano passante per un centro comune siano equidistanti da tale centro. La tolleranza della circolarità indica una zona di tolleranza delimitata da due cerchi concentrici all’interno dei quali ciascun elemento circolare della superficie deve trovarsi. Essa vale indipendentemente da qualsiasi piano.

Perpendicolarità

Simboleggiata da una linea orizzontale con un’altra linea tracciata perpendicolarmente a essa, è la condizione di una superficie, del piano centrale di un elemento o dell’asse di un elemento che descriva un angolo retto rispetto a un piano o un asse del riferimento.

Parallelismo

Simboleggiato da due linee oblique parallele, indica un piano centrale di una superficie o un elemento che sia equidistante, in tutti i suoi punti, da un piano di riferimento, oppure dell’asse di un elemento equidistante per tutta la propria lunghezza da uno o più piani o assi del riferimento.

Angolarità

Simboleggiata da due linee ad angolo, l’angolarità è la condizione di una superficie, del piano centrale di un elemento o dell’asse di un elemento che descrivano un angolo specifico rispetto a un piano o un asse del riferimento.

Posizione

Rappresentata da un simbolo a croce, è la posizione di uno o più elementi di dimensioni rispetto a uno o più riferimenti. La tolleranza posizionale definisce uno dei seguenti elementi: (a) una zona all’interno della quale il centro, l’asse o il piano centrale di un elemento di una data misura può variare rispetto alla posizione reale (teoricamente esatta) e (b) (se specificato su base MMC o LMC) un confine, definito come condizione virtuale, che sia situato nella posizione vera (teoricamente esatta), a cui le superfici dell’elemento di misura considerato non possano accedere.

Profilo di una superficie

Simboleggiata da un semicerchio con il bordo curvo rivolto verso l’alto e il bordo piatto in basso, la zona di tolleranza definita dal profilo di una tolleranza superficiale è tridimensionale (volume) e si estende per tutta la lunghezza e larghezza (o circonferenza) degli elementi considerati. È possibile applicare il profilo di una superficie a parti di qualsiasi forma, anche se dotate di una sezione trasversale costante, una superficie di rivoluzione o una tolleranza del profilo applicata su tutta la superficie.

Profilo di una linea

Ciascuna zona di tolleranza dell’elemento di linea definita dal profilo di un requisito di tolleranza della linea è bidimensionale (area) e normale al profilo dell’elemento in ciascun elemento linea. Per presentare il profilo reale viene creato un modello solido del progetto o una vista del disegno. È possibile applicare il profilo di una linea alle parti dotate di una sezione trasversale variabile, come ad esempio l’ala affusolata di un aereo, o una sezione trasversale costante, come ad esempio un’estrusione, se non occorre ottenere una zona di tolleranza che includa l’intera superficie dell’elemento come singola entità.

Concentricità

La concentricità è la condizione in cui i punti mediani di tutti gli elementi diametralmente opposti di una superficie di rivoluzione (o i punti mediani degli elementi corrispondenti di due o più elementi disposti radialmente) siano congruenti con un asse del riferimento (o punto centrale). La tolleranza della concentricità è una zona cilindrica (o sferica) il cui asse (o punto centrale) coincide con l’asse (o punto centrale) degli elementi del riferimento. I punti mediani di tutti gli elementi corrispondenti delle caratteristiche da controllare, indipendentemente dalle dimensioni delle stesse, devono trovarsi all’interno della zona di tolleranza cilindrica (o sferica).

Simmetria

Condizione in cui i punti mediani di tutti gli elementi contrapposti o corrispondenti di due o più elementi superficiali sono congruenti con un asse o un piano centrale del riferimento. La spiegazione fornita nel paragrafo precedente vale per le caratteristiche analizzate, poiché i controlli di simmetria e concentricità sono concetti omologhi a patto che non vengano applicati a diverse configurazioni delle parti.

Deviazione circolare

La deviazione circolare permette di controllare gli elementi circolari di una superficie. La tolleranza viene applicata in modo indipendente a ciascuna posizione di misurazione circolare, mentre la parte viene ruotata per l’intera estensione angolare della superficie attorno all’asse del riferimento simulato.

Deviazione totale

La deviazione totale consente di controllare tutti gli elementi della superficie. La tolleranza viene applicata simultaneamente a tutte le posizioni di misura circolari e del profilo, mentre la parte viene ruotata di 360° intorno all’asse del riferimento.

Condizione massima del materiale (MMC)

Condizione in cui un elemento dimensione contiene la massima quantità di materiale entro i limiti indicati delle dimensioni (es. diametro minimo del foro, diametro massimo dell’albero).

Condizione di minimo materiale (LMC)

Condizione in cui un elemento dimensione contiene la minor quantità di materiale entro i limiti indicati delle dimensioni (es. diametro massimo del foro, diametro minimo dell’albero).

Caratteristiche geometriche	Simbolo
Rettilineità
Planarità
Circolarità
Cilindricità
Simmetria
Posizione
Concentricità
Perpendicolarità
Angolarità
Parallelismo
Profilo di una linea
Profilo di una superficie
Deviazione circolare
Deviazione totale

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