Nociones básicas de dimensionamiento geométrico y tolerancias (GD&T)

Los objetos fabricados varían en cuanto a su tamaño respecto al modelo en CAD original debido a variaciones en el proceso de fabricación. Para controlar y comunicar estas variaciones de forma óptima, los ingenieros y fabricantes usan un lenguaje simbólico llamado GD&T, la abreviatura de Geometric Dimensioning and Tolerancing (dimensionamiento geométrico y tolerancia en inglés).

El GD&T dice a los socios de fabricación y a los inspectores la variación permisible en el conjunto del producto y estandariza cómo se mide dicha variación.

Esta guía describe el sistema GD&T para optimizar la comunicación sobre el diseño en la fabricación tanto tradicional como digital.

Sigue leyendo para descubrir:

• Los principios básicos del GD&T
• Los diversos símbolos de tolerancia
• Un caso de estudio que muestra el GD&T en acción con Solidworks y una aplicación de producto real.

Antes del GD&T, las características de la fabricación se especificaban mediante áreas X-Y. Por ejemplo, a la hora de taladrar un orificio de de montura, el orificio debía estar situado en un área X-Y específica.

Sin embargo, una especificación de tolerancia precisa definía la ubicación del orificio respecto a la ubicación deseada, con lo que el área aceptada se convertía en un círculo. La tolerancia X-Y deja una zona en la que la inspección habría tenido como resultado un falso negativo, ya que aunque el orificio no está en el cuadrado X-Y, sí se encontraría dentro del círculo marcado.

Stanley Parker, un ingeniero que desarrollaba armamento naval durante la Segunda Guerra Mundial, se percató de este fallo en 1940. Llevado por la necesidad de rentabilizar la fabricación y cumplir sus plazos, desarrolló un sistema nuevo mediante varias publicaciones. Cuando quedó demostrado que era un mejor método operativo, el nuevo sistema se convirtió en la norma del ámbito militar en los años 50.

Actualmente, la norma del GD&T la define la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME Y14.5-2018) en EE. UU. y el resto del mundo se rige por la ISO 1101-2017. Se ocupa principalmente de la geometría general del producto, mientras que otras normas describen características específicas como la rugosidad de la superficie, la textura y las roscas para tornillos.

En el caso de conjuntos funcionales, productos con múltiples piezas o piezas con una funcionalidad compleja, es crucial que todos los componentes funcionen bien juntos. Todos los ajustes y elementos relevantes deben especificarse de una manera que afecte al proceso de fabricación y las inversiones relacionadas con él lo mínimo posible, sin dejar de garantizar la funcionalidad. Restringir las tolerancias el doble puede duplicar el coste o aumentarlo incluso más, debido a las tasas de rechazo más altas y a los cambios en el utillaje. El GD&T es el sistema que permite a los desarrolladores y los inspectores optimizar la funcionalidad sin aumentar el coste.

La ventaja más importante del GD&T es que el sistema describe la intención del diseño en vez de la geometría resultante. Como en un vector o fórmula, no se trata del objeto real, sino de una representación de él.

Por ejemplo, a un elemento que se yergue a 90 grados respecto a una superficie de base se le puede calcular la tolerancia en función de su perpendicularidad respecto a esa superficie. Esto definirá dos planos separados en los que debe encontrarse el plano central del elemento en cuestión. Por otro lado, al taladrar un orificio, lo más lógico es calcular su tolerancia en función se su alineación respecto a otros elementos.

Describir la geometría del producto respecto a su funcionalidad prevista y el enfoque de fabricación es más sencillo que tener que describirlo todo en dimensiones lineales. También proporciona una herramienta de comunicación con los proveedores y clientes de la fabricación, así como con los inspectores de control de calidad.

Cuando se realiza bien, el GD&T permite incluso un control estadístico de procesos (CEP), que reduce las tasas de rechazo del producto, los fallos de montaje y el esfuerzo necesario para el control de calidad, lo que ahorra a las organizaciones una cantidad de recursos considerable. De este modo, varios departamentos pueden trabajar más en paralelo porque cuentan con una idea y un lenguaje compartidos para lo que quieren conseguir.

Los dibujos de ingeniería deben mostrar el tamaño de todos los elementos de una pieza. Junto a esas dimensiones, se debe especificar un valor de tolerancia con el límite mínimo y máximo aceptable. La tolerancia es la diferencia entre el límite mínimo y el máximo. Por ejemplo, si tenemos una tabla que aceptaríamos con una altura entre 750 mm y 780 mm, la tolerancia sería de 30 mm.

Sin embargo, la tolerancia para la tabla implica que aceptaríamos una tabla de 750 mm de altura en un lado y 780 mm en el otro, o que tenga una superficie ondulada con una variación de 30 mm. Por eso, para establecer adecuadamente la tolerancia del producto, necesitamos un símbolo que comunique la intención del diseño de generar una superficie superior plana. Por consiguiente, debemos incluir una tolerancia de planitud además de la tolerancia de altura general.

De forma parecida, un cilindro con un diámetro con tolerancia no cabrá necesariamente en su orificio si se dobla ligeramente durante el proceso de fabricación. Es por eso que también necesita un control de rectitud, que sería difícil de comunicar con la tolerancia más/menos tradicional. O un tubo que debe encajar perfectamente con una superficie compleja a la que está soldado requiere un control del perfil de su superficie.

El GD&T establece un catálogo de símbolos para transmitir esas intenciones de diseño, del que hablamos en el siguiente apartado.

El arte de la tolerancia conlleva especificar las variaciones correctas para todos los elementos específicos de un diseño para maximizar la tasa de aprobación del producto dentro de los límites de los procesos de fabricación y según el objetivo visual y funcional de la pieza.

En el sistema métrico, existen grados de tolerancia internacionales normalizados (IT) que también se pueden usar para especificar las tolerancias mediante símbolos. Por ejemplo, el símbolo 40H11 expresa un orificio de 40 mm de diámetro con un ajuste móvil suelto. Entonces, el fabricante solo tiene que consultar la tabla básica para orificios para extraer el valor de tolerancia exacto.

Además de las tolerancias individuales, los ingenieros deben tener en cuenta efectos a nivel del sistema. Por ejemplo, cuando se produce una pieza con todas sus dimensiones en su valor máximo permitido, ¿sigue cumpliendo requisitos generales como los del peso del producto y los grosores de las paredes? Esto se llama condición de máximo material (MMC, por sus siglas en inglés), mientras que su contraria es la condición de mínimo material (LMC, por sus siglas en inglés).

Las tolerancias también se acumulan. Si creamos un eslabón de cadena en el que cada orificio tiene una tolerancia positiva y cada cilindro una tolerancia negativa de 0,1 mm, eso significa que seguimos aceptando una diferencia de longitud de 20 mm con 100 eslabones. Cuando se instalan elementos repetidos como un patrón de orificios perforados, coloca en primer lugar el patrón y después especifica las distancias interrelacionadas en lugar de tomar como referencia para los elementos un borde o plano fijo de la pieza.

Las normas no solo ayudan a los diseñadores y los ingenieros, sino también a los inspectores de control de calidad, informándoles de cómo medir las dimensiones y las tolerancias. Usar herramientas específicas como micrómetros y calibres digitales, gálibos de carga, mármoles de trazado, comparadores mecánicos y una máquina de medición de coordenadas (CMM) son importantes para la práctica de las tolerancias.

Mientras mides y defines una pieza, la geometría existe en un espacio virtual llamado el marco de referencia del datum (DRF). Esto es comparable al sistema de coordenadas en el origen de un espacio en los programas de modelado 3D. Un datum es un punto, línea o plano que existe en el marco de referencia del datim y se utiliza como punto de partida para la medición. Asegúrate de definir las características de datum relevantes para la funcionalidad de tu pieza. Salvo que estés encajando las formas de una pieza con las de otras dentro de un ensamblaje o conjunto, a menudo puedes usar un único datum. Asegúrate siempre de que el datum principal tenga una ubicación fiable de la que extraer otras medidas, como, por ejemplo, en puntos en los que la pieza final tenga escasas variaciones impredecibles.

Un dibujo de ingeniería debe transmitir con precisión la idea del producto sin añadir complejidad innecesaria o restricciones. Tener en cuenta las siguientes recomendaciones puede ayudarte:

• La claridad del dibujo es lo más importante, incluso más que su precisión o lo completo que esté. Para mejorar la claridad, dibuja las dimensiones y las tolerancias fuera de los límites de la pieza y aplicadas a las líneas visibles en los perfiles ideales, utiliza una dirección de lectura unidireccional, transmite la función de la pieza, agrupa y/o dispón las medidas de forma escalonada y aprovecha el espacio en blanco.

• Realiza siempre tus diseños con vistas a la tolerancia más amplia factible para mantener un coste reducido.

• Usa una tolerancia general definida en la parte inferior del dibujo para todas las dimensiones de la pieza. Las tolerancias específicas más amplias o más restringidas que se indique en el dibujo sustituirán a la tolerancia general.

• Ocúpate en primer lugar de las tolerancias de los elementos funcionales y sus interrelaciones. A continuación, pasa al resto de la pieza.

• Siempre que sea posible, deja que los expertos en fabricación se ocupen del GD&T y no describas los procesos de fabricación en el dibujo de ingeniería.

• No especifiques un ángulo de 90 grados, ya que se presupone.

• Las dimensiones y las tolerancias son válidas a 20 °C / 101.3 kPa salvo que se especifique lo contrario.

El GD&T se basa en elementos y características, y cada uno de ellos está especificado por un control distinto. Estos símbolos de tolerancia se clasifican en cinco grupos:

• Los controles de forma especifican la forma de los elementos, e incluyen:

  • La rectitud, que se divide en rectitud de elementos de línea y rectitud de eje.

  • La planitud, que es el nombre que recibe la rectitud en varias dimensiones, medida entre el punto más alto y el punto más bajo de una superficie.

  • La circularidad o redondez, que se puede describir como la rectitud adaptada a un círculo.

  • La cilindricidad, que es básicamente la planitud adaptada a un cilindro. Incluye rectitud, redondez y conicidad, lo que la vuelve cara de inspeccionar.

• Los controles de perfil describen la zona de tolerancia tridimensional en torno a una superficie:

  • Perfil de línea compara una sección transversal bidimensional con una forma ideal. La zona de tolerancia se define mediante dos curvas de desplazamiento, salvo que se especifique otro método.

  • El perfil de superficie crea dos superficies de desplazamiento entre las que debe acabar la superficie de los relieves. Este es un control complejo que suele medirse con una máquina de medición de coordenadas (CMM).

• Los controles de orientación se ocupan de dimensiones que varían con ángulos, e incluyen:

  • La angularidad es la planitud con un ángulo respecto a un datum y también se determina mediante dos planos de referencia que tienen el valor de tolerancia como espacio entre ellos.

  • La perpendicularidad es la planitud a un ángulo de 90 grados respecto a un datum. Especifica dos planos perfectos entre los que debe estar el plano del elemento o relieve en cuestión.

  • El paralelismo es la rectitud a una distancia. El paralelismo de los ejes puede definirse definiendo una zona de tolerancia cilíndrica colocando un símbolo de diámetro delante del valor de tolerancia.

• Los controles de ubicación definen ubicaciones futuras usando dimensiones lineales:

  • La posición es la ubicación de los elementos, respecto el uno al otro o respecto a los datums, y es el control más usado.

  • La concentricidad compara la ubicación del eje de un elemento respecto al eje del datum.

  • La simetría garantiza que las piezas no cilíndricas sean similares en un plano de datum. Este es un control complejo que suele medirse con una máquina de medición de coordenadas.

• Los controles de oscilación definen la medida en la que un elemento concreto puede variar respecto a los datums:

  • La oscilación circular se usa cuando es necesario tener en cuenta muchos errores diferentes, como con las piezas montadas en rodamientos. Durante la inspección, la pieza se gira en un huso para medir la variación o "cabeceo" en torno al eje de rotación.

  • La oscilación total se mide en múltiples puntos de una superficie y describe la oscilación no solo de un elemento circular, sino de toda una superficie. Esto controla la rectitud, el perfil, la angularidad y otras variaciones.

El marco de control de características es la notación que se usa para añadir controles al dibujo. El compartimento del extremo izquierdo contiene la característica geométrica. En el ejemplo de arriba, se trata de un control de ubicación, pero puede contener cualquiera de los símbolos de control. El primer símbolo del segundo compartimento indica la forma de la zona de tolerancia. En este ejemplo, es un diámetro, en lugar de una dimensión lineal. El número indica la tolerancia permitida.

Junto al recuadro de tolerancia, hay otros recuadros para cada característica de datum a la que se refiera el control. Aquí, la ubicación se medirá respecto a los datum B y C. Junto a la tolerancia o una característica de datum hay una letra rodeada opcional, el modificador de la característica.

Pueden darse las siguientes posibilidades:

• M significa que la tolerancia se aplica en la condición de máximo material (MMC).

• L significa que la tolerancia se aplica en la condición de mínimo material (LMC).

• U indica una tolerancia bilateral desigual. Por ejemplo, para una tolerancia de 1 mm se puede especificar como -0,20 y +0,80.

• P significa que la tolerancia se mide en una zona de tolerancia proyectada, a una distancia específica respecto al datum.

• La ausencia de un símbolo establece una tolerancia con independencia del tamaño de la característica.

En este ejemplo, si la pieza no está en condición de máximo material, se puede añadir una tolerancia extra proporcional a la divergencia respecto a la condición de máximo material. Por eso, si una pieza está a un 90 % de la condición de máximo material, la tolerancia también se ampliará un 10 %.

Muchos diseñadores de productos e ingenieros usan la impresión 3D durante la creación de prototipos y el desarrollo de productos para fabricar prototipos rentables y piezas personalizadas que de otra forma requerirían una inversión considerable en utillaje.

La tolerancia en la impresión 3D es diferente de la de las herramientas de fabricación tradicionales, porque la impresión 3D es un proceso único y automatizado. Es posible que para alcanzar tolerancias más limitadas se requiera un mayor esfuerzo en la fase de diseño, pero esto puede dar lugar a ahorros importantes de tiempo y dinero en la creación de prototipos y en la producción.

La mayoría de las herramientas de CAD pensadas para la ingeniería mecánica, como SolidWorks, AutoCAD, SolidEdge, FreeCAD, CATIA, NX, Creo, e Inventor ofrecen la integración con el GD&T al crear dibujos para ingeniería. Sin embargo, los diseñadores siguen teniendo que establecer tolerancias de forma manual, teniendo en cuenta las posibles divergencias que tienen lugar durante el proceso de fabricación. En el siguiente caso de estudio, mostramos un ejemplo de GD&T en acción en SolidWorks.

El objetivo de este proyecto en concreto es producir 50 000 tapones de botella mediante el moldeo por inyección. Queremos controlar la forma y la fuerza con la que los tapones encajarán en la botella y, por lo tanto, necesitaremos una buena especificación de las tolerancias. Queremos evitar que algunos tapones tengan un diámetro exterior superior al de la botella, mientras que otros sean más pequeños. Lo ideal es que todos mantengan un ajuste móvil uniforme.

La rosca de la botella tiene un diámetro exterior de 36,95 +/- 0,010 mm. Eso significa que los límites del diámetro interior de la botella son de 36,985 y 37,065 mm, con un valor medio de 37,0 mm.

Además, el tapón también tiene conexiones específicas mediante orificios a un eje que va montado debajo de una superficie plana. Esto permite que la botella se abra con una sola mano mientras cuelga por debajo de la superficie de un armario. El eje es un componente estándar de acero inoxidable de un fabricante de equipo original con un diámetro de 4 mm y una tolerancia de 0,12 mm (0,005 in). Para una conexión ajustada, necesitamos un ensamblaje por presión con un margen de entre -0,0375 y 0,0125 mm. Aquí encontramos una franja de 3,99 a 4,01 mm para el diámetro del orificio que genera un ensamblaje por presión para todos los tamaños de eje. Ya que se trata de una franja muy escasa, decidimos especificar que el orificio fuera de 3,85 mm y perforarlo para que tuviera 4,00 mm exactos, lo que también controla la concentricidad de los dos orificios.

Para controlar adecuadamente las medidas, necesitaremos disponer de un datum. Un datum debe representar los acoplamientos y la función del conjunto, así como ser estable, repetible y accesible. En este caso, lo más importante es el acoplamiento del tapón y el cuello de la botella, de modo que elegimos la superficie cilíndrica interna del tapón como el datum principal. La función secundaria es el acoplamiento con la superficie de soporte, por lo que tamamos la parte superior plana del tapón como el datum secundario.

Tras considerar los requisitos, la aplicación de las tolerancias de GD&T en SolidWorks se desarrolla de la siguiente manera. Indica los datums en DimXpert > Auto Dimension Scheme (DimXpert > Esquema de acotación automática) y selecciona la opción Geometric (Geométrica), en vez de Plus/Minus Tolerancing (Tolerancia más/menos). A continuación, selecciona los datums y las características que se van a controlar en función de los datums. Una vez que se haya completado el esquema de acotación, añade tolerancias geométricas individuales y símbolos de GD&T. El software generará automáticamente dimensiones para referencias de tamaño, como los orificios y protuberancias. Asegúrate de seleccionar "bilateral" (bilateral) o "limit" (límite) como tipo de tolerancia para características en las que los límites positivo y negativo son desiguales.

Para importar estas tolerancias a un dibujo de ingeniería, en primer lugar, consulta el FeatureManager para ver qué planos se usan en la carpeta  Annotations (Anotaciones). Cuando importes las vistas desde estos planos a un dibujo, marca las opciones "Import annotations (Importar anotaciones) y "DimXpert annotations" (Anotaciones de DimXpert". Añadir una vista transversal adecuada ayudará a que el dibujo sea mucho más claro.

En esta guía, hemos hablado del sistema de dimensionamiento geométrico y tolerancias (GD&T), que ofrece enormes ventajas a los diseñadores y los ingenieros que trabajan en proyectos complejos en los que las medidas deben estar sometidas a un control estricto. Hemos visto como el GD&T transmite no solo las dimensiones lineales, sino también la intención del diseño, lo que ayuda a comunicar el diseño de ingeniería de forma mucho más clara a los accionistas del proyecto.

Con más de una decena de símbolos, la función del datum y el marco de control de características, es posible enriquecer considerablemente los dibujos de producción y asegurarse de que los ajustes de ingeniería se mantengan uniformes en distintos ensamblajes de productos. El GD&T también invita a los desarrolladores a pensar en las tolerancias más óptimas para sus piezas en el proceso de fabricación elegido, dado que las diferentes técnicas de producción conllevan divergencias características distintas.

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