Waar het 'digitale universum' naartoe gaat (en waar vandaag enorme besparingen mogelijk zijn)

Als productie een reeks blockbuster-films was, zou de nieuwste theatertent kunnen lezen:"Binnenkort beschikbaar in een toeleveringsketen bij u in de buurt:de digitale draad." En John Vickers zou als een van de eersten in de rij staan ​​om kaartjes te kopen. Als hoofdtechnoloog voor het Directoraat Ruimtetechnologie op het NASA-hoofdkwartier in Washington, D.C., heeft hij een agentschapbrede verantwoordelijkheid voor de geavanceerde productieactiviteiten en speelt hij een sleutelrol bij het helpen van de organisatie in een steeds digitaler wordende wereld.

Vickers gebruikt echter zelden de term 'digitale draad'. In plaats daarvan geeft hij de voorkeur aan de meer omvattende term 'digitale tweeling', een term die volgens hem de kern vormt van elke digitale transformatie.

"De digitale draad is maar een klein stukje van de digitale transformatie die momenteel aan de gang is bij NASA en elders in de productiegemeenschap", zei hij. "Veel hiervan draait om het gebruik van de digitale tweeling, of breder, een concept dat we 'modelgebaseerd alles' noemen."

Zoals hij in een recente presentatie aan de Cambridge Group uitlegde, verbetert de digitale tweeling de missie-impact van NASA drastisch door "digitale convergentie aan te gaan, missie- en missie-ondersteunende processen, producten en mogelijkheden opnieuw uit te vinden." Maar ook hier komt zijn definitie van de digitale tweeling en andere industriestandaardterminologie niet altijd overeen met die van zijn collega's.

"Het lijkt erop dat iedereen de digitale tweeling in zeer prescriptieve termen probeert te definiëren, maar ik weiger dat te doen", zei Vickers. “Ik stel bijvoorbeeld voor dat het geen fysiek bezit vereist, een standpunt waar sommige van mijn vrienden bij de AIAA [American Institute of Aeronautics and Astronautics] – die onlangs een paper over digitale tweelingen publiceerden – het niet mee eens zijn. Het is ook niet synoniem met andere technologieën, zoals MBSE [model-based systems engineering] of, zoals ik al zei, de digitale draad, ook al bevat het elementen van elk.”

Zoals ontworpen, zoals gebouwd, zoals gebruikt

De digitale tweeling is een interdisciplinaire benadering, legde hij uit, een die fabrikanten in staat stelt om verbanden tussen disciplines te analyseren, synthetiseren en harmoniseren tot een gecoördineerd en coherent geheel.

Het is "samenwerkend, voorspellend, beschrijvend, onderzoekend, cognitief en corrigerend."

En hoewel Vickers' versie van de digitale tweeling inderdaad modelgebaseerd is, is het dat eerste deel - samenwerking - dat voorkomt dat gebruikers "het over de muur gooien" zoals bij traditionele multidisciplinaire modellen, die de neiging hebben om informatie binnen hun eigen silo-omgevingen te houden.

Dit betekent dat de digitale tweeling die vandaag wordt gebruikt tijdens de ontwerp- en productiefasen op een dag de hele onderneming zal aansturen. Dit omvat de marketing-, management-, productie- en financiële groepen, en uiteindelijk de eindgebruikers van het product, die in het geval van NASA die producten naar de maan of verder kunnen brengen.

Geboorte van de tweeling

Vickers wees erop dat hij en NASA-consultant Michael Grieves - nu de hoofdwetenschapper voor geavanceerde productie aan het Florida Institute of Technology - in 2010 de uitdrukking "digitale tweeling" hebben bedacht. En hoewel het nog geen tiener is, heeft de digitale tweeling van die tijd het afgelopen decennium enorm geëvolueerd.

Er zijn tegenwoordig bijvoorbeeld veel geavanceerdere simulatie- en analysesystemen beschikbaar, evenals machine learning en kunstmatige intelligentie.

Ze spelen nu allemaal een belangrijke rol in elk initiatief voor digitale transformatie.

Dat geldt ook voor augmented, hybride en virtual reality-tools. Deze helpen mensen om virtuele producten te visualiseren en te testen, en leren hen vervolgens hoe ze hun fysieke versies moeten bedienen zodra ze zijn geïmplementeerd.

En natuurlijk is er additieve fabricage, wat voor NASA en vele anderen een belangrijke factor is voor sneller, kosteneffectiever productontwerp.

Don Kinard is een senior fellow voor de luchtvaartproductieactiviteiten van Lockheed Martin in Fort Worth, Texas. Hij heeft ook tientallen jaren ervaring met op modellen gebaseerde engineering, een trend die serieus begon tijdens de begindagen van het F-35 Joint Strike Fighter-programma.

"De F-35 betekende het begin van onze digitale transformatie", zei hij.

“In tegenstelling tot zijn voorganger, de F-22, die nog op papier was gebaseerd, was dit het eerste volledig digitale engineering-vliegtuigprogramma. We hadden overal solide modellen voor.”

Paradigma's doorbreken

Dat was in 2004. Sindsdien heeft de digitalisering Lockheed Martin talloze voordelen gebracht.

Afgezien van de voor de hand liggende, zoals efficiëntere ontwerp- en engineeringprocessen, heeft het ook aanzienlijke verbeteringen op de productievloer mogelijk gemaakt.

Dit omvat geautomatiseerde boor- en bevestigingsinstallatie, verbeterde bewerkingsprocessen, robotspuiten van beschermende coatings, computergestuurd lasersnijden van buizen en, meer recentelijk, contactloze metrologie - allemaal aangedreven door digitale gegevens.

Contactloze metrologie is op veel manieren belangrijk, merkte Kinard op. Door 3D solid-modellen te vergelijken met gestructureerde lichtscans van vliegtuigconstructies en subassemblages, vinden fabrikanten het zowel sneller als gemakkelijker om alle vragen over as-designed vs. as-built te beantwoorden.

"Het is onze taak als technologiegroep om te identificeren wat de productievloer nodig heeft en waar mogelijkheden voor automatisering bestaan, en vervolgens uit te zoeken hoe deze kosteneffectief en met een solide investeringsrendement kunnen worden geïmplementeerd", zei hij. "In veel gevallen is de oplossing een digitale."

Niets van dit alles is nieuw, voegde hij eraan toe. Wat wel is veranderd, is de rijkdom aan hulpmiddelen die tegenwoordig voor fabrikanten beschikbaar zijn, of dat nu de zojuist genoemde gestructureerde en laserlichtscanners zijn of de geavanceerde analysesoftwaretools en -systemen die worden gebruikt om vliegtuigontwerp te analyseren.

"Een paar jaar na het F-35-programma kon ik heel duidelijk zien hoeveel verschil op modellen gebaseerde engineering maakt, te beginnen met het eerste ontwerp van het vliegtuig tot en met hoe we het in het veld ondersteunen."

Betreed de Matrix

Het is ook van invloed op de manier waarop vliegtuigonderdelen en materialen worden ingekocht.

Kinard wees op het werk van Will Roper, de adjunct-secretaris van de luchtmacht voor acquisitie, technologie en logistiek. In zijn "Bending the spoon" papers schreef Roper:"Hoewel ons proces van de Koude Oorlog leidt tot toonaangevende militaire systemen, escaleert het tijdschema's en zijn de kosten onhoudbare bijproducten. Het schril contrast met de commerciële industrie plaatst ons leger aan het 'wonderloze' einde van het konijnenhol."

Volgens Roper is de uitweg uit dit konijnenhol door digitale engineering, een reeks technologieën die heeft geleid tot de aanduiding "e-Series" van de USAF voor vliegtuigen, satellieten en wapensystemen die volledig zijn ontworpen en vervaardigd op een digitale basis.

Het eerste lid van deze snel groeiende club? De eT-7A Red Hawk, een jettrainer ontworpen en gebouwd in slechts 36 maanden - en genoemd ter ere van de Tuskegee Airmen.

“De mogelijkheid om al vroeg in de ontwikkelingsfase virtuele prototypes te ontwikkelen, verlaagt het risico voor productie, omdat het ons laat weten of het ontwerp aan de eisen van de klant zal voldoen voordat we daadwerkelijk beginnen met het snijden van metaal en het leggen van composieten, laat staan ​​dat we jaren vliegen en structurele tests”, zei Kinard. “Dus daar ligt tegenwoordig echt de nadruk, waarvan het meeste draait om simulatiemodellering. Onze wereld zal de komende tien jaar drastisch veranderen naarmate deze technologieën geavanceerder worden en de betrouwbaarheid van onze 3D-modellen toeneemt.”

Paul Oldroyd, technisch medewerker en belangrijkste technische hulpbron voor productie en procesontwikkeling bij Bell (een divisie van Textron), was het daarmee eens, maar met één kanttekening:zelfs gezien de opmerkelijke successen en de omarming van de digitale transformatie, heeft de industrie nog steeds een weg te gaan.

"Het woord 'transformatie' verwijst naar een dynamische omgeving, wat betekent dat we vooruit moeten blijven gaan", zei hij. "Toch hebben we allemaal vooruitgang geboekt in de richting van een volledig digitale architectuur."

Je hebt nog niets gezien

Bell heeft zeker een lange weg afgelegd sinds de V-22, het eerste FBW-vliegtuig (fly by wire), legde hij uit.

Bovendien zal de 525 Relentless een volledig FBW commercieel helikoptervliegtuig zijn. De Joint Multi-Role (JMR)-vliegtuigen, waaronder FLRAA (Future Long Range Assault Aircraft) en FARA (Future Attack Reconnaissance Aircraft) worden ontwikkeld met behulp van de digitale tweeling - en hebben aanzienlijk voordeel behaald door de integratie van de digitale draad.

“Als een discreet voorbeeld van het voordeel, realiseerde het JMR Valor V-280 gondelhydraulisch systeem een ​​90 procent reductie in technische arbeid in vergelijking met het vergelijkbare systeem op de V-22, en leverde het tegelijkertijd een digitaal artefact aan de productieteam, waardoor de ontwikkelingstijd en arbeid in de fabriek op dezelfde manier werd verminderd.”

Dat betekent niet dat ze klaar zijn. Op modellen gebaseerde engineering wordt voortdurend verbeterd, merkte hij op, en de digitale draad moet continu en robuust zijn gedurende de hele levenscyclus.

“Het zal niet alleen de voertuigprestaties beheren en communiceren, maar ook terugvertalen naar productie-, onderhouds- en instandhoudingsstatistieken door de hele toeleveringsketen. Digital Enterprise staat voor continue feedback van het luchtvoertuig door middel van op fysica gebaseerde analyses, ontwerp, virtuele validatie, productie, gereedheid, gezondheidsmonitoring, instandhouding en wagenparkbewustzijn."

Oldroyd legde uit dat "luchtvaart van de volgende generatie" zal genieten van voortdurende gelijktijdige rijping van zowel het product als het proces.

"We zullen een digitale tweeling met open architectuur gebruiken die realtime gegevens uitwisselt", zei hij. "Deze mogelijkheid biedt alle belanghebbenden - programmamanagers, interne teamleden, onze partners en klanten - bijna realtime toegang tot dezelfde informatie, inclusief technische analyses, prestatiekenmerken en andere relevante statistieken."

Een voordeel van een zeer interactieve digitale tweeling op ondernemingsniveau is dat de productieruimte gelijktijdig kan evolueren met de ontwerp- en analyseruimte, in wezen de digitale draad realiserend.

Om dit te bereiken, heeft Bell een speciaal Manufacturing Technology Center opgericht, dat volgens Oldroyd "een productie-innovatie-omgeving is die is gebouwd op een op het Internet of Things gerichte digitale filosofie."

Daartoe onderzoekt het bedrijf manieren om sensorgebaseerde productiegegevens van CNC-apparatuur en werkcellen vast te leggen om de digitale tweeling te informeren en te verfijnen.

Dit zal feedback geven over het productieproces zelf, waardoor het bedrijf de productiviteit kan optimaliseren, potentiële kwaliteitsproblemen kan vermijden en een productiegeschiedenis van elk vliegtuigonderdeel kan creëren voor de verbonden onderneming, inclusief de operationele teams.

"Dat zullen we doen." zei Oldroyd. “De digitale tweeling moet een levend organisme zijn, een die zich aanpast aan veranderende omstandigheden. Op die manier wordt het productieproces elke dag robuuster.

“Uiteindelijk kunnen werkcellen alwetende elementen zijn:ze zullen zichzelf beoordelen. Ze laten het ons weten als ze niet gezond zijn. En uiteindelijk zullen ze zelfs actie ondernemen om op milieuvlak gezond te worden. We zijn nog niet klaar met evolueren, maar dat is waar het ‘digitale universum’ naartoe gaat.”