NASA's Digital Thread: Productie transformeren en aanzienlijke besparingen ontgrendelen

Als productie een serie blockbuster films was, zou de nieuwste theater marquis kunnen lezen: "Binnenkort bij een toeleveringsketen in de buurt: De Digital Thread." En John Vickers zou een van de eersten in de rij zijn om tickets te kopen. De principal technologist voor de Space Technology Mission Directorate bij NASA Headquarters in Washington, D.C., heeft een agency-brede verantwoordelijkheid voor de geavanceerde productieactiviteiten - en speelt een sleutelrol in het helpen sturen van de organisatie vooruit in een steeds meer digitale wereld.

Vickers gebruikt zelden de term "digital thread," echter. In plaats daarvan favoriseert hij de meer omvattende term "digital twin," een term die hij zegt het hart is van elke digitale transformatie.

"De digital thread is niet meer dan een klein stukje van de digitale transformatie momenteel gaande bij NASA en elders in de productiegemeenschap," zei hij. "Veel van dit draait om het gebruik van de digital twin, of breder, een concept dat we verwijzen naar als 'model-based everything'."

Zoals hij uitlegde in een recente presentatie aan de Cambridge Group, verbetert de digital twin NASA's missie-impact dramatisch door "digitaal convergentie te betrekken, missie- en missie-ondersteuningsprocessen, producten en capaciteiten te heruitvinden." Hier weer, hoewel, is zijn definitie van de digital twin en andere industriestandaard terminologie niet altijd in lockstep met die van zijn collega's.

"Het lijkt erop dat iedereen probeert de digital twin in heel voorschrijvende termen te definiëren, maar ik weiger dat te doen," zei Vickers. "Bijvoorbeeld, ik stel voor dat het geen fysiek asset vereist, een standpunt waar sommige van mijn vrienden bij de AIAA [American Institute of Aeronautics and Astronautics] - die onlangs een paper publiceerden over digital twins - het niet mee eens zijn. Noch is het synoniem met andere technologieën, zoals MBSE [model-based systems engineering] of, zoals ik al zei, de digital thread, zelfs al bevat het elementen van elk."

As designed, as built, as operated

De digital twin is een interdisciplinaire benadering, legde hij uit, een die fabrikanten in staat stelt om links tussen disciplines te analyseren, synthetiseren en te harmoniseren in een gecoördineerd en coherente geheel.

Het is "collaboratief, voorspellend, beschrijvend, onderzoekend, cognitief en correcterend."

En hoewel Vickers' versie van de digital twin inderdaad model-based is, is het dat eerste deel - collaboratief - dat gebruikers voorkomt om "het over de muur te gooien" zoals met traditionele multidiscipinaire modellen, die ervoor neigen informatie binnen hun eigen gesiloomde omgevingen te houden.

Dit betekent dat de digital twin die vandaag gebruikt wordt tijdens de ontwerp- en productiefases, een dag het hele bedrijf zal sturen. Dit omvat de marketing, management, productie, en financiële groepen, en uiteindelijk de eindgebruikers van het product, wat in NASA's geval, die producten naar de maan of verder kunnen brengen.

Geboorte van de twin

Vickers wees erop dat hij en NASA consultant Michael Grieves - nu chief scientist voor geavanceerde productie aan het Florida Institute of Technology - de term "digital twin" in 2010 bedachten. En hoewel het nog geen tiener is, is de digital twin van die tijd de afgelopen decennium sterk geëvolueerd.

Bijvoorbeeld, er zijn veel meer geavanceerde simulatie- en analysesystemen beschikbaar vandaag, alsook machine learning en kunstmatige intelligentie.

Al spelen nu significante rollen in elke digitale transformatie-initiatief.

Zo doen augmented, hybrid en virtual reality tools. Deze helpen mensen om virtuele producten te visualiseren en te testen, ze dan te leren hoe ze hun fysieke versies bedienen zodra ze gedeployed zijn.

En natuurlijk is er additieve productie, wat voor NASA en velen anderen een sleutelenabler is van snellere, meer kosteneffectieve productontwerp.

Don Kinard is een senior fellow voor Lockheed Martin's aeronautics productieoperaties in Fort Worth, Texas. Hij heeft ook decennialang ervaring met model-based engineering, een trend die ernstig begon tijdens de vroege dagen van het F-35 joint strike fighter programma.

"Het F-35 markeerde het begin van onze digitale transformatie," zei hij.

"Anders dan zijn voorganger de F-22, die nog papier-gebaseerd was, was het het eerste volledig digitale engineering vliegtuigprogramma. We hadden solide modellen voor alles."

Paradigma's doorbreken

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

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

Dit omvat geautomatiseerd boren en bevestigingsinstallatie, verbeterde bewerkingsprocessen, robotische spuit beschermende coatings, computer-gecontroleerde laser snijden van buizen, en meer recent, non-contact metrologie - alle gedreven door digitale data.

Non-contact metrologie is significant op veel manieren, merkte Kinard op. Door 3D solide modellen te vergelijken met gestructureerde lichtscans van vliegtuigstructuren en subassemblages, vinden fabrikanten het zowel sneller als makkelijker om vragen over as-designed vs. as-built te beantwoorden.

"Het is onze taak als de technologiegroep om te identificeren wat de productievloer nodig heeft en waar kansen voor automatisering bestaan, en dan uit te zoeken hoe ze kosteneffectief en met een solide return on investment geïmplementeerd kunnen worden," zei hij. "In veel gevallen is de oplossing een digitale."

Geen van dit is nieuw, voegde hij toe. Wat veranderd is, zijn de rijkdom aan tools beschikbaar voor fabrikanten vandaag, of dat nu de gestructureerde en laser lichtscanners net genoemd of de geavanceerde analyse software tools en systemen gebruikt om vliegtuigontwerp te analyseren.

"Een paar jaar in het F-35 programma, kon ik heel duidelijk zien hoeveel verschil model-based engineering maakt, beginnend met het initiële ontwerp van het vliegtuig helemaal door tot hoe we het in het veld ondersteunen."

Enter the Matrix

Het beïnvloedt ook hoe vliegtuigonderdelen en materialen gesourced worden.

Kinard wees op de werken van Will Roper, de assistent-secretaris van de Air Force voor acquisitie, technologie en logistiek. In zijn "Bending the spoon" papers, schreef Roper, "Hoewel ons Koude Oorlog proces wereldleidende militaire systemen produceert, zijn het oplopende timelines en kosten onhoudbare bijproducten. De scherpe contrast met commerciële industrie zet ons militair aan het 'wonderloze' einde van het konijnenhol."

Volgens Roper is de weg uit dit konijnenhol door digital engineering, een set technologieën die geleid hebben tot de USAF's "e-Series" aanduiding voor vliegtuigen, satellieten en wapensystemen volledig ontworpen en geproduceerd op een digitale fundering.

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

"De capaciteit om virtuele prototypes vroeg in de ontwikkelfase te ontwikkelen verlaagt het risico voor productie, aangezien het ons laat weten of het ontwerp aan de klanteisen voldoet voordat we daadwerkelijk metaal gaan snijden en composieten neerleggen, laat staan jaren besteden aan vlucht- en structurele tests" zei Kinard. "Dus dat is echt de nadruk vandaag, waarvan de meeste draait om simulatiemodellering. Onze wereld gaat dramatisch veranderen over het komende decennium of zo naarmate deze technologieën meer gesofisticeerd worden en de fideliteit van onze 3D modellen toeneemt."

Paul Oldroyd, die fungeert als technical fellow en principal technical resource voor productie- en procesontwikkeling bij Bell (een divisie van Textron), was het eens - maar met één voorbehoud: Zelfs rekening houdend met zijn opmerkelijke successen en omarming van de digitale transformatie, heeft de industrie nog een weg te gaan.

"Het woord 'transformatie' impliceert een dynamische omgeving, wat betekent dat we moeten doorgaan met vooruitgaan," zei hij. "Toch, we hebben allemaal vooruitgang geboekt naar een volledig digitale architectuur."

Je hebt nog niets gezien

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

Daarnaast zal de 525 Relentless een volledig FBW commerciële rotorcraft zijn. De Joint Multi-Role (JMR) vliegtuigen inclusief FLRAA (Future Long Range Assault Aircraft) en FARA (Future Attack Reconnaissance Aircraft) worden ontwikkeld met behulp van de digital twin - en hebben significaat voordeel gerealiseerd door incorporatie van de digital thread.

"Als een discreet voorbeeld van het voordeel, realiseerde de JMR Valor V-280 nacelle hydraulische systeem een 90-procent reductie in engineering arbeid vergeleken met het vergelijkbare systeem op de V-22, en tegelijkertijd leverde een digitaal artefact aan het productieteam, wat vergelijkbaar de fabrieksontwikkelingstijd en arbeid reduceerde."

Dat betekent niet dat ze klaar zijn. Model-based engineering verbetert constant, merkte hij op, en de digital thread moet continu en robuust zijn door de hele levenscyclus heen.

"Het zal niet alleen voertuigprestaties beheren en communiceren, maar ook terugvertalen naar productie, onderhoud en sustainment metrics door de hele toeleveringsketen. Digital Enterprise vertegenwoordigt continue feedback van het luchtvoertuig door physics-based analytics, ontwerp, virtuele validatie, productie, gereedheid, gezondheidsmonitoring, sustainment en vlootbewustzijn."

Oldroyd legde uit dat "next-generation aviation" doorlopende gelijktijdige rijping van zowel het product als het proces zal genieten.

"We zullen een open-architectuur digital twin gebruiken die realtime data uitwisselt," zei hij. "Deze capaciteit zal alle stakeholders - programmamanagers, interne teamleden, onze partners en klanten - voorzien van near-real-time toegang tot dezelfde informatie, inclusief engineering analyses, prestatiekenmerken en andere relevante metrics."

Een voordeel van een hoogst interactieve, enterprise-level digital twin is dat de productieruimte gelijktijdig kan evolueren met de ontwerp- en analyse ruimte - in essentie, de digital thread realiserend.

Om dit te bereiken, heeft Bell een dedicated Manufacturing Technology Center gecreëerd, wat Oldroyd zei is "een productie-innovatieomgeving gebouwd op een Internet of Things-centrische digitale filosofie."

Toegepast op dit einde, verkent het bedrijf manieren om sensorgestuurde productiedata van CNC apparatuur en werkcellen vast te leggen om de digital twin te informeren en te verfijnen.

Dit zal feedback leveren over het productieproces zelf, het bedrijf helpen productiviteit te optimaliseren, potentiële kwaliteitsproblemen te vermijden en een productiegeschiedenis van elk vliegtuigonderdeel te creëren voor het verbonden bedrijf, inclusief operationele teams.

"We zullen dat doen." Oldroyd zei. "De digital twin moet een levend organisme zijn - een die zich aanpast aan veranderende omstandigheden. Op die manier wordt het productieproces met elke dag robuuster.

"Uiteindelijk kunnen werkcellen omnisciente elementen zijn: Ze zullen zich zelf beoordelen. Ze zullen ons informeren wanneer ze niet gezond zijn. En ze zullen uiteindelijk zelfs actie ondernemen om gezond te worden op environmentaal niveau. We zijn niet klaar met evolueren, maar dat is waar het 'digitale universum' naartoe gaat."