Цифровая нить NASA: трансформация производства и раскрытие значительных экономий

Если бы производство было серией блокбастеров, на театровой марки сейчас могло бы быть: «Скоро в цепочке поставок рядом с вами: Цифровая нить». И Джон Викерс был бы одним из первых в очереди за билетами. Главный технолог по миссии космических технологий в штабе NASA в Вашингтоне, он несет агентство-широкую ответственность за передовые производственные активности — и играет ключевую роль в помощи организации двигаться вперед в все более цифровом мире.

Викерс редко использует фразу «цифровая нить», однако. Вместо этого он предпочитает более всеобъемлющую фразу «цифровой двойник», термин, который, по его словам, лежит в сердце любой цифровой трансформации.

«Цифровая нить — лишь малая часть цифровой трансформации, сейчас происходящей в NASA и в другом месте по всему производственному сообществу», — сказал он. «Многое из этого вращается вокруг использования цифрового двойника, или шире, концепции, которую мы называем „model-based everything“».

Как он объяснил в недавней презентации для Cambridge Group, цифровой двойник драматически усиливает воздействие миссии NASA «путем вовлечения цифровой конвергенции, переизобретения миссии и процессов поддержки миссии, продуктов и возможностей». Здесь снова, однако, его определение цифрового двойника и другой отраслевой терминологии не всегда в шаге с коллегами.

«Кажется, все пытаются определить цифровой двойник в очень прескриптивных терминах, но я отказываюсь это делать», — сказал Викерс. «Например, я предполагаю, что он не требует физического актива, точка зрения, с которой не согласны некоторые мои друзья в AIAA [Американский институт аэронавтики и астронавтики] — которые недавно опубликовали статью о цифровых двойниках. Он также не синонимичен другим технологиям, таким как MBSE [model-based systems engineering] или, как уже упоминал, цифровая нить, хотя содержит элементы каждого».

Как спроектировано, как построено, как эксплуатируется

Цифровой двойник — интердисциплинарный подход, объяснил он, позволяющий производителям анализировать, синтезировать и гармонизировать связи между дисциплинами в скоординированном и связном целом.

Он «коллаборативный, предиктивный, описательный, исследовательский, когнитивный и корректирующий».

И пока версия Викерса цифрового двойника действительно model-based, именно первая часть — коллаборативная — предотвращает «перебрасывание через забор» как в традиционных мультидисциплинарных моделях, склонных держать информацию в своих изолированных силосах.

Это значит, что цифровой двойник, используемый сегодня на стадиях проектирования и производства, однажды будет управлять всей бизнес-организацией. Это включает маркетинг, управление, производство, финансы и, в конечном счете, конечных пользователей продукта, которые в случае NASA могут доставлять эти продукты на Луну или дальше.

Рождение двойника

Викерс отметил, что он и консультант NASA Майкл Гривс — сейчас главный ученый по передовым производственным технологиям в Флоридском технологическом институте — ввели фразу «цифровой двойник» в 2010 году. И хотя ему еще нет подросткового возраста, цифровой двойник той эпохи сильно эволюционировал за прошедшее десятилетие.

Например, сегодня доступны гораздо более продвинутые системы симуляции и аналитики, а также машинное обучение и искусственный интеллект.

Все теперь играют значительные роли в любой инициативе цифровой трансформации.

Так же инструменты дополненной, гибридной и виртуальной реальности. Они помогают людям визуализировать и тестировать виртуальные продукты, затем учить их операций их физических версий после развертывания.

И конечно, аддитивное производство, которое для NASA и многих других является ключевым фактором более быстрого, более стоимоэффективного дизайна продукта.

Дон Кинард — старший феллоу по аэронавтическим производственным операциям Lockheed Martin в Форт-Уорте, Техас. У него также десятилетия опыта с model-based инженерией, тренд, начавшийся всерьез в ранние дни программы совместного истребителя F-35.

«F-35 ознаменовал начало нашей цифровой трансформации», — сказал он.

«В отличие от предшественника F-22, который все еще был бумажным, это была первая полностью цифровая инженеринговая авиационная программа. У нас были солидные модели для всего».

Прорыв парадигм

Это было в 2004 году. С тех пор оцифровка принесла бесчисленные выгоды Lockheed Martin.

Помимо очевидных, таких как более эффективные процессы проектирования и инженерии, она также позволила значительные улучшения на производственном цехе.

Это включает автоматизированное сверление и установку крепежа, улучшенные процессы обработки, роботизированное распыление защитных покрытий, компьютерно-контролируемую лазерную резку труб и, недавно, бесконтактную метрологию — все управляемые цифровыми данными.

Бесконтактная метрология значима во многих отношениях, заметил Кинард. Сравнивая 3D солидные модели со структурированными световыми сканами авиационных структур и подсборок, производители находят это и быстрее, и легче для ответа на любые вопросы об as-designed vs as-built.

«Наша работа как технологической группы — идентифицировать, чего нужно производственному цеху и где возможности для автоматизации, затем разобраться, как реализовать их стоимоэффективно и с твердой отдачей инвестиций», — сказал он. «Во многих случаях решение — цифровое».

Ничего из этого не ново, добавил он. Изменился обогащенный набор инструментов, доступных производителям сегодня, будь то упомянутые структурированные и лазерные сканеры или инструменты и системы продвинутого анализа для анализа авиационного дизайна.

«Через несколько лет в программе F-35 я мог очень ясно увидеть, насколько model-based инженерия делает разницу, начиная с первоначального дизайна самолета до того, как мы поддерживаем его в поле».

Вход в Матрицу

Это также влияет на то, как закупаются детали и материалы для самолетов.

Кинард указал на работы Уилла Ропера, помощника секретаря ВВС по закупкам, технологиям и логистике. В своих работах «Сгибая ложку» Ропер писал: «Хотя наш процесс холодной войны производит мироведущие военные системы, эскалирующие сроки и затраты — неподдерживаемые побочные продукты. Резкий контраст с коммерческой индустрией ставит наши военные на „бесчувственный“ конец кроличьей норы».

По Роперу, выход из этой норы — через цифровую инженерию, набор технологий, приведший к обозначению USAF «e-Series» для самолетов, спутников и боевых систем, полностью спроектированных и произведённых на цифровой основе.

Первый член этого быстро растущего клуба? eT-7A Red Hawk, реактивный учебный самолет, спроектированный и построенный за 36 месяцев — и названный в честь летчиков Таскиги.

«Способность разрабатывать виртуальные прототипы рано в фазе разработки снижает риск производства, так как позволяет узнать, соответствует ли дизайн требованиям заказчика, прежде чем мы начнем резать металл и класть композиты, не говоря уже о годах летных и структурных тестов», — сказал Кинард. «Так что это действительно акцент сегодня, большая часть которого вращается вокруг моделирования симуляции. Наш мир драматически изменится в следующем десятилетии по мере того, как эти технологии станут более изощренными и точность наших 3D-моделей возрастет».

Пол Олройд, служащий техническим феллоу и главным техническим ресурсом для производства и разработки процессов в Bell (дивизион Textron), согласился — но с одной оговоркой: даже учитывая замечательные успехи и принятие цифровой трансформации, отрасль еще имеет путь.

«Слово „трансформация“ подразумевает динамичную среду, что значит, что мы должны продолжать двигаться вперед», — сказал он. «Тем не менее, мы все сделали прогресс к полностью цифровой архитектуре».

Вы еще ничего не видели

Bell прошел долгий путь с V-22, его первого FBW (fly by wire) самолета, объяснил он.

Кроме того, 525 Relentless будет полностью FBW коммерческим вертолетом. Joint Multi-Role (JMR) самолеты, включая FLRAA (Future Long Range Assault Aircraft) и FARA (Future Attack Reconnaissance Aircraft), разрабатываются с использованием цифрового двойника — и реализовали значительную выгоду от включения цифровой нити.

«Как дискретный пример выгоды, гидравлическая система гондолы JMR Valor V-280 реализовала 90-процентное сокращение инженерного труда по сравнению с аналогичной системой на V-22, и одновременно предоставила цифровой артефакт производственной команде, который так же сократил время и труд разработки на заводе».

Это не значит, что они закончили. Model-based инженерия постоянно улучшается, заметил он, и цифровая нить должна быть непрерывной и надежной на всем жизненном цикле.

«Она будет не только управлять и коммуницировать производительность транспортного средства, но и транслировать обратно в производство, обслуживание и метрики устойчивости через всю цепочку поставок. Digital Enterprise представляет непрерывную обратную связь от воздушного средства через физику-базированную аналитику, дизайн, виртуальную валидацию, производство, готовность, мониторинг здоровья, устойчивость и осведомленность о флоте».

Олройд объяснил, что «авиация следующего поколения» будет наслаждаться непрерывным одновременным созреванием и продукта, и процесса.

«Мы будем использовать цифровой двойник с открытой архитектурой, обменивающийся данными в реальном времени», — сказал он. «Эта способность даст всем стейкхолдерам — менеджерам программ, внутренним членам команды, нашим партнерам и клиентам — доступ почти в реальном времени к одной и той же информации, включая инженерные анализы, характеристики производительности и другие релевантные метрики».

Одно преимущество высокоинтерактивного корпоративного цифрового двойника — производственное пространство может эволюционировать одновременно с пространством дизайна и анализа — в сущности, реализуя цифровую нить.

Для достижения этого Bell создал выделенный Manufacturing Technology Center, который Олройд назвал «средой инноваций производства, построенной на цифровой философии, центрированной на Интернете вещей».

В этом направлении компания исследует способы захвата сенсорных производственных данных с ЧПУ-оборудования и рабочих ячеек для информирования и уточнения цифрового двойника.

Это даст обратную связь о самом производственном процессе, помогая компании оптимизировать продуктивность, избегать потенциальных проблем качества и создавать производственную историю каждой авиационной детали для связанного предприятия, включая операционные команды.

«Мы это сделаем». Олройд сказал. «Цифровой двойник должен быть живым организмом — таким, что подстроится под меняющиеся обстоятельства. Так производственный процесс будет становиться всё более надежным с каждым днем.

«В конечном счете, рабочие ячейки могут стать всеведущими элементами: они будут самооцениваться. Они будут информировать нас, когда они нездоровы. И они в конечном счете даже будут предпринимать действия, чтобы стать здоровыми на экологическом уровне. Мы не закончили эволюционировать, но именно туда направляется „цифровая вселенная“».