Wohin sich das „digitale Universum“ entwickelt (und wo heute wild gespart werden kann)

Wenn die Herstellung eine Reihe von Blockbuster-Filmen wäre, könnte das neueste Theaterzelt lauten:„Demnächst in einer Lieferkette in Ihrer Nähe:The Digital Thread“. Und John Vickers wäre einer der ersten in der Schlange, um Tickets zu kaufen. Als leitender Technologe des Space Technology Mission Directorate im NASA-Hauptquartier in Washington, D.C. trägt er eine agenturweite Verantwortung für die fortschrittlichen Fertigungsaktivitäten – und spielt eine Schlüsselrolle dabei, die Organisation in einer zunehmend digitalen Welt voranzubringen. P>

Vickers verwendet jedoch selten den Ausdruck „digitaler Faden“. Stattdessen bevorzugt er den umfassenderen Ausdruck „digitaler Zwilling“, ein Begriff, der seiner Meinung nach im Mittelpunkt jeder digitalen Transformation steht.

„Der digitale Faden ist nur ein kleiner Teil der digitalen Transformation, die derzeit bei der NASA und anderswo in der gesamten Fertigungsgemeinschaft stattfindet“, sagte er. „Vieles davon dreht sich um die Verwendung des digitalen Zwillings oder allgemeiner um ein Konzept, das wir als ‚modellbasiertes Alles‘ bezeichnen.“

Wie er kürzlich in einer Präsentation vor der Cambridge Group erklärte, verbessert der digitale Zwilling die Missionswirkung der NASA dramatisch, indem er „digitale Konvergenz einsetzt, Missions- und Missionsunterstützungsprozesse, Produkte und Fähigkeiten neu erfindet“. Auch hier stimmt seine Definition des digitalen Zwillings und anderer branchenüblicher Terminologie nicht immer mit der seiner Kollegen überein.

„Es scheint, dass jeder versucht, den digitalen Zwilling in sehr präskriptiven Begriffen zu definieren, aber ich weigere mich, das zu tun“, sagte Vickers. „Zum Beispiel schlage ich vor, dass kein physisches Gut erforderlich ist, ein Standpunkt, dem einige meiner Freunde vom AIAA [American Institute of Aeronautics and Astronautics] – die kürzlich eine Arbeit über digitale Zwillinge veröffentlicht haben – nicht zustimmen. Es ist auch nicht gleichbedeutend mit anderen Technologien wie MBSE [Model-Based Systems Engineering] oder, wie ich bereits erwähnt habe, dem Digital Thread, obwohl es Elemente von beidem enthält.“

Wie entworfen, wie gebaut, wie betrieben

Der digitale Zwilling ist ein interdisziplinärer Ansatz, erklärte er, der es Herstellern ermöglicht, Verbindungen zwischen Disziplinen zu analysieren, zu synthetisieren und zu einem koordinierten und kohärenten Ganzen zu harmonisieren.

Es ist „kollaborativ, vorhersagend, beschreibend, untersuchend, kognitiv und korrigierend.“

Und während die Vickers-Version des digitalen Zwillings tatsächlich modellbasiert ist, ist es dieser erste Teil – kollaborativ – der Benutzer daran hindert, ihn „über die Wand zu werfen“, wie es bei traditionellen multidisziplinären Modellen der Fall ist, die dazu neigen, Informationen in ihren eigenen isolierten Umgebungen zu halten.

Das bedeutet, dass der digitale Zwilling, der heute in der Konstruktions- und Fertigungsphase verwendet wird, eines Tages das gesamte Unternehmen antreibt. Dazu gehören die Marketing-, Management-, Produktions- und Finanzgruppen und letztendlich die Endbenutzer des Produkts, die diese Produkte im Fall der NASA möglicherweise zum Mond oder darüber hinaus mitnehmen.

Geburt des Zwillings

Vickers wies darauf hin, dass er und der NASA-Berater Michael Grieves – heute Chefwissenschaftler für fortschrittliche Fertigung am Florida Institute of Technology – 2010 den Begriff „digitaler Zwilling“ geprägt haben. Und obwohl er noch kein Teenager ist, hat der digitale Zwilling dieser Ära es getan hat sich in den letzten zehn Jahren stark entwickelt.

Zum Beispiel gibt es heute weitaus fortschrittlichere Simulations- und Analysesysteme sowie maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz.

Alle spielen jetzt eine wichtige Rolle in jeder Initiative zur digitalen Transformation.

Dies gilt auch für Augmented-, Hybrid- und Virtual-Reality-Tools. Diese helfen Menschen, virtuelle Produkte zu visualisieren und zu testen, und bringen ihnen dann bei, wie sie ihre physischen Versionen bedienen, sobald sie bereitgestellt wurden.

Und natürlich gibt es die additive Fertigung, die für die NASA und viele andere ein Schlüsselfaktor für schnelleres und kostengünstigeres Produktdesign ist.

Don Kinard ist Senior Fellow für die Luft- und Raumfahrtproduktion von Lockheed Martin in Fort Worth, Texas. Er verfügt auch über jahrzehntelange Erfahrung mit modellbasiertem Engineering, einem Trend, der ernsthaft in den frühen Tagen des F-35 Joint Strike Fighter-Programms begann.

„Die F-35 markierte den Beginn unserer digitalen Transformation“, sagte er.

„Anders als ihr Vorgänger, die F-22, die noch papierbasiert war, war sie das erste vollständig digital entwickelte Flugzeugprogramm. Wir hatten für alles solide Modelle.“

Paradigmen brechen

Das war im Jahr 2004. Seitdem hat die Digitalisierung Lockheed Martin unzählige Vorteile gebracht.

Abgesehen von den offensichtlichen, wie effizienteren Design- und Engineering-Prozessen, hat es auch erhebliche Verbesserungen in der Fertigung ermöglicht.

Dazu gehören automatisiertes Bohren und Anbringen von Befestigungselementen, verbesserte Bearbeitungsprozesse, robotergesteuertes Sprühen von Schutzbeschichtungen, computergesteuertes Laserschneiden von Rohren und seit kurzem berührungslose Messtechnik – alles angetrieben durch digitale Daten.

Die berührungslose Messtechnik ist in vielerlei Hinsicht von Bedeutung, bemerkte Kinard. Durch den Vergleich von 3D-Festkörpermodellen mit strukturierten Lichtscans von Flugzeugstrukturen und Unterbaugruppen können Hersteller alle Fragen zu As-Design vs. As-Built schneller und einfacher beantworten.

„Unsere Aufgabe als Technologiekonzern ist es, zu ermitteln, was die Produktion benötigt und wo Automatisierungsmöglichkeiten bestehen, und dann herauszufinden, wie diese kostengünstig und mit einem soliden Return on Investment umgesetzt werden können“, sagte er. „In vielen Fällen ist die Lösung eine digitale.“

Nichts davon sei neu, fügte er hinzu. Was sich geändert hat, ist die Fülle an Werkzeugen, die den Herstellern heute zur Verfügung stehen, seien es die gerade erwähnten Scanner für strukturiertes Licht und Laserlicht oder die fortschrittlichen Analyse-Software-Tools und -Systeme, die zur Analyse des Flugzeugdesigns verwendet werden.

„Nach ein paar Jahren im F-35-Programm konnte ich sehr deutlich sehen, wie viel Unterschied modellbasiertes Engineering macht, angefangen bei der anfänglichen Konstruktion des Flugzeugs bis hin zu der Art und Weise, wie wir es im Feld unterstützen.“

Betritt die Matrix

Es wirkt sich auch auf die Beschaffung von Flugzeugteilen und -materialien aus.

Kinard verwies auf die Arbeiten von Will Roper, dem stellvertretenden Sekretär der Air Force für Beschaffung, Technologie und Logistik. In seinen Papieren „Bending the Spoon“ schrieb Roper:„Obwohl unser Prozess des Kalten Krieges weltweit führende Militärsysteme hervorbringt, eskaliert der Zeitrahmen, und die Kosten sind unhaltbare Nebenprodukte. Der starke Kontrast zur kommerziellen Industrie stellt unser Militär an das „wunderlose“ Ende des Kaninchenbaus.“

Laut Roper führt der Weg aus diesem Kaninchenbau durch digitales Engineering, eine Reihe von Technologien, die zur Bezeichnung „e-Series“ der USAF für Flugzeuge, Satelliten und Waffensysteme geführt haben, die vollständig auf digitaler Grundlage entwickelt und hergestellt wurden.

Das erste Mitglied dieses schnell wachsenden Clubs? Der eT-7A Red Hawk, ein Jet-Trainer, der in nur 36 Monaten entworfen und gebaut wurde – und zu Ehren der Tuskegee Airmen benannt wurde.

„Die Möglichkeit, frühzeitig in der Entwicklungsphase virtuelle Prototypen zu entwickeln, senkt das Risiko für die Produktion, da wir wissen, ob das Design den Kundenanforderungen entspricht, bevor wir tatsächlich mit dem Schneiden von Metall und dem Verlegen von Verbundwerkstoffen beginnen, geschweige denn Jahre im Flug verbringen und Strukturtests“, sagte Kinard. „Das ist also heute der Schwerpunkt, von dem sich das meiste um Simulationsmodellierung dreht. Unsere Welt wird sich in den nächsten zehn Jahren dramatisch verändern, da diese Technologien immer ausgefeilter werden und die Genauigkeit unserer 3D-Modelle zunimmt.“

Paul Oldroyd, der als Technical Fellow und Principal Technical Resource für die Fertigungs- und Prozessentwicklung bei Bell (einem Geschäftsbereich von Textron) tätig ist, stimmte zu – allerdings mit einem Vorbehalt:Selbst angesichts der bemerkenswerten Erfolge und der Akzeptanz der digitalen Transformation hat die Branche immer noch Erfolg ein weiter Weg.

„Das Wort ‚Transformation‘ deutet auf ein dynamisches Umfeld hin, was bedeutet, dass wir weiter vorankommen müssen“, sagte er. „Trotzdem haben wir alle Fortschritte in Richtung einer vollständig digitalen Architektur gemacht.“

Du hast noch nichts gesehen

Bell hat seit der V-22, seinem ersten FBW-Flugzeug (Fly by Wire), sicherlich einen langen Weg zurückgelegt, erklärte er.

Darüber hinaus wird die 525 Relentless ein vollwertiger kommerzieller FBW-Drehflügler sein. Die Joint Multi-Role (JMR)-Flugzeuge einschließlich FLRAA (Future Long Range Assault Aircraft) und FARA (Future Attack Reconnaissance Aircraft) werden unter Verwendung des digitalen Zwillings entwickelt – und haben erhebliche Vorteile aus der Integration des digitalen Fadens gezogen.

„Als diskretes Beispiel für den Vorteil realisierte das JMR Valor V-280-Gondelhydrauliksystem eine 90-prozentige Reduzierung des Konstruktionsaufwands im Vergleich zu dem ähnlichen System der V-22 und lieferte gleichzeitig ein digitales Artefakt für die Produktionsteam, das in ähnlicher Weise die Entwicklungszeit und den Arbeitsaufwand in der Fabrik reduzierte.“

Das bedeutet nicht, dass sie fertig sind. Das modellbasierte Engineering wird ständig verbessert, stellte er fest, und der digitale Faden muss über den gesamten Lebenszyklus hinweg kontinuierlich und robust sein.

„Es wird nicht nur die Fahrzeugleistung verwalten und kommunizieren, sondern auch auf Fertigungs-, Wartungs- und Nachhaltigkeitsmetriken in der gesamten Lieferkette zurückgeführt. Digital Enterprise steht für kontinuierliches Feedback vom Luftfahrzeug durch physikbasierte Analysen, Design, virtuelle Validierung, Fertigung, Bereitschaft, Gesundheitsüberwachung, Erhaltung und Flottenbewusstsein.“

Oldroyd erklärte, dass die „Luftfahrt der nächsten Generation“ eine kontinuierliche gleichzeitige Reifung sowohl des Produkts als auch des Prozesses erfahren wird.

„Wir werden einen digitalen Zwilling mit offener Architektur verwenden, der Echtzeitdaten austauscht“, sagte er. „Diese Funktion bietet allen Beteiligten – Programmmanagern, internen Teammitgliedern, unseren Partnern und Kunden – nahezu in Echtzeit Zugriff auf dieselben Informationen, einschließlich technischer Analysen, Leistungsmerkmale und anderer relevanter Metriken.“

Ein Vorteil eines hochgradig interaktiven digitalen Zwillings auf Unternehmensebene besteht darin, dass sich der Fertigungsbereich gleichzeitig mit dem Design- und Analysebereich weiterentwickeln kann – im Wesentlichen wird der digitale Faden realisiert.

Um dies zu erreichen, hat Bell ein spezielles Manufacturing Technology Center eingerichtet, das laut Oldroyd „eine Fertigungsinnovationsumgebung ist, die auf einer auf das Internet der Dinge ausgerichteten digitalen Philosophie aufbaut“.

Zu diesem Zweck erforscht das Unternehmen Möglichkeiten, sensorbasierte Fertigungsdaten von CNC-Anlagen und Arbeitszellen zu erfassen, um den digitalen Zwilling zu informieren und zu verfeinern.

Dies liefert Feedback zum Herstellungsprozess selbst, hilft dem Unternehmen, die Produktivität zu optimieren, potenzielle Qualitätsprobleme zu vermeiden und eine Herstellungshistorie jeder Flugzeugkomponente für das verbundene Unternehmen, einschließlich der Betriebsteams, zu erstellen.

"Werden wir machen." sagte Oldroyd. „Der digitale Zwilling muss ein lebender Organismus sein – einer, der sich an veränderte Umstände anpasst. Auf diese Weise wird der Herstellungsprozess von Tag zu Tag robuster.

„Letztendlich können Arbeitszellen allwissende Elemente sein:Sie werden sich selbst beurteilen. Sie werden uns informieren, wenn sie nicht gesund sind. Und sie werden schließlich sogar Maßnahmen ergreifen, um auf ökologischer Ebene gesund zu werden. Wir sind mit der Entwicklung noch nicht fertig, aber das ‚digitale Universum‘ steuert dorthin.“