NASAs Digital Thread: Fertigung transformieren und erhebliche Einsparungen freisetzen

Wäre Fertigung eine Reihe von Blockbuster-Filmen, könnte das aktuelle Theaterplakat lauten: „Demnächst in einer Lieferkette in Ihrer Nähe: The Digital Thread.“ Und John Vickers wäre einer der Ersten, der Tickets kauft. Als Principal Technologist für die Space Technology Mission Directorate am NASA-Hauptquartier in Washington, D.C., trägt er die agenturweite Verantwortung für fortschrittliche Fertigungsaktivitäten – und spielt eine Schlüsselrolle dabei, die Organisation in einer zunehmend digitalen Welt voranzubringen.

Vickers nutzt den Begriff „Digital Thread“ selten. Stattdessen bevorzugt er den umfassenderen Begriff „Digital Twin“, der seiner Aussage nach im Herzen jeder digitalen Transformation liegt.

„Der Digital Thread ist nur ein kleiner Teil der derzeit bei der NASA und anderswo in der Fertigungscommunity laufenden digitalen Transformation“, sagte er. „Vieles davon dreht sich um den Einsatz des Digital Twin, oder breiter gefasst, ein Konzept, das wir als ‚Model-Based Everything‘ bezeichnen.“

Wie er in einer kürzlichen Präsentation für die Cambridge Group erklärte, steigert der Digital Twin die Missionswirkung der NASA dramatisch, indem er „digitale Konvergenz vorantreibt, Mission und Missionssupport-Prozesse, -Produkte und -Fähigkeiten neu erfindet.“ Auch hier ist seine Definition von Digital Twin und anderer Branchenstandardterminologie nicht immer in Einklang mit der seiner Kollegen.

„Es scheint, jeder versucht, den Digital Twin in sehr präskriptiven Begriffen zu definieren, aber ich weigere mich, das zu tun“, sagte Vickers. „Zum Beispiel schlage ich vor, dass er kein physisches Asset erfordert, eine Sichtweise, mit der einige meiner Freunde bei der AIAA [American Institute of Aeronautics and Astronautics] – die kürzlich eine Arbeit zu Digital Twins veröffentlichten – nicht einverstanden sind. Er ist auch nicht synonym mit anderen Technologien wie MBSE [Model-Based Systems Engineering] oder, wie ich bereits erwähnte, dem Digital Thread, obwohl er Elemente von beidem enthält.“

As Designed, As Built, As Operated

Der Digital Twin ist ein interdisziplinärer Ansatz, erklärte er, der Herstellern erlaubt, Verbindungen zwischen Disziplinen zu analysieren, zu synthetisieren und in ein koordiniertes, kohärentes Ganzes zu harmonisieren.

Er ist „kollaborativ, prädiktiv, deskriptiv, investigativ, kognitiv und korrigierend.“

Und während Vickers‘ Version des Digital Twin tatsächlich model-based ist, ist es genau dieser erste Teil – kollaborativ –, der Nutzer daran hindert, ihn „über die Mauer zu werfen“, wie bei traditionellen multidisziplinären Modellen, die dazu neigen, Informationen in ihren eigenen siloisierten Umgebungen zu behalten.

Das bedeutet, dass der Digital Twin, der heute in Design- und Fertigungsphasen genutzt wird, eines Tages das gesamte Geschäftsunternehmen steuern wird. Dies umfasst Marketing, Management, Produktion und Finanzgruppen und letztlich die Endnutzer des Produkts, die im Fall der NASA diese Produkte zum Mond oder darüber hinaus bringen könnten.

Geburt des Zwillings

Vickers wies darauf hin, dass er und NASA-Berater Michael Grieves – jetzt Chief Scientist für Advanced Manufacturing am Florida Institute of Technology – den Begriff „Digital Twin“ 2010 prägten. Und obwohl er noch kein Teenager ist, hat sich der Digital Twin jener Ära im vergangenen Jahrzehnt stark weiterentwickelt.

Zum Beispiel gibt es heute weit fortgeschrittenere Simulations- und Analysesysteme sowie maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz.

All dies spielt jetzt eine bedeutende Rolle in jeder Digitalisierungsinitiative.

Auch Augmented, Hybrid und Virtual Reality Tools tun dies. Sie helfen Menschen, virtuelle Produkte zu visualisieren und zu testen, und lehren sie dann, wie sie ihre physischen Versionen bedienen, sobald sie eingesetzt wurden.

Und natürlich gibt es additive Fertigung, die für die NASA und viele andere ein Schlüssel-Enabler für schnelleres, kosteneffektiveres Produktdesign ist.

Don Kinard ist Senior Fellow für Lockheed Martins Aeronautics Production Operations in Fort Worth, Texas. Er hat auch jahrzehntelange Erfahrung mit model-based Engineering, einem Trend, der während der frühen Tage des F-35 Joint Strike Fighter Programms ernsthaft begann.

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

„Im Gegensatz zu seinem Vorgänger F-22, der noch papierbasiert war, war es das erste vollständig digitale Engineering-Flugzeugprogramm. Wir hatten Solid Models für alles.“

Paradigmen brechen

Das war 2004. Seitdem hat Digitalisierung zahllose Vorteile für Lockheed Martin gebracht.

Abgesehen von den offensichtlichen, wie effizienteren Design- und Engineering-Prozessen, hat sie auch signifikante Verbesserungen auf dem Shopfloor ermöglicht.

Dazu gehören automatisiertes Bohren und Nietinstallation, verbesserte Bearbeitungsprozesse, robotergestütztes Spritzen von Schutzbeschichtungen, computergesteuertes Laserschneiden von Rohren und, kürzlich, berührungslose Messtechnik – alles getrieben von digitalen Daten.

Berührungslose Messtechnik ist in vielerlei Hinsicht signifikant, bemerkte Kinard. Durch Vergleich von 3D-Solid-Modellen mit Strukturlichtscans von Flugzeugstrukturen und Baugruppen finden Hersteller es sowohl schneller als auch einfacher, Fragen zu As-Designed vs. As-Built zu beantworten.

„Es ist unser Job als Technologiegruppe, zu identifizieren, was der Shopfloor braucht und wo Automatisierungsmöglichkeiten bestehen, dann herauszufinden, wie man sie kosteneffektiv und mit solidem ROI umsetzt“, sagte er. „In vielen Fällen ist die Lösung eine digitale.“

Nichts davon ist neu, fügte er hinzu. Was sich geändert hat, sind die Fülle an Werkzeugen, die Herstellern heute zur Verfügung stehen, ob das die eben erwähnten Struktur- und Laserscanner sind oder die fortschrittlichen Analyse-Softwaretools und -systeme zur Analyse von Flugzeugdesign.

„Ein paar Jahre in das F-35-Programm hinein konnte ich sehr klar sehen, wie viel Unterschied model-based Engineering macht, vom initialen Design des Flugzeugs bis hin zu dessen Unterstützung im Feld.“

Enter the Matrix

Es beeinflusst auch, wie Flugzeugteile und -materialien beschafft werden.

Kinard verwies auf die Arbeiten von Will Roper, Assistant Secretary of the Air Force für Acquisition, Technology and Logistics. In seinen „Bending the Spoon“-Papieren schrieb Roper: „Obwohl unser Kalter-Krieg-Prozess weltführende Militärsysteme produziert, sind eskalierende Zeitpläne und Kosten untragbare Nebenprodukte. Der krasse Kontrast zur kommerziellen Industrie bringt unser Militär an das ‚wonderlose‘ Ende des Kaninchenbauchlochs.“

Laut Roper ist der Ausweg aus diesem Kaninchenbau durch Digital Engineering, einen Satz von Technologien, der zur „e-Series“-Bezeichnung der USAF für Flugzeuge, Satelliten und Waffensysteme führte, die vollständig auf einer digitalen Basis entworfen und gefertigt wurden.

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

„Die Fähigkeit, virtuelle Prototypen früh in der Entwicklungsphase zu erstellen, senkt das Risiko für die Produktion, da sie uns zeigt, ob das Design die Kundenanforderungen erfüllt, bevor wir tatsächlich anfangen, Metall zu schneiden und Composites zu legen, ganz zu schweigen von Jahren an Flug- und Strukturtests“, sagte Kinard. „Das ist wirklich der Schwerpunkt heute, der sich mostly um Simulationsmodellierung dreht. Unsere Welt wird sich in den nächsten zehn Jahren dramatisch verändern, wenn diese Technologien raffinierter werden und die Fidelität unserer 3D-Modelle zunimmt.“

Paul Oldroyd, der als Technical Fellow und Principal Technical Resource für Manufacturing and Process Development bei Bell (eine Division von Textron) dient, stimmte zu – aber mit einer Einschränkung: Selbst in Anbetracht seiner bemerkenswerten Erfolge und Umarmung der digitalen Transformation hat die Industrie noch einen Weg vor sich.

„Das Wort ‚Transformation‘ impliziert eine dynamische Umgebung, was bedeutet, dass wir weiter voranschreiten müssen“, sagte er. „Dennoch haben wir alle Fortschritte in Richtung einer vollständig digitalen Architektur gemacht.“

You ain't seen nothin' yet

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

Zusätzlich wird die 525 Relentless ein vollständig FBW-kommerzielles Drehflügelflugzeug sein. Die Joint Multi-Role (JMR) Flugzeuge einschließlich FLRAA (Future Long Range Assault Aircraft) und FARA (Future Attack Reconnaissance Aircraft) werden mit dem Digital Twin entwickelt – und haben signifikanten Nutzen aus der Integration des Digital Thread realisiert.

„Als diskretes Beispiel für den Nutzen realisierte das JMR Valor V-280 Gondel-Hydrauliksystem eine 90-prozentige Reduktion im Engineering-Aufwand im Vergleich zum ähnlichen System am V-22 und lieferte gleichzeitig ein digitales Artefakt an das Fertigungsteam, das ähnlich Fabrik-Entwicklungszeit und -Aufwand reduzierte.“

Das heißt nicht, dass sie fertig sind. Model-Based Engineering verbessert sich ständig, stellte er fest, und der Digital Thread muss kontinuierlich und robust über den gesamten Lebenszyklus sein.

„Er wird nicht nur Fahrzeugleistung managen und kommunizieren, sondern auch zurück zu Fertigung, Wartung und Sustainment-Metriken durch die gesamte Lieferkette übersetzen. Digital Enterprise repräsentiert kontinuierliches Feedback vom Luftfahrzeug durch physikbasierte Analytik, Design, virtuelle Validierung, Fertigung, Bereitschaft, Gesundheitsüberwachung, Sustainment und Flottenbewusstsein.“

Oldroyd erklärte, dass „Next-Generation Aviation“ die gleichzeitige Reifung sowohl von Produkt als auch Prozess genießen wird.

„Wir werden eine offene-Architektur Digital Twin nutzen, die Echtzeitdaten austauscht“, sagte er. „Diese Fähigkeit wird allen Stakeholdern – Programmmanagern, internen Teammitgliedern, unseren Partnern und Kunden – Near-Real-Time-Zugriff auf dieselben Informationen geben, einschließlich Engineering-Analysen, Leistungscharakteristiken und anderen relevanten Metriken.“

Ein Vorteil eines hochinteraktiven, enterprise-level Digital Twin ist, dass der Fertigungsraum sich gleichzeitig mit Design- und Analyse-Raum entwickeln kann – im Wesentlichen den Digital Thread realisierend.

Um dies zu erreichen, hat Bell ein dediziertes Manufacturing Technology Center geschaffen, das Oldroyd als „eine Fertigungsinnovationsumgebung, gebaut auf einer Internet-of-Things-zentrierten digitalen Philosophie“ beschrieb.

Zu diesem Zweck erforscht das Unternehmen Wege, sensorbasierte Fertigungsdaten von CNC-Ausrüstung und Arbeitszellen zu erfassen, um den Digital Twin zu informieren und zu verfeinern.

Dies wird Feedback über den Fertigungsprozess selbst liefern, dem Unternehmen helfen, Produktivität zu optimieren, potenzielle Qualitätsprobleme zu vermeiden und eine Fertigungshistorie jedes Flugzeugkomponenten für das vernetzte Unternehmen, einschließlich der operativen Teams, zu erstellen.

„Wir werden das tun.“ Oldroyd sagte. „Der Digital Twin muss ein lebender Organismus sein – einer, der sich an veränderte Umstände anpasst. So wird der Fertigungsprozess mit jedem Tag robuster.

„Letztendlich können Arbeitszellen allwissende Elemente werden: Sie werden sich selbst bewerten. Sie werden uns informieren, wenn sie nicht gesund sind. Und sie werden schließlich sogar Maßnahmen ergreifen, um auf Umwelt-Ebene gesund zu werden. Wir sind nicht fertig mit der Evolution, aber das ist der Ort, wohin das ‚digitale Universum‘ strebt.“