Digital Thread NASA: Transformasi Manufaktur dan Buka Penghematan Signifikan

Jika manufaktur adalah serangkaian film blockbuster, papan nama bioskop terbaru mungkin membaca, "Segera hadir di rantai pasokan di dekat Anda: Digital Thread." Dan John Vickers akan menjadi salah satu yang pertama dalam antre untuk membeli tiket. Ahli teknologi utama untuk Space Technology Mission Directorate di NASA Headquarters di Washington, D.C., ia memiliki tanggung jawab seluruh agensi untuk kegiatan manufaktur canggihnya—dan memainkan peran kunci dalam membantu memandu organisasi maju di dunia yang semakin digital.

Namun, Vickers jarang menggunakan frasa "digital thread." Sebaliknya, ia lebih memilih frasa yang lebih komprehensif "digital twin," istilah yang katanya terletak di jantung setiap transformasi digital.

"Digital thread hanyalah potongan kecil dari transformasi digital yang saat ini berlangsung di NASA dan di seluruh komunitas manufaktur lainnya," katanya. "Sebagian besar ini berputar di sekitar penggunaan digital twin, atau lebih luas lagi, konsep yang kami sebut 'model-based everything'."

Seperti yang dia jelaskan dalam presentasi terbaru kepada Cambridge Group, digital twin secara dramatis meningkatkan dampak misi NASA dengan "melibatkan konvergensi digital, merangka ulang proses, produk, dan kemampuan misi dan dukungan misi." Namun, di sini lagi, definisinya tentang digital twin dan terminologi industri standar lainnya tidak selalu sinkron dengan rekan-rekannya.

"Sepertinya semua orang mencoba mendefinisikan digital twin dalam hal yang sangat spesifik, tetapi saya menolak untuk melakukannya," kata Vickers. "Misalnya, saya mengajukan bahwa itu tidak memerlukan aset fisik, pendapat yang tidak disetujui oleh beberapa teman saya di AIAA [American Institute of Aeronautics and Astronautics]—yang baru-baru ini menerbitkan makalah tentang digital twin. Nor itu sinonim dengan teknologi lain, seperti MBSE [model-based systems engineering] atau, seperti yang sudah saya sebutkan, digital thread, meskipun itu mengandung elemen dari masing-masing."

Seperti dirancang, seperti dibangun, seperti dioperasikan

Digital twin adalah pendekatan lintas disiplin, katanya, satu yang memungkinkan produsen untuk menganalisis, menyintesis, dan menyelaraskan hubungan antara disiplin menjadi keseluruhan yang terkoordinasi dan kohesif.

Itu "kolaboratif, prediktif, deskriptif, investigatif, kognitif, dan korektif."

Dan sementara versi digital twin Vickers memang berbasis model, itu bagian pertama—kolaboratif—yang mencegah pengguna untuk "melemparkannya di atas dinding" seperti dalam model multidisipil tradisional, yang cenderung menyimpan informasi dalam lingkungan silo mereka sendiri.

Ini berarti digital twin yang digunakan saat ini selama tahap desain dan pemasokan suatu hari akan mengemudi seluruh bisnis perusahaan. Ini mencakup grup pemasaran, manajemen, produksi, dan keuangan, dan pada akhirnya, pengguna akhir produk, yang dalam kasus NASA, mungkin membawa produk-produk tersebut ke bulan atau lebih jauh.

Kelahiran twin

Vickers menyarankan bahwa dia dan konsultan NASA Michael Grieves—sekarang ilmuwan utama untuk manufaktur canggih di Florida Institute of Technology—merintis frasa "digital twin" pada 2010. Dan sementara itu belum remaja, digital twin dari era tersebut telah berevolusi secara besar-besaran selama sepuluh tahun terakhir.

Misalnya, sekarang tersedia sistem simulasi dan analitik yang jauh lebih canggih, serta machine learning dan artificial intelligence.

Semua kini memainkan peran signifikan dalam setiap inisiatif transformasi digital.

Begitu juga dengan alat realitas augmented, hybrid, dan virtual. Ini membantu manusia untuk memvisualisasikan dan menguji produk virtual, lalu mengajarkan mereka cara mengoperasikan versi fisiknya setelah diterapkan.

Dan tentunya, ada manufaktur aditif, yang bagi NASA dan banyak lainnya adalah pendorong kunci untuk desain produk yang lebih cepat dan lebih hemat biaya.

Don Kinard adalah senior fellow untuk operasi produksi aeronautika Lockheed Martin di Fort Worth, Texas. Dia juga memiliki pengalaman selama bertahun-tahun dengan rekayasa berbasis model, tren yang dimulai secara serius pada hari awal program jet tempur gabungan F-35.

"F-35 menandai awal transformasi digital kami," katanya.

"Tidak seperti pendahulunya F-22, yang masih berbasis kertas, ini adalah program pesawat dirancang sepenuhnya secara digital. Kami memiliki model padat untuk semua hal."

Menggulingkan paradigma

Itu terjadi pada 2004. Sejak itu, digitalisasi telah membawa manfaat tak terhitung bagi Lockheed Martin.

Selain yang jelas, seperti proses desain dan rekayasa yang lebih efisien, itu juga telah memungkinkan perbaikan signifikan di lantai produksi.

Ini termasuk pemboran otomatis dan pemasangan pengebor, proses pemesinan yang ditingkatkan, penyemprotan robotik pelindung lapisan, pemotongan laser tube yang dikontrol komputer, dan, lebih baru-baru ini, metrologi non-kontak—semua didorong oleh data digital.

Metrologi non-kontak signifikan dalam banyak cara, kata Kinard. Dengan membandingkan model padat 3D dengan pemindahan cahaya terstruktur dari struktur pesawat dan subrakitan, produsen menemukan lebih cepat dan lebih mudah untuk menjawab pertanyaan apa pun tentang as-designed vs. as-built.

"Ini adalah tugas kami sebagai grup teknologi untuk mengidentifikasi apa yang dibutuhkan lantai produksi dan di mana ada peluang untuk otomatisasi, lalu mencari tahu cara menerapkannya secara hemat biaya dan dengan pengembalian investasi yang solid," katanya. "Dalam banyak kasus, solusinya adalah digital."

Semua ini tidak baru, katanya. Yang berubah adalah kekayaan alat yang tersedia bagi produsen saat ini, baik itu scanner cahaya terstruktur dan laser yang baru disebut atau alat dan sistem analitik canggih yang digunakan untuk menganalisis desain pesawat.

"Beberapa tahun ke dalam program F-35, saya dapat melihat dengan sangat jelas seberapa besar perbedaan yang dibuat oleh rekayasa berbasis model, mulai dari desain awal pesawat hingga cara kami mendukungnya di lapangan."

Enter the Matrix

Itu juga mempengaruhi cara bagian dan bahan pesawat disumberkan.

Kinard menunjuk pada karya Will Roper, asisten sekretaris Angkatan Udara untuk akuisisi, teknologi dan logistik. Dalam kertas kerja "Bending the spoon" miliknya, Roper menulis, "Meskipun proses Cold War kami memproduksi sistem militer terdepan di dunia, timeline dan biaya yang melonjak adalah hasil sampingan yang tidak berkelanjutan. Kontras yang tajam dengan industri komersial meletakkan militer kami di ujung 'tak heran' dari lubang kelinci."

Menurut Roper, jalan keluar dari lubang kelinci ini adalah melalui rekayasa digital, sekelompok teknologi yang telah mengarah pada penetapan "e-Series" Angkatan Udara untuk pesawat, satelit, dan sistem senjata yang sepenuhnya dirancang dan diproduksi pada fondasi digital.

Anggota pertama dari klub yang berkembang pesat ini? eT-7A Red Hawk, pelatih jet yang dirancang dan dibangun dalam waktu hanya 36 bulan—dan dinamakan untuk menghormati Tuskegee Airmen.

"Kemampuan untuk mengembangkan prototipe virtual awal dalam tahap pengembangan mengurangi risiko untuk produksi, karena itu memberi tahu kami apakah desain akan memenuhi persyaratan pelanggan sebelum kami benar-benar memulai pemotongan logam dan penataan komposit, asidek dari menghabiskan tahun untuk uji penerbangan dan struktur," kata Kinard. "Jadi itulah yang benar-benar menjadi penekanan saat ini, sebagian besar berputar di sekitar pemodelan simulasi. Dunia kami akan berubah secara dramatis selama satu dekade atau lebih mendatang saat teknologi ini menjadi lebih canggih dan fidelitas model 3D kami meningkat."

Paul Oldroyd, yang berperan sebagai technical fellow dan technical resource utama untuk pengembangan manufaktur dan proses di Bell (divisi Textron), setuju—tetapi dengan satu catatan: Bahkan mengingat keberhasilan luar biasa dan penerimaan transformasi digital, industri masih memiliki jalan yang harus ditempuh.

"Kata 'transformasi' menyiratkan lingkungan yang dinamis, yang berarti kita harus terus maju," katanya. "Masih, kita semua telah membuat progresi menuju arsitektur digital sepenuhnya."

You ain't seen nothin' yet

Bell tentu telah melangkah jauh sejak V-22, pesawat FBW (fly by wire) pertamanya, katanya.

Selain itu, 525 Relentless akan menjadi helikopter komersial yang sepenuhnya FBW. Pesawat Joint Multi-Role (JMR) termasuk FLRAA (Future Long Range Assault Aircraft) dan FARA (Future Attack Reconnaissance Aircraft) sedang dikembangkan menggunakan digital twin—dan telah merasakan manfaat signifikan dari integrasi digital thread.

"Sebagai contoh diskrit dari manfaatnya, sistem hidrolik nacelle JMR Valor V-280 mengalami pengurangan tenaga kerja rekayasa sebesar 90 persen dibandingkan dengan sistem yang serupa pada V-22, dan pada saat yang sama menyediakan artefak digital kepada tim produksi, yang sama mengurangi waktu dan tenaga kerja pengembangan pabrik."

Itu tidak berarti mereka sudah selesai. Rekayasa berbasis model terus-menerus meningkat, katanya, dan digital thread perlu berkelanjutan dan kuat selama seluruh siklus hidup.

"Itu tidak hanya akan mengelola dan mengomunikasikan performa kendaraan tetapi juga menterjemahkan kembali ke manufaktur, pemeliharaan, dan metrik pertahanan melalui seluruh rantai pasokan. Digital Enterprise mewakili umpan balik berkelanjutan dari kendaraan udara melalui analitik berbasis fisika, desain, validasi virtual, manufaktur, kesiapan, pemantauan kesehatan, pertahanan, dan kesadaran fleet."

Oldroyd menjelaskan bahwa "penerbangan generasi berikut" akan menikmati pematangan yang berkelanjutan secara bersamaan baik dari produk maupun proses.

"Kami akan menggunakan digital twin arsitektur terbuka yang bertukar data secara real-time," katanya. "Kemampuan ini akan memberikan semua pemangku kepentingan—manajer program, anggota tim internal, mitra kami, dan pelanggan—dengan akses hampir real-time ke informasi yang sama, termasuk analisis rekayasa, karakteristik performa, dan metrik lain yang relevan."

Salah satu keuntungan dari digital twin perusahaan yang sangat interaktif adalah ruang manufaktur dapat berevolusi secara bersamaan dengan ruang desain dan analisis—pada intinya, mewujudkan digital thread.

Untuk mencapai ini, Bell telah menciptakan Pusat Teknologi Manufaktur khusus, yang menurut Oldroyd adalah "lingkungan inovasi manufaktur yang dibangun di atas filosofi digital yang berpusat pada Internet of Things."

Untuk tujuan ini, perusahaan sedang mengeksplorasi cara untuk menangkap data manufaktur berbasis sensor dari peralatan CNC dan sel kerja untuk memberi informasi dan menyempurnakan digital twin.

Ini akan memberikan umpan balik tentang proses manufaktur itu sendiri, membantu perusahaan mengoptimalkan produktivitas, menghindari masalah kualitas potensial dan menciptakan riwayat manufaktur dari setiap komponen pesawat untuk perusahaan yang terhubung, termasuk tim operasional.

"Kami akan melakukannya," kata Oldroyd. "Digital twin harus menjadi organisme hidup—satu yang akan menyesuaikan diri dengan keadaan yang berubah. Dengan cara itu, proses manufaktur akan menjadi semakin tangguh setiap harinya."

"Pada akhirnya, sel kerja dapat menjadi elemen yang tutto mengetahui: Mereka akan menilai diri sendiri. Mereka akan memberitahu kami ketika mereka tidak sehat. Dan mereka pada akhirnya bahkan akan mengambil tindakan untuk menjadi sehat pada tingkat lingkungan. Kami belum selesai berevolusi, tapi itulah arah 'digital universe' menuju."