El Hilo Digital de NASA: Transformando la Manufactura y Desbloqueando Ahorros Significativos

Si la manufactura fuera una serie de películas taquilleras, el último letrero de teatro podría leer: "Próximamente en una cadena de suministro cerca de usted: El Hilo Digital". Y John Vickers sería uno de los primeros en la fila para comprar boletos. El tecnólogo principal para la Dirección de Misión de Tecnología Espacial en la sede de NASA en Washington, D.C., tiene una responsabilidad en toda la agencia por sus actividades de manufactura avanzada, y juega un papel clave ayudando a guiar a la organización hacia adelante en un mundo cada vez más digital.

Vickers rara vez usa la frase "hilo digital", sin embargo. En su lugar, favorece la frase más completa "gemelo digital", un término que dijo está en el corazón de cualquier transformación digital.

"El hilo digital es solo una pequeña pieza de la transformación digital actualmente en marcha en NASA y en otras partes de la comunidad manufacturera", dijo. "Gran parte de esto gira alrededor del uso del gemelo digital, o más ampliamente, un concepto al que nos referimos como 'todo basado en modelos'".

Como explicó en una presentación reciente al Grupo Cambridge, el gemelo digital mejora dramáticamente el impacto de la misión de NASA al "comprometer convergencia digital, reinventar procesos, productos y capacidades de misión y soporte de misión". Aquí de nuevo, sin embargo, su definición de gemelo digital y otra terminología estándar de la industria no siempre está en sintonía con la de sus colegas.

"Parece que todos intentan definir el gemelo digital en términos muy prescriptivos, pero me niego a hacer eso", dijo Vickers. "Por ejemplo, propongo que no requiere un activo físico, un punto de vista con el que algunos de mis amigos en AIAA [Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica], que publicaron recientemente un artículo sobre gemelos digitales, no están de acuerdo. Tampoco es sinónimo de otras tecnologías, como MBSE [ingeniería de sistemas basada en modelos] o, como ya mencioné, el hilo digital, aunque contiene elementos de cada uno".

Como diseñado, como construido, como operado

El gemelo digital es un enfoque interdisciplinario, explicó, uno que permite a los fabricantes analizar, sintetizar y armonizar enlaces entre disciplinas en un todo coordinado y coherente.

Es "colaborativo, predictivo, descriptivo, investigativo, cognitivo y correctivo".

Y mientras la versión de Vickers del gemelo digital es ciertamente basada en modelos, es esa primera parte —colaborativa— la que impide a los usuarios "tirarlo por encima del muro" como con modelos multidisciplinarios tradicionales, que tienden a mantener la información dentro de sus propios entornos aislados.

Esto significa que el gemelo digital usado hoy durante las etapas de diseño y manufactura un día impulsará toda la empresa de negocios. Esto incluye los grupos de marketing, gestión, producción y finanzas, y finalmente, los usuarios finales del producto, que en el caso de NASA, podrían estar llevando esos productos a la luna o más allá.

Nacimiento del gemelo

Vickers señaló que él y el consultor de NASA Michael Grieves, ahora científico jefe para manufactura avanzada en el Instituto de Tecnología de Florida, acuñaron la frase "gemelo digital" en 2010. Y aunque aún no es un adolescente, el gemelo digital de esa era ha evolucionado grandemente en la última década.

Por ejemplo, hay sistemas de simulación y análisis mucho más avanzados disponibles hoy, así como aprendizaje automático e inteligencia artificial.

Todos ahora juegan roles significativos en cualquier iniciativa de transformación digital.

Lo mismo hacen herramientas de realidad aumentada, híbrida y virtual. Estas ayudan a los humanos a visualizar y probar productos virtuales, luego enseñarles cómo operar sus versiones físicas una vez que han sido desplegados.

Y por supuesto, está la manufactura aditiva, que para NASA y muchos otros es un habilitador clave de diseño de productos más rápido y rentable.

Don Kinard es un miembro senior para operaciones de producción de aeronáutica de Lockheed Martin en Fort Worth, Texas. También tiene décadas de experiencia con ingeniería basada en modelos, una tendencia que comenzó en serio durante los primeros días del programa F-35 de caza de ataque conjunto.

"El F-35 significó el comienzo de nuestra transformación digital", dijo.

"A diferencia de su predecesor el F-22, que todavía era basado en papel, fue el primer programa de avión de ingeniería completamente digital. Teníamos modelos sólidos para todo".

Rompiendo paradigmas

Eso fue en 2004. Desde entonces, la digitalización ha traído innumerables beneficios a Lockheed Martin.

Además de los obvios, como procesos de diseño e ingeniería más eficientes, también ha permitido mejoras significativas en la planta de manufactura.

Esto incluye taladrado automatizado e instalación de sujetadores, procesos de mecanizado mejorados, rociado robótico de recubrimientos protectores, corte láser controlado por computadora de tubos y, más recientemente, metrología sin contacto, todo impulsado por datos digitales.

La metrología sin contacto es significativa en muchos aspectos, señaló Kinard. Al comparar modelos sólidos 3D con escaneos de luz estructurada de estructuras y subensamblajes de aeronaves, los fabricantes encuentran que es tanto más rápido como más fácil responder cualquier pregunta sobre como diseñado vs. como construido.

"Es nuestro trabajo como grupo de tecnología identificar lo que la planta de producción necesita y dónde existen oportunidades para automatización, luego averiguar cómo implementarlas rentablemente y con un sólido retorno de inversión", dijo. "En muchos casos, la solución es digital".

Nada de esto es nuevo, añadió. Lo que ha cambiado son la riqueza de herramientas disponibles para los fabricantes hoy, ya sean los escáneres de luz estructurada y láser recién mencionados o las herramientas y sistemas de software de análisis avanzado usados para analizar diseño de aeronaves.

"Unos años en el programa F-35, pude ver muy claramente cuánta diferencia hace la ingeniería basada en modelos, empezando con el diseño inicial de la aeronave todo el camino hasta cómo la apoyamos en el campo".

Entra la Matriz

También está afectando cómo se abastecen las piezas y materiales de aeronaves.

Kinard apuntó a los trabajos de Will Roper, secretario asistente de la Fuerza Aérea para adquisición, tecnología y logística. En sus artículos "Doblando la cuchara", Roper escribió: "Aunque nuestro proceso de Guerra Fría produce sistemas militares líderes mundiales, los plazos y costos crecientes son subproductos insostenibles. El marcado contraste con la industria comercial pone a nuestro ejército en el extremo 'sin asombro' del agujero del conejo".

Según Roper, la salida de este agujero del conejo es a través de ingeniería digital, un conjunto de tecnologías que ha llevado a la designación "e-Series" de la USAF para aeronaves, satélites y sistemas de armas diseñados y fabricados completamente sobre una base digital.

¿El primer miembro de este club de rápido crecimiento? El eT-7A Red Hawk, un entrenador a reacción diseñado y construido en solo 36 meses, y nombrado en honor a los Aviadores de Tuskegee.

"La capacidad de desarrollar prototipos virtuales temprano en la fase de desarrollo reduce el riesgo para producción, ya que nos deja saber si el diseño cumplirá los requisitos del cliente antes de que realmente empecemos a cortar metal y colocar compuestos, por no hablar de pasar años en pruebas de vuelo y estructurales", dijo Kinard. "Así que ese es realmente el énfasis hoy, la mayor parte del cual gira alrededor de modelado de simulación. Nuestro mundo va a cambiar dramáticamente en la próxima década más o menos a medida que estas tecnologías crezcan más sofisticadas y la fidelidad de nuestros modelos 3D aumente".

Paul Oldroyd, quien sirve como miembro técnico y recurso técnico principal para manufactura y desarrollo de procesos en Bell (una división de Textron), estuvo de acuerdo, pero con una salvedad: Incluso considerando sus éxitos notables y abrazo de la transformación digital, la industria aún tiene camino por recorrer.

"La palabra 'transformación' infiere un entorno dinámico, lo que significa que debemos continuar avanzando", dijo. "Aún así, todos hemos hecho progresos hacia una arquitectura completamente digital".

Aún no han visto nada

Bell ciertamente ha recorrido un largo camino desde el V-22, su primera aeronave FBW (fly by wire), explicó.

Además, el 525 Relentless será un rotorcraft comercial totalmente FBW. Los aviones Multi-Rol Conjunto (JMR) incluyendo FLRAA (Aeronave de Asalto de Largo Alcance Futuro) y FARA (Aeronave de Reconocimiento de Ataque Futuro) están siendo desarrollados usando el gemelo digital, y han realizado beneficios significativos de la incorporación del hilo digital.

"Como un ejemplo discreto del beneficio, el sistema hidráulico de la góndola JMR Valor V-280 realizó una reducción del 90 por ciento en mano de obra de ingeniería comparado con el sistema similar en el V-22, y al mismo tiempo proporcionó un artefacto digital al equipo de manufactura, que similarmente redujo tiempo y mano de obra de desarrollo de fábrica".

Eso no significa que hayan terminado. La ingeniería basada en modelos está constantemente mejorando, señaló, y el hilo digital necesita ser continuo y robusto a lo largo de todo el ciclo de vida.

"No solo gestionará y comunicará el rendimiento del vehículo sino también traducirá de vuelta a manufactura, mantenimiento y métricas de sostenimiento a través de toda la cadena de suministro. Empresa Digital representa retroalimentación continua desde el vehículo aéreo a través de análisis basados en física, diseño, validación virtual, manufactura, alistamiento, monitoreo de salud, sostenimiento y conciencia de flota".

Oldroyd explicó que la "aviación de próxima generación" disfrutará de maduración simultánea continua de tanto el producto como el proceso.

"Utilizaremos una arquitectura de gemelo digital abierto que intercambia datos en tiempo real", dijo. "Esta capacidad proporcionará a todas las partes interesadas —gerentes de programa, miembros internos del equipo, nuestros socios y clientes— acceso casi en tiempo real a la misma información, incluyendo análisis de ingeniería, características de rendimiento y otras métricas relevantes".

Una ventaja de un gemelo digital empresarial altamente interactivo es que el espacio de manufactura puede evolucionar simultáneamente con el espacio de diseño y análisis, en esencia, realizando el hilo digital.

Para lograr esto, Bell ha creado un Centro de Tecnología de Manufactura dedicado, que Oldroyd dijo es "un entorno de innovación de manufactura construido sobre una filosofía digital centrada en Internet de las Cosas".

Para este fin, la empresa está explorando formas de capturar datos de manufactura basados en sensores de equipos CNC y celdas de trabajo para informar y refinar el gemelo digital.

Esto proporcionará retroalimentación sobre el proceso de manufactura en sí, ayudando a la empresa a optimizar productividad, evitar problemas potenciales de calidad y crear un historial de manufactura de cada componente de aeronave para la empresa conectada, incluyendo los equipos operativos.

"Lo haremos". Oldroyd dijo. "El gemelo digital tiene que ser un organismo vivo, uno que se ajustará a circunstancias cambiantes. De esa manera, el proceso de manufactura se volverá más y más robusto con cada día que pasa.

"Finalmente, las celdas de trabajo pueden ser elementos omniscientes: Se autoevaluarán. Nos informarán cuando no estén sanas. Y eventualmente incluso tomarán acción para volverse sanas a nivel ambiental. No hemos terminado de evolucionar, pero ahí es donde se dirige el 'universo digital'".