Para onde o 'universo digital' está indo (e onde a economia pode ser obtida hoje)

Se a manufatura fosse uma série de filmes de grande sucesso, a mais recente marquise de cinema poderia dizer:“Em breve em uma cadeia de suprimentos perto de você:The Digital Thread”. E John Vickers seria um dos primeiros da fila para comprar ingressos. Principal tecnólogo da Diretoria de Missão de Tecnologia Espacial na sede da NASA em Washington, D.C., ele tem a responsabilidade de toda a agência por suas atividades de fabricação avançada e desempenha um papel fundamental para ajudar a orientar a organização em um mundo cada vez mais digital.

Vickers raramente usa a frase “fio digital”, no entanto. Em vez disso, ele prefere a frase mais abrangente “gêmeo digital”, um termo que, segundo ele, está no centro de qualquer transformação digital.

“O segmento digital é apenas uma pequena parte da transformação digital atualmente em andamento na NASA e em outros lugares da comunidade de manufatura”, disse ele. “Muito disso gira em torno do uso do gêmeo digital, ou mais amplamente, um conceito que chamamos de ‘tudo baseado em modelo’.”

Como ele explicou em uma apresentação recente ao Cambridge Group, o gêmeo digital aumenta drasticamente o impacto da missão da NASA ao “envolver a convergência digital, reinventando processos, produtos e recursos de suporte a missões e missões”. Aqui, novamente, porém, sua definição do gêmeo digital e de outras terminologias padrão da indústria nem sempre está em sintonia com a de seus colegas.

“Parece que todo mundo tenta definir o gêmeo digital em termos muito prescritivos, mas eu me recuso a fazer isso”, disse Vickers. “Por exemplo, proponho que não requer um ativo físico, um ponto de vista com o qual alguns de meus amigos do AIAA [Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica] – que recentemente publicaram um artigo sobre gêmeos digitais – discordam. Tampouco é sinônimo de outras tecnologias, como MBSE [engenharia de sistemas baseada em modelo] ou, como já mencionei, o fio digital, ainda que contenha elementos de cada um.”

Conforme projetado, construído e operado

O gêmeo digital é uma abordagem interdisciplinar, explicou ele, que permite aos fabricantes analisar, sintetizar e harmonizar as ligações entre as disciplinas em um todo coordenado e coerente.

É “colaborativo, preditivo, descritivo, investigativo, cognitivo e corretivo”.

E embora a versão do gêmeo digital de Vickers seja realmente baseada em modelos, é essa primeira parte – colaborativa – que impede os usuários de “jogar por cima do muro” como nos modelos multidisciplinares tradicionais, que tendem a manter as informações dentro de seus próprios ambientes isolados.

Isso significa que o gêmeo digital usado hoje durante os estágios de projeto e fabricação um dia conduzirá toda a empresa. Isso inclui os grupos de marketing, gerenciamento, produção e finanças e, finalmente, os usuários finais do produto, que no caso da NASA podem levar esses produtos à lua ou além.

Nascimento do gêmeo

Vickers apontou que ele e o consultor da NASA Michael Grieves – agora o cientista-chefe de manufatura avançada do Instituto de Tecnologia da Flórida – cunharam a expressão “gêmeo digital” em 2010. E embora ainda não seja um adolescente, o gêmeo digital daquela época tem evoluiu muito na última década.

Por exemplo, existem sistemas de simulação e análise muito mais avançados disponíveis hoje, bem como aprendizado de máquina e inteligência artificial.

Todos agora desempenham papéis significativos em qualquer iniciativa de transformação digital.

Assim como as ferramentas de realidade aumentada, híbrida e virtual. Eles ajudam os humanos a visualizar e testar produtos virtuais e, em seguida, ensiná-los a operar suas versões físicas depois de implantadas.

E, claro, há a manufatura aditiva, que para a NASA e muitos outros é um facilitador essencial para um design de produto mais rápido e econômico.

Don Kinard é membro sênior das operações de produção aeronáutica da Lockheed Martin em Fort Worth, Texas. Ele também tem décadas de experiência com engenharia baseada em modelos, uma tendência que começou a sério durante os primeiros dias do programa de caças de ataque conjunto F-35.

“O F-35 significou o início de nossa transformação digital”, disse ele.

“Ao contrário de seu antecessor, o F-22, que ainda era baseado em papel, foi o primeiro programa de aeronaves de engenharia totalmente digital. Tínhamos modelos sólidos para tudo.”

Quebrando paradigmas

Isso foi em 2004. Desde então, a digitalização trouxe inúmeros benefícios para a Lockheed Martin.

Além dos óbvios, como projetos e processos de engenharia mais eficientes, também possibilitou melhorias significativas no chão de fábrica.

Isso inclui perfuração automatizada e instalação de fixadores, processos de usinagem aprimorados, pulverização robótica de revestimentos protetores, corte de tubos a laser controlado por computador e, mais recentemente, metrologia sem contato – tudo impulsionado por dados digitais.

A metrologia sem contato é significativa de várias maneiras, observou Kinard. Ao comparar modelos sólidos 3D com varreduras de luz estruturadas de estruturas e subconjuntos de aeronaves, os fabricantes acham mais rápido e fácil responder a quaisquer perguntas sobre como projetado versus como construído.

“É nosso trabalho como grupo de tecnologia identificar o que o chão de produção precisa e onde existem oportunidades para automação, então descobrir como implementá-las de forma econômica e com um sólido retorno sobre o investimento”, disse ele. “Em muitos casos, a solução é digital.”

Nada disso é novo, acrescentou. O que mudou foi a variedade de ferramentas disponíveis para os fabricantes hoje, sejam os scanners estruturados e de luz a laser que acabamos de mencionar ou as ferramentas e sistemas de software de análise avançada usados ​​para analisar o projeto de aeronaves.

“Alguns anos no programa F-35, pude ver muito claramente quanta diferença a engenharia baseada em modelo faz, começando com o projeto inicial da aeronave até a forma como a apoiamos em campo.”

Entre na Matriz

Também está afetando a forma como as peças e os materiais das aeronaves são adquiridos.

Kinard apontou os trabalhos de Will Roper, secretário adjunto da Força Aérea para aquisição, tecnologia e logística. Em seus artigos “Bending the spoon”, Roper escreveu:“Embora nosso processo da Guerra Fria produza sistemas militares líderes mundiais, está aumentando os prazos e os custos são subprodutos insustentáveis. O forte contraste com a indústria comercial coloca nossas forças armadas no lado ‘sem maravilha’ da toca do coelho.”

De acordo com Roper, a saída dessa toca de coelho é através da engenharia digital, um conjunto de tecnologias que levou à designação “e-Series” da USAF para aeronaves, satélites e sistemas de armas totalmente projetados e fabricados em uma base digital.

O primeiro membro deste clube em rápido crescimento? O eT-7A Red Hawk, um treinador a jato projetado e construído em apenas 36 meses - e nomeado em homenagem aos aviadores de Tuskegee.

“A capacidade de desenvolver protótipos virtuais no início da fase de desenvolvimento reduz o risco para a produção, pois nos permite saber se o projeto atenderá aos requisitos do cliente antes de começarmos a cortar metal e colocar compósitos, sem falar em passar anos em voo e testes estruturais”, disse Kinard. “Então essa é realmente a ênfase hoje, a maior parte da qual gira em torno da modelagem de simulação. Nosso mundo vai mudar drasticamente na próxima década, à medida que essas tecnologias se tornarem mais sofisticadas e a fidelidade de nossos modelos 3D aumentar.”

Paul Oldroyd, que atua como bolsista técnico e principal recurso técnico para fabricação e desenvolvimento de processos na Bell (uma divisão da Textron), concordou, mas com uma ressalva:mesmo considerando seus notáveis ​​sucessos e a adoção da transformação digital, a indústria ainda tem um caminho a percorrer.

“A palavra ‘transformação’ infere um ambiente dinâmico, o que significa que devemos continuar avançando”, disse ele. “Ainda assim, todos progredimos em direção a uma arquitetura totalmente digital.”

Você ainda não viu nada

A Bell certamente percorreu um longo caminho desde o V-22, sua primeira aeronave FBW (fly by wire), explicou ele.

Além disso, o 525 Relentless será um helicóptero comercial totalmente FBW. As aeronaves Joint Multi-Role (JMR), incluindo FLRAA (Future Long Range Assault Aircraft) e FARA (Future Attack Reconnaissance Aircraft) estão sendo desenvolvidas usando o gêmeo digital - e obtiveram benefícios significativos da incorporação do segmento digital.

“Como um exemplo discreto do benefício, o sistema hidráulico de nacele JMR Valor V-280 obteve uma redução de 90% no trabalho de engenharia em comparação com o sistema similar no V-22 e, ao mesmo tempo, forneceu um artefato digital para o equipe de fabricação, que também reduziu o tempo e a mão de obra de desenvolvimento da fábrica.”

Isso não significa que eles terminaram. A engenharia baseada em modelos está melhorando constantemente, observou ele, e o segmento digital precisa ser contínuo e robusto durante todo o ciclo de vida.

“Ele não apenas gerenciará e comunicará o desempenho do veículo, mas também se traduzirá em métricas de fabricação, manutenção e sustentação em toda a cadeia de suprimentos. A Digital Enterprise representa o feedback contínuo do veículo aéreo por meio de análises baseadas em física, design, validação virtual, fabricação, prontidão, monitoramento de saúde, manutenção e conscientização da frota.”

Oldroyd explicou que a “aviação de próxima geração” desfrutará de uma maturação simultânea contínua do produto e do processo.

“Vamos utilizar um gêmeo digital de arquitetura aberta que troca dados em tempo real”, disse ele. “Esse recurso fornecerá a todas as partes interessadas – gerentes de programa, membros da equipe interna, nossos parceiros e clientes – acesso quase em tempo real às mesmas informações, incluindo análises de engenharia, características de desempenho e outras métricas relevantes.”

Uma vantagem de um gêmeo digital de nível empresarial altamente interativo é que o espaço de fabricação pode evoluir simultaneamente com o espaço de projeto e análise – em essência, realizando o segmento digital.

Para conseguir isso, a Bell criou um Centro de Tecnologia de Fabricação dedicado, que Oldroyd disse ser “um ambiente de inovação de fabricação construído sobre uma filosofia digital centrada na Internet das Coisas”.

Para isso, a empresa está explorando maneiras de capturar dados de fabricação baseados em sensores de equipamentos CNC e células de trabalho para informar e refinar o gêmeo digital.

Isso fornecerá feedback sobre o próprio processo de fabricação, ajudando a empresa a otimizar a produtividade, evitar possíveis problemas de qualidade e criar um histórico de fabricação de cada componente da aeronave para a empresa conectada, incluindo as equipes operacionais.

"Nós faremos." disse Oldroyd. “O gêmeo digital precisa ser um organismo vivo – um que se ajuste às circunstâncias em mudança. Dessa forma, o processo de fabricação se tornará cada vez mais robusto a cada dia que passa.

“Em última análise, as células de trabalho podem ser elementos oniscientes:elas se autoavaliam. Eles nos informarão quando não estiverem saudáveis. E acabarão por tomar medidas para se tornarem saudáveis ​​a nível ambiental. Não terminamos de evoluir, mas é para onde o ‘universo digital’ está indo.”