Fio Digital da NASA: Transformando a Manufatura e Desbloqueando Economias Significativas

Se a manufatura fosse uma série de filmes blockbuster, o letreiro do teatro mais recente poderia ler: "Em breve em uma cadeia de suprimentos perto de você: O Fio Digital." E John Vickers seria um dos primeiros na fila para comprar ingressos. O tecnólogo principal da Diretoria de Missão de Tecnologia Espacial na sede da NASA em Washington, D.C., ele tem responsabilidade em toda a agência por suas atividades de manufatura avançada — e desempenha um papel fundamental em ajudar a guiar a organização adiante em um mundo cada vez mais digital.

Vickers raramente usa a frase "fio digital", no entanto. Em vez disso, ele favorece a frase mais abrangente "gêmeo digital", um termo que disse estar no coração de qualquer transformação digital.

"O fio digital é apenas uma pequena peça da transformação digital atualmente em andamento na NASA e em outros lugares da comunidade de manufatura", disse ele. "Muita coisa gira em torno do uso do gêmeo digital, ou mais amplamente, um conceito que nos referimos como 'tudo baseado em modelo'."

Como explicou em uma apresentação recente ao Cambridge Group, o gêmeo digital melhora dramaticamente o impacto da missão da NASA ao "engajar convergência digital, reinventar processos, produtos e capacidades de missão e suporte à missão." Aqui novamente, porém, sua definição de gêmeo digital e outra terminologia 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 me recuso a fazer isso", disse Vickers. "Por exemplo, proponho que não exija um ativo físico, um ponto de vista com o qual alguns de meus amigos na AIAA [Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica] — que publicaram recentemente um artigo sobre gêmeos digitais — discordam. Nem é sinônimo de outras tecnologias, como MBSE [engenharia de sistemas baseada em modelos] ou, como já mencionei, o fio digital, mesmo que contenha elementos de cada um."

Como projetado, como construído, como operado

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

É "colaborativo, preditivo, descritivo, investigativo, cognitivo e corretivo."

E embora a versão de Vickers do gêmeo digital seja de fato baseada em modelo, é essa primeira parte — colaborativo — que impede usuários de "jogar por cima do muro" como com modelos multidisciplinares tradicionais, que tendem a manter informações dentro de seus próprios ambientes isolados.

Isso significa que o gêmeo digital usado hoje durante as etapas de design e manufatura um dia impulsionará toda a empresa de negócios. Isso inclui os grupos de marketing, gestão, produção e finanças, e, por fim, os usuários finais do produto, que no caso da NASA, podem estar levando esses produtos à lua ou além.

Nascimento do gêmeo

Vickers apontou que ele e o consultor da NASA Michael Grieves — agora cientista-chefe de manufatura avançada no Florida Institute of Technology — cunharam a frase "gêmeo digital" em 2010. E embora ainda não seja um adolescente, o gêmeo digital daquela era evoluiu muito na última década.

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

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

Ferramentas de realidade aumentada, híbrida e virtual também. Elas ajudam humanos a visualizar e testar produtos virtuais, então ensiná-los a operar suas versões físicas uma vez implantadas.

E, claro, há manufatura aditiva, que para a NASA e muitos outros é um facilitador chave de design de produto mais rápido e mais custo-efetivo.

Don Kinard é um senior fellow para operações de produção de aeronáutica da Lockheed Martin em Fort Worth, Texas. Ele também tem décadas de experiência com engenharia baseada em modelos, uma tendência que começou seriamente durante os primeiros dias do programa do caça F-35.

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

"Diferente de seu predecessor o F-22, que ainda era baseado em papel, foi o primeiro programa de aeronave inteiramente de engenharia digital. Tínhamos modelos sólidos para tudo."

Quebrando paradigmas

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

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

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

Metrologia sem contato é significativa de muitas formas, observou Kinard. Comparando modelos sólidos 3D a varreduras de luz estruturada de estruturas e submontagens de aeronaves, fabricantes acham mais rápido e fácil responder a quaisquer perguntas sobre como projetado vs. 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 custo-efetivamente e com um retorno sólido sobre investimento", disse ele. "Em muitos casos, a solução é digital."

Nada disso é novo, acrescentou. O que mudou são a riqueza de ferramentas disponíveis para fabricantes hoje, sejam os scanners de luz estruturada e laser mencionados ou as ferramentas e sistemas de software de análise avançada usados para analisar design de aeronaves.

"Alguns anos no programa F-35, eu podia ver muito claramente quanta diferença a engenharia baseada em modelos faz, começando com o design inicial da aeronave até como a apoiamos no campo."

Entre na Matriz

Também está afetando como peças e materiais de aeronaves são obtidos.

Kinard apontou para os trabalhos de Will Roper, secretário assistente da Força Aérea para aquisição, tecnologia e logística. Em seus artigos "Dobrando a colher", Roper escreveu: "Embora nosso processo de Guerra Fria produza sistemas militares líderes mundiais, timelines e custos crescentes são subprodutos insustentáveis. O contraste gritante com a indústria comercial coloca nossos militares no final 'sem maravilhas' do buraco do coelho."

Segundo Roper, a saída deste buraco do 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 inteiramente projetados e manufaturados sobre uma fundação digital.

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

"A capacidade de desenvolver protótipos virtuais no início da fase de desenvolvimento reduz o risco para produção, pois nos deixa saber se o design atenderá aos requisitos do cliente antes de realmente começarmos a cortar metal e colocar compósitos, sem falar em gastar anos em testes de voo e estruturais", disse Kinard. "Então esse é realmente o foco hoje, a maior parte do qual gira em torno de modelagem de simulação. Nosso mundo vai mudar dramaticamente na próxima década ou mais à medida que essas tecnologias se tornam mais sofisticadas e a fidelidade de nossos modelos 3D aumenta."

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

"A palavra 'transformação' infere um ambiente dinâmico, o que significa que devemos continuar a avançar", disse ele. "Ainda assim, todos fizemos progresso em direção a uma arquitetura totalmente digital."

Você não viu nada ainda

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

Além disso, o 525 Relentless será um rotorcraft 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 realizaram benefício significativo da incorporação do fio digital.

"Como um exemplo discreto do benefício, o sistema hidráulico da nacela do JMR Valor V-280 realizou uma redução de 90% na mão de obra de engenharia comparado ao sistema similar no V-22, e ao mesmo tempo forneceu um artefato digital à equipe de manufatura, que similarmente reduziu tempo e mão de obra de desenvolvimento de fábrica."

Isso não significa que terminaram. Engenharia baseada em modelos está constantemente melhorando, observou ele, e o fio digital precisa ser contínuo e robusto ao longo de todo o ciclo de vida.

"Não só gerenciará e comunicará desempenho do veículo, mas também traduzirá de volta para métricas de manufatura, manutenção e sustentação através de toda a cadeia de suprimentos. Empresa Digital representa feedback contínuo do veículo aéreo através de análises baseadas em física, design, validação virtual, manufatura, prontidão, monitoramento de saúde, sustentação e consciência de frota."

Oldroyd explicou que a "aviação de próxima geração" desfrutará de maturação simultânea contínua de tanto o produto quanto o processo.

"Utilizaremos um gêmeo digital de arquitetura aberta que troca dados em tempo real", disse ele. "Esta capacidade fornecerá a todos os stakeholders — gerentes de programa, membros internos da equipe, 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 empresarial altamente interativo é que o espaço de manufatura pode evoluir simultaneamente com o espaço de design e análise — em essência, realizando o fio digital.

Para realizar isso, a Bell criou um Centro de Tecnologia de Manufatura dedicado, que Oldroyd disse ser "um ambiente de inovação de manufatura construído sobre uma filosofia digital centrada na Internet das Coisas."

Para este fim, a empresa está explorando maneiras de capturar dados de manufatura 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 manufatura, ajudando a empresa a otimizar produtividade, evitar potenciais problemas de qualidade e criar um histórico de manufatura de cada componente de aeronave para a empresa conectada, incluindo equipes operacionais.

"Faremos isso." Oldroyd disse. "O gêmeo digital tem que ser um organismo vivo — um que se ajustará a circunstâncias mudando. Dessa forma, o processo de manufatura se tornará cada vez mais robusto a cada dia que passa.

"Em última análise, células de trabalho podem ser elementos oniscientes: Elas se autoavaliarão. Elas nos informarão quando não estiverem saudáveis. E eventualmente até tomarão ação para se tornarem saudáveis em um nível ambiental. Não terminamos de evoluir, mas é para lá que o 'universo digital' está indo."