Le fil numérique de la NASA : transformer la fabrication et débloquer des économies significatives

Si la fabrication était une série de films à succès, la dernière affiche de théâtre pourrait lire : « Bientôt dans une chaîne d'approvisionnement près de chez vous : Le Fil Numérique. » Et John Vickers serait l'un des premiers dans la file pour acheter des billets. Le technologue principal pour la direction de la mission technologie spatiale au siège de la NASA à Washington, D.C., il a une responsabilité à l'échelle de l'agence pour ses activités de fabrication avancée — et joue un rôle clé pour aider à guider l'organisation vers l'avant dans un monde de plus en plus numérique.

Vickers utilise rarement l'expression « fil numérique », cependant. Au lieu de cela, il favorise l'expression plus complète « jumeau numérique », un terme qu'il dit se trouver au cœur de toute transformation numérique.

« Le fil numérique n'est qu'un petit morceau de la transformation numérique actuellement en cours à la NASA et ailleurs dans la communauté manufacturière », a-t-il dit. « Une grande partie de cela tourne autour de l'utilisation du jumeau numérique, ou plus largement, un concept que nous appelons "tout basé sur les modèles". »

Comme il l'a expliqué dans une récente présentation au Cambridge Group, le jumeau numérique améliore dramatiquement l'impact de la mission de la NASA en « engageant la convergence numérique, réinventant les processus, produits et capacités de mission et de support de mission. » Ici encore, cependant, sa définition du jumeau numérique et d'autres terminologies standard de l'industrie n'est pas toujours en phase avec celle de ses collègues.

« Il semble que tout le monde essaie de définir le jumeau numérique en termes très prescriptifs, mais je refuse de le faire », a dit Vickers. « Par exemple, je propose qu'il ne nécessite pas d'actif physique, un point de vue avec lequel certains de mes amis à l'AIAA [American Institute of Aeronautics and Astronautics] — qui ont récemment publié un article sur les jumeaux numériques — ne sont pas d'accord. Ni n'est-il synonyme d'autres technologies, comme l'MBSE [ingénierie des systèmes basée sur les modèles] ou, comme je l'ai déjà mentionné, le fil numérique, même s'il contient des éléments de chacun. »

Tel que conçu, tel que construit, tel qu'opéré

Le jumeau numérique est une approche interdisciplinaire, a-t-il expliqué, qui permet aux fabricants d'analyser, synthétiser et harmoniser les liens entre disciplines en un tout coordonné et cohérent.

Il est « collaboratif, prédictif, descriptif, investigatif, cognitif et correctif. »

Et bien que la version de Vickers du jumeau numérique soit bien basée sur les modèles, c'est cette première partie — collaboratif — qui empêche les utilisateurs de « le jeter par-dessus le mur » comme avec les modèles multidisciplinaires traditionnels, qui tendent à garder l'information dans leurs propres environnements en silos.

Cela signifie que le jumeau numérique utilisé aujourd'hui pendant les étapes de conception et de fabrication conduira un jour l'entreprise entière. Cela inclut les groupes marketing, gestion, production et finance, et ultimement, les utilisateurs finaux du produit, qui dans le cas de la NASA, pourraient emmener ces produits sur la lune ou au-delà.

Naissance du jumeau

Vickers a souligné que lui et le consultant NASA Michael Grieves — maintenant scientifique en chef pour la fabrication avancée à l'Institut de technologie de Floride — ont inventé l'expression « jumeau numérique » en 2010. Et bien qu'il ne soit pas encore adolescent, le jumeau numérique de cette époque a beaucoup évolué au cours de la dernière décennie.

Par exemple, il y a des systèmes de simulation et d'analytique bien plus avancés disponibles aujourd'hui, ainsi que l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle.

Tous jouent maintenant des rôles significatifs dans toute initiative de transformation numérique.

Il en va de même pour les outils de réalité augmentée, hybride et virtuelle. Ces outils aident les humains à visualiser et tester des produits virtuels, puis leur apprendre à opérer leurs versions physiques une fois qu'ils ont été déployés.

Et bien sûr, il y a la fabrication additive, qui pour la NASA et bien d'autres est un facteur clé d'une conception de produit plus rapide et plus rentable.

Don Kinard est un senior fellow pour les opérations de production aéronautique de Lockheed Martin à Fort Worth, Texas. Il a aussi des décennies d'expérience avec l'ingénierie basée sur les modèles, une tendance qui a commencé sérieusement pendant les premiers jours du programme F-35 joint strike fighter.

« Le F-35 a signifié le début de notre transformation numérique », a-t-il dit.

« Contrairement à son prédécesseur le F-22, qui était encore basé sur le papier, c'était le premier programme d'avion entièrement en ingénierie numérique. Nous avions des modèles solides pour tout. »

Briser les paradigmes

C'était en 2004. Depuis, la numérisation a apporté d'innombrables avantages à Lockheed Martin.

Mis à part les évidents, comme des processus de conception et d'ingénierie plus efficaces, cela a aussi permis des améliorations significatives sur le plancher de fabrication.

Cela inclut le forage automatisé et l'installation de fixations, des processus d'usinage améliorés, la pulvérisation robotisée de revêtements protecteurs, la découpe laser pilotée par ordinateur de tubes et, plus récemment, la métrologie sans contact — tous pilotés par des données numériques.

La métrologie sans contact est significative à bien des égards, a noté Kinard. En comparant des modèles solides 3D à des scans de lumière structurée de structures d'avions et sous-ensembles, les fabricants trouvent à la fois plus rapide et plus facile de répondre à toute question sur le tel que conçu vs. tel que construit.

« C'est notre travail en tant que groupe technologique d'identifier ce dont le plancher de production a besoin et où existent des opportunités d'automatisation, puis d'aller comprendre comment les implémenter de façon rentable et avec un solide retour sur investissement », a-t-il dit. « Dans de nombreux cas, la solution est numérique. »

Rien de tout cela n'est nouveau, a-t-il ajouté. Ce qui a changé, ce sont la richesse d'outils disponibles pour les fabricants aujourd'hui, que ce soit les scanners laser et lumière structurée mentionnés ou les outils et systèmes logiciels d'analyse avancée utilisés pour analyser la conception d'avions.

« Quelques années dans le programme F-35, je pouvais voir très clairement à quel point l'ingénierie basée sur les modèles fait une différence, en commençant par la conception initiale de l'avion jusqu'à comment nous le soutenons sur le terrain. »

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Cela affecte aussi comment les pièces et matériaux d'avions sont sourcés.

Kinard a pointé les travaux de Will Roper, secrétaire adjoint de l'Air Force pour l'acquisition, la technologie et la logistique. Dans ses articles « Bending the spoon », Roper a écrit : « Bien que notre processus de Guerre Froide produise des systèmes militaires mondiaux leaders, les délais et coûts qui s'intensifient sont des sous-produits insoutenables. Le contraste stark avec l'industrie commerciale met notre militaire au bout « sans merveille » du trou de lapin. »

Selon Roper, la sortie de ce trou de lapin passe par l'ingénierie numérique, un ensemble de technologies qui a mené à la désignation « e-Series » de l'USAF pour avions, satellites et systèmes d'armes entièrement conçus et fabriqués sur une fondation numérique.

Le premier membre de ce club en croissance rapide ? Le eT-7A Red Hawk, un avion d'entraînement à réaction conçu et construit en seulement 36 mois — et nommé en l'honneur des Tuskegee Airmen.

« La capacité de développer des prototypes virtuels tôt dans la phase de développement réduit le risque pour la production, car cela nous laisse savoir si la conception répondra aux exigences du client avant que nous ne commencions réellement à couper du métal et poser des composites, sans parler de passer des années sur les tests de vol et structurels » a dit Kinard. « Donc c'est vraiment l'accent aujourd'hui, la plupart tournant autour de la modélisation de simulation. Notre monde va changer dramatiquement au cours de la prochaine décennie ou plus alors que ces technologies deviennent plus sophistiquées et la fidélité de nos modèles 3D augmente. »

Paul Oldroyd, qui sert comme technical fellow et principal ressource technique pour le développement de fabrication et processus chez Bell (une division de Textron), était d'accord — mais avec une mise en garde : Même en considérant ses succès remarquables et son adoption de la transformation numérique, l'industrie a encore du chemin à faire.

« Le mot "transformation" infère un environnement dynamique, ce qui signifie que nous devons continuer à avancer », a-t-il dit. « Néanmoins, nous avons tous fait des progrès vers une architecture entièrement numérique. »

Vous n'avez rien vu encore

Bell a certainement fait un long chemin depuis le V-22, son premier avion FBW (fly by wire), a-t-il expliqué.

De plus, le 525 Relentless sera un rotorcraft commercial entièrement FBW. Les avions Joint Multi-Role (JMR) incluant FLRAA (Future Long Range Assault Aircraft) et FARA (Future Attack Reconnaissance Aircraft) sont en développement en utilisant le jumeau numérique — et ont réalisé un bénéfice significatif de l'incorporation du fil numérique.

« Comme exemple discret du bénéfice, le système hydraulique de nacelle JMR Valor V-280 a réalisé une réduction de 90 % de la main-d'œuvre d'ingénierie comparé au système similaire sur le V-22, et en même temps a fourni un artefact numérique à l'équipe de fabrication, qui a similaires réduit le temps et la main-d'œuvre de développement d'usine. »

Cela ne veut pas dire qu'ils ont fini. L'ingénierie basée sur les modèles s'améliore constamment, a-t-il noté, et le fil numérique doit être continu et robuste tout au long du cycle de vie entier.

« Il ne gérera et ne communiquera pas seulement la performance du véhicule mais traduira aussi en retour vers la fabrication, la maintenance et les métriques de soutien à travers toute la chaîne d'approvisionnement. L'Entreprise Numérique représente un retour continu depuis le véhicule aérien à travers l'analytique basée sur la physique, la conception, la validation virtuelle, la fabrication, la disponibilité, la surveillance de santé, le soutien et la conscience de flotte. »

Oldroyd a expliqué que l' « aviation de prochaine génération » profitera de la maturation simultanée continue du produit et du processus.

« Nous utiliserons un jumeau numérique à architecture ouverte qui échange des données en temps réel », a-t-il dit. « Cette capacité fournira à toutes les parties prenantes — gestionnaires de programme, membres d'équipe internes, nos partenaires et clients — un accès en temps quasi réel à la même information, incluant analyses d'ingénierie, caractéristiques de performance et autres métriques pertinentes. »

Un avantage d'un jumeau numérique d'entreprise hautement interactif est que l'espace de fabrication peut évoluer simultanément avec l'espace de conception et d'analyse — en essence, réalisant le fil numérique.

Pour accomplir cela, Bell a créé un Centre de Technologie de Fabrication dédié, qu'Oldroyd a dit être « un environnement d'innovation de fabrication construit sur une philosophie numérique centrée Internet des objets. »

À cette fin, l'entreprise explore des façons de capturer des données de fabrication basées sur des capteurs depuis des équipements CNC et des cellules de travail pour informer et affiner le jumeau numérique.

Cela fournira un retour sur le processus de fabrication lui-même, aidant l'entreprise à optimiser la productivité, éviter les problèmes de qualité potentiels et créer un historique de fabrication de chaque composant d'avion pour l'entreprise connectée, incluant les équipes opérationnelles.

« Nous le ferons. » Oldroyd a dit. « Le jumeau numérique doit être un organisme vivant — un qui s'ajustera aux circonstances changeantes. Ainsi, le processus de fabrication deviendra de plus en plus robuste avec chaque jour qui passe. »

« Ultimement, les cellules de travail peuvent être des éléments omniscients : Elles s'auto-évalueront. Elles nous informeront quand elles ne sont pas saines. Et elles finiront par même prendre action pour devenir saines à un niveau environnemental. Nous ne sommes pas finis d'évoluer, mais c'est là que l' "univers numérique" se dirige. »