NASA 디지털 스레드: 제조 혁신과 막대한 절감 효과 실현

제조가 블록버스터 영화 시리즈라면, 최신 극장 간판엔 "곧 당신의 공급망 근처에서: 디지털 스레드"가 걸릴지도 모릅니다. 그리고 존 비커스(John Vickers)는 표를 사기 위해 맨 앞줄에 서 있을 사람 중 하나일 것입니다. 워싱턴 D.C. NASA 본부의 우주 기술 임무국 수석 기술자로서, 그는 NASA의 첨단 제조 활동에 대한 전사적 책임을 지고, 점점 더 디지털화되는 세상에서 조직을 앞으로 이끌어가는 핵심 역할을 합니다.

비커스는 '디지털 스레드'라는 문구를 거의 사용하지 않습니다. 대신 그는 '디지털 트윈'이라는 더 포괄적인 문구를 선호하는데, 이는 모든 디지털 전환의 핵심이라고 말합니다.

"디지털 스레드는 현재 NASA와 제조 커뮤니티 전반에서 진행 중인 디지털 전환의 작은 한 조각일 뿐입니다."라고 그는 말했습니다. "이것의 대부분은 디지털 트윈의 사용, 또는 더 넓게는 '모델 기반 모든 것(model-based everything)'이라 부르는 개념을 중심으로 돌아갑니다."

케임브리지 그룹 최근 프레젠테이션에서 설명했듯, 디지털 트윈은 '디지털 컨버전스 참여, 임무와 임무 지원 프로세스, 제품, 역량의 재창조'를 통해 NASA의 임무 영향을 극적으로 향상시킵니다. 여기서도 역시 그의 디지털 트윈 및 기타 업계 표준 용어 정의가 동료들과 항상 일치하는 것은 아닙니다.

"모든 사람이 디지털 트윈을 매우 처방적 용어로 정의하려 하지만, 저는 그렇게 하길 거부합니다."라고 비커스는 말했습니다. "예를 들어, 물리적 자산이 필요하지 않다고 제안합니다. 이는 최근 디지털 트윈에 대한 논문을 발표한 AIAA(미국 항공우주학회) 제 친구들과 의견이 다릅니다. 또한 MBSE(모델 기반 시스템 엔지니어링)나 앞서 언급한 디지털 스레드와 동의어도 아닙니다. 비록 그것들의 요소를 포함하고 있지만요."

설계대로, 제작대로, 운영대로

디지털 트윈은 학제 간 접근법이라고 그는 설명했습니다. 제조업체가 분야 간 연결을 분석, 종합, 조화시켜 조율되고 일관된 전체로 만들 수 있게 합니다.

그것은 "협업적, 예측적, 서술적, 탐구적, 인지적, 교정적"입니다.

비커스의 디지털 트윈 버전은 확실히 모델 기반이지만, 첫 번째 부분인 '협업적'이야말로 사용자들이 전통적인 다학제 모델처럼 정보를 각자의 사일로 환경에 가둔 채 '벽 너머로 던져버리는' 것을 막아줍니다.

이는 오늘날 설계 및 제조 단계에서 사용되는 디지털 트윈이 언젠가 전체 비즈니스 기업을 주도할 것임을 의미합니다. 마케팅, 관리, 생산, 재무 그룹을 포함하고, 궁극적으로 제품의 최종 사용자까지, NASA의 경우 그 제품이 달이나 그 너머로 갈 수도 있습니다.

트윈의 탄생

비커스는 NASA 컨설턴트 마이클 그리브스(Michael Grieves, 현 플로리다 공대 첨단 제조 수석 과학자)와 함께 2010년 '디지털 트윈'이라는 용어를 만들었다고 지적했습니다. 10대도 되지 않았지만, 그 시대의 디지털 트윈은 지난 10년간 크게 진화했습니다.

예를 들어, 오늘날 훨씬 더 진보된 시뮬레이션과 분석 시스템, 머신러닝과 인공지능이 이용 가능합니다. 이 모든 것이 디지털 전환 이니셔티브에서 중요한 역할을 합니다.

증강, 혼합, 가상 현실 도구도 마찬가지입니다. 이들은 인간이 가상 제품을 시각화하고 테스트한 후, 배포된 물리적 버전을 작동하는 방법을 가르치는 데 도움을 줍니다.

물론 적층 제조도 있습니다. 이는 NASA와 많은 이들에게 더 빠르고 비용 효율적인 제품 설계를 가능하게 하는 핵심 인에이블러입니다.

돈 키나드(Don Kinard)는 록히드 마틴(Lockheed Martin)의 텍사스주 포트워스 항공 생산 운영 수석 펠로우입니다. 그는 F-35 합동 타격 전투기 프로그램 초기 시절부터 본격화된 모델 기반 엔지니어링 트렌드에서 수십 년 경험을 가지고 있습니다.

"F-35가 우리의 디지털 전환의 시작을 알렸습니다."라고 그는 말했습니다. "종이 기반이었던 전작 F-22와 달리, 완전한 디지털 엔지니어링 항공기 프로그램이었습니다. 모든 것에 솔리드 모델이 있었습니다."

패러다임 깨기

그것은 2004년이었습니다. 이후 디지털화는 록히드 마틴에 수많은 혜택을 가져왔습니다.

더 효율적인 설계 및 엔지니어링 프로세스 같은 명백한 것들 외에도, 제조 현장에서 상당한 개선을 가능하게 했습니다.

여기에는 자동 드릴링 및 패스너 설치, 개선된 가공 공정, 보호 코팅 로봇 분사, 컴퓨터 제어 튜브 레이저 절단, 더 최근에는 비접촉 계측 등이 포함되며, 모두 디지털 데이터에 의해 구동됩니다.

비접촉 계측은 여러 면에서 중요하다고 키나드는 지적했습니다. 3D 솔리드 모델을 항공기 구조물과 서브어셈블리의 구조광 스캔과 비교함으로써, 제조업체는 설계대로 vs 제작대로(as-designed vs. as-built) 질문에 더 빠르고 쉽게 답할 수 있습니다.

"생산 현장이 무엇을 필요로 하고 자동화 기회가 어디 있는지 파악한 뒤, 비용 효율적으로 확실한 ROI로 구현하는 방법을 찾는 것이 우리 기술 그룹의 일입니다."라고 그는 말했습니다. "많은 경우 해법은 디지털입니다."

이것이 새로운 것은 아니라고 그는 덧붙였습니다. 변한 것은 오늘날 제조업체들이 이용할 수 있는 풍부한 도구들입니다. 앞서 언급한 구조광 및 레이저 스캐너든, 항공기 설계를 분석하는 데 사용되는 고급 분석 소프트웨어 도구와 시스템이든 말입니다.

"F-35 프로그램 시작 몇 년 만에, 초기 항공기 설계부터 현장 지원까지 모델 기반 엔지니어링이 얼마나 큰 차이를 만드는지 매우 명확히 볼 수 있었습니다."

매트릭스 진입

이는 항공기 부품과 자재 조달 방식에도 영향을 미치고 있습니다.

키나드는 윌 로퍼(Will Roper, 미 공군 획득·기술·군수 차관보)의 저작을 지적했습니다. 그의 '숟가락 휘기(Bending the spoon)' 논문에서 로퍼는 "우리의 냉전 시대 프로세스가 세계 최고 군사 시스템을 생산하지만, 증가하는 타임라인과 비용은 지속 불가능한 부산물입니다. 상업 산업과의 극명한 대비가 우리 군을 토끼굴의 '경이 없는(wonderless)' 끝에 놓이게 합니다."라고 썼습니다.

로퍼에 따르면 이 토끼굴에서 벗어나는 길은 디지털 엔지니어링입니다. 완전한 디지털 기반에서 설계되고 제조된 항공기, 위성, 무기 시스템에 미 공군의 'e-시리즈' 명칭을 부여하게 한 기술 세트입니다.

이 급성장하는 클럽의 첫 멤버? eT-7A 레드 호크(Red Hawk), 터스키기 조종사들을 기리기 위해 명명된 제트 훈련기로, 단 36개월 만에 설계·제작되었습니다.

"개발 초기에 가상 프로토타입을 개발할 수 있는 능력은 설계가 실제 금속을 자르고 복합재를 적층하기 전, 비행 및 구조 테스트에 수년을 들이기 전에 고객 요구사항을 충족할지 알 수 있게 하므로 생산 리스크를 낮춥니다."라고 키나드는 말했습니다. "그래서 그게 오늘날의 강조점이며, 대부분 시뮬레이션 모델링을 중심으로 돌아갑니다. 3D 모델 충실도가 높아지고 기술이 더 정교해짐에 따라 우리 세계는 향후 10년 정도 동안 극적으로 변할 것입니다."

벨(Bell, 텍스트론 사업부)의 제조 및 공정 개발 기술 펠로우이자 수석 기술 자원인 폴 올드러드(Paul Oldroyd)는 동의했지만 한 가지 주의점을 달았습니다. 놀라운 성공과 디지털 전환 포용에도 불구하고, 업계는 아직 갈 길이 멉니다.

"'전환(transformation)'이라는 단어는 역동적 환경을 암시하므로 우리는 계속 전진해야 합니다."라고 그는 말했습니다. "그럼에도 우리는 모두 완전한 디지털 아키텍처를 향해 진전을 이뤘습니다."

아직 본 것 없다

벨은 첫 FBW(플라이 바이 와이어) 항공기인 V-22 이후 확실히 먼 길을 왔습니다.

또한 525 렐렌트리스(Relentless)는 완전한 FBW 상업용 로터크래프트가 될 것입니다. JMR(합동 다목적) 항공기인 FLRAA(미래 장거리 강습 항공기)와 FARA(미래 공격 정찰 항공기)는 디지털 트윈으로 개발되고 있으며, 디지털 스레드 통합으로 상당한 혜택을 실현했습니다.

"이점의 구체적 예로, JMR Valor V-280 네셀 유압 시스템이 V-22의 유사 시스템 대비 엔지니어링 인력을 90% 절감했고, 동시에 제조 팀에 디지털 산출물을 제공해 공장 개발 시간과 인력도 비슷하게 줄였습니다."

그게 끝이 아닙니다. 모델 기반 엔지니어링은 끊임없이 개선되고 있으며, 디지털 스레드는 전체 수명주기 동안 연속적이고 견고해야 한다고 그는 지적했습니다.

"단순히 차량 성능을 관리하고 전달하는 것을 넘어, 물리 기반 분석, 설계, 가상 검증, 제조, 가동률, 건강 모니터링, 유지보수, 함대 인식을 통해 전체 공급망에 걸쳐 제조, 유지보수, 지속 가능성 메트릭으로 되돌려줄 것입니다. 디지털 엔터프라이즈는 공중 차량에서부터 물리 기반 분석, 설계, 가상 검증, 제조, 가동률, 건강 모니터링, 유지보수, 함대 인식에 이르는 지속적인 피드백을 나타냅니다."

올드러드는 '차세대 항공'이 제품과 공정의 지속적인 동시 성숙을 누릴 것이라고 설명했습니다.

"실시간 데이터를 교환하는 오픈 아키텍처 디지털 트윈을 활용할 것입니다."라고 그는 말했습니다. "이 능력은 프로그램 매니저, 내부 팀원, 파트너, 고객 등 모든 이해관계자에게 엔지니어링 분석, 성능 특성, 기타 관련 지표를 포함한 동일 정보에 대한 준실시간 접근을 제공할 것입니다."

고도로 상호작용하는 엔터프라이즈 수준 디지털 트윈의 한 가지 장점은 제조 공간이 설계 및 분석 공간과 동시에 진화할 수 있다는 점입니다. 본질적으로 디지털 스레드를 실현하는 것입니다.

이를 위해 벨은 전용 제조 기술 센터를 만들었습니다. 올드러드는 이를 "사물인터넷 중심의 디지털 철학 위에 구축된 제조 혁신 환경"이라고 말했습니다.

이를 위해 회사는 CNC 장비와 작업 셀에서 센서 기반 제조 데이터를 캡처해 디지털 트윈을 알리고 정제하는 방법을 탐구하고 있습니다.

이는 제조 공정 자체에 대한 피드백을 제공해 회사가 생산성 최적화, 잠재적 품질 문제 회피, 연결된 기업(운영 팀 포함)을 위한 각 항공기 부품의 제조 이력 생성을 돕습니다.

"우리는 그렇게 할 것입니다." 올드러드가 말했습니다. "디지털 트윈은 살아있는 유기체여야 합니다. 변화하는 상황에 적응하는. 그렇게 하면 제조 공정은 매일매일 더 견고해질 것입니다.

궁극적으로 작업 셀은 전지적 요소가 될 것입니다: 스스로 평가할 것입니다. 건강하지 않을 때 알려줄 것입니다. 그리고 결국 환경적 차원에서 스스로 건강해지는 행동까지 취하게 될 것입니다. 우리는 진화를 멈추지 않았지만, 그것이 '디지털 유니버스'가 향하는 방향입니다."