NASAのデジタル・スレッド：製造業を変革し大幅なコスト削減を実現

製造業がブロックバスター映画シリーズだとしたら、最新の劇場看板には「間もなくあなたのサプライチェーン近くで公開：ザ・デジタル・スレッド」とあるだろう。そしてジョン・ヴィッカーズ氏は真っ先にチケットを買う一人だ。NASA本部（ワシントンD.C.）の宇宙技術ミッション局主任技術者として、同機関の先進製造活動に機関全体の責任を持ち、ますますデジタル化する世界で組織を前進させる重要な役割を果たしている。

しかしヴィッカーズ氏は「デジタル・スレッド」というフレーズをほとんど使わない。代わりに、あらゆるデジタル・トランスフォーメーションの核心にあると彼が語る、より包括的な「デジタル・ツイン」という用語を好む。

「デジタル・スレッドは、NASAや製造コミュニティ全体で現在進行中のデジタル・トランスフォーメーションのほんの一片に過ぎない」と同氏。「その多くは、デジタル・ツインの活用、あるいはより広く『モデルベース・エブリシング』と呼ぶ概念を中心に展開されている」

ケンブリッジ・グループへの最近のプレゼンテーションで説明した通り、デジタル・ツインは「デジタル・コンバージェンスを促進し、ミッションとミッション支援のプロセス、製品、ケイパビリティを再発明することで」、NASAのミッションインパクトを劇的に高める。ここでもまた、彼のデジタル・ツインやその他の業界標準用語の定義が、必ずしも同僚たちと一致しているわけではない。

「誰もがデジタル・ツインを非常に規範的な用語で定義しようとするが、私はそれを拒否する」とヴィッカーズ氏。「例えば、物理資産を必要としないと提唱しているが、最近デジタル・ツインに関する論文を発表したAIAA（米国航空宇宙学会）の友人たちはそれに異議を唱える。また、MBSE（モデルベース・システムズエンジニアリング）や、前述のデジタル・スレッドと同義語でもない。それらの要素を含んでいるが」

「設計通り」「製造通り」「運用通り」

デジタル・ツインは学際的なアプローチだと同氏は説明する。メーカーが分野間のリンクを分析・統合・調和し、調整され整合性の取れた全体像を得ることを可能にする。

それは「協働的、予測的、記述的、探究的、認知的、是正的」だ。

そして、ヴィッカーズ氏のデジタル・ツインは確かにモデルベースだが、最初の要素である「協働的」であることが、従来の多領域モデルのように情報を自分のサイロ内に閉じ込め、「壁の向こうに投げ渡す」ことを防ぐ。

これは、今日設計・製造段階で使用されているデジタル・ツインが、将来的にはビジネス全体を駆動することを意味する。マーケティング、経営、生産、財務グループ、そして最終的には製品のエンドユーザー（NASAの場合、月やそれ以上の場所へ製品を届ける人々）を含めてだ。

ツインの誕生

ヴィッカーズ氏とNASAコンサルタントのマイケル・グリーブス氏（現フロリダ工科大学先進製造首席科学者）が「デジタル・ツイン」という用語を考案したのは2010年だ。まだ10代前半だが、当時のデジタル・ツインはこの10年間で大きく進化した。

例えば、今日でははるかに高度なシミュレーション・分析システム、機械学習、人工知能が利用可能だ。

これらはすべて、あらゆるデジタル・トランスフォーメーション・イニシアチブで重要な役割を果たす。

拡張現実、複合現実、仮想現実ツールもそうだ。これらは人間がバーチャル製品を視覚化・テストし、物理版が導入された後の操作方法を学ぶのを助ける。

そしてもちろん、アディティブ製造がある。NASAや多くの組織にとって、より速く、よりコスト効率の良い製品設計の鍵となるイネーブラーだ。

ドン・キナード氏は、ロッキード・マーティンの航空機生産オペレーション担当シニアフェロー（テキサス州フォートワース）。モデルベース・エンジニアリングでの数十年の経験を持つ。このトレンドは、F-35統合打撃戦闘機プログラムの初期に本格化した。

「F-35が我々のデジタル・トランスフォーメーションの始まりだった」と同氏。「前身のF-22がまだ紙ベースだったのに対し、完全なデジタル・エンジニアリング航空機プログラムとして最初のものだった。すべてにソリッドモデルがあった」

パラダイムの打破

それは2004年のこと。以来、デジタル化はロッキード・マーティンにもたらした恩恵は数知れない。

設計・エンジニアリングプロセスの効率化といった明確なメリットのほか、製造現場での大幅な改善も可能になった。

自動穴あけ・ファスナー取り付け、機械加工プロセスの改善、保護コーティングのロボット噴射、コンピュータ制御レーザーによるチューブ切断、そしてより最近では非接触測定など、すべてデジタルデータによって駆動されている。

非接触測定は多くの面で意義深いとキナード氏は指摘する。3Dソリッドモデルと航空機構造体・サブアセンブリの構造化光スキャンを比較することで、「設計通り」対「製造通り」のあらゆる問いに、より速く、より容易に答えられるようになった。

「生産現場が何を必要とし、どこに自動化の機会があるかを特定し、コスト効率よく確実なROIで実装する方法を見つけるのが、我々テクノロジーグループの仕事だ」と同氏。「多くの場合、解決策はデジタルなものだ」

これらは新しいことではないと同氏は付け加える。変わったのは、今日のメーカーが利用できるツールの豊富さだ。前述の構造化・レーザー光スキャナや、航空機設計を分析する高度な解析ソフトウェアツール・システムなどだ。

「F-35プログラム開始から数年で、モデルベース・エンジニアリングが初期設計から現場サポートまで、いかに大きな違いを生むかをはっきりと見ることができた」

マトリックスへの突入

これは航空機部品・材料の調達方法にも影響を与えている。

キナード氏は、空軍省調達・技術・ロジスティクス担当次官補ウィル・ローパー氏の業績を指摘する。同氏の「スプーンを曲げる」論文で、「冷戦時代のプロセスは世界最高の軍事システムを生み出すが、エスカレートするタイムラインとコストは持続不可能な副産物だ。商業産業との際立った対比が、我々の軍事を『驚きのない』ウサギの穴の末端に追いやっている」と書いている。

ローパー氏によれば、このウサギの穴から抜け出す道は、デジタル・エンジニアリングだ。これにより空軍の「eシリーズ」指定が生まれた。航空機、衛星、兵器システムを完全にデジタル基盤で設計・製造するものだ。

この急成長するクラブの最初のメンバーは、eT-7Aレッドホーク。タスキギー・エアメンに敬意を表して命名されたジェット練習機で、わずか36か月で設計・製造された。

「開発初期段階でバーチャル・プロトタイプを開発できることは、設計が金属切削や積層、果ては飛行・構造試験に何年も費やす前に、顧客要求を満たすかどうかを知ることができるため、生産リスクを低減する」とキナード氏。「だからこそ今日の重点はシミュレーション・モデリングにある。3Dモデルの忠実度が高まるにつれ、今後10年ほどで我々の世界は劇的に変わるだろう」

ベル（テキストロンの一事業部）で製造・プロセス開発担当テクニカルフェロー兼首席技術リソースを務めるポール・オールドロイド氏も同意見だが、一つ条件を付ける。デジタル・トランスフォーメーションの顕著な成功と受容にもかかわらず、業界にはまだ道半ばだという。

「『トランスフォーメーション』という言葉は動的な環境を意味する。つまり我々は前進し続けなければならない」と同氏。「それでも、完全なデジタル・アーキテクチャに向け、全員が進歩を遂げている」

まだまだこれからだ

ベルは、最初のFBW（フライ・バイ・ワイヤ）航空機V-22以来、確かに長い道のりを歩んできた。

さらに、525 Relentlessは完全なFBW商用回転翼機となる。JMR（Joint Multi-Role）航空機、FLRAA（Future Long Range Assault Aircraft）とFARA（Future Attack Reconnaissance Aircraft）はデジタル・ツインを用いて開発されており、デジタル・スレッドの導入による大きな恩恵を実現している。

「離散的なメリットの例として、JMR Valor V-280のナセル油圧システムが、V-22の類似システムと比較してエンジニアリング工数を90%削減し、同時に製造チームにデジタル成果物を提供することで、工場開発時間と工数も同様に削減した」

それが完了を意味するわけではない。モデルベース・エンジニアリングは常に改善されており、デジタル・スレッドはライフサイクル全体を通じて継続的かつ強固でなければならないと同氏は指摘する。

「車両性能の管理・伝達だけでなく、物理ベースの分析、設計、バーチャル検証、製造、レディネス、健全性監視、維持管理、フリート認識を通じて、製造、維持、サステナメント指標にフィードバックする。デジタル・エンタープライズとは、空中車両からの継続的なフィードバックを表す」

オールドロイド氏は、「次世代航空」が製品とプロセスの同時並行的な成熟を享受し続けると説明する。

「リアルタイムデータを交換するオープン・アーキテクチャのデジタル・ツインを活用する。このケイパビリティにより、プログラムマネージャー、社内チームメンバー、パートナー、顧客を含むすべてのステークホルダーが、エンジニアリング分析、性能特性、その他の関連指標を含む同一情報にニア・リアルタイムでアクセスできるようになる」

高度にインタラクティブなエンタープライズレベルのデジタル・ツインの利点の一つは、製造空間が設計・分析空間と同時に進化できることだ。すなわち、デジタル・スレッドを実現する。

これを実現するため、ベルは専用の「製造技術センター」を創設した。オールドロイド氏によれば、「IoT中心のデジタル哲学に基づいた製造イノベーション環境」だ。

この目的で、同社はCNC設備とワークセルからセンサー・ベースの製造データを取得し、デジタル・ツインに反映・改善する方法を模索している。

これにより製造プロセス自体に関するフィードバックが得られ、生産性の最適化、潜在的品質問題の回避、各航空機部品の製造履歴の作成が可能になり、オペレーションチームを含むコネクテッド・エンタープライズで共有できる。

「我々はやる」とオールドロイド氏。「デジタル・ツインは生きた有機体でなければならない。状況変化に合わせて調整し続ける。そうすれば製造プロセスは日々より堅牢になっていく」

「究極的には、ワークセルが全知の要素になる。自己診断し、不健全なら知らせ、最終的には環境レベルで自ら健全化するアクションをとるようになる。進化は終わっていないが、それが『デジタル・ユニバース』の向かう先だ」