NASA’s Mars Science Laboratory-missie – waartoe ook het verkenningsvoertuig Curiosity behoort – is het meest complexe project in de geschiedenis van het ruimteagentschap. De rover, ontwikkeld en getest met behulp van Siemens ontwerp- en simulatiesoftware, is een voorbeeld van de naadloze communicatie tussen machines die nu in ontwikkeling is, waarbij de echte en virtuele wereld samenkomen.

Mars is slechts zelden zo dichtbij de aarde als op dit moment en is met het blote oog duidelijk zichtbaar. En nu brengt de Mars rover Curiosity de rode planeet nog dichterbij. NASA heeft de laatste zes jaar Mars bestudeerd, op zoek naar nieuwe kennis over het verleden van de planeet en mogelijke tekenen van leven. In onderstaand artikel, eerder gepubliceerd in oktober 2012, is te lezen hoe de Mars rover is ontwikkeld met behulp van onze PLM- software.

36 weken door de onvoorstelbare koude in de ruimte, een reis van 567 miljoen kilometer, en een snelheid van meer dan 76.000 km per uur: het was allemaal nog maar het begin. Toen het Mars Science Laboratory (MSL), een rover van $ 2,5 miljard met een gewicht van 900 kg en ongeveer zo groot als een kleine auto, de atmosfeer van Mars inschoot, was zijn snelheid nog steeds 21.000 km per uur. Op dat moment moest hij in zeven minuten een landingssnelheid van minder dan twee kilometer per uur zien te bereiken – of hij zou crashen.

Honderden complexe stappen uitgevoerd zonder menselijke tussenkomst

Om zo zacht te landen dat er geen schade zou ontstaan aan de instrumenten waarmee de chemische ingrediënten van het leven moesten worden opgespoord, moest het MSL honderden complexe stappen foutloos en zonder menselijke tussenkomst doorlopen. Hoe hebben engineers zich voorbereid op een dergelijke uitdaging – die niet op aarde getest kon worden, omdat onze atmosfeer 100 keer zo dik is als die van Mars?

“Nou,” zegt Chuck Grindstaff, voorzitter en CEO van Siemens PLM (product lifecycle management) Software, een business unit van de Siemens-divisie Industry Automation, “NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL) heeft alles ontworpen met behulp van onze simulatiesoftware — van de thermische analyse tot de meervoudige fysieke interacties die het voertuig zou doormaken bij het binnentreden van de atmosfeer van Mars. Onze software stond centraal bij het vinden van alle oplossingen.”

“Dankzij de simulatie van subsystemen konden we de concepten, onderdeeldetaillering, assemblage en tests geheel in de virtuele wereld uitvoeren.”

Daren Rhoades, Senior Product Development Manager bij het ontwikkelingscentrum van PLM Software in Cypress, Californië, was tot voor kort lid van het NASA-team dat de MSL/Curiosity-missie heeft ontwikkeld. “Ik heb aan subsystemen gewerkt, waarbij we dankzij simulatie het concept, de onderdeeldetaillering, assemblage en tests geheel in de virtuele wereld konden uitvoeren,” aldus Rhoades. De cruciale landingsprocedure van het MSL — door NASA de “7 minuten van doodsangst” genoemd — was bijvoorbeeld geoptimaliseerd door het uitvoeren van 8000 gesimuleerde landingen. “Het was enorm belangrijk dat we van simulaties naar de daadwerkelijke toepassing konden werken,” aldus Rhoades.

En dat is ook echt zo. Neem bijvoorbeeld de Sky Crane, een nog niet eerder gebruikt systeem, bedoeld om het MSL in de laatste etappe van de landing af te remmen en vervolgens langzaam op het oppervlak van Mars neer te laten. Met PLM-software werd de verspreiding van de vuurstralen uit de raketmotoren van de Sky Crane gesimuleerd om te voorkomen dat deze de rover of het beschermende harnas zouden beschadigen. “De kabels moesten de rover foutloos en zonder contact met de vuurstralen neerlaten,” vertelt Joel Rooks, PLM Account Executive bij NASA. “Bovendien was de rover, tot enkele seconden voordat de Crane zou wegvliegen, verbonden met de Crane via een soort navelstreng. Alles moest op hetzelfde moment worden ontkoppeld. Hiervoor werden kleine guillotines gebruikt, die gelijktijdig alle lijnen moesten doorsnijden. Dit alles was gesimuleerd met behulp van onze software.”

Temperatuurverschillen van 1648 graden Celsius

De complexiteit was ook een belangrijk aandachtspunt. Het geheel bestond uit ongeveer 90.000 maatwerkonderdelen, waarvan een groot deel slechts 100 micrometer – ongeveer de dikte van een menselijke haar – van het ontwerp mochten afwijken. En om de ruimteverspilling tot een minimum te beperken, moesten alle onderdelen in een uitzonderlijke compact pakket worden ondergebracht, maar dan wel met net voldoende bewegingsruimte voor de extreme schokken tijdens de lancering en de binnenkomst in de atmosfeer van Mars. Ook moest rekening gehouden met het uitzetten en krimpen van verschillende materialen bij temperatuurverschillen van wel 1648 graden Celsius. “Voor het ontwerpen van onderdelen in zeer compacte behuizingen zijn nieuwe vaardigheden en nieuwe technieken vereist,” aldus Doug McCuistion, voormalig NASA-directeur van het Mars Exploration Team. “Hierbij hebben we veel systemen van Siemens gebruikt.”

“Het was van belang om alle systeemonderdelen zo te ontwerpen, dat ze elkaar niet zouden raken of mogelijk beschadigen,” vertelt PLM Solutions Consultant Kent Rash. “Vanwege de verschillende gebruikte materialen konden we dat alleen bewerkstelligen, door voor elk onderdeel een zogenaamd finite element model (FEM) te maken. Dit is een methode waarbij een complex oppervlak wordt opgedeeld in kleine elementen, die in relatie tot elkaar kunnen worden berekend.”

Kinematische simulaties

En hierbij speelt NX, een van de belangrijkste PLM-softwaretools, een sleutelrol. NX brengt producten tot leven door naast CAD-modellen (computer-aided design) ook gebruik te maken van CAE (computer-aided engineering). CAE is een proces waarbij een ontwerp wordt voorzien van de relevante functionele en natuurkundige data – bijvoorbeeld hoeveel druk of hitte een onderdeel veilig aankan in het licht van het gebruikte materiaal. En omdat veel onderdelen in machines ontworpen zijn om in wisselwerking met elkaar te bewegen, kan NX zogenaamde “kinematische simulaties” uitvoeren. Zo kunnen engineers zelfs zeer grote installaties “tot leven wekken en testen in een realistische context. Stel dat de Mars rover op een rots zou landen, dan kunnen wij berekenen welke belastingen dat oplevert voor de gehele constructie,” aldus Rhoades.

NX is ook een computer-aided manufacturing-tool (CAM). “NX-programma’s zijn gebruikt om de code te genereren voor de aandrijving van de machines die de onderdelen voor de MSL-missie hebben gefabriceerd,” zegt Rhoades. “Je begint met het originele NX CAD-model van een onderdeel in de virtuele wereld en definieert welke machines dit gaan produceren. Vervolgens laat je een machine draaien met de NX CAM-software op basis van het originele CAD-model, dat je hebt gebruikt voor je finite-element-analyse.” Dit proces biedt vele voordelen, waarvan nauwkeurigheid het belangrijkste is voor een ruimtemissie die miljarden kost. “Je kunt bij de productie van onderdelen een geweldige mate van nauwkeurigheid bereiken door een digitaal model te gebruiken in combinatie met computer numerical control (CNC),” aldus Rhoades. “Toen het MSL eenmaal gebouwd was, week een groot deel van de machinaal bewerkte onderdelen slechts een haarbreedte af van het ontwerp.”

Verbinding tussen bureaus … en bedrijfstakken

Complexe projecten vereisen niet alleen uitzonderlijke simulatiesoftware, maar ook systemen waarmee grote teams van engineers veilig kunnen samenwerken aan hetzelfde project. En als het gaat om het “verbinden van bureaus” gaat er niets boven PLM’s Teamcenter-software. “Teamcenter is het kritieke ondersteunende systeem waar het hele technische ontwerpproces op steunt,” aldus PLM CEO Grindstaff. “Door een pakket applicaties te bieden voor zaken als vereistenbeheer, projectmanagement, naleving van de regelgeving en ontwerpdatamanagement, is het de ruggengraat van het ontwerpproces.” Net als NX wordt Teamcenter gebruikt voor alle missies van NASA’s Jet Propulsion Laboratory. Ook SpaceX, dat in mei 2012 geschiedenis schreef toen de Dragon als eerste commerciële ruimtevaartuig zich met succes aan het International Space Station koppelde, maakt er gebruik van.

Waarom kiezen organisaties als NASA en SpaceX voor Teamcenter? “Dat is duidelijk,” zegt Rhoades, “omdat in een ruimtevaartuig geen enkel onderdeel onbelangrijk is. Behalve dat Teamcenter de mogelijkheid van menselijke fouten tot een minimum beperkt, door ervoor te zorgen dat elke geautoriseerde deelnemer alleen beschikt over de laatste versie van de projectdata waar hij of zij aan werkt, biedt het ook de mogelijkheid om van elk individueel onderdeel het originele ontwerp, de analyse en de fabricagegegevens terug te vinden. En wanneer een ontwerp voor fabricage wordt goedgekeurd, wordt het als zodanig vastgelegd door Teamcenter. Dit alles kan enorme besparingen opleveren.”

Markt van twintig miljard

Uiteraard kent niet alleen de lucht- en ruimtevaartindustrie de concurrentievoordelen die virtual prototyping en co-development bieden. “We hebben 70.000 klanten,” aldus Grindstaff, die benadrukt dat de totale markt voor Siemens PLM Software circa 20 miljard dollar per jaar bedraagt en jaarlijks met 5 tot 7 procent groeit. “Wij zijn marktleider op het gebied van samenwerking en datamanagement. Ook zijn we marktleider op het gebied van digitale fabricage en een sterke nummer twee wat betreft werktuigbouwkundige CAD/CAM,” zegt hij.

Bovendien heeft de onderneming een indrukwekkend aantal grote nieuwe opdrachten binnengehaald. De onderneming heeft onlangs een tienjarige overeenkomst met Boeing ondertekend voor uitbreiding van het gebruik van PLM-technologie, alsmede een wereldwijde overeenkomst met Daimler om alle producten en fabrieken te ontwikkelen in een Teamcenter/NX-omgeving. “Met de introductie van parallelle processen in ontwikkeling, ontwerp, productieplanning en productie kan Daimler zijn gehele waardeketen verder optimaliseren, waardoor de productiesnelheid toeneemt,” aldus Grindstaff. De onderneming heeft onlangs ook grote contracten getekend met Chrysler en Johnson Controls, een tier-one leverancier die tot de tien grootste leveranciers in de auto-industrie behoort en de grootste leverancier van autostoelen is.

Nieuwe standaard voor integratie

Een van de vele redenen voor deze successen is het feit dat Siemens met haar PLM Software klanten helpt om kosten te besparen en efficiënter te worden. Zo heeft Samsung Electronics, door PLM-technologie te integreren met fabricage-activiteiten, het gebruik van fysieke prototypes met 30 procent kunnen verminderen. Als gevolg hiervan is het aantal fouten in de eerste productieronde met 50 procent afgenomen en de ontwikkelingstijd met 30 procent ingekort, aldus Grindstaff.

Hoeveel productiever was de NASA bij de laatste reis naar Mars? De productiviteitstoename kan onmogelijk worden gekwantificeerd, omdat in tegenstelling tot vrijwel elk product op aarde het MSL volstrekt uniek is, aldus Rhoades.

„Het is niet zo dat ze zijn begonnen met een versie van twee ton, die ze vervolgens hebben teruggebracht naar één ton,” zegt hij. Wel is duidelijk dat de Curiosity/MSL-missie een nieuwe standaard stelt voor de integratie van het hele proces – van concept tot productie en tests. Siemens Industry CEO Prof. Siegfried Russwurm, lid van de raad van bestuur van Siemens AG, licht toe, “Voorheen vonden processen opeenvolgend plaats. Met de Mars rover heeft NASA voor een paradigmaverandering gezorgd. Een geïntegreerde database, een geïntegreerde benadering van productontwerp tot productie-inrichting – een naadloze overgang van de virtuele wereld naar daadwerkelijke productie in één consistente database, waarbij honderden engineers werken aan één consistent model.”

PLM Account Executive Rooks voegt hieraan toe: “Het MSL was technologisch gezien het meest complexe project dat NASA ooit heeft uitgevoerd. Waar het om draait, is dat ze met onze tools alles konden simuleren en optimaliseren, en dat het tijdens het testen en de vlucht naar Mars ook bleek te werken.”

Arthur F. Pease

Uit: Pictures of the Future

Afbeeldingsrechten: alle afbeeldingen zijn eigendom van NASA/ PL-Caltech

 

Reacties zijn uitgeschakeld voor dit artikel