Energy-efficient loading and scheduling of autoclaves in aerospace composite manufacturing

Abstract

Enerji, ülkelerin ekonomik kalkınması için kritik bir faktördür. Enerji ihtiyacını karşılayan kaynakların azalmasıyla birlikte enerji maliyetleri artmaya başlamıştır. Bu nedenle enerji tüketimini azaltmak ve enerjiyi verimli kullanmak hayati önem taşımaktadır. Havacılık ve uzay endüstrisinde kullanımı giderek artan kompozit malzemelerin kürlenme işlemleri, enerji tüketiminin yoğun olduğu otoklavlarda yapılmaktadır. Bu tezde, otoklavlarda enerji tasarruflu yükleme ve çizelgeleme ele alınmıştır. Artan enerji maliyetleri göz önünde bulundurularak yapılacak çalışmada maliyet tasarrufu sağlanması da amaçlanmaktadır. Çalışmada, otoklavların enerji tüketimlerinin belirlenmesi için Endüstri 4.0 uygulamaları da kullanılmıştır. Literatürde benzer çalışmalar olmasına rağmen enerji maliyetlerinin modele dahil edildiği bir çalışmaya rastlanmamıştır. Problemi çözmek için iki model önerilmiştir. Model 1, kürlenecek malzemelerin parça teslim tarihlerini ve malzeme tüketim tarihlerini dikkate alarak kürlenmeyi tamamlama süresini en aza indirir. Model 2 ise, ilk modelin çıktılarını girdi olarak kullanır ve otoklavlara atanan reçetelerde ve parçalarda değişiklik yapmadan enerji maliyetlerini en aza indirmek için işlerin kürlenme saatlerini yeniden planlar. Oluşturulan veri setleri ile yapılan deneylerde, önerilen modeller ile enerji maliyetlerinin ortalama %12,38 oranında azaltılabileceği tespit edilmiştir. Önerilen modellerle gerçek hayattaki örnek kürleme planlarının yeniden planlanması sonucunda maksimum %62 oranında enerji tasarrufu sağlanmıştır. Gün içerisinde enerji maliyetinde standart sapma arttığında, o gün için enerji maliyetinden elde edilen tasarruf da artmaktadır.

Energy is a critical factor for the economic development of countries. With the decrease in the resources that meet energy needs, energy costs have started to increase. For this reason, reducing energy consumption and using energy efficiently is vital. The curing processes of composite materials, which are increasingly used in the aerospace industry, are carried out in autoclaves where energy consumption is intense. In this thesis, energy-efficient loading and scheduling in autoclaves are discussed. Considering the increasing energy costs, it is also aimed to save costs in the study to be carried out. In the study, Industry 4.0 applications were also used to determine the energy consumption of autoclaves. Although there are similar studies in the literature, no study has been found in which energy costs are included in the model. Two models are proposed to solve the problem. Model 1 minimizes the curing completion time by considering the due dates of parts and material consumption dates of the materials to be cured. Model 2, on the other hand, uses the outputs of the first model as input and reschedules the curing hours of the jobs to minimize energy costs without changing the recipes and parts assigned to the autoclaves. In the experiments carried out with the created data sets, it has been determined that the energy costs can be reduced by 12.38% on average with the proposed models. As a result of re-planning the real-life sample curing plans with the recommended models, a maximum of 62% energy cost savings were saved. When the standard deviation increases in the energy cost during the day, the savings from the energy cost for that day also increase.