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When 3D Printing and IoT Merge: Smart Customisation in Printing

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{:en}The 3D printing industry is expected to grow to around 21 billion USD by 2020 and Industrial Internet of Things (IoT) market is forecasted to reach 151 billion USD by the same time frame, according to reports of Forbes and Marketsandmarkets. Giants like GE and Cisco show a more optimistic picture than the stated figures. When these two spheres merge, it leads to endless possibilities of a rejuvenated IoT-powered 3D printing experience. We will be able to monitor and control our 3D printer remotely from anywhere in the world. Let us now discuss a simple description of IoT and how it fits into the realm of home-based 3D printing (Fused deposition modeling as an example).

Wireless 3D printer control (Source: Instructables)
Wireless 3D printer control (Source: Instructables)

Internet of Things
The Internet of Things promises a new age of connectivity among different entities. A gadget or machine is connected to the internet to communicate autonomously with any other device or human. Development of automation and advanced sensing technologies are not new, but there was always a human interference needed to analyse the data and make decisions, in order to coordinate between different devices. Introduction of IoT redefines this intrusion step, by automatically collecting information from one device and signalling another one to perform the required operation. This opens up to advanced abilities in 3D printing.

Merging 3D Printing with IoT
The existing 3D printer has to be modified in most cases to incorporate and integrate the features of IoT. We will now see a broad implementation strategy without drilling down into the technical specifics. First the outcomes expected and functions to be performed by the 3D printer have to be charted out. As any IoT integration is application-specific, thorough information of the required performances help in the selection of appropriate sensing and communication platforms. Some major desirable functions, some of which do already exist, are charted below.

• Sensing sufficient filament availability before start of print
• Comparing build job with CAD file as it is being printed
• Alert/warning in case of discrepancies between CAD and actual part
• Sensing potential failures like warping, distortion, etc. and signalling to user
• Predicting failure modes of 3D printer parts before actual breakdown
• Constant availability of all information in internet, to be accessed by mobile phone, tablet or computer
• Controlling the possible printer settings online from distant location
• Erratic behaviours of machine to be automatically reported to machine manufacturers for improvement

The list goes on depending on individual experiences and expectations, but a common IoT architecture framework must satisfy majority of the issues. A suitable IoT architecture for such an application has the following four main layers.

  1. Sensing and perception layer
  2. Communication and networking layer
  3. Management service layer
  4. Application and interface layer

IoT architecture (Source: C#Corner)
IoT architecture (Source: C#Corner)

Sensing and perception
The main purpose of sensing and perception layer is sensing and collecting data from various components. It includes different types of sensors and interpretation devices. For our present application of 3D printer, the availability of filament can be checked by a simple mass or volume measuring sensor. Different non-contact height measurement sensors working on infrared, ultraviolet light and similar principles can be used to track the height of part being printed. Cameras to record building of the part would be really great, but involves expensive image processing and data storage techniques. CT scan and thermal analysis to capture and analyse parts are they are being built are already available in powder bed based metal additive manufacturing machines.

Communication and networking
As the name suggests, this layer is responsible for transmitting the data acquired by the previous layer for further processing. The communication medium can be selected depending upon the requirement; generally LAN to connect to a limited range, and WAN to connect over long distances. In terms of IoT, a WAN makes more sense to connect the devices and operate through a common cloud. WiFi and Ethernet provisions are available in latest 3D printer versions, and they can just be expanded into IoT requirements.

Management service
The management service layer is the most important entity to ensure a seamless IoT experience. Managing different devices, data analytics, security and overall control is taken care by this layer. Volumes of raw data received from different sensing systems are analysed, compared and meaningful decisions are taken based on predefined algorithms. These decisions are then signalled to corresponding actuators. The complexity of data processing is not too high like an industrial production scenario, but a meaningful processing capability is required to analyse the 3D printer’s print data. Adequate protections have to be ensured against hacking, loss and tampering of information flowing across internet. The actual comparison between CAD model and actual part is done in this layer. The processor can also be made to keep track of important components of the 3D printer. Working based on the predefined cycles/hours of operation, it’s an important tool in industries in preventive maintenance to avoid unexpected machine breakdowns. Such a wealth of information can be used by 3D printer manufacturers (or yourself if you built it) to study the failure trend and improve performance.

Application and interface
Application layer is the user interface with the 3D printer through remote means. Any required information such as build status, temperature and filament availability can be viewed and altered from a mobile phone or tablet connected to the internet. Creation of respective interfaces and application software provides wide range of flexibility to control the printer from anywhere in the world.

Such a ubiquitous connectivity enables us to initiate the prints, monitor the progress as we travel or work, and modify possible parameters remotely through handheld devices. One cannot discard the fact of experiencing unnoticed interruptions in printing after initiating a build job, only to discover very late that the machine has been idle for a long time. Such problems and breakdowns occurring in our absence can be immediately notified through networked mobile phones. Many more benefits are to be reaped in coming days. And it is not a long way to go; at the current pace of development, we can very soon expect a smart 3D printing experience.{:}{:es}

Se espera que la industria de la impresión 3D crezca a alrededor de 21 mil millones de dólares para el año 2020 y el Internet de las cosas (IOT) se prevé que alcanzará los 151 mil millones de dólares para el mismo período de tiempo, de acuerdo con informes de Forbes y MarketsandMarkets. Gigantes como GE y Cisco muestran un panorama más optimista que las cifras establecidas. Cuando se combinan estas dos esferas, conducen a posibilidades interminables de una rejuvenecida experiencia en impresiones 3D potenciadas por IOT. Seremos capaces de monitorear y controlar nuestra impresora 3D de forma remota desde cualquier lugar del mundo. Ahora vamos a discutir una simple descripción de la IO y cómo se integra en el ámbito de la impresión en 3D en el hogar (modelado por disposición fundida como un ejemplo).

Wireless 3D printer control (Source: Instructables)
Control de la impresión en 3D inalámbrico (Fuente: Instructables)

Internet de las cosas

El Internet de las cosas promete una nueva era de conectividad entre diferentes entidades. Un gadget o maquina es conectado al internet para conectarse autónomamente con otro dispositivo o humano. El  desarrollo de la automatización y las tecnologías avanzadas de detección no son nuevos, pero siempre había una interferencia humana necesaria para analizar los datos y tomar decisiones, a fin de coordinar entre los diferentes dispositivos. La introducción de la IOT redefine esta intrusión humana, mediante la recopilación de información automáticamente desde un dispositivo y mandando la señal a otro para realizar la operación requerida. Esto da paso a habilidades avanzadas en la impresión 3D.

Mezclando la impresión 3D con IOT.

La impresora 3D existente tiene que ser modificada en la mayoría de los casos para incorporar e integrar las características de la IOT. Ahora vamos a ver una amplia estrategia de aplicación sin tener que desplazarse en los detalles técnicos. En primer lugar los resultados esperados y las funciones a realizar por la impresora 3D tienen que ser llevados con un plan. Como cualquier tipo de integración de la IOT es específica de la aplicación, la información exhaustiva de las ejecuciones requeridas ayuda en la selección de plataformas de detección y comunicación adecuadas. Algunas de las principales funciones deseables, algunas de los que ya existen, se marcaron a continuación:

  • Detección de la disponibilidad suficiente de filamentos antes del inicio de la impresión.
  • Comparación del trabajo con archivos CAD, como si estuviera impreso.
  • Alerta en caso de discrepancias entre CAD y la parte real.
  • Detectar posibles fallos de como la deformación, distorsión, etc., y señalización al usuario.
  • Predicción de fallos de piezas de la impresora 3D antes del algún daño grave.
  • La disponibilidad constante de toda la información en Internet, para acceder por el teléfono móvil, tablet u ordenador.
  • Controlar las posibles configuraciones de la impresora en línea desde una ubicación distante.
  • Reportar comportamientos erráticos de la máquina a los fabricantes, para mejoras futuras o reparación.

La lista sigue dependiendo de las experiencias y expectativas individuales, pero un sistema común de la arquitectura del IOT debe satisfacer la mayoría de los rubros. Una arquitectura del IOT adecuado para tal aplicación tiene las siguientes cuatro capas principales:

  1. Capa de detección y percepción.
  2. Capa de comunicación y redes.
  3. Capa de servicios de gestión.
  4. Capa de aplicación e interfaz

IoT architecture (Source: C#Corner)
Arquitectura IOT (Fuente: C#Corner)

Detección y Percepción

El objetivo principal de la capa de detección y de percepción es la detección y colecta de datos de varios componentes. Incluye diferentes tipos de sensores y dispositivos de interpretación. Para nuestra aplicación actual de la impresora 3D, la disponibilidad de filamento se puede comprobar mediante un simple sensor de medición de masa o volumen. Diferentes sensores que no mantienen contacto trabajando en infrarrojo, luz ultravioleta o del mismo principio, pueden ser usados para medir la altura de la parte que se está imprimiendo. Cámaras para registrar la construcción de la pieza serían realmente útiles, pero implican costosas técnicas de procesamiento de imagen y almacenamiento de datos. Escáner CT y análisis térmico para capturar y analizar mientras las partes son construidas están ya disponibles en máquinas fabricadas con aditivos de metal hecho mediante una plancha de polvos.

Comunicación y Networking

Como su nombre indica, esta capa se encarga de transmitir los datos adquiridos por la capa anterior para su posterior procesamiento. El medio de comunicación se puede seleccionar dependiendo de los requisitos; generalmente LAN para conectarse a un rango limitada y WAN para conectarse a través de largas distancias. En términos de la IOT, una WAN tiene más sentido para conectar los dispositivos y operar a través de una nube común. Disposiciones WiFi y Ethernet están disponibles en las versiones más recientes de la impresora 3D, y pueden ser expandidas a los requisitos del IOT.

Servicio de gestión

La capa de servicios de gestión es la entidad más importante para garantizar una experiencia sin fisuras la IO. La Gestión de diferentes dispositivos, análisis de datos, la seguridad y el control general son atendidos por esta capa. Los volúmenes de datos en bruto recibido de los diferentes sistemas de detección son analizados, comparados y decisiones significativas se toman en base a algoritmos predefinidos. Estas decisiones se indican después a los actuadores correspondientes. La complejidad de procesamiento de datos no es tanta como en un escenario de producción industrial, pero se requiere una capacidad de procesamiento significativa para analizar los datos de impresión de la impresora 3D. Protección adecuada tiene que ser asegurada contra la piratería, la pérdida y manipulación de la información que fluye a través de Internet. La comparación entre el modelo CAD y la parte real se realiza en esta capa. También se le puede hacer al procesador para que mantenga un seguimiento y observación de los componentes importantes de la impresora. Trabajar sobre los ciclos predefinidos y horas de funcionamiento, es un excelente método de las industrias para prevenir mantenimiento para evitar daños y colapsos inesperados de la máquina. Esta gran cantidad de información puede ser usada por los fabricantes de las impresoras (o para ti si fabricas impresoras) para estudiar la tendencia de fallos y mejorar su funcionamiento y desempeño.

Aplicación e Interfaz

La capa de aplicación es la interfaz de usuario con la impresora 3D a través de medios remotos. Toda la información necesaria, como el estado de construcción, la temperatura y la disponibilidad de filamento se puede ver y alterar desde un teléfono móvil o una tableta conectada a internet. La creación de interfaces y software de aplicación ofrece amplia gama de flexibilidad para controlar la impresora desde cualquier lugar del mundo.

Tal conectividad ubicua nos permite iniciar las impresiones, controlar el progreso a medida que viajamos o trabajamos, y modificar los parámetros posibles de forma remota a través de dispositivos. No se puede descartar el hecho de experimentar interrupciones inadvertidas en la impresión después de iniciar un trabajo de construcción, sólo para descubrir muy tarde que la máquina ha estado inactiva durante mucho tiempo. Este tipo de problemas y averías que se producen en nuestra ausencia pueden ser notificados inmediatamente a través de los teléfonos móviles conectados a la red. Muchos más beneficios serán cosechados en los próximos días. Y no es un largo camino por recorrer; al ritmo actual de desarrollo, podemos muy pronto esperar una experiencia de impresión 3D inteligente.

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Written by 

Engineer and 3D printing enthusiast, experimenting with technologies and materials associated with additive manufacturing

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One thought on “When 3D Printing and IoT Merge: Smart Customisation in Printing

  1. tpoage@mindspring.com

    There is so much to know about these printers anything would be helpful. It will be interesting to see how much it grows.

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