デスクトップ FDM 高速 3D プリンターの爆発、Klipper ファームウェアの独自の機能、原理、利点!

南極熊の紹介: 3D プリンター自体はさまざまな機械部品で構成された製品ですが、3D プリンターのファームウェアによって大きな「活力」が与えられます。ファームウェアはスライサーから G コードを読み取り、それをプリンターを制御する電気パルスに変換して、微細構造を持つオブジェクトを作成します。現在、Klipper は最も人気のあるデスクトップ 3D プリンターファームウェアの 1 つであり、大きな利点によりファームウェア市場で地位を占めています。消費者向け FDM 3D プリンターの世界有数のメーカーとして、多くの中国メーカー (Anker Innovations、Chuangxiang 3D など) がこのファームウェアを採用し、通常のファームウェアを搭載したマシンの 5 倍となる最大 250 mm/秒の印刷速度を備えた FDM マシンの高速バージョンを発売しました。では、Klipper の具体的な機能は何でしょうか?どのように機能しますか?利点は何ですか?市場でより人気のある Marlin との違いは何ですか? どのように選択すればよいですか?心配しないでください。南極クマがあなたを連れて行って調べます!

プリンターの印刷プロセスの制御は見た目よりもはるかに複雑で、ステッピングモーター、ファン、ヒーターなどを制御するには何百万もの計算が必要になることがよくあります。高速かつ高精度の印刷プロセスでは、ファームウェアに非常に高い要求が課せられます。 Klipper は、GitHub ユーザーの KevinOConnor によって開発されたオープンソースの 3D プリンターファームウェアです。従来の 3D プリンターファームウェアとは異なり、Klipper は 3D プリンターのメインボードと、Raspberry Pi などの追加のシングルボードコンピューターで使用されます。 Klipper は追加の計算能力を使用してマザーボードのコマンド処理を支援し、ユーザーがより高速かつ正確に印刷できるようにします。

Klipper の機能Klipper ファームウェアは、プリンターの印刷パフォーマンスを向上させる特別な機能をユーザーに提供する独自のプログラムです。 Kipper には、11 の最も特徴的な機能とその他の多くの標準的な 3D プリンター機能を含む、数多くの機能があります。

最も特徴的な機能:
●高精度なステッピング動作。 Klipper は、アプリケーションプロセッサ (Raspberry Pi) を使用してプリンターの動きを計算し、ステッピングモーターの動きを決定し、それをマイクロコントローラに送信して、必要なタイミングで実行します。各ステップイベントの精度は 25 マイクロ秒以上であり、Bresenham アルゴリズムなどの運動学アルゴリズムよりも静かで安定したプリンター動作を実現します。
●安定した高ステップレート。 Klipper は、古いマイクロコントローラと新しいマイクロコントローラの両方で高いステップレートを実現でき、古い 8 ビットマイクロコントローラでも最大 175,000 ステップ/秒のレートを実現できます。新しい 32 ビットマイクロコントローラでは、1 秒あたり数百万ステップが達成可能です。ステップレートが高ければ、印刷速度のステップも高速化され、ステップイベントのタイミングは高速でも正確に維持されるため、全体的な安定性が向上します。
●複数のマイクロコントローラを搭載したプリンタをサポートします。たとえば、1 つのマイクロコントローラを使用して押し出し機を制御し、別のマイクロコントローラを使用してヒーターを制御し、3 つ目のマイクロコントローラを使用して他のプリンターコンポーネントを制御することができます。 Klipper ホストプログラムはクロック同期を実装し、マイクロプロセッサ間のクロックドリフトを解決します (ジッター周波数は 10 Hz 未満)。複数のコントローラーを有効にするには、構成ファイルに数行のコードを追加するだけで済み、特別なコードは必要ありません。
●シンプルな設定ファイル。設定を変更しても、マイクロコントローラを再フラッシュする必要はありません。すべての Klipper 構成は編集しやすい構成ファイルに保存されるため、ハードウェアの構成と保守の難しさが大幅に軽減されます。
●圧力の変化がスムーズです。この設計は、押し出し機内の圧力効果を考慮しており、ノズルのオーバーフローを減らし、コーナーでの印刷品質を向上させることができます。押し出し機の速度が急激に変化することがなく、印刷の全体的な安定性と堅牢性が向上します。

△クリッパーは圧力安定化機能を使用する

●振動による印刷品質への影響を軽減する「入力シェーピング」の使用をサポートします。この機能により、印刷時の「リンギング」を軽減または排除でき、場合によっては印刷品質を維持しながら印刷速度を上げることができます。
●正確なステップ時間を計算できます。 Klipper は「反復ソルバー」を使用して、単純な運動方程式から正確なステップ時間を計算し、正確なステップタイミングを確保しながら Klipper を新しい機械構造に簡単に適応させます。
●時間の精度はハードウェアとは関係ありません。 Klipper は、低レベルの電子ハードウェアの影響を受けずに、ユーザーが同じ正確な時刻を取得できるようにすることを目指しています。マイクロコントローラコードは、常に Klipper ホストソフトウェアによって提供されるスケジュールに従います。コードの移植は簡単です。 Klipper は、ARM、AVR、および PRU アーキテクチャのマイクロコントローラ上で実行できます。既存の「reprap」プリンターはハードウェアを変更することなく Klipper を実行でき、Klipper の内部コード構造は他のフレームワークに簡単に移植できます。
●シンプルなコード。 Klipper コードのほとんどは、モーションアルゴリズム、G コード、加熱、温度センサーアルゴリズムなど、非常に高水準のプログラミング言語 (Python) で記述されており、新しい機能の開発が容易になります。
●カスタムプログラム可能なスクリプト。ユーザーはプリンタ構成ファイルで新しい G コードコマンドを定義できます (コードを変更する必要はありません)。これらのコマンドはプログラム可能であり、プリンタの状態に応じて異なる応答をする場合があります。
●組み込み API サーバー。標準の G コードインターフェースに加えて、Klipper は豊富な JSON API もサポートしています。プログラマーがプリンターを細かく制御するための外部プログラムを作成できるようにします。

その他の標準 3D プリンター機能 (互換性機能) をサポートします。
●複数のネットワークインターフェースを提供します。 Kipper は Mainsail、Fluidd、OctoPrint などと連携し、通常の Web ブラウザーを使用してプリンターを制御できるようにします。 Klipper を実行している Raspberry Pi でも Web インターフェイスを実行できます。
●標準Gコードサポート。一般的な「スライスソフトウェア」(SuperSlicer、Cura、PrusaSlicer など) によって生成される一般的な G コードコマンドをサポートします。
●複数の押出機をサポートします。押し出し機 (複数の入力と 1 つの出力) とホットエンドを共有する複数のヘッド (IDEX) のサポートが含まれます。

△Klipperは独立したデュアルエクストルーダーを採用

●複数の座標系プリンタをサポートします。デカルト座標系、回転座標系、その他のプリンターをサポートします。
●印刷プラットフォームは自動水平調整機能を備えています。 Klipper は、ベッドの傾き検出やメッシュベッドの水平調整に使用されます。プリンターが複数の Z ステッパーを使用する場合、Klipper は水平調整のために Z ステッパーを個別に操作することもできます。 BL-Touch プローブやサーボ駆動プローブなど、ほとんどの Z 高さプローブがサポートされています。
●自動デルタキャリブレーションをサポートします。キャリブレーションツールを使用すると、基本的な高さのキャリブレーションに加え、強化された X および Y 次元のキャリブレーションが可能になります。キャリブレーションは、Z 高さプローブまたは手動プローブを使用して行うことができます。
●ランタイム「除外オブジェクト」をサポートします。このモジュールを設定すると、複数部印刷におけるオブジェクトのキャンセルが容易になります。
●一般的な温度センサー（一般的なサーミスタ、AD595、AD597、AD849x、PT100、PT1000、MAX6675、MAX31855、MAX31856、MAX31865、BME280、HTU21D、DS18B20、LM75 など）をサポートします。ユーザーは、カスタムサーミスタとカスタムアナログ温度センサーを構成して、マイクロコントローラーと Raspberry Pi 内の温度センサーを監視することもできます。
●基本的なヒーター保護はデフォルトで有効になっています。
●標準ファン、ノズルファン、温度制御ファンをサポートします。プリンターがアイドル状態のときにファンを稼働させ続けるのではなく、タコメータを使用してファンの速度を監視することができます。
●複数のドライブ構成をサポートします。 TMC2130、TMC2208/TMC2224、TMC2209、TMC2660、およびTMC5160 ステッピングモータードライバーのランタイム構成をサポートします。従来のステッピングドライバの電流制御も、AD5206、DAC084S085、MCP4451、MCP4728、MCP4018、および PWM ピンを介してサポートされます。
●プリンターに直接接続できる一般的な LCD モニターをサポートします。。表示とメニューの内容は、構成ファイルを介して完全にカスタマイズできます。
●一定の加速を保ちながら前方を見ます。すべてのプリンターの動作は、静止状態から設定速度まで徐々に加速し、その後減速して再び静止状態に戻ります。 Kippe は、G コード移動コマンドの受信ストリームをキューに入れて分析し、同様の方向への移動間の加速を最適化して、印刷の一時停止を減らし、全体的な印刷時間を改善します。
● Klipper は、リミットスイッチの精度を向上させ、プリントの最初の層のプリントベッドへの接着性を向上させる「ステップフェーズリミット」アルゴリズムを実装しています。
●フィラメント存在センサー、フィラメント動作センサー、フィラメント幅センサーをサポートします。
● ADL345、MPU9250、MPU6050 加速度計を使用した加速度の測定と記録をサポートします。

●短距離ジグザグ移動の最高速度を制限し、プリンターの振動と騒音を低減します。

Kipper はどのように機能しますか?
ほとんどのプリンターは 8 ビットのマザーボードを使用していました (現在でも多くのプリンターが使用しています)。そのため、G コードコマンドの読み取りと実行の処理時間が遅くなりました。 Klipper は、タスクを別のデバイスにオフロードすることで、この処理時間を短縮し、印刷パフォーマンスを向上させることを目指しています。簡単に言えば、Klipper は追加の計算能力を活用して G コードコマンドを事前に開発し、プリンターはコマンドを処理するのではなく、コマンドを実行するだけで済むようにします。そのため、Klipper は追加の計算能力と組み込みアルゴリズムを使用して、モーター動作のステップ時間をより正確に計算し、25 マイクロ秒以上の動作精度を実現します。

△圧力制御機能により、印刷面を滑らかに仕上げることができます。

外部コンピュータを使用して動作を処理すると、プリンターは一定時間内により多くの操作を実行できるようになります。 Klipper は、8 ビットマザーボードでは最大 175,000 ステップ/秒、新しい 32 ビットマザーボードでは最大 500,000 ステップ/秒に到達できます。これらの速度は Marlin ファームウェアで得られる速度よりもはるかに高速であり、多くのユーザーがこの理由で Klipper を選択します。

追加の計算能力により、Klipper ファームウェアパッケージは、プリンターのメインボード自体に過度の負担をかけることなく、他の多くの強力な機能も利用できるようになります。これには、リニアアドバンスとよく似た動作をする Klipper の圧力アドバンス機能が含まれており、より正確で一貫した押し出しが可能になり、印刷物の表面がより滑らかに見えます。 Klipper のもう 1 つの機能は、組み込みのステップ位相停止アルゴリズムです。この機能は、正しく調整すると、機械の停止位置 (リミットスイッチ) の精度が向上するため、最初のコートの接着性が向上します。

Klipper には互換性を重視した機能も多数備わっており、独立したデュアル押し出し、特殊な温度センサー、その他の独自の属性を備えたプリンターでも動作します。 Klipper は、BLTouch センサーなどの多数のプリンターやアクセサリとの統合を提供します。他のファームウェアとは異なり、Klipper は特定の直接ディスプレイ (Ender 3 V2 LCD など) では使用できないため、ユーザーはマシンを制御するために Web インターフェイスを必要とします。これらのオンラインプログラムを使用すると、温度の設定、コンポーネントの移動、印刷の開始などのタスクの実行を含め、プリンターをリモートで制御できます。

Kipper からサポートを受けるにはどうすればいいですか?
多くのユーザーはファームウェアの使用時に混乱し、コードの変更や機能の調整をどこから始めればよいかわかりません。心配する必要はありません。Kipper に関する情報のほとんどは公開されており、学習することができます。この情報があれば、プリンターで Kipper を簡単に使用できます。

Klipper の使用中に問題が発生した場合、次の 3 つの方法でサポートを受けることができます。

△Klipperファームウェアの問題解決方法はGitHubページで確認できます

●Klipper のソースファイルは GitHub ページにあり、頻繁に更新されています。質問や問題がある場合は、Klipper の GitHub ページのIssuesセクションで既存のケースや解決済みのケースを見つけることができます。質問に問題が記載されていない場合は、新しいケースを開いてユーザーに支援を求めることもできます。

●Klippe のサポートドキュメント (ドキュメント、FAQ、連絡先ページなど) は、Klippe の公式 Web サイトでご覧いただけます。

●主流の 3D プリントフォーラムでサポートを求めることもできます。Antarctic Bear は、現在 4,500 人以上のユーザーがいる「Klippers」サブレディット (「Tieba のアメリカ版」) があることを発見しました。このプラットフォームにアクセスして、何か新しいものを見つけてください。

Klipper 対 Marlin?

△Klipperのプリント（左）は、Marlinファームウェアを使用してプリントしたモデルよりも滑らかに見える

Marlin は市場を独占しており、2011 年に Erik van der Zalm 氏によって Ultimaker 向けに開発され、手頃な価格の 8 ビット Arduino マイクロコントローラーで使用できるように設計されています。 2016 年に Kevin O'Connor によって初めてリリースされた Klipper は、3D プリンターの制御に非常に異なるアプローチを採用しています。小さなマイクロコントローラがプリンタの機能に制限を課すことを認識し、Klipper は数学的計算の多くをより強力なデバイス (通常は Raspberry Pi) にオフロードします。

理論的には、これにより Klipper はより高い計算能力を実現し、印刷速度と印刷品質の両方を向上させることができます。しかし、Marlin も負けじと、より強力な 32 ビットコントローラーをサポートするバージョンを導入しました。 Marlin の開発者は、バージョン 2.1 以降でも新たな改良を続けています。では、設計上の違い以外に、サポートの可用性やインストールの容易さなどの点で、Marlin と Klipper はどのように違うのでしょうか?ユーザーはどのように選択すればよいでしょうか?

構成の側面● ユーザーがコンポーネントの交換やアップグレードなど、Marlin の設定を変更する場合は、configuration.h と configuration-adv.h の 1 つまたは 2 つの構成ファイルを変更する必要があります。これらのファイルは、ファームウェアをビルドするために何が必要かをコンパイラに伝える「コンパイラディレクティブ」です。これらに変更を加えることは初心者にとって困難なことであり、新しい構成には既存のファームウェアを完全に置き換えて再フラッシュする必要があります。

● Klipper の設定は編集可能なテキストファイルに保存され、起動のたびに読み込まれます。これらのファイルの変更は比較的簡単で、コントローラーを更新する必要がないため、構成の変更を迅速に行うことができます。これは、新しいマシンをゼロから構築する場合や、新しいハードウェアの出荷やパフォーマンスの微調整など、複数の構成変更を行う必要がある場合にとって魅力的です。

インストールの側面● Marlin のインストールまたは更新は、新しい (正しく構成およびコンパイルされた) ファームウェアをターゲットコントローラーにフラッシュするだけです。具体的な方法はデバイスの種類によって異なりますが、通常は USB ケーブルまたは SD カードを使用して行われます。従来、このプロセスは Arduino IDE によって実行されていましたが、32 ビットボードの場合は、VSCode にバンドルされている PlatformIO を使用して実行されるのが一般的です。 Marlin の開発者は、このプロセスについてわかりやすいチュートリアルを作成しました。

Klipperには、さまざまなコンポーネントをインストールおよび更新するためのヘルパープログラムがあります。

● Klipper では、プリンターコントローラーに適切に構成されたファームウェアをインストールする必要があり、そのプロセスは Marlin とほぼ同じです。 Raspberry Pi (またはその他の Linux ベースのホストデバイス) で実行される Klipper の部分をインストールするには、さらにいくつかの手順が必要になる場合があります。ドキュメントの改善と Klipper インストールおよび更新ヘルパー (KIAUH) の導入により、Klipper やその他のアドオンのインストールが簡単な手順で簡単にできるようになりました。ただし、Klipper は更新が簡単ですが、オンラインヘルプは Marlin ほど利用できません。

機能的
Marlin と Klipper はどちらもコア機能の多くを共有していますが、Klipper は独自の高度な機能をいくつかサポートしています。 2 つのファームウェアには、他にも機能上の違いがあります。たとえば、Marlin は豊富な G コードセットをサポートしていますが、Klipper は主要な G コードオプションをサポートしていますが、マクロの使用を優先します。これにより、ユーザーインターフェイスへの新しいボタンの追加からプリンターの条件付き制御まで、非常に柔軟に対応できます。 Marlin と Klipper はどちらも、機能性を向上させ、より幅広いコントローラーボードやその他のハードウェアをサポートするために、継続的に急速な開発が行われています。

ユーザーはどのように選択するのでしょうか?

3D プリントが進歩するにつれて、Marlin と Klipper は進化と改善を続けています。では、今日の正しい選択は何でしょうか?このトピックについては、さまざまなオンライン 3D プリントフォーラムで盛んに議論されており、ユーザーは長所と短所の広範なリストを提示しています。ただし、答えはさまざまな要因によって異なります。

32 ビットボード上の Marlin 2.1+ は、ほとんどの 3D プリンターに十分な処理能力を備えています。大規模なユーザーベースによって十分にサポートされており、インストールと構成が比較的簡単で、ほぼすべての印刷シナリオを満たす機能を提供します。

Klipper は最初に設定するのが複雑ですが、その後の設定変更はより簡単かつ迅速になります。また、高速印刷品質を向上させる独自の機能もサポートしています。印刷品質の向上、印刷速度の向上、またはアドホックなプリンターの構築や印刷の変更を求める人にとっては、確かにより多くの利点があります。

FDM高速3Dプリンターの爆発

Antarctic Bear は、多くの消費者向け 3D プリンター製造業者が Klipper ファームウェアをベースにした FDM 3D プリンターを発売していることに気付きました。例えば、Shenzhen Chuangxiang 3D、Shenzhen Anker Innovations、Zhengzhou Chaokuo Electronics △ Shenzhen Chuangxiang 3D Sonic Screen は、Klipper ファームウェアをベースにした 3D プリントスマートタブレットです。 Sonic Screen は強力なパフォーマンスを備えており、USB ケーブルで 3D プリンターに接続し、元のファームウェアを置き換えて制御し、有利なアルゴリズムを使用して印刷を総合的に高速化します。現在、Ender-3 V2、Ender-3 S1、Ender-3 S1 Proを含む23の製品が事前適応されています。 USB インターフェースを備えたその他のプリンターも、一般的な操作手順に従って手動で調整できます。 4台のプリンターを同時に制御できます。詳細 https://www.nanjixiong.com/thread-159576-1-1.html

△2022年、深センアンカーイノベーションズの「AnkerMakeM5」が海外クラウドファンディングプラットフォームKickstarterで888万ドルを調達し、同プラットフォーム上の3Dプリンター史上第1位となった。印刷速度が 5 倍速くなり、印刷時間が 70% 短縮されると主張しています。 FDM 3D プリンターの多くのユーザーにとって、印刷速度が遅いことは常に悩みの種でした。 250mm/秒の速度で高品質な印刷が実現できれば非常に魅力的です。

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