Input shaping в Klipper улучшает качество печати, изгоняя призраков, вызванных вибрациями и резонансами.
Klipper - это прошивка для 3D-принтера, которая вместо обработки G-кода на материнской плате принтера загружает его на отдельный компьютер (обычно Raspberry Pi). Это не только дает Klipper больше возможностей для выполнения вычислений, но и позволяет контроллеру принтера сосредоточить все свое внимание на управлении собственным оборудованием.
#
3DMART студия - услуги 3D печати, изготовление запасных частей, заказ образцов, 3D моделирование, разработка корпусов РЭА, 3D формы для настенной плитки.
#
Теоретически это позволяет Klipper печатать быстрее и с более высоким качеством, чем при традиционных подходах, поскольку он может быстрее выполнять вычисления и работать с принтером интенсивнее. Однако скорость порождает свои проблемы. Например, части печатающей головки могут резонировать подобно звону колокольчика. Хотя вы можете этого не слышать или не видеть, это может проявляться в виде странных отраженных узоров на поверхности отпечатка, которые снижают качество печати. Среди рпоизводителей этот эффект называется по-разному, включая призрачность, эхо, рябь и звон.
В этой статье мы рассмотрим функцию, которую Klipper внедрил для борьбы с призрачностью. Она называется “Input shaping”, и для ее настройки требуется немного усилий. Давайте проверим, как это работает!
Почему принтеры вибрируют и резонируют
Прежде чем мы перейдем к деталям функции Input shaping Klipper, давайте сначала обсудим, почему вибрируют 3D-принтеры. На самом деле, все вибрирует, когда подвергается повторяющимся внешним воздействиям. На определенных частотах объекты могут “резонировать”, что означает, что амплитуда колебаний становится особенно интенсивной.
Скрипка или гитара используют это преимущество для усиления музыкальных нот, стиральная машина во время отжима может издавать достаточно громкий звук, чтобы передвигаться по полу, а “поющий” бокал для вина может делать это с достаточной интенсивностью, чтобы разбиться вдребезги.
Печатающая головка принтера не зафиксирована надежно, и при резких перемещениях она тоже будет вибрировать, а также может иметь ярко выраженную резонансную частоту, где это движение или вибрация наиболее значительны. Иногда может быть несколько четко выраженных частот.
Хотя этот эффект может быть незаметен непосредственно, он приводит к тому, что сопло находится не совсем там, где оно должно быть. По сути, оно находится совсем немного не в том месте, что касается G-кода, и это проявляется в виде артефактов на поверхностях отпечатка.
Эта проблема всегда ставила под сомнение дизайн 3D-принтеров: недостаточная жесткость конструкции или колебания приводных ремней могут усугубить ситуацию. Крупные принтеры и принтеры с тяжелыми печатающими головками особенно подвержены этому. Cуществуют механические проблемы, которые можно предпринять для уменьшения эффекта, но они не всегда полностью эффективны.
После устранения механических неполадок, насколько это возможно, единственным другим шагом, который можно предпринять, является снижение скорости печати или, по крайней мере, уменьшение ускорений, приводящих в движение печатающую головку. Если снижение скорости невозможно и если были испробованы все локальные механические исправления, то именно здесь особую роль играет input shaping Klipper.
Что это?
input shaping, также известное как компенсация резонанса, уменьшает или устраняет ореолы за счет подавления резонансов – немного похоже на наушники с шумоподавлением, которые отфильтровывают фоновые звуки. Настройка функции требует определенных усилий, так когда же ее стоит внедрять?
В конечном счете, это ваше решение. Появление ореолов вызвано физическими проблемами с принтером и постепенно ухудшается по мере увеличения скорости печати. Это особенно актуально, если печатающая головка или другие движущиеся части тяжелые.
Некоторое количество ореолов может быть приемлемым, но если достижение отличного качества печати является приоритетом или требуется максимально возможная скорость печати, почти наверняка стоит пройти процесс калибровки. Input shaping может значительно уменьшить или полностью устранить ореолы, что приводит к более быстрой и качественной печати, а также к меньшему износу вашего принтера.
Тем не менее, из-за того, как это реализовано, input shaping не гарантирует 100% устранения негативных последствий вибраций. Давайте углубимся в это, чтобы понять почему.
Как это работает
Концепция input shaping хорошо известна в инженерной теории управления, но ее реализация может быть математически сложной.
Отправной точкой input shaping является понимание того, на каких частотах и насколько значительны резонансные колебания. (Мы рассмотрим, как это делается позже). Вооружившись этой информацией, можно использовать ряд математических моделей для точной компенсации вибрации путем упреждающего изменения движения шаговых двигателей принтера, фактически тормозя нежелательные перемещения. Если вам нужно техническое объяснение, это делается путем свертывания последовательности импульсов, подаваемых на шаговые приводы!
Формула input shaping
Различные типы моделей input shaping, которые выполняют фактическую компенсацию, имеют эзотерические названия, такие как “MZV” (вибрация нулевой величины) и “3Hump-EI” (где “EI” означает сверхчувствительный)! К счастью, вам не нужно понимать, что происходит под капотом, поскольку существуют простые в использовании руководства, которые помогут определить, что лучше всего подходит для результатов измерений.
Правильная модель будет зависеть от типа вашего принтера (например, декартового, CoreXY, Delta и других) и множества других факторов. Также вероятно, что наилучшее решение для осей X и Y также может отличаться.
Настройка в Клиппере
Соответствующие типы входных формирователей вместе с соответствующими резонансными частотами вводятся в стандартный конфигурационный файл Klipper, который считывается при каждом запуске Klipper. Например, следующая запись в файле конфигурации выберет тип MZV с частотой 49,18 Гц для оси X и тип EI с частотой 34,6 Гц для оси Y:
shaper_freq_x: 49,18 shaper_type_x: mzv shaper_freq_y: 34,6 shaper_type_y: ei
Если для вас это греческий, не волнуйтесь. Сейчас разберемся, что все это значит. На данный момент достаточно знать, что после перезапуска Klipper эти изменения вступят в силу немедленно и будет включено формирование ввода. Также важно иметь в виду, что эти настройки, возможно, потребуется пересмотреть, если в принтер будут внесены какие-либо существенные физические изменения, включая изменение натяжения ремней.
Методы настройки
Очевидно, что нам нужен подходящий метод для определения резонансных частот по осям X и Y и выбора подходящего типа input shaping из нескольких доступных моделей. Есть два способа сделать это. Первый - это ручная настройка, которая включает в себя печать калибровочного образца и проведение измерений по нему. Преимущество этого метода в том, что его довольно просто реализовать, но недостатком является то, что он менее точен и с трудом справляется с более сложными резонансами.
Другой способ сделать это, автоматическая настройка, имеет преимущество, когда дело доходит до точности, но более сложен в реализации. В дополнение к серии автоматизированных тестовых сценариев автоматическая настройка основана на акселерометре, который физически прикреплен к печатающей головке и, если таковой имеется, также к подвижном столе принтера.
Настройка вручную: Предварительные сведения
Наиболее распространенным, хотя и менее точным способом настройки input shaping является печать калибровочного образца, известного как tuning tower. Он состоит из двух перпендикулярных стенок: одна для оси X (которая обозначена буквой "X" сзади), а другая для оси Y (которая также обозначена на обратной стороне стены). Стенки имеют повторяющиеся зубчатые формы, которые используются для упрощения процесса калибровки. Они увеличивают любые искажения как в направлении X, так и в направлении Y.
Когда дело доходит до печати башни, особых требований к материалу нет.
Настройки слайсера и клиппера
Тестовая модель должна быть нарезана определенным образом: высота слоя 0,2 мм или 0,25 мм, скорость печати от 80 мм/с до 100 мм/с для внешних периметров, минимальное время нанесения слоя не более 3 секунд, при отключенных функциях управления динамическим ускорением.
Сам клипер также должен быть настроен определенным образом, с такими функциями, как отключение Pressure Advance, Square Corner Velocity по умолчанию и, что важно, максимальное ускорение, установленное на 10 000.
Выполнение теста
В ходе процесса мы напечатаем более одной башни, используя разные настройки. Изначально она печатается с помощью команды Klipper, которая увеличивает ускорение вверх после завершения тестовой печати на каждые 5 мм по вертикали:
TUNING_TOWER COMMAND=SET_VELOCITY_LIMIT PARAMETER=ACCEL START=1500 STEP_DELTA=500 STEP_HEIGHT=5
Это ускорение начинается с 1500 мм/с2 и увеличивается с увеличением на 500 до 7500 мм/с2. Это может оказаться слишком большим для вашего принтера, поэтому будьте готовы при необходимости прервать тест раньше времени. Кроме того, если звон уже хорошо виден, вам также необязательно выполнять тестовую печать до конца.
Когда башня напечатана, ее можно визуально осмотреть и измерить, чтобы получить первые необходимые данные. Давайте взглянем на то, что с этим связано, а также на то, как настроить любую результирующую конфигурацию input shaping.
Ручная настройка: как ее сделать ?
Как отмечалось выше, панель настройки предназначена для выделения частот звон как по осям X, так и по оси Y, и это нормально, что они различаются. Он также выступает в качестве базовой линии для последующего сравнения и помогает определить, не слишком ли велико естественное сглаживание, применяемое при формировании input shaping.
Вы будете использовать tuning tower для настройки input shaping вручную, и этот процесс включает в себя определение частот искажений, выбор типа формирования входных данных, повторную печать tuning tower, а затем подтверждение значений ускорения. Вот как это сделать!
Определение частот появления призраков
Шаг 1
Наша первая настройка позволяет рассчитать преобладающую частоту звона или появления призраков. Начните с тщательного измерения (в мм) расстояния между заданным количеством повторяющихся колебаний. Выберите столько пульсаций, сколько вы сможете точно измерить линейкой или штангенциркулем.
Например, желтая стрелка на изображении выше показывает шесть колебаний – обычно первые одно или два игнорируются. Обратите внимание, что схема и процесс абсолютно одинаковы как для осей X, так и для Y, но просто убедитесь, что вы читаете правильную стенку башни настройки.
Шаг 2
Частота определяется скоростью печати, умноженной на количество колебаний, деленное на измеренное расстояние. В случае с нашим изображением выше мы определили шесть колебаний. Давайте предположим скорость печати 100 мм/с и расстояние 12,2 мм. Это соответствует частоте 49,18 Гц.
Шаг 3
После определения частоту можно ввести в соответствующий раздел файла конфигурации Klipper. В нашем примере мы рассчитали частоту для оси X, поэтому запись будет выглядеть следующим образом:
shaper_freq_x: 49.18
Затем процесс повторяется для стены по оси Y башни настройки. Обратите внимание, что если на одной из осей нет видимых ореолов, можно просто опустить это в файле конфигурации Klipper.
Выбор типа input shaping
Далее мы выберем тот тип input shaping, который, вероятно, будет наилучшим, и введем его в конфигурационный файл. Общее руководство в документации Klipper заключается в том, что EI является лучшим типом для принтеров, основание которых перемещается по оси Y (в документации Klipper принтеры называются “bed slinger”), а также для многих дельта-установок. MVZ часто лучше всего подходит для других типов принтеров.
Возможно, вы захотите проверить онлайн-форумы, чтобы узнать, что выбрали другие, но поскольку каждый принтер индивидуален, может потребоваться элемент проб и ошибок. Для нашего примера давайте используем MVZ. Мы сделаем следующую запись:
shaper_freq_x: 49.18 shaper_type: mzv
Кроме того, несмотря на то, что в документации они указаны в верхнем регистре, типы input shaping должны быть указаны в нижнем регистре в файле конфигурации!
Повторная печать башни настройки
Вы почти у цели! Перезапустите Klipper и запустите ту же команду выполнения теста, что и раньше:
КОМАНДА TUNING_TOWER=ПАРАМЕТР SET_VELOCITY_LIMIT=УСКОРЕНИЕ ЗАПУСКА=1500 STEP_DELTA=500 STEP_HEIGHT=5
Вы должны увидеть заметное улучшение в отображении призраков (ниже мы рассмотрим, что делать, если нет). Для сравнения вы можете повторить этот процесс с альтернативным типом input shaping.
Подтверждение значений ускорения
Далее мы определим значения ускорения, изучив второй тестовый отпечаток. Внимательно посмотрите на часть башни настройки с небольшим зазором в 0,15 мм. Input shaping приводит к некоторому сглаживанию, и этот зазор является показателем того, насколько сильно происходит ускорение. Чем больше ускорение, тем больше сглаживание и тем шире зазор.
Точка, в которой зазор заметно увеличивается более чем на 0,15 мм, определяет максимальное рекомендуемое ускорение. Помните, что по умолчанию ускорение башни настройки начинается с 1500 мм/с2 и увеличивается на 500 мм/с2 через каждые 5 мм.
Например, если зазор увеличивается более чем на 20 мм (в этот момент ускорение составляет 3500 мм/с2), рекомендуемым максимальным ускорением будет меньшее значение - 3000 мм/с2. Максимальное ускорение определено в конфигурационном файле Klipper как “max_accel”. Итак, вам нужно ввести в конфигурационный файл следующее:
max_accel: 3000
Обратите внимание, что здесь играет роль несколько факторов, которые могут потребовать тонкой настройки или предполагать компромисс между качеством печати и абсолютной скоростью и ускорением. Мы рассмотрим это более подробно в разделах автоматической настройки ниже. Но на данный момент, если все пошло по плану, у вас все готово!
Бывают случаи, когда у вас могут возникнуть проблемы с интерпретацией башни настройки. Например, расстояния между призрачными изображениями могут быть неравномерными, что может означать наличие нескольких резонансных частот или что-то еще не так. В документации Klipper есть раздел о ненадежных измерениях, который может помочь в таких случаях. Однако, возможно, вам придется обратиться к более продвинутому способу установления резонансов с использованием дополнительного оборудования, как описано в следующих разделах.
Кроме того, вы можете вообще не увидеть зазор в вашей башне, когда хотите установить максимальное ускорение. Это может произойти с реализациями Bowden, где вы можете даже получить капли на зубчатом узоре. В этом случае вы можете повторно запустить описанный выше процесс, но с включенным Pressure Advance.
Автоматическая настройка: предварительные сведения
Более точным способом настройки input shaping является подключение акселерометра к печатающей головке вашего принтера. Акселерометр обеспечивает прямой и детальный анализ вибраций, что позволяет быстрее и качественнее настроить выбор модели, а также лучше понять управление ускорением. В Klipper также есть скрипт автоматической калибровки, который проанализирует результаты работы акселерометра и предложит наилучшее решение.
Совместимые акселерометры
Klipper поддерживает относительно недорогой и доступный акселерометр ADXL345 – 343 тоже будет работать, но имеет более низкую спецификацию – а также MPU-9250 (или MPU-6050). Они должны быть надежно прикреплены к печатающей головке, существуют STL файлы для различных монтажных адаптеров.
Обратите внимание, на принтеры, которые перемещают свой стол в направлении оси Y, акселерометр устанавливается на самой подставке. К сожалению, большинство недорогих принтеров для любителей, таких как Ender 3s, попадают в эту категорию. Для проверки по осям X и Y можно использовать один акселерометр между печатающей головкой и столом соответственно или два отдельных акселерометра.
Настройка акселерометра(ов)
Акселерометры подключаются через интерфейс SPI, поэтому их можно подключить напрямую к Raspberry Pi. Они также могут подключаться через контроллер принтера, при условии, что это достаточно быстро, что может быть преимуществом при настройке нескольких принтеров. Если вы пойдете по пути Raspberry Pi, также потребуется несколько изменений конфигурации, отличных от стандартных, которые четко описаны в документации Klipper по измерению резонанса. Вам также потребуется указать, какой акселерометр используется в файле конфигурации Klipper. И снова вам нужно будет обратиться к соответствующему руководству по установке программного обеспечения.
Обратите внимание, что подключение SPI исключает этот подход для реализаций Klipper, работающих на устройствах без такого интерфейса. Кроме того, в подробной документации Klipper несколько раз упоминается использование OctoPrint, но будет работать любой пользовательский интерфейс Klipper.
Тестирование акселерометра
После установки стоит протестировать акселерометр и убедиться, что все в порядке. Опять же, Klipper частично автоматизировал это. Итак, вы можете просто запустить следующий скрипт:
ACCELEROMETER_QUERY
Существует вариант этого для принтеров, которым требуется более одного акселерометра, чтобы можно было запускать отдельные тесты X и Y. Сценарий требует, чтобы вы определили, какой акселерометр запрашивать. Загляните в раздел “Проверка настройки” документации Klipper для получения более подробной информации.
Дополнительный тест, MEASURE_AXES_NOISE, проверит наличие избыточного шума, который может быть вызван проблемами с питанием или некачественными вентиляторами, непосредственно влияющими на работу акселерометра. Попробуйте выключить вентиляторы, если это произойдет.
Автоматическая настройка: как ее сделать?
После настройки акселерометра мы готовы выполнить автоматическую настройку. Мы начнем с сбора данных с акселерометра (ов), анализа их с помощью скрипта, затем добавим рекомендуемую конфигурацию в стандартный файл конфигурации Klipper. Давайте начнем!
Запуск сценария калибровки
Если акселерометр работает правильно, вы готовы запустить сценарий калибровки и отобразить частоты, на которых ваш принтер вибрирует сильнее всего. Вы будете делать это по очереди для каждой оси, запуская сначала скрипт для одной оси, затем для другой:
ОСЬ TEST_RESONANCES=X
ОСЬ TEST_RESONANCES=Y
Имейте в виду, что этот сценарий предназначен для встряхивания принтера и создания вибраций. Стоит быть готовым выполнить команду аварийной остановки M112 в случае возникновения каких-либо сильных вибраций или других проблем с оборудованием. Если вибрации слишком велики в начале теста, есть опция настройки, позволяющая исправить это: найдите “accel_per_hz” в документации Klipper по измерению резонансов.
После завершения этих скриптов Klipper сохранит результаты в двух CSV-файлах: “/tmp/resonances_x_*.csv” и “/tmp/resonances_y_*.csv”.
Анализ данных
Следующим шагом является анализ данных в этих файлах и реализация наиболее подходящей конфигурации формирования входных данных. Здесь в игру вступает еще немного магии Klipper. Запустите следующий calibrate_shaper.py скрипт на вашем Raspberry Pi следующим образом для каждой оси:
Эти скрипты обрабатывают результаты акселерометра в CSV-файлах, запускают моделирование, чтобы определить, как может вести себя каждый тип input shaping, а также создают графическое изображение результатов (как показано выше).
Результаты
Для каждого возможного типа модели (ZV, MZV, EI, 2HUMP и 3HUMP) скрипт также сообщит о своих выводах и обобщит их в правом верхнем углу графического изображения. Вы увидите, например, что-то вроде следующего:
Fitted shaper '2hump_ei' frequency = 45.2 Hz (vibrations = 0.1%, smoothing ~= 0.264) To avoid too much smoothing with '2hump_ei', suggested max_accel <= 2200 mm/sec^2.
Скрипт также даст рекомендацию относительно того, что, вероятно, лучше всего подойдет. В этом примере в сводке предлагается следующее:
Рекомендуемый формирователь - 2hump_ei при 45,2 Гц.
Несколько резонансных частот
Также стоит упомянуть, что этот пример подчеркивает ключевое преимущество использования акселерометра. Есть два пика резонансной частоты, около 55 Гц и 120 Гц, и это чрезвычайно трудно определить ручными методами.
Тип модели “2HUMP” хорошо работает в тех случаях, когда есть две резонансные частоты, но обратите внимание, что для ее настройки необходимо определить только одну частоту, согласно рекомендации Клиппера. Это типично для способа реализации input shaping; модели требуется только одна целевая частота, чтобы уменьшить суммарное воздействие всего обнаруженного.
Кстати, типичной причиной более чем одной резонансной частоты является либо незакрепленный физический компонент, либо неравномерное натяжение ремней CoreXY. Это приводит к стандартному совету при любой тонкой настройке 3D-принтера: всегда следите за тем, чтобы ваш принтер был правильно настроен и откалиброван!
Настройка файла конфигурации
С этого момента процесс аналогичен настройке вручную.
Шаг 1
В файле конфигурации Klipper установите соответствующие частоты X и Y, а также выбранные типы моделей. Значения будут взяты непосредственно из выходных данных скрипта.
В приведенном выше примере (предполагая, что результаты получены для оси X) файл конфигурации будет выглядеть следующим образом:
Шаг 2
Перезапустите Клиппер, и будет включено input shaping.
Настройка результатов
В большинстве случаев это приведет к заметному улучшению качества печати. Вы можете распечатать настроечный блок, используемый для ручной калибровки, чтобы подтвердить улучшение. Однако, как и при ручной настройке, все еще есть возможность для улучшений и тонкой настройки.
В частности, вы, возможно, заметили, что приведенный выше скрипт также помечает параметр сглаживания: (vibrations = 0.1%, smoothing ~= 0.264). Это показатель степени сглаживания, применяемой типом формирователя, и его также можно изменить в файле конфигурации Klipper следующим образом:
max_smoothing: 0.25 # пример
Меньшее сглаживание может позволить установить более высокие ускорения, но в игру вступают несколько факторов, таких как Pressure Advance, the Max Smoothing setting, and Square Corner Velocity.. Стоит ознакомиться с разделом “Максимальное сглаживание” документации Klipper, если вам интересно узнать больше.
Заключение
Функция input shaping в Klipper хорошо реализована и поддерживается множеством практических примеров и восторженных отзывов. Если вы хотите получить наилучшее качество печати при высоких скоростях печати, особенно на принтерах большего размера, она играет очевидную роль и стоит усилий по настройке. Выбор между ручной и автоматической настройкой - это вопрос, над которым ломают голову большинство потенциальных пользователей.
Преимущество ручной настройки заключается в том, что она не требует дополнительного оборудования – особенно в случае принтеров с подвижным столом – и достаточно проста в реализации. Недостатком этой настройки является меньшая точность, а также трудности с обработкой нетипичных ситуаций – например, случаев с более чем одной резонансной частотой.
Автоматическая настройка имеет значительное преимущество, когда дело доходит до точности. Установка дополнительного оборудования может показаться сложной задачей, но, к счастью, на онлайн-форумах обсуждается множество примеров, относящихся к конкретным принтерам.
Как упоминалось ранее, акселерометр можно использовать и для других целей, связанных с настройкой ускорения или тестированием физических модификаций. Например, его также можно использовать для калибровки натяжения ремня в машинах CoreXY. Плохая калибровка часто является причиной более чем одной резонансной частоты, и в идеале ее следует устранить до реализации input shaping.
Как ручной, так и автоматический подходы оставляют возможность для дальнейшей настройки ускорения, сглаживания и других связанных параметров, но, как правило, это не требуется. Единодушное мнение тех, кто пробовал и то, и другое, заключается в том, что если вас устраивает дополнительная работа и (не слишком значительные) дополнительные расходы, то стоит внедрить автоматический подход, но оба варианта принесут явные преимущества.
ПОСТAВЬ ЛAЙК И ПОДПИШИCЬ, ЭТО ПОДДЕРЖИВАЕТ НАШ КАНАЛ!
еще интересные статьи по теме:
Новая технология печати жидким металлом позволяет изготавливать детали в десять раз быстрее
Паутина и PETG: 3 простых решения
Cura: как получить заполнение в виде сот
4D-печать: Исследователи раскрывают потенциал экономичных смол с памятью формы
Сравниваем SolidWorks 2023 и Solid Edge 2024