桌面級FDM高速3D打印機爆發(fā)，Klipper 固件獨特功能、原理和優(yōu)勢！

南極熊導(dǎo)讀：3D打印機本身是由多種機械零部件搭建組合起來的產(chǎn)物，但3D打印機固件會賦予它極大的“生命力”。固件從切片機讀取G代碼并將其轉(zhuǎn)換為控制打印機的電脈沖，從而制造出具有精細結(jié)構(gòu)的物體。目前，Klipper 是最火的桌面級3D打印機固件之一，它以極大的優(yōu)勢占據(jù)著固件市場的一席之地。作為全球消費級FDM 3D打印機產(chǎn)地之一，中國眾多廠商（安克創(chuàng)新、創(chuàng)想三維等）已經(jīng)采用這套固件，推出高速版本的FDM機器，打印速度高達 250mm/s ，是普通固件機器的5倍。那么Klipper 的具體功能有哪些？如何運行？優(yōu)勢有哪些？與市場中較為火爆的Marlin有什么區(qū)別，該如何選擇呢？別著急，南極熊帶您一探究竟！



控制打印機的打印過程遠不止表面上看到的那么簡單，它往往需要進行數(shù)百萬次計算才能控制步進電機、風(fēng)扇和加熱器。快速和高精度的打印過程更是對固件提出了相當(dāng)高的要求。Klipper 是由 GitHub 用戶KevinOConnor開發(fā)的開源 3D 打印機固件。與傳統(tǒng)的 3D 打印機固件不同，Klipper與3D打印機主板以及額外的單板計算機（如Raspberry Pi 或類似產(chǎn)品）一起使用。Klipper 利用額外的計算能力來輔助主板處理命令，讓用戶打印更快、更準確。

Klipper的功能Klipper固件是一個獨特的程序，它為用戶提供特殊功能，從而幫助打印機提高打印性能。Kipper的功能還真不少，有十一大最具特色的功能和許多支持其他標準的3d打印機功能：

最具特色的功能：
●高精度的步進運動。Klipper在計算打印機運動時利用了一個應(yīng)用處理器（Raspberry Pi），決定步進電機的運動，將其傳送給微控制器，由微控制器在要求的時間執(zhí)行。每個步進事件的精度為25微秒或更高，與運動學(xué)算法（如Bresenham算法）相比，能夠提供更安靜且更穩(wěn)定的打印機操作過程。
●穩(wěn)定的高步進速率。 Klipper能夠在新舊微控制器上實現(xiàn)高步進速率，即使使用舊的8位微控制器也可以實現(xiàn)高達每秒175,000步的速率。在較新的32位微控制器上，可實現(xiàn)每秒數(shù)百萬步。更高的步進速率可以實現(xiàn)更高的打印速度步，進事件計時即使在高速下也能保持精確，提高了整體穩(wěn)定性。
●支持帶有多個微控制器的打印機。例如，一個微控制器可以用來控制擠出機，而另一個用來控制加熱器，第三個微控制器控制其他的打印機組件。Klipper 主機程序?qū)崿F(xiàn)了時鐘同步，解決了微處理器之間的時鐘漂移(抖動頻率小于10Hz)。 啟用多個控制器只需要在配置文件中添加幾行代碼，不需要任何特殊代碼。
●簡單的配置文件。修改設(shè)置不需要重新刷寫微控制器。Klipper 的所有配置都被存儲在一個易編輯的配置文件中，大大減少了配置與維護硬件的難度。
●壓力變化平穩(wěn)。此種設(shè)計考慮了擠出機內(nèi)的壓力影響，可以減少噴嘴溢料并改善轉(zhuǎn)角的打印質(zhì)量，不會使擠出機速度突然變化，改善了打印整體穩(wěn)定性和穩(wěn)健性。


△Klipper 使用的壓力平穩(wěn)功能

●支持使用“輸入整形”來減少振動對打印質(zhì)量的影響。這項功能可以減少或消除打印件的“振紋(ringing)”，在一些情況下可以在保持打印質(zhì)量的同時提高打印速度。
●能夠計算精準的步進時間。Klipper使用“迭代求解器”從簡單的運動學(xué)方程中計算精準的步進時間，降低了將Klipper用到新的機械結(jié)構(gòu)上的難度并保證了精確的步進計時。
●時間精確與硬件無關(guān)。Klipper致力于使用戶得到同樣精確的時間，而不受低級電子硬件的影響，其微控制器代碼始終遵循Klipper主機軟件提供的時間表
●易移植的代碼。Klipper可以在 ARM，AVR，和PRU架構(gòu)的微控制器上運行。現(xiàn)有的“reprap”類打印機不需要改動任何硬件就可以運行 Klipper，Klipper 的內(nèi)部代碼結(jié)構(gòu)可簡單的移植到其他框架中。
●簡潔的代碼。大部分 Klipper 代碼使用一個極高級編程語言（Python），包括了運動算法，G代碼，加熱，溫度傳感器算法和其他，降低了開發(fā)新功能的難度。
●自定義可編程腳本。用戶可以在打印機配置文件中定義新的G代碼命令（而不需要修改任何代碼），這些命令都是可編程的，可以能根據(jù)打印機的狀態(tài)做出不同的響應(yīng)。
●內(nèi)置API服務(wù)器。除了標準G代碼接口，Klipper也支持富JSON API。使程序員能編寫對打印機進行精細控制的外置程序。

支持其他標準的3d打印機功能（兼容性功能）：
●提供多種網(wǎng)絡(luò)接口。Kipper與Mainsail、Fluidd、OctoPrint和其他公司合作，使用普通的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就可以控制打印機。運行Klipper的Raspberry Pi也可以運行網(wǎng)絡(luò)界面。
●標準 G 代碼支持。支持由常見“切片軟件”（SuperSlicer、Cura、PrusaSlicer 等）生成的通用 G 代碼命令。
●支持多擠出機。包括對共享熱端的擠出機（多進一出）和多頭（IDEX）的支持。

△Klipper 使用獨立的雙擠出機

●支持多種坐標系打印機。支持笛卡爾坐標系、旋轉(zhuǎn)坐標系等打印機。
●打印平臺自調(diào)平。Klipper用于床身傾斜檢測或網(wǎng)床調(diào)平。如果打印機使用多個Z向步進器，Klipper也可以獨立操縱Z步進器進行調(diào)平。支持大多數(shù)Z高度探頭，包括BL-Touch探頭和伺服激活的探頭。
●支持自動delta校準。校準工具可以進行基本的高度校準，以及增強的X和Y尺寸校準。校準可以用Z型高度探頭或通過手動探測來完成。
●支持運行時 "排除對象"。配置后，該模塊可以方便取消多部分打印中的一個對象。
●支持常見的溫度傳感器（例如，常見的熱敏電阻、AD595、AD597、AD849x、PT100、PT1000、MAX6675、MAX31855、MAX31856、MAX31865、BME280、HTU21D、DS18B20和LM75）。用戶還可以配置自定義熱敏電阻和自定義模擬溫度傳感器，監(jiān)測微控制器和 Raspberry Pi 內(nèi)部的溫度傳感器。
●默認啟用基本加熱器保護。
●支持標準風(fēng)扇、噴嘴風(fēng)扇和溫控風(fēng)扇。不需要在打印機閑置時保持風(fēng)扇運轉(zhuǎn)，可以在帶有轉(zhuǎn)速表的風(fēng)扇上監(jiān)測風(fēng)扇速度。
●支持多種驅(qū)動機配置。支持TMC2130、TMC2208/TMC2224、TMC2209、TMC2660和TMC5160步進電機驅(qū)動器的運行時配置。還支持通過AD5206、DAC084S085、MCP4451、MCP4728、MCP4018和PWM引腳，對傳統(tǒng)步進驅(qū)動器進行電流控制。
●支持直接連接到打印機的普通LCD顯示器。。顯示器和菜單的內(nèi)容可以通過配置文件完全定制。
●恒定加速和前瞻。所有打印機移動將從靜止逐漸加速到設(shè)定速度，然后減速回到靜止。Kippe可以對傳入的G代碼移動命令流進行排隊和分析 ，將優(yōu)化類似方向上的移動之間的加速度，以減少打印停頓并改善整體打印時間。
●Klipper 實現(xiàn)了一種“步進相位限位”算法，可以提高限位開關(guān)的精度，并且提高打印件首層和打印床的附著力。
●支持打印絲存在傳感器、打印絲運動傳感器和打印絲寬度傳感器。
●支持使用adxl345、mpu9250和mpu6050加速度計測量和記錄加速度。

●支持限制短距離“之”字形移動的最高速度，以減少打印機的振動和噪音。

Kipper如何運行？
大多數(shù)打印機都使用 8 位主板（許多打印機至今仍在使用），這種機器讀取和執(zhí)行G 代碼命令時的處理時間很慢。Klipper 旨在通過將任務(wù)轉(zhuǎn)移到另一臺設(shè)備來降低此處理時間并提高打印性能。簡單來說，Klipper利用額外的計算能力預(yù)先開發(fā)G代碼命令，因此打印機只需要執(zhí)行命令，而不是處理它們。所以，Klipper利用額外的計算能力和內(nèi)置算法更好地計算電機動作的步進時間，實現(xiàn)25微秒或更高的運動精度。


△壓力控制功能可以在打印品上產(chǎn)生光滑的表面

使用外部計算機處理運動過程還可以讓打印機在給定時間內(nèi)執(zhí)行更多操作。Klipper 在8位主板上可以達到每秒175,000步，在較新的32位主板上可以達到每秒 500,000 步。這些速度比使用Marlin固件獲得的速度快得多，許多用戶也是因為這一點選擇了Klipper。

額外的計算能力還意味著Klipper固件包可以促進許多其他強大的功能，而打印機主板本身不會過度工作。這包括 Klipper 的壓力推進功能，該功能與線性推進非常相似，可以實現(xiàn)更準確和一致的擠壓，使打印品表面看起來更光滑。Klipper的另一個特點是內(nèi)置的步進相位停止算法。正確調(diào)整后，此功能可以提高第一層附著力，因為它提高了機器限位器（限位開關(guān)）的準確性。

Klipper 還具有許多面向兼容性的功能，它可以在具有獨立雙擠壓、特殊溫度傳感器和其他獨特屬性的打印機上工作。Klipper 為如此多的打印機和配件提供了集成，例如BLTouch 傳感器。與其他固件不同，因為 Klipper 不能與某些直接顯示器（如Ender 3 V2 LCD）一起使用，所以用戶需要一個網(wǎng)絡(luò)界面來控制您的機器。這些在線程序允許用戶遠程控制打印機，包括執(zhí)行設(shè)置溫度、移動組件、開始打印等任務(wù)。

如何尋求Kipper幫助?
許多用戶在使用固件時會很迷茫，不知從何下手修改代碼或者調(diào)整功能，您不必擔(dān)心，南極熊發(fā)現(xiàn)Kipper的大部分信息都是可以公開獲取和學(xué)習(xí)的。通過這些信息，您可以輕松在打印機上使用Kipper。

在使用 Klipper 時遇到問題時，您可以通過以下三個途徑尋找?guī)椭��?br />

△您可以在 GitHub 頁面上查詢Klipper固件的問題解決方案

●Klipper的源文件在GitHub頁面上，該頁面經(jīng)常修訂。如有疑問或問題，您可以前往Klipper 的 GitHub 頁面上的問題部分查找現(xiàn)有和已解決的案例。如果問題中沒有提到你的問題，你也可以打開一個新問題案例，向一些用戶尋求幫助。

●您可以查看Klipper的支持文檔，包括Klippe 官方網(wǎng)站上的文檔、常見問題解答和聯(lián)系頁面。

●您也可以在主流的3D打印論壇上尋求幫助，南極熊發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在有一個擁有超過 4,500 名用戶的“Klippers”subreddit（”美版貼吧“），您也可以去此平臺逛一逛，說不定會有新收獲。

Klipper vs Marlin？


△Klipper 的打�。ㄗ螅┛雌饋肀仁褂� Marlin 固件打印的模型更平滑

Marlin 在市場上占主導(dǎo)地位，于 2011 年由Erik van der Zalm為 Ultimaker 開發(fā)，旨在用于經(jīng)濟實惠的 8 位Arduino 微控制器。Klipper 于 2016 年由Kevin O'Connor首次發(fā)布，采用了一種非常不同的 3D 打印機控制方法。Klipper認識到小型微控制器對打印機的能力施加了限制，Klipper 將大量數(shù)學(xué)計算轉(zhuǎn)移到更強大的設(shè)備（通常是Raspberry Pi）。

從理論上講，這使 Klipper 能夠?qū)崿F(xiàn)更大的計算量，提高打印速度和打印質(zhì)量。然而，Marlin也不甘示弱，引入了支持更強大的 32 位控制器的版本。Marlin 的開發(fā)人員在 2.1 及更高版本中繼續(xù)添加新的改進。那么除了設(shè)計差異外，Marlin 和 Klipper 在支持可用性、安裝簡易性等方面有何不同呢？用戶該如何選擇呢？

配置方面
●如果用戶想更改 Marlin 的配置，例如更換或升級組件，需要更改一個或兩個配置文件：configuration.h 和 configuration-adv.h。這些文件是“編譯器指令”，告訴編譯器構(gòu)建固件需要什么。對這些進行更改可能會讓新手望而生畏，任何新配置仍然需要完全替換和重新刷新現(xiàn)有固件。

●Klipper 的配置存儲在可編輯的文本文件中，每次啟動時都會讀取這些文件。修改這些文件相對容易，而且由于不需要刷新控制器，因此可以快速進行配置更改。這對于那些從頭開始構(gòu)建新機器或需要進行多項配置更改的人很有吸引力，例如，發(fā)送新硬件或微調(diào)性能。

安裝方面
●安裝或更新 Marlin 是將新的（正確配置和編譯的）固件刷寫到目標控制器上的問題。具體方法因設(shè)備類型而異，但通常使用 USB 線或 SD 卡來完成。傳統(tǒng)上，此過程由 Arduino IDE 執(zhí)行，但對于 32 位板，現(xiàn)在通常使用與 VSCode 綁定的PlatformIO來完成。Marlin 的開發(fā)人員為此過程開發(fā)了簡單易懂的教程。


△Klipper 有一個幫助程序來安裝和更新各種組件

●Klipper 需要在打印機控制器上安裝正確配置的固件，該過程與 Marlin 大致相同。安裝在 Raspberry Pi（或其他基于 Linux 的主機設(shè)備）上運行的 Klipper 部分可能涉及更多步驟。隨著文檔的改進和Klipper 安裝和更新幫助程序 (KIAUH)的引入，使用一個簡單的程序，可以直接安裝 Klipper 和其他附加組件。然而，雖然 Klipper 更容易更新，但與 Marlin 相比，在線幫助的可用性并不相同。

功能性
Marlin 和 Klipper 都有很多相同的核心功能，但 Klipper 支持幾個獨特的高級功能。兩個固件之間還有其他功能差異。例如，Marlin 支持一組豐富的 G 代碼；Klipper 支持關(guān)鍵的 G 代碼選項，但更傾向于使用宏，這允許從向用戶界面添加新按鈕到打印機的條件控制等方面提供很大的靈活性。Marlin 和 Klipper 都在持續(xù)快速的開發(fā)中，以改進功能并支持更廣泛的控制器板和其他硬件。

用戶如何選擇？



隨著3D打印的不斷發(fā)展，Marlin 和 Klipper 都在不斷發(fā)展和改進。那么今天，什么是正確的選擇？關(guān)于這個話題在各種在線3D打印論壇上有很多爭論，用戶給出了廣泛的利弊列表。然而，答案取決于多種因素。

32 位板上的 Marlin 2.1+ 具有可供絕大多數(shù)3D打印機使用的處理能力。它得到龐大用戶群的良好支持，安裝和配置相對簡單，并提供滿足幾乎所有打印場景的功能。

Klipper 最初設(shè)置起來比較復(fù)雜，但隨后進行后續(xù)配置更改會更容易、更快捷。它還支持提高高速打印質(zhì)量的獨特功能。對于那些尋求改進的打印質(zhì)量、更高的打印速度或參與臨時打印機構(gòu)建或打印修改的人來說，它無疑具有更多的優(yōu)勢。

FDM高速3D打印機爆發(fā)

南極熊注意到，一批消費級3D打印廠商紛紛推出基于Klipper固件的FDM 3D打印機。例如深圳創(chuàng)想三維、深圳安克創(chuàng)新、鄭州潮闊電子
△深圳創(chuàng)想三維音速屏是一款基于Klipper固件的3D打印智能平板。音速屏性能強大，通過 USB 線連接到 3D 打印機，取代原有固件實現(xiàn)控制，使用優(yōu)勢算法，全面加快打印速度。目前，已預(yù)先適配創(chuàng)想三維Ender-3 V2、Ender-3 S1、Ender-3 S1 Pro等23款產(chǎn)品。其他具備USB接口的打印機，也可根據(jù)通用操作指引，手動適配。能同時控制4臺打印機。詳情http://www.lhkhtyz.com/thread-159576-1-1.html



△2022年深圳安克創(chuàng)新的AnkerMakeM5，在海外眾籌平臺Kickstarter眾籌金額達到888萬美元，登頂該平臺3D打印機歷史第一。宣稱的5倍打印速度，打印時間縮短70%。對于很多使用FDM 3D打印機的用戶來講，打印速度慢一直是一個痛點。如果能實現(xiàn) 250mm/s 速度下的高品質(zhì)打印，是很有吸引力的。

現(xiàn)在都在推高速機了