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

南極熊導(dǎo)讀：3D打印機(jī)本身是由多種機(jī)械零部件搭建組合起來的產(chǎn)物，但3D打印機(jī)固件會(huì)賦予它極大的“生命力”。固件從切片機(jī)讀取G代碼并將其轉(zhuǎn)換為控制打印機(jī)的電脈沖，從而制造出具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的物體。目前，Klipper 是最火的桌面級(jí)3D打印機(jī)固件之一，它以極大的優(yōu)勢(shì)占據(jù)著固件市場(chǎng)的一席之地。作為全球消費(fèi)級(jí)FDM 3D打印機(jī)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(jī)器，打印速度高達(dá) 250mm/s ，是普通固件機(jī)器的5倍。那么Klipper 的具體功能有哪些？如何運(yùn)行？優(yōu)勢(shì)有哪些？與市場(chǎng)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(jī)的打印過程遠(yuǎn)不止表面上看到的那么簡(jiǎn)單，它往往需要進(jìn)行數(shù)百萬次計(jì)算才能控制步進(jìn)電機(jī)、風(fēng)扇和加熱器�？焖俸透呔�度的打印過程更是對(duì)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(jī)固件。與傳統(tǒng)的 3D 打印機(jī)固件不同，Klipper與3D打印機(jī)主板以及額外的單板計(jì)算機(jī)（如Raspberry Pi 或類似產(chǎn)品）一起使用。Klipper 利用額外的計(jì)算能力來輔助主板處理命令，讓用戶打印更快、更準(zhǔn)確。

Klipper的功能Klipper固件是一個(gè)獨(dú)特的程序，它為用戶提供特殊功能，從而幫助打印機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的3d打印機(jī)功能：

最具特色的功能：
●高精度的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。Klipper在計(jì)算打印機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)利用了一個(gè)應(yīng)用處理器（Raspberry Pi），決定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，將其傳送給微控制器，由微控制器在要求的時(shí)間執(zhí)行。每個(gè)步進(jìn)事件的精度為25微秒或更高，與運(yùn)動(dòng)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(jī)操作過程。
●穩(wěn)定的高步進(jìn)速率。 Klipper能夠在新舊微控制器上實(shí)現(xiàn)高步進(jìn)速率，即使使用舊的8位微控制器也可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)每秒175,000步的速率。在較新的32位微控制器上，可實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)百萬步。更高的步進(jìn)速率可以實(shí)現(xiàn)更高的打印速度步，進(jìn)事件計(jì)時(shí)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(gè)微控制器的打印機(jī)。例如，一個(gè)微控制器可以用來控制擠出機(jī)，而另一個(gè)用來控制加熱器，第三個(gè)微控制器控制其他的打印機(jī)組件。Klipper 主機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)了時(shí)鐘同步，解決了微處理器之間的時(shí)鐘漂移(抖動(dòng)頻率小于10Hz)。 啟用多個(gè)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(jiǎn)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(chǔ)在一個(gè)易編輯的配置文件中，大大減少了配置與維護(hù)硬件的難度。
●壓力變化平穩(wěn)。此種設(shè)計(jì)考慮了擠出機(jī)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(huì)使擠出機(jī)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(dòng)對(duì)打印質(zhì)量的影響。這項(xiàng)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(shí)提高打印速度。
●能夠計(jì)算精準(zhǔn)的步進(jìn)時(shí)間。Klipper使用“迭代求解器”從簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中計(jì)算精準(zhǔn)的步進(jìn)時(shí)間，降低了將Klipper用到新的機(jī)械結(jié)構(gòu)上的難度并保證了精確的步進(jìn)計(jì)時(shí)。
●時(shí)間精確與硬件無關(guān)。Klipper致力于使用戶得到同樣精確的時(shí)間，而不受低級(jí)電子硬件的影響，其微控制器代碼始終遵循Klipper主機(jī)軟件提供的時(shí)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(yùn)行�，F(xiàn)有的“reprap”類打印機(jī)不需要改動(dòng)任何硬件就可以運(yùn)行 Klipper，Klipper 的內(nèi)部代碼結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)單的移植到其他框架中。
●簡(jiǎn)潔的代碼。大部分 Klipper 代碼使用一個(gè)極高級(jí)編程語言（Python），包括了運(yùn)動(dòng)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(jī)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(jī)的狀態(tài)做出不同的響應(yīng)。
●內(nèi)置API服務(wù)器。除了標(biāo)準(zhǔn)G代碼接口，Klipper也支持富JSON API。使程序員能編寫對(duì)打印機(jī)進(jìn)行精細(xì)控制的外置程序。

支持其他標(biāo)準(zhǔn)的3d打印機(jī)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(jī)。運(yùn)行Klipper的Raspberry Pi也可以運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)界面。
●標(biāo)準(zhǔn) 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(jī)。包括對(duì)共享熱端的擠出機(jī)（多進(jìn)一出）和多頭（IDEX）的支持。

△Klipper 使用獨(dú)立的雙擠出機(jī)

●支持多種坐標(biāo)系打印機(jī)。支持笛卡爾坐標(biāo)系、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系等打印機(jī)。
●打印平臺(tái)自調(diào)平。Klipper用于床身傾斜檢測(cè)或網(wǎng)床調(diào)平。如果打印機(jī)使用多個(gè)Z向步進(jìn)器，Klipper也可以獨(dú)立操縱Z步進(jìn)器進(jìn)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(dòng)delta校準(zhǔn)。校準(zhǔn)工具可以進(jìn)行基本的高度校準(zhǔn)，以及增強(qiáng)的X和Y尺寸校準(zhǔn)。校準(zhǔn)可以用Z型高度探頭或通過手動(dòng)探測(cè)來完成。
●支持運(yùn)行時(shí) "排除對(duì)象"。配置后，該模塊可以方便取消多部分打印中的一個(gè)對(duì)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(cè)微控制器和 Raspberry Pi 內(nèi)部的溫度傳感器。
●默認(rèn)啟用基本加熱器保護(hù)。
●支持標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)扇、噴嘴風(fēng)扇和溫控風(fēng)扇。不需要在打印機(jī)閑置時(shí)保持風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，可以在帶有轉(zhuǎn)速表的風(fēng)扇上監(jiān)測(cè)風(fēng)扇速度。
●支持多種驅(qū)動(dòng)機(jī)配置。支持TMC2130、TMC2208/TMC2224、TMC2209、TMC2660和TMC5160步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行時(shí)配置。還支持通過AD5206、DAC084S085、MCP4451、MCP4728、MCP4018和PWM引腳，對(duì)傳統(tǒng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行電流控制。
●支持直接連接到打印機(jī)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(jī)移動(dòng)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(duì)傳入的G代碼移動(dòng)命令流進(jìn)行排隊(duì)和分析 ，將優(yōu)化類似方向上的移動(dòng)之間的加速度，以減少打印停頓并改善整體打印時(shí)間。
●Klipper 實(shí)現(xiàn)了一種“步進(jìn)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(yùn)動(dòng)傳感器和打印絲寬度傳感器。
●支持使用adxl345、mpu9250和mpu6050加速度計(jì)測(cè)量和記錄加速度。

●支持限制短距離“之”字形移動(dòng)的最高速度，以減少打印機(jī)的振動(dòng)和噪音。

Kipper如何運(yùn)行？
大多數(shù)打印機(jī)都使用 8 位主板（許多打印機(jī)至今仍在使用），這種機(jī)器讀取和執(zhí)行G 代碼命令時(shí)的處理時(shí)間很慢。Klipper 旨在通過將任務(wù)轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)設(shè)備來降低此處理時(shí)間并提高打印性能。簡(jiǎn)單來說，Klipper利用額外的計(jì)算能力預(yù)先開發(fā)G代碼命令，因此打印機(jī)只需要執(zhí)行命令，而不是處理它們。所以，Klipper利用額外的計(jì)算能力和內(nèi)置算法更好地計(jì)算電機(jī)動(dòng)作的步進(jìn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)25微秒或更高的運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)處理運(yùn)動(dòng)過程還可以讓打印機(jī)在給定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行更多操作。Klipper 在8位主板上可以達(dá)到每秒175,000步，在較新的32位主板上可以達(dá)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?yàn)檫@一點(diǎn)選擇了Klipper。

額外的計(jì)算能力還意味著Klipper固件包可以促進(jìn)許多其他強(qiáng)大的功能，而打印機(jī)主板本身不會(huì)過度工作。這包括 Klipper 的壓力推進(jìn)功能，該功能與線性推進(jìn)非常相似，可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確和一致的擠壓，使打印品表面看起來更光滑。Klipper的另一個(gè)特點(diǎn)是內(nèi)置的步進(jìn)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?yàn)樗�提高了機(jī)器限位器（限位開關(guān)）的準(zhǔn)確性。

Klipper 還具有許多面向兼容性的功能，它可以在具有獨(dú)立雙擠壓、特殊溫度傳感器和其他獨(dú)特屬性的打印機(jī)上工作。Klipper 為如此多的打印機(jī)和配件提供了集成，例如BLTouch 傳感器。與其他固件不同，因?yàn)?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(gè)網(wǎng)絡(luò)界面來控制您的機(jī)器。這些在線程序允許用戶遠(yuǎn)程控制打印機(jī)，包括執(zhí)行設(shè)置溫度、移動(dòng)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(shí)會(huì)很迷茫，不知從何下手修改代碼或者調(diào)整功能，您不必?fù)?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(jī)上使用Kipper。

在使用 Klipper 時(shí)遇到問題時(shí)，您可以通過以下三個(gè)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(gè)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(gè)擁有超過 4,500 名用戶的“Klippers”subreddit（”美版貼吧“），您也可以去此平臺(tái)逛一逛，說不定會(huì)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(chǎng)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(jì)實(shí)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(jī)控制方法。Klipper認(rèn)識(shí)到小型微控制器對(duì)打印機(jī)的能力施加了限制，Klipper 將大量數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)移到更強(qiáng)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(jì)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(qiáng)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(jìn)。那么除了設(shè)計(jì)差異外，Marlin 和 Klipper 在支持可用性、安裝簡(jiǎn)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(jí)組件，需要更改一個(gè)或兩個(gè)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(duì)這些進(jìn)行更改可能會(huì)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(chǔ)在可編輯的文本文件中，每次啟動(dòng)時(shí)都會(huì)讀取這些文件。修改這些文件相對(duì)容易，而且由于不需要刷新控制器，因此可以快速進(jìn)行配置更改。這對(duì)于那些從頭開始構(gòu)建新機(jī)器或需要進(jìn)行多項(xiàng)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(biāo)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(duì)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(jiǎn)單易懂的教程。


△Klipper 有一個(gè)幫助程序來安裝和更新各種組件

●Klipper 需要在打印機(jī)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(jī)設(shè)備）上運(yùn)行的 Klipper 部分可能涉及更多步驟。隨著文檔的改進(jìn)和Klipper 安裝和更新幫助程序 (KIAUH)的引入，使用一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)獨(dú)特的高級(jí)功能。兩個(gè)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(xiàng)，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(jī)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(jìn)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(jìn)。那么今天，什么是正確的選擇？關(guān)于這個(gè)話題在各種在線3D打印論壇上有很多爭(zhēng)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(jī)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(duì)簡(jiǎn)單，并提供滿足幾乎所有打印場(chǎng)景的功能。

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

FDM高速3D打印機(jī)爆發(fā)

南極熊注意到，一批消費(fèi)級(jí)3D打印廠商紛紛推出基于Klipper固件的FDM 3D打印機(jī)。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(qiáng)大，通過 USB 線連接到 3D 打印機(jī)，取代原有固件實(shí)現(xiàn)控制，使用優(yōu)勢(shì)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(jī)，也可根據(jù)通用操作指引，手動(dòng)適配。能同時(shí)控制4臺(tái)打印機(jī)。詳情http://m.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(tái)Kickstarter眾籌金額達(dá)到888萬美元，登頂該平臺(tái)3D打印機(jī)歷史第一。宣稱的5倍打印速度，打印時(shí)間縮短70%。對(duì)于很多使用FDM 3D打印機(jī)的用戶來講，打印速度慢一直是一個(gè)痛點(diǎn)。如果能實(shí)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(jī)了