Klipper: Die Firmware, die die Rechenarbeit auf einen Computer verlagert

Die andere Architektur von Klipper

Eine klassische 3D-Drucker-Firmware wie Marlin läuft vollständig auf dem Mikrocontroller der Hauptplatine, einem eher schwachen Chip, der dafür gebaut ist, Motoren anzusteuern, nicht aufwendige Mathematik zu berechnen. Klipper ändert dieses Konzept: Laut der offiziellen Dokumentation des Projekts finden die Berechnungen von Bahnen und Kinematik auf einem separaten Computer statt, meist einem Raspberry Pi oder einer gleichwertigen Platine, der dann präzise Befehle an den Mikrocontroller sendet, dessen einzige Aufgabe es ist, sie auszuführen – laut derselben Dokumentation mit einer Präzision von 25 Mikrosekunden oder besser.

Die Auslagerung der Mathematik auf einen leistungsfähigeren Computer erlaubt komplexere Bahnen, ohne den Mikrocontroller zu überlasten, und eröffnet bei ansonsten identischer Hardware höhere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen als eine Firmware, die alles lokal erledigt. Klipper bleibt freie Open-Source-Software, veröffentlicht unter der Lizenz GNU GPL v3 und verfügbar im GitHub-Repository des Projekts, wo die Community der Mitwirkenden den Code und die Dokumentation pflegt.

Diese Aufteilung hat eine Kehrseite: Klipper ist auf einen funktionierenden Begleitcomputer angewiesen, anders als eine eigenständige Firmware wie Marlin, die vollständig auf der Hauptplatine läuft. Ein Stromausfall oder ein schlecht versorgter Begleitcomputer kann einen Druck anders unterbrechen als eine rein eingebettete Firmware – etwas, das man bei der Verkabelung des gesamten Aufbaus bedenken sollte.

Input Shaping und Pressure Advance: die beiden Hauptfunktionen

Input Shaping kompensiert mechanische Resonanzen: Es misst oder schätzt die Eigenfrequenzen des Druckerrahmens und passt dann die Motorbefehle an, um Ringing (die schwachen Wellen in der Nähe einer scharfen Ecke) und durch Vibrationen verursachtes Ghosting zu verringern. Diese Funktion, die in der Dokumentation von Klipper unter Resonance Compensation beschrieben wird, gehört zu den am häufigsten genannten Gründen von Leuten, die auf diese Firmware umsteigen.

Pressure Advance passt den Materialdruck in der Düse an, indem es Geschwindigkeitswechsel vorwegnimmt, und verringert so das Nachsickern am Anfang und Ende eines Extrusionssegments, was sich vor allem an Ecken und feinen Details zeigt. Beide Funktionen werden separat kalibriert, meist über Testdrucke, und ein kompatibler Slicer wie OrcaSlicer bringt eigene Werkzeuge mit, um diese Kalibrierungen ohne Kommandozeilen-Konsole durchzuführen.

Welche Drucker ab Werk mit Klipper ausgeliefert werden

Mehrere Hersteller installieren Klipper inzwischen standardmäßig, statt die Umrüstung dem Käufer zu überlassen. Der Creality K1 läuft mit einer von Creality angepassten Klipper-Version, deren Code in einem eigenen Projekt-Repository veröffentlicht ist. Auch der Sovol SV08, der von der Voron-Architektur abgeleitet ist, läuft ab Werk mit Klipper; Firmware und Quellcode werden von Sovol veröffentlicht.

Auch der QIDI Q1 Pro läuft mit Klipper, wobei laut den offiziellen GitHub-Seiten von QIDI ein Klipper-Fork und ein Moonraker-Server von QIDI gepflegt werden. Laut der Produktseite von Elegoo wird der Neptune 4 mit vorinstalliertem Klipper auf einer 64-Bit-ARM-Platine ausgeliefert – ein Beispiel für den breiteren Markttrend, Klipper nativ mitzuliefern, statt es als Umrüstung für fortgeschrittene Nutzer zu behandeln.

Werkseitig installiertes Klipper vs. Umrüstung: was den Unterschied ausmacht

Ein Drucker, der mit Klipper ausgeliefert wird, kommt bereits vom Hersteller konfiguriert an, mit Profilen und einer auf dieses Modell zugeschnittenen Oberfläche, sodass der manuelle Konfigurationsschritt der Datei printer.cfg entfällt. Eine Umrüstung bedeutet dagegen, Klipper selbst auf einem ursprünglich für Marlin entwickelten Drucker zu installieren, was die manuelle Konfiguration von Pins, Sensoren und Kinematik anhand einer bestehenden Konfigurationsdatei oder eines ähnlichen Beispiels erfordert.

Werksseitig installierte Klipper-Versionen sind mitunter verändert, gesperrt oder liegen hinter dem Hauptzweig des Projekts zurück – ein Punkt, den die Community rund um mehrere Consumer-Maschinen anspricht. Der Wechsel zu einer Version, die dem offiziellen Repository des Projekts näher ist, ist bei vielen dieser Drucker möglich, erfordert aber mehr Aufwand als ein einfaches Update über das Display des Druckers.

Für Erstkäufer ist das vor allem bei der Wahl des Druckers von Bedeutung: Eine Maschine, die bereits mit Klipper ausgeliefert wird, erspart diese Frage zu Beginn und lässt den Wechsel zu einer neueren Version für später, wenn die Grundlagen der Kalibrierung zur Routine geworden sind.

Mehrere Mikrocontroller, Makros und eine Konfigurationsdatei: was die Architektur über die Geschwindigkeit hinaus ermöglicht

Die offizielle Dokumentation von Klipper listet Fähigkeiten auf, die weniger Aufmerksamkeit bekommen als Input Shaping, das Nutzungserlebnis aber genauso prägen. Ein Drucker kann von mehreren Mikrocontrollern gesteuert werden, einem für den Extruder, einem weiteren für die Heizelemente, einem dritten für alles andere, wobei die Host-Software deren Taktgeber synchronisiert: Das erfordert nur ein paar zusätzliche Zeilen in der Konfigurationsdatei, weshalb aktuelle Maschinen einen Werkzeugkopf über ein einziges Kabel betreiben können.

Die gesamte Konfiguration steckt in einer Textdatei, ohne dass der Mikrocontroller zum Ändern einer Einstellung neu geflasht werden muss, und dieselbe Datei akzeptiert programmierbare Makros: vom Nutzer definierte neue G-Code-Befehle, deren Verhalten vom Zustand des Druckers abhängen kann. Die Dokumentation erwähnt außerdem einen integrierten JSON-API-Server, auf dem Weboberflächen und Apps von Drittanbietern aufbauen.

Zur Leistung gibt das Projekt an, dass selbst ein alter 8-Bit-Mikrocontroller mehr als 175,000 Schritte pro Sekunde übersteigt und aktuelle Mikrocontroller mehrere Millionen erreichen, wobei jeder Schritt weiterhin auf 25 Mikrosekunden genau eingeplant wird. Der Code wird als hardwareunabhängig und portierbar über ARM-, AVR- und PRU-Chips beschrieben, wodurch Sie die Hauptplatine eines vorhandenen Druckers behalten und nur einen Begleitcomputer hinzufügen können, wie unsere Anleitung zu den Arten von 3D-Druckern festhält.

Mainsail und Fluidd: Klipper im Browser betreiben

Klipper hat weder einen Bildschirm noch eine integrierte grafische Oberfläche: Es stützt sich auf Moonraker, eine API, die seine Funktionen bereitstellt, und auf eine Weboberfläche wie Mainsail oder Fluidd, um den Drucker über einen Browser zu steuern. Diese Oberflächen zeigen das Kamerabild, falls eine Kamera installiert ist, die Temperatureinstellungen und die Liste der G-Code-Dateien und geben Zugriff auf Makros und Klipper-spezifische Kalibrierungen.

Bei einem Drucker, der ab Werk mit Klipper ausgeliefert wird, spiegelt der eingebaute Touchscreen oft einen Teil dieser Funktionen in einer vereinfachten, markenspezifischen Oberfläche wider, während Mainsail oder Fluidd parallel von einem Computer oder Smartphone im selben Netzwerk aus verfügbar bleiben – praktisch, um einen Druck im Blick zu behalten, ohne neben der Maschine zu stehen.

Was man vor der Umrüstung eines bestehenden Druckers wissen sollte

Die Installation von Klipper auf einem für Marlin gebauten Drucker erfordert einen Begleitcomputer (einen Raspberry Pi oder Gleichwertiges), eine Hauptplatine, die mit der Mikrocontroller-Firmware von Klipper kompatibel ist, und eine zu diesem Modell passende Konfigurationsdatei, die sich meist unter den mit dem Projekt gelieferten Beispielen findet oder von der Community geteilt wird. Das ist ein tieferer Eingriff in die Funktionsweise der Maschine als ein einfaches Firmware-Update.

Eine inoffizielle Umrüstung liegt fast immer außerhalb des vom Hersteller vorgesehenen Gebrauchs und kann die Garantie beeinträchtigen – etwas, das man vor dem Start beim Support klären sollte. Bei einem ersten Drucker erspart die Wahl eines Modells, das bereits mit konfiguriertem Klipper ausgeliefert wird, diesen Schritt und seine Risiken, allerdings um den Preis einer engeren Auswahl als auf dem gesamten Marlin-Markt.

Quellen und Grenzen

• Klipper — Überblick (Host- und Mikrocontroller-Architektur)
• Klipper — Funktionen (Input Shaper, Pressure Advance)
• GitHub — Klipper3d/klipper (Hauptrepository, Lizenz)
• GitHub — CrealityOfficial/K1_Series_Klipper (Creality-K1-Firmware)
• Elegoo — Neptune 4 FDM-3D-Drucker (Klipper vorinstalliert)

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