Klipper:計算をコンピューターに任せるファームウェア

Klipperの異なるアーキテクチャ

Marlinのような従来の3Dプリンター用ファームウェアは、すべてメインボードのマイクロコントローラー上で動作します。これはモーターを駆動するために作られた比較的非力なチップで、重い計算を実行するためのものではありません。Klipperはこの構成を変えます。プロジェクトの公式ドキュメントによると、軌道と運動学の計算は別のコンピューター（通常はRaspberry Piか同等のボード）で行われ、そこからマイクロコントローラーに正確な指令が送られます。マイクロコントローラーの仕事はそれを実行することだけで、同じドキュメントによれば、その精度は25マイクロ秒以内です。

計算をより強力なコンピューターに任せることで、マイクロコントローラーに負荷をかけずにより複雑な軌道を扱えます。そのため、同じハードウェアでも、すべてをローカルで処理するファームウェアより高い速度と加速度が可能になります。Klipperは今も無料のオープンソースソフトウェアで、GNU GPL v3ライセンスで公開されており、プロジェクトのGitHubリポジトリから入手できます。コントリビューターのコミュニティがコードとドキュメントを維持しています。

この分担にはトレードオフがあります。Klipperは動作に正常なコンパニオンコンピューターを必要とし、メインボードだけで完結するMarlinのような自己完結型ファームウェアとは異なります。停電や、電源供給が不十分なコンパニオンコンピューターは、純粋な組み込み型ファームウェアとは違う形で造形を中断させる可能性があります。システム全体を配線する際には念頭に置いておきましょう。

インプットシェーピングとプレッシャーアドバンス：代表的な2つの機能

インプットシェーピングは機械的な共振を補正します。プリンターフレームの固有振動数を測定または推定し、モーターへの指令を調整して、振動によるリンギング（鋭いコーナーの近くに見える薄い波紋）とゴースティングを減らします。Klipperのドキュメントでは「Resonance Compensation」（共振補正）の項で説明されているこの機能は、このファームウェアに乗り換えた人が最も多く挙げる理由の1つです。

プレッシャーアドバンスは、速度の変化を先読みしてノズル内の材料の圧力を調整し、押し出しセグメントの始点と終点でのにじみ出しを減らします。効果が目立つのは、おもにコーナーと細かいディテールです。2つの機能は別々に、通常はテスト造形でキャリブレーションします。OrcaSlicerのような対応スライサーには、コマンドラインのコンソールを使わずにこれらのキャリブレーションを実行する専用ツールが組み込まれています。

工場出荷時からKlipperを搭載しているプリンター

いまでは、改造を購入者任せにせず、最初からKlipperをインストールして出荷するメーカーが増えています。Creality K1は、Crealityが調整したKlipperビルドで動作しており、コードは専用のプロジェクトリポジトリで公開されています。Voronのアーキテクチャから派生したSovol SV08も、最初からKlipperで動作し、ファームウェアとソースコードはSovolが公開しています。

QIDI Q1 ProもKlipperで動作します。公式のGitHubページによると、KlipperのフォークとMoonrakerサーバーはQIDIが維持しています。Elegooの製品ページによると、Neptune 4は64ビットARMボードにKlipperをプリインストールして出荷されます。これは、Klipperを上級者向けの改造として扱うのではなく、最初から搭載して出荷するという市場全体の流れを示しています。

工場導入のKlipperと後付けの違い

Klipperを搭載して出荷されるプリンターは、メーカーによってすでに設定済みで、そのモデル専用のプロファイルとインターフェースが用意されており、printer.cfgを手作業で設定する手順が不要です。これに対して改造とは、もともとMarlin向けに設計されたプリンターに自分でKlipperをインストールすることで、既存の設定ファイルや近い例をもとに、ピン、センサー、運動学を手作業で設定する必要があります。

工場出荷時のKlipperビルドは、改変されていたり、ロックされていたり、プロジェクトのメインブランチより古かったりすることがあり、複数の民生機をめぐってコミュニティで指摘されています。多くのプリンターで、プロジェクトの公式リポジトリに近いビルドへ移行することは可能ですが、プリンターの画面から行う単純なアップデートより手間がかかります。

初めて購入する人にとって、これが問題になるのは、おもにプリンターを選ぶときです。すでにKlipperを搭載して出荷される機械なら、最初からこの問いを避けられ、より新しいビルドへの移行は、キャリブレーションの基本が身についてからの課題にできます。

複数のマイクロコントローラー、マクロ、設定ファイル：速度以外にこの構造が可能にすること

Klipperの公式ドキュメントには、インプットシェーピングほど注目されないものの、使い勝手を同じくらい左右する機能が挙げられています。1台のプリンターを複数のマイクロコントローラーで動かせます。たとえば、エクストルーダー用、ヒーター用、残りすべて用というように分け、ホストソフトウェアがそれらのクロックを同期させます。必要なのは設定ファイルに数行追加するだけで、最近の機械が1本のケーブルでツールヘッドを動かせるのはそのためです。

設定はすべてテキストファイルにあり、設定を変えるためにマイクロコントローラーを再書き込みする必要はありません。同じファイルでプログラム可能なマクロも使えます。ユーザーが定義する新しいG-codeコマンドで、その動作はプリンターの状態に応じて変えられます。ドキュメントには、JSON APIサーバーが組み込まれているとも書かれており、Webインターフェースやサードパーティ製アプリがそれを土台にしています。

性能について、プロジェクトは、古い8ビットのマイクロコントローラーでも毎秒175,000ステップを超え、最近のマイクロコントローラーは数百万ステップに達すると説明しています。それでも、すべてのステップは25マイクロ秒以内の精度でスケジュールされています。コードはハードウェアに依存せず、ARM、AVR、PRUの各チップ間で移植可能と説明されており、これにより、既存のプリンターのメインボードをそのまま使い、コンパニオンコンピューターだけを追加できます。これは3Dプリンターの種類のガイドでも触れています。

MainsailとFluidd：ブラウザからKlipperを操作する

Klipperには画面も内蔵のグラフィカルインターフェースもありません。機能を公開するAPIであるMoonrakerと、MainsailやFluiddのようなWebインターフェースを使って、ブラウザーからプリンターを操作します。これらのインターフェースでは、カメラが設置されていればその映像、温度設定、G-codeファイルの一覧を表示でき、マクロやKlipper固有のキャリブレーションにもアクセスできます。

Klipperを搭載して出荷されるプリンターでは、内蔵のタッチスクリーンがこれらの機能の一部を、ブランド固有の簡略化されたインターフェースで再現していることが多く、MainsailやFluiddも同じネットワーク上のコンピューターやスマートフォンから並行して利用できます。機械のそばに立たなくても造形を見守れるので便利です。

既存のプリンターをKlipperに換装する前に知っておくこと

Marlin向けに作られたプリンターにKlipperをインストールするには、コンパニオンコンピューター（Raspberry Piか同等のもの）、Klipperのマイクロコントローラーファームウェアに対応したメインボード、そしてそのモデルに合った設定ファイルが必要です。設定ファイルは、プロジェクトに付属するサンプルの中か、コミュニティが共有しているものから見つかるのが一般的です。これは単なるファームウェアのアップデートよりも、機械の動作方法に深く手を入れる変更です。

非公式な改造は、ほぼ確実にメーカーの想定する使い方の範囲外となり、保証に影響する可能性があるため、始める前にサポートに確認しておくとよいでしょう。初めてのプリンターなら、Klipperが設定済みの状態で出荷されるモデルを選べば、この手順とそのリスクを避けられます。その代わり、Marlin市場全体に比べると選択肢は狭くなります。

出典と限界

• Klipper — 概要（ホスト＋マイクロコントローラーの構造）
• Klipper — 機能（インプットシェーパー、プレッシャーアドバンス）
• GitHub — Klipper3d/klipper（メインリポジトリ、ライセンス）
• GitHub — CrealityOfficial/K1_Series_Klipper（Creality K1のファームウェア）
• Elegoo — Neptune 4 FDM 3Dプリンター（Klipper導入済み）

当サイトはメーカーとコミュニティの資料を整理したもので、これらの製品を自分たちで実測したわけではありません。お使いの機種の取扱説明書が、一般的なガイダンスより優先されます。