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Jark と 加速度の設定は簡単の様でとても難しいです。正直に言って分かりません。。

Jark と 加速度を高く設定すれば印刷は速く成りますが、3Dプリンターがガタガタと音を発したり、印刷物の表面にリンギング痕が発生したり、ノズルと印刷物の接触して印刷物がビルドプレートから剥がれてしまったりと良い事が有りません。

Jark と 加速度を考える前にステップモーターのコントロールについて確認して見たいと思います。



3Dプリンター用に制御基板とステップモーターのセットが販売されています。3Dプリンターの可動制御部は大抵のプリンターで少しの差は有れどほぼ同じものが使用されています。
ステップモータは200ステップで１回転する物が使用されています。１ステップにすると１.８度の回転に成ります。これをコントロールして ＸＹＺＥ軸各々の位置をコントロールする訳ですが、ステップモーターに付いているプーリーはベルトの外径で 12.73mm程度です。これをステップモーターで駆動すると１ステップ１.８度で約0.2mmに成ります。１mm当たり５ステップでの移動に成ります。これをコントロールしても印刷物はガタガタした形状になってしまいます。解像度が足りないのでここで「マイクロステップ」と言う制御を使用してステップモーターの１ステップを 1/16にする制御を掛けます。こうする事でマイクロステップ１ステップ当たり0.0125mm（12.5μm）、１mmあたり８０ステップとして使用する事で満足する解像度を得ています。

マイクロステップの説明動画です ↓




しかしマイクロステップ制御は良い事ばかりではありません。。磁力的に中途半端に固定するので保持トルクが大幅に減少してしまいます。

マイクロステップの保持トルク現象について書かれているPage
↓　↓　↓
https://www.monolithicpower.com/jp/learning/resources/why-microstepping-isnt-as-good-as-you-think?srsltid=AfmBOor9Q56-1SLcljAh-WRGJEQF8lhLy5l9JNWE8GGLA7oiGKJT2QOT



繊細かつ俊敏に移動する3Dプリンターですが、このステップモーターのフィジカルなステップとステップの中間を制御するマイクロステップの保持トルクの低さから3Dプリンターの振動の入力によって微細な揺らぎが生じてしまう。これが印刷物の表面に揺らぎの痕跡が残ってしまうリンギングが発生してしまう根本的な原因となっているかと思います。

そんな事も有り揺らぎが発生しない様に Jark と 加速度 や印刷速度を適度にコントロールしなければならないと言う事に成ります。



ＸＹ軸の速度コントロールの要素としては、

・Jark（初速）
・Max Acceleration（最大加速度）
・速度
・最小速度

の４つの要素が有ります。

例えば100mm/S と言う速度で印刷する場合に、０mm/S ⇔ 100mm/S を行き来して中間の加速のコントロールが無ければガクガクしてしまいます。

なので、 停止 → 移動 → 停止 を行う場合には、




最小速度から → 設定した加速度で加速 → 設定の速度を維持 → (マイナスの)加速度で最小速度まで減速 → 最小速度で停止

この様な加減速を行う事に成ります。この場合の設定値は、

・最小速度　０mm/Sec
・加速度　　1000mm/Sec2
・速度　　　100mm/Sec

と成ります。
これを仮に左から右にＸ軸を移動したと仮定して、続けてＹ軸を奥に移動して直角に移動する場合を考えてみます。




Ｘ軸の移動からＹ軸の移動へ切り替わる所に Jark (初速) の要素が追加されました。
停止からの加速と減速からの停止では「最小速度」が反映されていましたが、Ｘ軸からＹ軸への切り替えでは「Jark」の速度が反映されて、Ｘ軸は少しガクンと止まりＹ軸は少しガクンと動き始めます。
当然ですがJarkの値は小さくした方が滑らかに動きますし、大きい値の方が機敏に動く事に成りますが振動の問題が発生します。
Jark の調整は重要と思いますが、 必要なJarkと加速度の値は関連があると思いますので、セッティングはとても難しい物だと思います。





高額な高級プリンターがありますが、使われているモーターや制御基板などはどの3Dプリンターも粗同じものが使用されています。Prusaが高価な理由の半分は PrusaSlicer に事細かに最適な設定値がプリセットされている事 と言ってしまっても過言ではありません。？

という事で今回使用しているプリンターと同じボーデン式の Prusa Mini のプリセット値を有難く頂きたいと思います。




プリント設定 →速度 →加速度コントロールの項に入力します。
何故この値になっているのか？理由は分かる様な分からないようなですが、Jark とのバランスまでは理解が出来ません。なので加速度とJark の値は共にバランスを崩さない様にまるごとコピーしてしまいます。

外壁印刷の加速度は2000、最外壁は1500の加速度となっており安価なプリンターには大きすぎる値の様な気もしますが、機体の限界 の項で対処しますので大丈夫です。

※外周から内周に向けて加速度の値が大きくなっているのは、90度コーナーへの減速でフィラメント吐出が過多となり、出っ張りが出来てしまう事を予防する措置らしいです。そんなノウハウがあったり無かったりなので丸々そのままコピーします。




プリンター →機体の限界 のページの設定値も基本的に Prusa mini の値をそのまま使います。
※G-CODEに送信を忘れないように選択します。忘れると実際の印刷に反映されなくなってしまいます。




しかし、さすがにこの安価なプリンターでは Prusa と同じ速度で動かす事は出来ません。
少し細分化してみるとＸ軸(左右)に移動する機構は軽量に出来ているのでほぼ同等な動きで良いかと思いますが、Ｙ軸はPrusaに比べてとても重たくなっているので同じとは行かない筈です。




リンギングのテストをする為にほぼ同じものを90度回転して印刷してみました。Ｙ軸で加速しながらの印刷と、Ｘ軸で加速しながらの印刷の比較に成ります。
XY軸の最大加速度はPrusa mini と同じ4000mm/S2のままとしています。
Ｙ軸が影響する方向にマウントした物には長く酷いリンギング痕が発生しました。 重たいＹ軸には加速度が大き過ぎるようで、先程のマイクロステップの保持トルクの弱さが影響して揺らぎが出てしまっている状況です。
対してＸ軸が影響する方は少しのリンギングで済んでいます。全て無くすのは困難だと思うので取り敢えずは4000mm/S2のままで大丈夫そうです。




Ｙ軸の最大加速度を1500mm/S2まで下げました。だいぶ改善されましたが、まだＸ軸に比べてリンギングが大きいようです。ここで思いましたが、印刷時の加速度の設定が1500~2000mm/Secに設定されているので最大加速度の値は1500以下にしなければ影響が少ないんですね。内壁の印刷加速度が2000なので内壁のリンギングが表まで響いているので改善が見られたようです。 という事で最終的にＹ軸の最大加速度は 1000mm/S2 まで下げる事としました。




再度テストプリントです。
印刷時、最外周の加速度は1500mm/S2に設定されているので、最大加速度4000mm/S2に設定のX軸にはリミットとしての効果は発揮されません。しかしＹ軸の最大加速度は1000mm/S2と設定したため1500mm/S2の加速度は許容されず、最大加速度で設定した値に抑制される事となります。
結果はＸＹ軸で起こるリンギングを同等とする事が出来ました。もう少し小さな値にしても良いかも知れませんがこちらの印刷物はインフィルの設定のある物ですがX軸4000の加速度での印刷でも表面に響かない様です。という事もあり今回は高速化が目的なのでこの程度としておきます。


移動の場面で加速度の違いがわかりやすい物があったので動画にしました。



印刷速度　100mm/Sec
移動速度　240mm/Sec
移動加速度　4000mm/Sec2
X最大加速度　4000mm/Sec2
Y最大加速度　1000mm/Sec2

Y軸の移動が少し滑らかで、X軸の移動が俊敏になっています。音を聞いていると分かり易いかと。もしかするとＹ軸方向の移動は最高速迄達していないかも知れません。
コレでも実際はまだY軸の振動の方が大きいのですが、XとY軸で加速度限界を個別設定する事で機体の限界で印刷出来ているかと思います。この設定を使うと、古い機体ですが割に早く動かしてもガタガタしないです。




スライサーで移動速度を確認して見ました。Ｘ軸は即座に240mm/Secに達していますが、Ｙ軸の移動は最高速に届いていない部位が目立ちますね。
PrusaSlicer は解析画面が充実しているのでとても使い易いです。


機体の限界の項の最大加速度の値を変更する事で、深い理解が出来なかった Jark と 加速度のバランスを Prusa mini の値を使用しつつ自分の使用する機体に合わせて抑制をかける事が出来ます。 インフィルはもっと雑な印刷でいいような気もしますが乱れは結局は表面まで響いてきますのでこの位で仕方なしです。ですがＸ軸の動作には影響が無いので、X軸とＹ軸とで動作の機敏さは変ってしまいますが印刷時間は極力削減出来るセッティングとする事が出来ます。



と言う事で今回は少し「WON'T BE LONG」 なセッティング方法になってしまいました。

※足りない頭なら、知恵を盗めばいい。。



注、 当ブログに帳尻合わせの為の嘘は含まれておりません。当社比です。



工夫と思っていただければ幸いです。



ファームウェアのMarlinには JunctionDivision と言うJark制御よりも簡単に使える制御も入っているのですが、なぜだか利用されない傾向です。Marlin的にはJunctionDivisionの方が標準になっているので現状はClassicJarkとしてわざわざ古いJark制御を使用している感じです。私が自分でMarlinをビルドして居た時に有効にして使用したことがありますが、小さいRでカーブする場面で減速が効きにくい感じであまり良い印象ではありませんでした。

Prusa は MK4になってステップモータが400ステップ、0.9度/stepの物に変更になりました。多分ですが保持トルクの最大値が減少して脱調の危険は高まりますが、マイクロステップ時の揺らぎの幅を削減出来てリンギングの発生を減らす事が出来るのかと思います。
最近話題のインプットシェーパーは、この揺らぎをセンシングして、ノイズキャンセリングのイヤホンの様に逆相の振動(磁力)を発生させて振動を打ち消す制御を掛けるそうです。と言ってもなかなか怪しい制御ですが、、高速な印刷を行うのにあたりマイクロステップを使用する限りは何某かの改善策は必要になる模様です。




3Dプリンターは未だ未だ道半ばと言った所です。

私が現在使用している 3Dプリンターは ボーデン式のプリンターなのですが、35mm/sec程度の低速で印刷する分には何の問題も無くお気に入りのプリンターでした。

最近使用頻度が上がり「もう少し早く成らないかな？」と思うように成り、新しいプリンターに目移りしがちです。

という事でこの際なので SlicerSoftの設定を見直して、少しでも高速化が出来ないかと言う観点で SlicerSoftの 設定項目と設定値を総ざらいで見直してみたいと思います。




因みに使用しているプリンターは ELEGOO の NeptuneX に成ります。
ボーデンタイプという事と、Ｙ軸の機構の上にＸ軸の機構が載る構成の為、Ｙ軸が重たくなっているのが高速化に対する弱点です。



今回は ①移動編です。


移動の要素を上げてみると、

１，リトラクション
２，ワイプ
３，移動リフト
４，・外周をまたがないようにする
５，・境界線をまたぐときだけ吸い込み
６，移動速度

この位でしょうか？ 簡単に捉えてしまう移動ですが結構要素が多く複雑です。
詳しく見る事で印刷時間の削減や、糸引きなどの印刷品質の低下を防ぐことが出来るかと思います。

具体的に見て行きます。




この様なテストピースを印刷するとします。




印刷中の断面を見ると、１層の印刷でこの層だと７回、正確には12回の「移動」が行われています。

青線で書かれているのが印刷の無い「移動」に成っていますが、移動の前にはピンクの点で「引き込み」、移動の後には青の点で「復帰」が書き込まれていて、ピンクと青のセットで １，の要素の「リトラクション」に成ります。

リトラクションを確認する前に、




写真は一般的な 3Dプリンターのホットエンドと呼ばれる加熱部とノズルのセットに成ります。
金色のアルミブロックはヒートブロックと呼ばれて、ヒーターと温度センサーを取り付けて約200℃から240℃程でコントロールが出来る様になっています。
そこへフィラメントと呼ばれる樹脂の材料を突っ込むことで溶融してノズルから吐出される仕組みに成っていて、材料自体が溶融した材料を押し出すピストンとしても機能しています。白色のPTFEチューブは断熱材として機能してノズル部の直近まで差し込まれています。
印刷中には適度に材料を押し込むことで吐出しているのですが、移動時には押し込みを止めただけでは材料の吐出が止まらず、押し込まれる材料の残圧の分をフィラメントを引き戻す事で吐出が止まる事に成ります。
それが写真のピンク点の「引込み」に成ります。その逆、吐出を止める以前の状態までフィラメントを押し戻す事を写真の青点の「復帰」と言います。





リトラクトを使用するの設定にしていると、「移動」の前後にピンクと青の点が付くのが見て取れます。これがリトラクトに成ります。
移動中の樹脂の垂れ出し防止を目的とします。



その引き戻しに工夫を加えたのが「ワイプ」に成ります。



図は外壁が接続されて外壁の印刷が終わり、リトラクトを行い次の印刷場所へ移動する一歩手前の状態です。




これは普通のリトラクトを行った場合の挙動です。 ピンク点と青点のセットが出来ています。




ワイプをONにしました。 ピンクの点が無くなって黄色の線に置き換わりました。
先程の「引込み」は停止して一点でフィラメントを引き戻すのですが、ワイプの機能では黄色線の分だけ移動しながら「引込み」を行います。ノズルの先端に少し残ったフィラメントを印刷物に擦り付けて切れをよくする事を目的としているそうです。印刷物の一点に無駄な熱も与えないですね。
これが ２，の要素の「ワイプ」に成ります。



次は「移動リフト」です。




こちらは移動の際に 移動リフトを追加した所です。ワイプがONの状態なのでワイプしてから 移動リフトが実行されているのが見て取れます。
Ｚ軸を浮かせる事で糸引きや印刷物とノズルとの接触を避ける事を目的にしているそうです。
これが ３,の要素の「移動リフト」になります。



次は「外周をまたがないようにする」です。




内周側の印刷を終えて外周側への移動の場面で、この機能の OFF と ON の違いに成ります。移動時に移動リフトを行わずに印刷済みの外周部を跨いで直線状に移動してしまうと、印刷物との接触や糸引きが起きて印刷物を汚す可能性があります。なのでこのオプションで遠回りをして印刷物の表面を汚さないようにします。

このオプションを使用した状態だと引き戻しを行わずに樹脂を垂らしながら移動しても印刷物の表面が汚れなくなるので、比較的時間の掛かるリトラクトを行わない設定にしてリトラクトの回数を削減する事も出来ます。
プリント設定 →インフィル → モード||アドバンス の中に、「境界線をまたぐときだけ吸込み」 のオプションが用意されています。




「境界線をまたぐときだけ吸込み」を ONしました。 移動時のリトラクトが７回から１回のみに減少しました。リトラクトを行わなくても印刷物の内側であれば汚れが見えないと言う理論でRETRACT回数の効率化を行った感じです。
これが ５，の要素の「境界線をまたぐときだけ吸込み」に成ります。

一カ所のみ残った不思議な？ 外壁を跨ぎリトラクションをも行う移動がありますが、これは一段下の印刷が終了した箇所から現在の層の印刷開始位置までの移動になります。
Ｚ軸がリフトされた状態での移動になっているので、「外周をまたがないようにする」が無視されて有効に成らない ”仕様” の様です。(PRUSA slicer2.8.1の固有のバグだった様です。)



各要素の確認が済みましたので、ここからは実際にどのような設定にするのが良いのか？考えてみたいと思います。



１，リトラクション



リトラクションの引戻し量の最適値は校正ツールが提供されているのでそれを使いました。（PETGなんでなんですが）今回は OrcaSlicer の校正ツールを使用しました。4.5ｍｍ程度がBetter の様です。ノズル内に残る圧力は印刷スピードが上昇すればする程に上昇する訳で、印刷速度によって最適値が異なる事に成ります。テストプリントの際は実際の印刷速度に則したスピードにする事がポイントに成ります。




リトラクション関係の設定値を入力します。

・リトラクションの長さ　4.5mm
・引き込み速度　160mm/s
・待機からの復帰速度　80mm/s
・追加長さからのリトラクション戻し　0.15ｍｍ
・吸込み後の最小移動　２ｍｍ
・レイヤーチェンジ時の退避　☑

引き込みと復帰の速度は出来るだけ高速にしました。これは印刷品質にも影響がありますが、主に何度も繰り返すリトラクションが印刷時間に与える影響を削減したいのと、高速にすると印刷中の音が子気味良く成るから。。

https://youtube.com/shorts/BmcNFTNEKQM?si=KzBmKlSnbFCALm_Q
↑
160mm/sに設定したリトラクトの様子。

復帰の速度は速すぎるとノズルからの吐出が雑で印刷が荒れる事があるので、引込み速度の1/2としました。一般に40mm/sec程のスピードで引き戻すのが良いとされている様ですが、今回は音が良い方が良いので高速にします。引き込み速度違いでのシーム跡の確認模した方がイイかも知れませんが、次回以降で。



・追加長さからのリトラクション戻し

これはフィラメントを復帰する際に余分に押し出す量の設定です。今回の設定だと 4.5mm+0.15mm ＝4.65mm復帰します。他の機会に書きますがボーデン式のシステムでは影響が無い範囲で出来るだけ多く追加のフィラメントを押し出した方が印刷が奇麗になる状況が起きやすいです。低速な印刷（ノズル内圧が低い状態）→リトラクト&移動 →高速な印刷（高いノズル内圧が必要） の状況の時に追加の押し出しがあるとノズル内圧が上昇しやすく、急激な吐出量の増加に対応出来る様に成り印刷品質が保たれます。又、引込み中は解けたフィラメントからピストンとなる筈の溶けていないフィラメントへと熱が移ってしまい、復帰した際に座屈する様にフィラメントが変形して吐出量が減ってしまう要素もあります。なので影響がない範囲で出来るだけ多く追加の復帰を行います。
35mm/sまでの印刷速度ではノズル内圧はとても低い状態のままなのでフィラメントの送り速度に対して吐出量が遅れる事が粗無いので気遣いは必要ないのですが、ボーデンタイプでそれ以上の印刷速度を目指すとなると細かい所まで考えなくてはなりません。



・吸込み後の最小移動　２ｍｍ



通常の外壁の印刷時には一周ごとに壁の厚さ一層分の移動を行って、図の印刷では３周の外壁印刷をしますが、移動は少なくともノズル径分の0.4mmの移動が発生している訳ですが、最小移動 未満の移動ではリトラクトが発生しない設定に成っています。（左図）
仮に 吸込み後の最小移動 を０ｍｍにしたのが中央の図。一週ごとの移動の際にもリトラクトが発生してしまうので最小限の数値は必要のようです。
余談かも知れませんが図右の、外壁のシームの設定で 「ジグザグ状のインナーシーム」 と言う設定があります。シームが重ならなくなる事で美観と剛性を向上させるそうですが、この場合は移動量が増えます。ジグザグと翻訳されていますが段違いにするみたいな意味の様です。（右図）
という事で 吸込み後の最小移動 ２ｍｍ位が妥当かと思います。更には、込み入った塗り潰しでRETRACTが過剰に発生してしまう場合などはもう少し大きな値を入れて改善する。その様な使い方もできると思います。



・レイヤーチェンジ時の退避　☑



OFF と ON でのスライスの結果を並べました。分かり難いですがレイヤーチェンジの時に、

OFFの場合には、 Ｚのリフト → 引き込み →移動 の順になっています。
ON の場合には、 引き込み →Ｚのリフト → 移動 の順になっています。





G-CODEで見た方が分かり易いかな？

引き込んでからリフトした方が糸引きの可能性が下がるので ☑ON にします。

蛇足：
この時の移動に「外周をまたがないようにする」が適用されると糸引きが発生しなくて良いのですが、今の所適用外の様です。現在のVer. 2.8.1では直線的に移動してしまいます。仕様が変更になる事を願います。。





ここ迄で良かれと思う機能をONにした物と、OFFにした物を同じように印刷して比較します。
一方は糸引きが酷くなってしまいました。原因は主に「移動リフト」を使用した事が原因の様です。
移動リフトはノズルからの垂れ出しが少ない機種では造形に対して良い影響が出るそうですが、我が家のプリンターは垂れ出しの制御が難しいボーデン式の為、この機能を使ってしまうと逆効果になってしまう様です。

移動リフト →・リフト高さ　0ｍｍ にします。



これだけでは糸引きの改善が出来ないので、

プリント設定 →レイヤーと外周 →高品質 内の ・外周をまたがないようにする を☑ON にします。



移動リフトは使わずに 外周をまたがないようにする を使用します。この機能は印刷済みのワーク上を移動するので長いワイプをしているのと等価なので、この機能を使用する場合は ワイプ機能は OFFで構わない事に成ります。

・吸込み中にワイプ　☐OFF





最後に成りますが 境界線をまたぐときだけ吸込み はリトラクトの回数が激減してとても良いオプションに感じるのですが、先ほども言いましたがボーデンタイプではノズルの残圧が多く成ります。残圧が多く成るという事は逆に言えば加圧時の圧の上がり方が緩慢になってしまう事にもなります。
長い移動の時にリトラクトを行わずに残圧を吐きながら移動を行うと、再度の印刷開始時にノズル圧が不足する事態が発生してしまいます。なので残念ですがボーデンタイプではいちいちリトラクトしなければなりませんので、このオプションは ☐OFF しておきます。





纏めると、

・リフト高さ　　　　　　　　　　　　0ｍｍ（不使用）

・リトラクションの長さ　　　　　　　4.5mm
・引き込み速度　　　　　　　　　　　160mm/s
・待機からの復帰速度　　　　　　　　80mm/s
・追加長さからのリトラクション戻し　0.15ｍｍ
・吸込み後の最小移動　　　　　　　　２ｍｍ
・レイヤーチェンジ時の退避　　　　　☑ON
・吸込み中にワイプ　　　　　　　　　☐OFF

・外周をまたがないようにする　　　　☑ON
・境界線をまたぐときだけ吸込み　　　☐OFF


以上がボーデンタイプのプリンターとしては良い所なんじゃないか？と思われます。
リトラクトの長さと速度とシーム跡の関係にツッコミが足りない様ですが、気が向いたらシームだけでもう少し突っ込んで纏めたいと思います。

最近 OrcaSlicer や BambuStudio が流行っているのでPrusaSlicerでのセッティングは今更って感じでもあるのですが、OrcaSlicerもBambuStudioもPrusaSlicerがベースとなっているので無駄になる事は無いかな？？






余談に成りますが、写真は印刷中のフィラメントを熱されたまま抜き取った物になります。プリント中のフィラメントの溶けている部位と溶けていない部位が明瞭ではないようです。





更に、フィラメントの送り出し用のステップモータを エクストルーダーと呼びますが、ボーデン式では長いチューブを介してエクストルーダーからホットエンドへとフィラメントを送り出す為に昇圧のタイムラグが出たり残圧が多く成り、制御と実際の吐出との乖離が大きく成る欠点があります。（その代わりにヘッドが軽量になるのでリンギングが起こり難い）



以下はボーデン式が苦手とする印刷条件が端的となる印刷例の紹介です。




テストピースの印刷ですが、背面がオーバーハング(ブリッジ)しているので冷却時間を得る為に 15mm/Secまで速度を落としています。 そこから通常の速度まで加速する場面での印刷です。




各速度毎の印刷結果です。※演出も含まれます
一度減速してしまうとノズル圧力が低下してしまいます。 そこから加速に転じる場面ではノズル圧力上昇のタイムラグにより吐出が過少となってしまいます。速度差、正確にはフィラメントの流量差、さらに正確にはノズルの圧力勾配が大きく成ればなる程に吐出遅れは顕著となってカスレが酷くなっていく様子が見られます。制御値と吐出量がリンクしない、3Dプリンターの弱点です。
35mm/Secでの印刷は今までの経験から設定していた印刷速度でしたが、こうして見ると理にかなった印刷速度だったと確認にもなりました。従来の普通の3Dプリンターの実力ってこんな感じでしかありません。。最新のプリンターが羨ましい。。。

※フィラメント吐出のタイムラグを減少させる為にボーデン式から簡易なダイレクト式に改造を行うと、次は重量から来る軸のブレによる ”リンギング” に悩まされる事に成るのでそれはそれで高速印刷には適しません。。
重量も問題なのですがステップモーターのマイクロステップ制御には保持トルクの極端な低下が伴うので、そこも3Dプリンターの本質的な問題としてあります。




という事で、基本的にノズル圧のコントロールが難しいので、低速にしても高速にしても出来るだけ吐出量を一定としてノズル圧力を一定に保ちつつ、 XY軸の移動スピードをコントロールして印刷すると ”イイ感じに成る” と言う理屈が出来上がります。




つづく