Input Shaping: Ringing, Resonanzfrequenz und Shaper-Auswahl

Thema: 3D-Druck: Einstellungen, Material & Fehler

Input Shaping gilt oft als Schalter für schnelleres Drucken. Nach der Klipper-Dokumentation beeinflusst das Verfahren selbst die Druckzeit kaum; diese ändert sich erst mit der maximalen Beschleunigung. Input Shaping unterdrückt eine gemessene Eigenschwingung und schafft so Spielraum für höhere Beschleunigungen, sofern Mechanik und Frequenz stimmen.

Woher Ringing kommt

Ringing zeigt sich als schwaches Echo einer Kante, das sich in Wellen über die folgende Wandfläche wiederholt. Die Klipper-Dokumentation führt es auf mechanische Schwingungen zurück, die schnelle Richtungswechsel anregen. Begünstigt wird es durch einen weichen Rahmen, lockere Riemen, schlecht ausgerichtete Teile und große bewegte Massen; diese Ursachen sind zuerst zu beheben. Wie die Riemenspannung die Achssteifigkeit beeinflusst, beschreibt der Artikel zum Riementrieb.

Rattermarken beim Fräsen sehen ähnlich aus, entstehen aber im Eingriff des Werkzeugs. Ringing ist dagegen das Ausschwingen der Achse nach einer Beschleunigungsänderung, und nur darauf ist Input Shaping ausgelegt.

Zwei Teilimpulse heben die Schwingung auf

Das Verfahren stammt nicht aus dem 3D-Druck. Singer und Seering beschrieben 1988 am MIT geformte Steuerbefehle für Bewegungen ohne Restschwingung. An einem Simulator des Manipulatorarms der Raumfähre sank die Restschwingung um den Faktor 25, bei etwa einer Schwingungsperiode längerer Bewegungszeit.

Beim einfachsten Shaper, ZV, wird jeder Bewegungsbefehl in zwei Anteile zerlegt. Der zweite folgt eine halbe Periode nach dem ersten und regt eine gegenphasige Schwingung an; passend gewichtet heben sich beide danach auf. Klipper gibt die Dauer des ZV-Shapers entsprechend mit 0,5 / f an, f ist die Resonanzfrequenz. Für die Gewichtung setzen Klipper und die Prusa-Firmware standardmäßig ein Dämpfungsverhältnis von 0,1 an.

Weil der Befehl zeitlich verteilt wird, verrundet die Achse scharfe Ecken leicht. Diese Glättung (smoothing) nimmt mit der Dauer des Shapers und mit der Beschleunigung zu.

Shaper-Typen: Dauer, Toleranz und Glättung

Robustere Shaper verteilen den Befehl auf mehr Teilimpulse, dämpfen dadurch auch bei abweichender Frequenz und glätten stärker. Die Prozentwerte der Tabelle aus der Klipper-Dokumentation beziehen sich auf die eingestellte Frequenz f.

Für die meisten Drucker empfiehlt Klipper MZV oder EI: zuerst MZV testen und EI nur übernehmen, wenn es sichtbar besser abschneidet. EI kann bei Druckern mit bewegtem Bett passen, weil die Bettmasse mit dem abgelegten Material wächst und die Frequenz sinkt. Unterhalb von etwa 25 Hz kann selbst MZV zu stark glätten; ZV glättet weniger, reagiert aber empfindlicher auf Messfehler.

Marlin bietet seit Version 2.1.2 nur ZV (M593 mit Frequenz und Dämpfung, F0 schaltet ab), die Prusa-Firmware über M593 T alle sechs Typen mit ZV als Grundeinstellung.

Frequenz messen: Testturm oder Beschleunigungssensor

Klipper beschreibt einen Testturm, dessen Außenwände mit etwa 80–100 mm/s ohne Füllung und Deckschichten gedruckt werden. Die Beschleunigung steigt alle 5 mm um 500 mm/s², von 1.500 bis 7.000 mm/s². Vorher werden Pressure Advance und vorhandene Shaper abgeschaltet und square_corner_velocity auf 5,0 gesetzt, weil höhere Werte die Glättung verstärken. Wie andere Firmwares Ecken begrenzen, erklärt die Jerk-Einstellung.

An der markierten Seite wird die Zahl N der Wellen über eine Strecke D gezählt; mit der Wandgeschwindigkeit v gilt f = v × N / D. Weicht das Muster vom erwarteten Verlauf ab, liegt die Ursache nach Klipper eher in Mechanik oder Extruder.

Alternativ misst ein Beschleunigungssensor am Druckkopf, bei bewegtem Bett für Y am Bett; Klipper unterstützt unter anderem ADXL345, LIS2DW und MPU-9250. SHAPER_CALIBRATE schlägt Shaper, Frequenz und eine maximale Beschleunigung vor, laut Dokumentation nur ein theoretisches Maximum. Messprinzip und Grenzen solcher Sensoren beschreibt der Artikel zum Beschleunigungssensor. Prusa kalibriert im Werk und empfiehlt nach Umbauten eine neue Kalibrierung.

Eigenes Rechenbeispiel: vom Testturm zur Einstellung

Wir nehmen an, die Außenwand wurde mit 100 mm/s gedruckt, und an der Y-Seite des Turms liegen 5 Wellen auf 12,5 mm. Daraus folgt f = 100 × 5 / 12,5 = 40 Hz. Der ZV-Shaper dauert dann 0,5 / 40 Hz = 12,5 ms, MZV 18,75 ms und EI 25 ms.

Mit den Bereichen aus der Tabelle hält MZV die Restschwingung zwischen 36 und 46 Hz unter 10 %, EI zwischen 30 und 50 Hz. Sinkt die Frequenz eines bewegten Betts mit wachsender Druckmasse angenommen um 15 % auf 34 Hz, liegt sie außerhalb des MZV-Bereichs, aber noch in dem von EI.

Für die Beschleunigung nehmen wir an, dass das Ringing bis 4.500 mm/s² akzeptabel bleibt, der Spalt in der Testwand aber ab 4.000 mm/s² breiter wird. Maßgeblich ist der kleinere Wert; eingestellt würde etwa 3.500 mm/s², als Lehrbeispiel und nicht als Vorgabe für einen bestimmten Drucker.

Typische Fehler und Grenzen

Ein typischer Fehler ist, eine mechanische Schwäche wegzufiltern. Kehrt das Ringing zurück, hat sich nach Klipper oft die Riemenspannung geändert; bei einer auffällig niedrigen Y-Frequenz am XL verweist Prusa auf lockere Riemen oder Riemenscheiben. Unter etwa 20–25 Hz rät Klipper, den Drucker zu versteifen oder bewegte Masse zu verringern.

Die gemessene Frequenz gilt nur für den gemessenen Zustand; sie ändert sich mit Druckkopfmasse, Riemenspannung, Anbauten und je nach Bauart mit Position und Höhe. Verliert der Drucker in hohen Beschleunigungsstufen Schritte, wird der Test abgebrochen; der Versatz ist dann ein Layer-Shift und keine Ringing-Information. Sensormessungen sollen nur gelegentlich laufen, weil die Testschwingungen Verschleiß fördern.

Prüfliste für die Abstimmung

• Mechanik zuerst prüfen: Riemenspannung, Rahmen, Führungen und Schraubverbindungen.
• Für den Testturm Pressure Advance, Shaper und die dynamische Beschleunigungsregelung im Slicer abschalten.
• X und Y getrennt auswerten, jeweils an der markierten Turmseite.
• MZV zuerst testen, EI nur bei sichtbarem Vorteil übernehmen; unter Marlin steht nur ZV zur Verfügung.
• Maximale Beschleunigung nach dem kleineren Wert aus Ringing und Glättung wählen, mit Abstand zu Sensorvorschlägen.
• Nach der Abstimmung Pressure Advance kontrollieren und bei Bedarf neu einstellen.
• Nach Umbauten am Druckkopf, neuen Riemen oder anderem Bett neu messen.