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| ・「Ｐｒｕｓａ ｉ－３」の不具合と対処（ホットエンド温度制御の問題） |
 組み立て段階で好感触を得ていた２台目の３Ｄプリンタ「Ｐｒｕｓａ ｉ－３」、実際の出力段階に入り問題が噴き出ています。 ネット上の製作記事にも多く見られるように、開発・発展途上のテクノロジーには未知の課題が伴い、自力で解決するしかありません。 直交座標系のＰｒｕｓａは、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の制御がデルタ型に比べてシンプルなので、３軸は調整の必要もなく快調に動作しています。 フィラメントエクストルーダからフィラメントチューブ、ホットエンドに至るフィラメント出力系にトラブルが続出しています。 写真左のようにフィラメントの射出が成形途中で停止し、写真右のグラフが示すようにホットエンドの温度が不安定です。 既に組み立て作業に要した数倍の時間を、これらの問題の解決に費やしています。 |
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１．ホットエンド温度の制御不良 ３Ｄプリンタに組み込まれているコントローラボードは「ＲｅｐＲａｐＭｅｌｚｉ２．０」（http://reprap.org/wiki/Melzi）、ボードのファームウェアは「Ｒｅｐｅｔｉｅｒ－０．９１」、ＰＣ側のアプリは「ＲｅｐｅｔｉｅｒＨｏｓｔ_０．９５Ｆ」です。ファーム・アプリともプリンタの製造会社（ＺＯＮＥＳＴＡＲ）でカスタマイズされているそうで、ＶｅｒＵＰや設定変更をしないよう注意書きがあります。 「ＲｅｐｅｔｉｅｒＨｏｓｔ_０．９５Ｆ」は評判通り非常に高機能なアプリで、ホットエンドやヒーテッドテーブルの温度推移をグラフ表示してくれます。Ｐｒｕｓａではホットエンドに通電開始後、設定温度に達するまでに３分以上と、時間があまりにも長くかかります。１台目のデルタ型は２分以内に到達しており、両者の加熱ヒータはほぼ同型なので明らかに制御がうまくいっていません。設定温度手前では電流が徐々に絞られ、しかも設定温度を超過しないと出力が開始されないため、実際には５分以上経過してようやく３軸が動き出します。 さらに、出力が開始された後、ホットエンドはゆっくりと温度を下げてきます。概ね、設定温度２００度に対して１９０度～１８０度まで、１０～２０％ほど低下します。 以下に、目標温度を２００度に設定した場合の温度推移グラフのスクリーンショットを示します。グラフをクリックすると拡大して表示されます。グラフ中赤色のラインがホットエンドの温度を表示しています。
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３９０秒（６分３０秒） 約３分かかってほぼ２００度に達しているが、完全に ２００度を超えるにはさらに１分ほどかかっています。 |
 ４５０秒（７分３０秒） ２００度を超えた以降、赤色のラインは２００度と １９０度の中間あたりまで漸減します。 |
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リスのマスコットを出力してみると、足部分のみ出力して あるいは頭部を残してフィラメントの射出が停止しています。 |
 １０ｍｍ立法のテスト用キューブを出力すると 上部４分の１ほどを残してフィラメントが停止。 |
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 フィラメントエクストルーダの部品作成ではフィラメントの 積層や結合が不十分で、部品としての強度が出ません。 |
 マスコットの底部を確認すると、密着性が求められる 第１層に広範囲の隙（巣）が生じています。 |
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２．クーリングファン（フィラメント冷却用）ブラケットの再加工 設定した通りに温度が推移しない原因を探し始めました。最初に疑ったのはコントローラボード「ＲｅｐＲａｐＭｅｌｚｉ２．０」です。回路図・実装図・スペックいずれもネットから容易に入手できます。 ＲＡＭＰＳに比べ全体的に貧弱なつくりで、ホットエンドヒーターのドライバ周りも配線容量が心許ない印象です。念のためドライバの出力電圧を確認すると、ヒーターのＯＦＦ時で１２．２Ｖ（電源電圧と同等）、ヒーターをＯＮにすると１１．８Ｖを下回ります。ただしパワーユニットの出力は１２Ｖ代なので、途中配線での電圧降下が考えられます。 パワーユニットは出力端子を複数備えているので、ヒーターへの電力供給用に別途配線を追加しました。ヒーターＯＮ時でも１２Ｖを下回ることはなくなり電圧降下の問題が解決しました。 組み立て時にフィラメント冷却用のクーリングファンブラケットに簡単な加工を加えました。エアの吹き出し口がヒートブロックに接触しかかっていたため、少し間隔を設けるためでありました。あらためて組み立て状態を確認すると、エアの吹き出し先にヒートブロックが入っており、僅かながらも気流が吹き付けられているようです。ホットエンドの温度がなかなか上昇しない、上昇後に漸減するといった現象は、いわばホットエンドが冷却されているからであり、一部とは言えエアが吹き付けていることはその原因として疑う必要があります。 |
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 キットに付属のパーツに若干の修正を加え、 本来の設計通りに組み上げた状態です。 |
 修正加工によりエアの吹き出し口はヒート ブロックから離して取り付けられています。 |
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 この角度から観察するとエアの吹き出し先が一部 ヒートブロックにかかっていることが分かります。 |
 ブラケットを取り外し、レザーカッターで上下に切断 した後、スペーサを入れて上下長を増やしました。 |
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 ブラケットの上下が長くなったことでエアの 吹き出し口の位置がかなり下がりました。 |
 吹き出し口がヒートブロック方向を避けて開いて おり、エアに晒される可能性が低下します。 |
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３．ＰＩＤ制御パラメータの最適化 ３Ｄプリンタのホットエンドやテーブルの温度制御には、多くの場合ＰＷＭ制御が用いられています。小型のサーミスタを温度センサーにして、ソフトウェア的にかなり高精度の温度制御を実現しています。ヒーターやヒートブロックの熱容量、フィラメントの熱特性等によってプリンタの性能は個体差を持つので、ＰＷＭ制御にいくつかの制御パラメータ（ｋｐ・ｋｉ・ｋｄ）を与えて最適化を図ります。ＰＩＤ制御パラメータはコントローラーボードのファームウェアに書き込まれ、ＬＣＤインタフェースあるいはＰＣ側アプリから書き換えることができます。 「Ｍ３０３ Ｅ＊ Ｓ＊ Ｃ＊」コマンドにより自動的にｋｐ・ｋｉ・ｋｄの最適値が得られるので、ホットエンド周りに何か変更を加える度に新しいパラメータを取得してファームに書き込んできました（下表）。コントローラボードに書き込まれていた初期値ｋｐ＝７．００、ｋｉ＝２．００、ｋｄ＝４０．００に対して、最終的にｋｐ＝２７．３６、ｋｉ＝４．２４、ｋｄ＝４４．１４ですのでかなりの乖離があります。 |
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 ＬＣＤの初期画面 |
 （→）を押してメニューに入る |
 （↓）でＣｏｎｆｉｇｒａｔｉｏｎへ |
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 （→）でＣｏｎｆｉｇｒａｔｉｏｎメニューへ |
 （↓）でＥｘｔｒｕｄｅｒへ |
 （→）でＥｘｔｒｕｄｅｒメニューへ |
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 （↓）でＰＩＤ各Ｐ・Ｉ・Ｄへ。 |
 自動測定された最適値を設定する |
 一つ手前のメニューに戻り |
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 設定値をＥＥＰＲＯＭに書き込む |
 再度ヒーターに通電してみます |
 ＰＩＤ変更前とあまり変わりません |
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４．ＰＩＤ制御パラメータの有効化 ＰＩＤパラメータの設定値がコントローラボードの初期設定値とかなり違っていたため、ホットエンドの温度制御不良はここに原因があるものと思い込んでいました。その後、ホットエンド以外の部分についてあれこれ原因を探っていたが、特に前進もなくしばらく作業を中断していたある時、重大な点を見落としていることに気づきました。ＰＩＤ制御パラメータは、ＰＷＭ制御がＰＩＤ方式に設定されていないと意味を為さないのです。 これまでＰＷＭ制御がＰＩＤ方式に設定されていないことは、実は上のＰＩＤ設定画面に既に表示されていました。ＰＷＭの制御方式は「ＰＩＤ」の他に「ＳｌｏｗＢａｎｇ」・「ＢａｎｇＢａｎｇ」、および上の設定画面にある「Ｄｅａｄ Ｔｉｍｅ」を加えて計４方式あります。Ｃｏｎｔｒｏｌで（→）を押してアクティブにし（↑・↓）で切り替えます。 |
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 ＳｌｏｗＢａｎｇ |
 ＢａｎｇＢａｎｇ |
 ＰＩＤ |
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