Prusa I3 MK3S と 2 つのセンサーの物語 | プラスチックベアリング株式会社

Prusa i3 MK3 が 2017 年にリリースされたとき、プリンターに多数のセンサーが詰め込まれているため、「非常にスマート」であると宣伝されました。このアップデートは実際には MK2 よりも印刷品質を向上させることではなく、マシンをより使いやすく、信頼性を高めることが目的でした。停電中に停止したプリントを再開するシステム、ファームウェアが誘導ベッドセンサーの熱ドリフトを補正できる温度計、すべての冷却ファンの RPM 検出、およびいつ停止したかを検出できる高度な Trinamic ステッパードライバーがありました。プリンターが滑ったり、引っかかったりした。

しかし、すべてのアップグレードの中で最もエキサイティングなアップグレードは、新しいフィラメントセンサーでした。 Prusa i3 MK3 は、マウスに搭載されているものと同様の光学式エンコーダーを使用して、フィラメントが押出機に挿入されたことを検出できました。これにより、フィラメントがなくなった場合にファームウェアが印刷を一時停止できるようになりました。この機能は、これまでの民生用デスクトップ 3D プリンタではほとんど前代未聞でした。さらに、光学式エンコーダーは、フィラメントが押出機内を実際に移動しているかどうかも検出できます。

理論的には、これは、MK3 がエクストルーダーの詰まりや、スプールの展開を妨げるフィラメント経路のもつれなどの問題を感知できることを意味しました。市場にある他の家庭用 3D プリンタは、実際にはプラスチックを押し出していないことに気付かずに、ただ楽しく作業を続けるだけでしょう。しかし、MK3 はフィラメントが停止したことを認識し、ユーザーに警告することができます。光学フィラメントセンサーの機能は、デスクトップ 3D プリンティングにおける小さな革命を表し、MK3 の他の機器と組み合わせることで、プリント失敗による心の痛みをほぼ根絶することが約束されました。

2019 年 2 月に早送りすると、Prusa i3 MK3S が発表されました。このプリンタの比較的小規模なリフレッシュは、MK3 の製造中に行われたすべての増分調整をまとめたもので、実際には新しい機能が追加されませんでした。ただし、削除されたのは 1 つです。MK3S では、MK3 で使用されていた光学式エンコーダセンサーが削除され、フィラメントの動きを感知する機能も削除されました。ユーザーは、詰まりやもつれを検出する機能を維持することが、アップデートによって提供される他のすべての改善点を放棄する価値があるかどうかを判断する必要があります。

しかし、なぜ？ Prusa Research が主力製品の大幅なユーザビリティ向上を約束したものを放棄する決断を下したこの 3 年間に何が起こったのでしょうか? その答えは、最も賢明なエンジニアリングソリューションであっても、現実世界では常に期待どおりに機能するとは限らないという興味深い考察です。

もちろん、フィラメントの詰まり検出の問題に初めて取り組んだのは Prusa Research ではありません。 MK3 がリリースされるまでに、ハッカーたちはすでに何年にもわたって独自のソリューションをまとめていましたが、そのほとんどはより直接的なアプローチを使用していました。最も一般的な方法は、単にホイールをスプールまたはフィラメント自体に押し当てることであり、その回転はロータリーエンコーダまたはホール効果センサーを通じて簡単に検出できます。

しかし、このアイデアの問題は、フィラメントに追加の抵抗がかかり、押し出し速度に変動が生じ、最終的に印刷品質に影響を与える可能性があることです。完璧な押し出しを追求するユーザーは、まさにこの理由から、さまざまな低抵抗スプールホルダーを開発してきました。システムに抗力を追加することは、フィラメントの停止を検出できるとしても、多くのユーザーにとっては好ましくないでしょう。

光学センサーの利点は、フィラメントに実際に触れることなく、フィラメントの移動を「見る」ことができることです。繰り返しになりますが、このアイデアは Prusa Research が思いついたわけではありません。押出機に入るフィラメントを目視検査する試みはすでに行われていたが、その目的は一般的にフィラメントの太さの変化を補正することであった。

Prusa Research が行ったのは、これらの確立されたアイデアを組み合わせて、正確な非接触フィラメント速度センサーを作成する、低コストのオープンハードウェアセンサーを考案することでした。当然のことながら、今頃、地球上のすべての 3D プリンターメーカーが、この小さなセンサーの独自のバリエーションを開発し、エントリーレベルのマシンにボルトで取り付けていると予想されるでしょう。

センサーが実際に意図したとおりに機能していれば、最終的には間違いなくそうするだろう。

明確にしておきますが、Prusa i3 MK3 の光学フィラメントセンサーは機能しました。そうでなければ彼らはマシンを出荷しなかったでしょう。それは、ほとんどの場合、かなりうまくいきました。しかし、かなり深刻な問題がいくつかあり、ユーザーがマシンで有意義な時間を過ごした後に初めて明らかになりました。 MK3S がリリースされ、センサーが物理的に取り外される前でさえ、多くのユーザーは無視できないほど一般的な問題のため、ファームウェア設定で光学センサーをオフにすることを選択していました。

最初の最も明白な問題は、センサーが明るい色のフィラメントを認識しにくいことが時折あり、半透明のフィラメントではさらに困難になることでした。これだけでは、多くのユーザーにとって実際には大きな問題ではありませんでした。 Thingiverse をざっと見てみると、ほとんどの 3D プリンター所有者が最初から黒、青、または赤のフィラメントにこだわっていることがわかります。しかし、ユーザーが MK3 にさらに時間を費やし、あまり一般的ではない色を使用し始めると、プリンターの目にはすべてのフィラメントが同等ではないことが明らかになりました。

残念ながら、2 番目の問題が問題をさらに複雑にしました。センサーを押出機本体に埋め込む試みがあったことは明らかですが、それでも塵が侵入することに成功しました。押出機のギアは動作中に常にプラスチックの粉塵を生成するため、これはある程度は避けられませんでした。公式のメンテナンス手順では、ユーザーは押出機のギアの周りに埃や粒子が溜まっていないか注意するようアドバイスされているが、センサーの確認については言及されていない。エクストルーダー全体を分解せずにセンサーを取り外して掃除するのはそれほど難しいことではありませんが、誰もが使いやすいとは言えません。特にメンテナンスガイドラインに記載がない場合は、気まぐれに行うようなことではありません。

しばらくすると、この塵のコーティングがセンサーのフィラメントを認識する能力に影響を及ぼし始めます。たまにしか遭遇しなかった問題が、日常茶飯事になり始めました。フィラメントをエクストルーダーに挿入しても自動ロード機能が常に作動するとは限らず、手動で作動させる必要があることに気づくかもしれません。最悪の場合、プリンタは突然フィラメントがなくなったと判断し、印刷を停止する可能性があります。これは、同じ部屋にいる場合には十分に迷惑ですが、夜間や外出中に長時間の印刷を行う場合は、膨大な時間の無駄になる可能性があります。

ユーザーが数か月ごとに光学センサーを取り外して掃除するようにメンテナンス手順を修正すれば、状況は改善された可能性がありますが、率直に言って、それはせいぜいその場しのぎの措置に過ぎなかったでしょう。明らかにセンサーがこの課題に対応できていませんでした。理想的な条件下であっても精度は十分に高くなく、本来主力であったものに弱点が生じました。それは行かなければなりませんでした。しかし、それを置き換えるものは何でしょうか？

最終的に、Prusa Research は妥協を選択しました。 MK3S のセンサーは依然として光学式ですが、今回はフィラメントを見ていません。フィラメントがエクストルーダーに挿入されると、小さな金属ボールが押し戻され、そのボールがレバーを動かし、光線を遮断します。フィラメントがボールを押さなくなると、2 つの対向する磁石の力によってレバーが元の位置に戻ります。

新しいセンサーは、磨耗するために固着するスプリングや機械的スイッチがないため、元のバージョンよりもはるかに長く持続すると予想されます。同時に、フィラメント自体にかかる圧力は軽く、一定しているため、印刷品質に影響を与えることはありません。

明らかな欠点は、センサーはフィラメントが動いているかどうかを認識できなくなり、フィラメントが物理的に存在していることだけを認識できることです。そのため、ホットエンドが詰まったり、スプールが詰まったりすると、フィラメントがエクストルーダー内で磨耗し、プリントが失敗します。しかしこれは、Prusa が問題の解決を諦めたという意味ではありません。その後、同社は詰まりや詰まりに対処する最善の方法は、より高い物理的耐性を備えた自社製フィラメントを製造することであると判断しました。理論的には、フィード材料のサイズと配合が適切であれば、プリンタがフィード材料で詰まる理由はありません。

より大規模な 3D プリンティングコミュニティにとって、Prusa の高度なフィラメントセンサーが機能しなかったことは残念です。たとえ失敗したとしても、それは重要なエンジニアリングの教訓として役立ちます。これは、最も単純なアプローチが実際に最善である場合もあるということ、また、ハードウェアがテストベンチで動作するからといって、それが日常使用の現実に耐えられるとは限らないことを思い出させてくれます。