3DプリンターPIDチューニング完全ガイド：最適な温度制御のためのキャリブレーション

高品質な3Dプリントを得るには、正常に機能する3Dプリンターと互換性のあるプリンターソフトウェアバージョンが必要です。また、フィラメントの選択も3Dプリントニーズに適したものでなければなりません。

PIDキャリブレーション

プリント開始前の次の重要ステップは、3DプリンターのPID値を正しく設定することです。PIDキャリブレーションまたはPIDチューニングの主目的は、PIDコントローラーの目標値変更への反応を調整し、制御誤差の変動を最小化することです。つまり、PID設定はPIDコントローラーがセットポイントまたは目標値の測定プロセス値を保持するのを助けます。ノズル温度とプリントベッド温度の変動を制御できれば、プリント品質の向上が期待できます。

3DプリンターPIDチューニングとは？

Marlinファームウェアのような3Dプリント技術進歩は、3Dプリンターの熱制御で際立っています。ヒーターのオン/オフでホットエンドとプリントベッド温度を制御する必要を排除し、代わりに可変電力調整アプローチでよりスマートで正確な電力出力制御を実現します。PIDは比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative）を指します。3DプリンターPIDチューニングは、プリンターがヒートベッドとエクストルーダー（ホットエンド）のプリント温度調整にどう対処するかを制御します。PIDチューニングを正常に実行すると、これらのパラメータにより3Dプリンターのホットエンドとヒートベッドがより一貫性のある安定した温度を享受できます。最適な安定温度により加熱要素が最高の性能で動作し、プリント品質が向上します。

PIDチューニングとは？

3Dプリンターは加熱コンポーネントで動作します。プリンターホットエンドとヒートベッドが最も認識しやすい2つの加熱要素です。プリンターノズルとヒートベッドで生成される熱は、不安定で一貫性がない場合、新しいPID値を必要とします。したがって、PID技術を使用して加熱要素温度を安定化させる必要があります。

P、I、Dの意味

比例（P）は、実際の温度と要求温度の比率を表します。積分（I）は、加熱プロセスの実際と期待温度を比較した際の誤差値を表します。最後に、微分（D）は、実際の温度が要求温度より上昇または下降する速度を表します。

PID加熱の仕組み

ファームウェアのマシンコントロールパネルはP、I、Dの値を受け入れます。つまり、この3つの値を操作してPIDオートチューンを開始できます。 アルゴリズムがプリンターの加熱要素の加熱方法を計算します。

3Dプリント用PIDのキャリブレーション方法

3Dプリンターがホットエンドとヒートベッドのプリント温度で多くの変動を経験する場合、プリントはアーティファクト、ライン、同様の課題で終わってしまいます。加熱要素の温度変動を防ぐ最善の方法はPIDオートチューニングを実施することです。ほとんどのプリンターには「PIDオートチューン完了」機能を含むMarlinなどのソフトウェアがあり、PIDチューニング完了を示すタブがあります。手動でプリンターをキャリブレートする場合、ホットエンド温度をPIDチューニングするソフトウェアコマンドに従ってください。ファームウェアは自動プリンターで得られるのと同じ結果を得るためのGコードコマンドを送信します。オリジナルPrusaプリンターを使用している場合、ヘルプメニューでバージョンを確認してください。プリンターソフトウェアを頻繁に更新するのが最善です。キャリブレーション開始前に、ホットエンドをプリントベッドからわずかに10センチ上げてください。次にメインメニューへ。その後、PIDキャリブレーションタブを選択。プリントで最も頻繁に使用するホットエンド温度値を選択。その後、プリンターがPIDキャリブレーションを自動実行します。プロセス終了時、ノズル温度が数回上下し、一般的に5サイクル。5サイクルのホットエンド温度変動後、温度が安定し、この時点で3Dプリントを開始できます。

3DプリンターベッドのPIDチューニング方法

3DプリンターベッドをキャリブレートまたはPIDチューニングするには、ソフトウェアを使用してGコードコマンドをプリンターファームウェアに送信します。OctoPrintとPronterfaceはプリンターにGコードを送信できるソフトウェアです。まず、ソフトウェアのGコードターミナルでM303コマンドを実行します。これによりプリンターファームウェアにアクセスできます。次に、キャリブレーションされた値を取得して入力し、PID設定を保存します。PIDオートチューニングと設定保存により、PIDオートチューニングの繰り返しが不要になります。 コマンド実行時にターミナルからPIDオートチューン開始アラートが表示されます。このサインは数分間実行されて完了するプロセスの開始を意味します。

PID値

• M303：PIDオートチューンキャリブレーションをトリガーする主要コマンド
• S60：必要なヒートベッド温度
• C10：加熱要素温度が最終的に安定する前に変動するサイクル数
• U1：既存のヒートベッド温度を新しい値で自動置換
• オートチューンプロセス終了時に新しい値を保存。プリンターファームウェアがその後の使用のためにPID設定を保持

PIDオートチューンの使用方法

開始/停止信号を使用してオートチューニングプロセスを開始します。周波数応答実験を完了するまでプロセスを実行させます。その後、ブロックからPIDコントローラーへチューニングされた値を転送します。

オートチューニングプロセス開始のステップバイステップ手順

• PVからのノイズ量に応じたヒステリシスを入力。1.0%から開始可能
• プリンターモードをオートチューニングに設定
• SPの調整で、PVよりわずかに高いか低いPIDチューン値を導く
• 制御方法をPIまたはPIDから選択
• 「チューニング開始」タブを選択

PIDオートチューンに要する時間は？

遅延時間が4分と想定すると、PIDチューナーは20分でチューニングします。また、他のチューニング方法で数分以上の遅延時間があると、PIDチューナーは長時間、甚至は数時間かかります。しかし、Marlinのオートチューンは6サイクル実行しても約5分で完了します。LCD画面を確認すると、温度がセットポイントを超えて上昇し、徐々に戻る様子が表示されます。数回変動し、最終的に方程式のP、I、D数値の正確な定数を得ます。これらの定数は通常KP、KI、KD定数で表されます。

MarlinでのPIDチューニング方法

MarlinでPIDチューニングするには、まずプリンターのMarlinバージョンを確認します。Marlin 1.xや2.xなどのバージョンがあり、特定バージョン用の正しい互換コマンドを使用します。Gコードターミナルをプリンターのファームウェアターミナルに接続。ファームウェア会社から正しいPIDコマンドを取得。PID調整対象のヒーターを選択（例：E1）。加熱サイクル数を選択。加熱サイクルとは、プリンターが加熱要素を目標値まで加熱し、そこから下げる回数を指します。

MarlinホットエンドPIDチューニング

• GコードターミナルでM303 E（ヒーター番号）とC（サイクル数）を入力して送信
• ターミナルが設定サイクル数を完了するまで待機
• M301コマンドを入力し、P（KP値）、I（KI値）、D（KD値）を定数値として入力して送信
• 最後にM500コマンドを送信して新しい値をファームウェアのメインボードに保存・保持

MarlinヒートベッドPIDチューニング

• Gコードターミナルをファームウェアターミナルに接続
• Marlinバージョンを特定
• Marlin 1.xならE-1、Marlin 2.xならEBEDを入力
• サイクル数を決定。サイクル数が多いほど精度は高まるがチューニング時間も長くなる
• M303 E、S、Cを入力（PIDオートチューンコマンドを表す）
• ターミナルがサイクリング完了後、プリンターが生成したP、I、D値を入力。値は定数KP、KI、KD
• M304コマンドを入力し、生成された定数値を入力
• 最後にM500コマンドを送信して新しい設定をプリンターのメインボードに保存・格納

Ender 3 PID設定

Ender 3はPronterfaceソフトウェアでオートチューン可能です。これはパーソナルコンピューター（PC）からプリンターを制御できるソフトウェアです。PCとUSBケーブルがあればファームウェアをフラッシュできます。Ender 3をPIDチューニングするには、ソフトウェアを開きます。メインメニューでポートとボーレートを選択するエリアがあります。なお、Ender 3のボーレートは特に記載がない限り115200です。プリンターのオプションを選択して接続。ターミナルウィンドウでM303 E0、S225、C10を送信してPIDチューニング開始。10サイクルで完了します。「PIDオートチューン完了」アラートが表示されたら完了。生成されたPID値を選択。M301コマンドで新しい値を入力し、M500コマンドで新しいPID設定を保存・格納します。

OctoPrint PIDチューニング

• OctoPrint PIDチューンプロセスは他のソフトウェアPIDチューニングと類似ですが、微細な違いがあります。Gコードをプリンターファームウェアターミナルに接続後、OctoPrintを開きます。
• ターミナルタブへ移動。
• メッセージ抑制チェックボックスをチェック。
• M303、E0、E230、C10を入力してオートチューニング開始
• バッファが抑制メッセージを出力
• プロセス完了後、新しい値をプリンターに入力
• M500コマンドで新しいPID設定を保存・格納

結論

高い3Dプリント品質の達成はすべての3Dプリンターユーザーの目標です。しかし、エクストルーダーノズルとヒートベッドの突然の温度変化は、より良いプリント品質に有害です。したがって、PIDチューニングはホットエンドとヒートベッド温度を調整・安定化するのに役立ちます。