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Prusa i3

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Prusa i3
生产打印机新零件的Prusa i3 MK2打印农场
分类熔融沉积制造（FDM）3D打印机
发明者Josef Průša
制造商Prusa Research

Prusa i3 是由捷克公司 Prusa Research 制造、以注册商标名 Original Prusa i3 发售的熔融沉积制造（FDM）3D打印机产品系列。作为RepRap计划的一部分，Prusa i3 打印机在 2016 年被称为世界上使用最多的 3D 打印机[1]。首款 Prusa i3 由捷克人 Josef Průša 于 2012 年设计，并在 2015 年以商业套件形式释出。截至 2024 年 8 月贩售的 Prusa MK4S为最新型号，提供DIY套件与工厂组装成品两种版本。Prusa i3 较低的成本与易于组装及改装的特性，使其在教育界、业余爱好者和专业人士间广受欢迎，其中 Prusa i3 型号 MK2 在 2016 年获得了数项奖项[2]。

i3 系列以开源硬件授权方式释出，这使得许多其他公司与个人制作出该设计的变体与仿制品 。“i3” 这个名称指的是该打印机为设计的第三次迭代[3]。这个名称一直使用到 Prusa i3 MK3 及其变体，但在 MK4开始已不再冠上“i3”，改称为“Original Prusa MK4”。

型号

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RepRap Mendel

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RepRap Mendel

最早构想于 2009 年，RepRap Mendel 3D 打印机被设计成由 3D 打印零件与常见的现成零组件组装而成（称为“维他命”（vitamins），因为它们无法由打印机本身制造）[4][5]。这些零件包括螺纹杆、丝杆、光滑轴与轴承、螺丝、螺帽、步进马达、 控制电路板 ，以及用来熔化并置放热塑性材料的“喷头”[6]。笛卡儿机构允许在立方体体积内任意放置材料；这一设计在 i3 系列的发展中持续沿用。平坦的“打印床”（打印零件的表面）可在一个轴向（Y）移动，而两根水平与两根垂直的轴杆则让工具在另外两个轴向运动，分别标示为 X 与 Z。

Prusa Mendel

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Prusa Mendel

Josef Průša 是 RepRap 计划的核心开发者之一，先前开发过一种使用 PCB 加热的“印床”。他改良并简化了 RepRap Mendel 的设计，将打印 3D 塑胶零件的时间从 20 小时减少到 10 小时，改用两个 Z 轴马达以简化框架，并将一般轴承改为 3D 打印的套筒[7][8]。该打印机于 2010 年 9 月首次公开发表，Průša 本人称之为 “Prusa Mendel”[9]。根据 RepRap 的维基，“Prusa Mendel 是 3D 打印机界的 Ford Model T”[10][11]。

Prusa Mendel（第二版）

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Prusa Mendel（第二版）

Průša 精简了他的 Mendel 设计，并于 2011 年 11 月发布“Prusa Iteration 2”。零件改动让组装可采卡榫配合，不需胶水；建造和维护此版本所需的工具也减少。虽非必要，但为了达到“专业”效果，建议使用精密制造的细牙滑轮和 LM8UU 线性轴承，胜于3D打印之等价品[12][13]。

Mendel90

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一台笛卡尔坐标系统、以线材为原料的 3D 打印机，带有宽大的平台木质底座、木质竖向龙门架，中央开口处为可移动床，背后有木质支撑架。
Mendel90 横梁式机架打印机，2011 年

对 RepRap 社群而言，螺杆（threaded-rod）三角形 Z 轴框架在强度与稳定性上显然有其限制，且若要增加最大打印高度，打印机的占用面积就必须大幅增加。Chris Palmer（以“Nophead”发文）在 2011 年 12 月创造了“Mendel90”，这是一台采用门式（gantry-style）中密度纤维板（Medium-density fibreboard）框架的打印机[14][15][16]。它借由以实心片材切割出的刚性框架取代 Mendel 框架上方的支撑[注 1]，将打印速度与精准度提升；该刚性框架组装成彼此成 90 度角的单一结构面与两个机械面。Prusa 的两颗 Z 轴马达从原先悬浮安装在顶部，改为固定在垂直框架的底部，并以Dibond 复合板作为加热床的刚性安装板。

Prusa i3 与 i3 1.75 mm

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Prusa i3

2012 年 5 月，Průša 发布了重大的重新设计，重点放在易于组装与使用，不再像先前的 RepRap 机型那样以最常见且最简单的硬件为结构基础[17]。Prusa i3 采用刚性一体成形的水刀切割铝制直立框架，打印区域有大开口，并为 Z 轴元件提供固定的安装点，类似于 Mendel90。第二个框架件则作为加热床的轻量化安装座。Prusa 没有使用底板，而是保留了用于支撑加热床 Y 轴的 M10 螺杆。它使用一体成形、食品级不锈钢的热端（Hot end），称为 “Prusa Nozzle”，使用直径3.0 毫米的线材打印，并以 M5 螺杆作为丝杆代替 M8[18][19][20][21][22]。

2015 年 5 月，Průša 以品牌名“Original Prusa i3”释出一款完整套件[1]。在发现直径 1.75 毫米线材比 3 毫米更为普遍后，Průša 放弃了 Prusa Nozzle，并将挤出机（extrunder）重新设计为采用第三方生产的加热端 E3D V6-Lite，打印品质获得大幅提升，他于 2015 年 8 月推出了新的 i3 1.75 mm 版本[23][24]。原始型号之后被称为 MK0 或“Mark zero”，而新型号则被称为“MK1”。

Prusa i3 MK2 与 MK2S

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Prusa i3 MK2

Průša 于 2016 年 5 月发表了 Prusa i3 MK2。它是第一台具备网格式床面调平和三轴自动几何校正的嗜好者 3D 打印机。特色包括更大的建置体积、自订步进马达内建螺杆、用于自动调平的非接触式感应式感测器 ，以及改写过的 Marlin 固件[25][26][27]。其他新功能包括聚醚酰亚胺（PEI, Polyetherimide）打印表面、Rambo 控制板与 E3D V6 Full 热端[28][29]。Prusa MK2 成为首款获得 Windows 10 即插即用 USB 识别码支援的 RepRap 打印机[30]。

2017 年 3 月，Průša 在他的部落格上宣布经改版的 Prusa i3 MK2S 将取代 Prusa i3 MK2 出货[31]。所提及的改进包括用 U 型螺栓固定先前用于固定 LM8UU 轴承的绑线带 、更高品质的轴承与导杆、为电感感测器改良的固定座、改良的线材管理以及新的电子外壳。Prusa公司也提供升级套件给既有 MK2 机主，以加入这些改良。

Prusa i3 MK3 与 MK2.5

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2017 年 9 月，Prusa i3 MK3 发表，行销口号为“bloody smart”[32]。从这款型号开始，机座与 Y 轴改采铝挤型组装，移除了 Mendel 设计中最后的结构用螺纹杆。内含全新挤出机 ，配备瑞典Bondtech公司致作的双传动齿轮、具有转速监控的低噪音风扇、更快的打印速度、更新的床面校平感测器、一块名为“Einsy”的新电子板、采用 128 步进微步驱动的低噪音步进马达，以及附可互换 PEI 涂层钢板的磁性热床[33]。电气元件已更新为适用新的 24 伏特直流电源供应器。该打印机亦提供专用插座，可连接到执行 OctoPrint 分支版本的树莓派Zero W 以支援无线打印。

易用性功能包括一个耗材侦测器，能在插入耗材时自动进料，且在耗材卡住或耗尽时暂停打印；具备错误校正的步进马达驱动器，可防止因跳步而造成的层位移；以及在停电后的回复打印功能。环境温度感测器既可确认适合的周围温度，也能侦测主板上过热的电气连接。

既有的 MK2 和 MK2S 使用者可选择一项售价 199 美元升级套件，称为 MK2.5，仅限于较便宜的可升级功能[34]。但在社群负面回应后，Prusa 改提供一项较昂贵的 MK2S 升级到 MK3 的完整升级套件，售价 500 美元[32][35][32]。

Prusa i3 MK3S 与 MK3S+

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2019 年 2 月，Prusa i3 MK3S 发布，并同时推出了多材料单元 Multi Material Upgrade 2S (MMU2S)，可自动在打印时从五种不同线材中选择任一种进行打印，实现多色或多材质打印[36]。MK3S 的变更包括简化的光电机械进料感测器、改良的打印冷却，以及更容易维修的挤出机存取设计[37]。

Prusa 自 2020 年 11 月起对 Prusa i3 MK3S+ 进行了在产改良（running change），[38]。此型号具有改良的床平整感测器及少量零件变更。

Prusa MK4 与 MK4S

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Original Prusa MK4

2023 年 3 月，Prusa公司发表了 Prusa MK4 以及第三代多材料单元（Multi Material Unit 3, MMU3）[39]。此型号采用最早在 Prusa XL打印机上见到的新款“Nextruder”挤出机系统、免调整的负载感测床平整（load cell）功能、模组化可替换的全金属热端、彩色触控萤幕 ，以及压铸铝合金机架[40]、Y 承载（热床支撑）与挤出机框架[41]。取代前几代8位元的32位元主板包含额外的安全与监控电路、网络连接埠、MMU3 连接埠，以及一个 Wi‑fi 模组。这是 Prusa 首款基于 Mendel 设计且包含本地与云端监控与支援的机型。

改用 0.9 度步进马达，并加入输入整形（input shaping）与压力补偿（pressure advance），使得 Mendel 式设计能在避免对打印物造成振铃伪影（ringing artifacts）及其他不良花纹的同时，提高打印速度，即便它没有像 CoreXY 打印机那种箱形结构的优势[42]。然而，Průša 曾表示，他们的设计目标是打印品质，而非极限速度。设计中有加装加速度计的预留空间，该元件常在 3D 打印中用于输入整形的自我调校，但最终设计并未包含此元件。

在发表时，输入整形软件与感测器资料搜集功能尚未完成，MMU3也尚未准备好释出。早期型号的升级套件同样无法出货。2024 年 2 月 5 日，给 MK3 升级为 MK3.5 的升级套件开始出货[43][44]。触控萤幕操作直到 2024 年 4 月固件更新后才正式启用[45]。

在 2024 年 8 月，Prusa 发布了 Prusa MK4S，并推出供先前 Prusa i3 机型使用者的升级套件[46]。MK4S 对比之前的 MK4 带来了些微改进，包括更佳的零件冷却、更快的打印速度等功能。在推出 CORE One（一款 Core-XY 箱式机种）时，公司也提供从 MK4S 的升级套件。

Prusa CORE One与CORE One L

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在 2024 年 11 月，Prusa 发表了 Prusa CORE One 3D打印机[47]，改为CoreXY运动架构，具备含温度控制的封闭式箱体，可打印需温控的ABS树脂等线材、换装全新触控式 LCD 以及比 MK4S 更快的打印速度。同时间也释出了供先前 MK4S 机型使用的升级套件。到 2025 年 5 月底，该机型加入了来自同一公司的MMU3多材质打印支援[48]。

2025年10月，Prusa 发表了尺寸加大的版本，称为“CORE One L”，除了可打印尺寸加大为30×30×33公分，侧板改为铝以降低重量，热床升级为AC 对流热床，具备主动空气循环，让舱内热分布更为均匀。另外推出供关键基础设施的特别版本，完全无Wi-Fi与摄影镜头功能，给有高度资安和保密要求的场域使用[49]。

其他 Prusa 机型

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在 MK3S 之后，Prusa 推出了其他型号，如 Prusa SL1 (光固化（SLA）打印机)、Prusa Mini（采用悬臂结构）、Prusa XL（在大型全框架结构内使用 CoreXY 架构）以及 Prusa Core One（同样使用 CoreXY 框架）。这些打印机并非 Mendel 框架设计的延伸[注 2]。

变体

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由于设计的所有面向皆以开源与开放硬件条款公开，全球许多公司与个人自 2015 年起就已经以组装品与套件形式生产并贩售数千台 Prusa i3 的仿制品、变体与升级套件[50][51][52]。Prusa Research 并未选择与此直接竞争，而是采取持续精进其设计的策略[53]。

零件与材料

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Josef Průša 在位于捷克首都布拉格的 Prusa Research 早期 Prusa i3 MK2 打印农场内，生产 3D 打印零件。（2016年摄）

塑胶零件

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所有 Prusa i3 机型都以3D打印线材作为进料来制作零件。

和其他 RepRap 打印机一样，Prusa i3 能够自行制造许多零件，设计图可自由取得以供维修、复制与重新设计。早期这些零件以 ABS 塑料打印；Prusa Research 后来改以大多数 PETG 打印件，且在喷嘴附近较高温处使用 丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯（ASA）[54]。截至 2024 年，Prusa 在包括 MK4/MK4S 的多款打印机上使用含碳纤维的高温聚碳酸酯混合材（PCCF）与 PETG[55]。截至 2021 年 10 月，Prusa 维持一个由 600 台 3D 打印机组成的“打印农场”，用以制造 Original Prusa 品牌产品的塑胶零件[56][57]，并搭配部分选择性的射出成型零件以加速生产。

  • 金属框架与已组装的 X 轴，黄色打印零件。
    金属框架与已组装的 X 轴，黄色打印零件。
  • Y 轴已组装，黄色打印零件。
    Y 轴已组装，黄色打印零件。
  • 原始的 Prusa i3 MK0 挤出机与热端，配有黄色打印零件。
    原始的 Prusa i3 MK0 挤出机与热端，配有黄色打印零件。
  • 组装完成的 Prusa i3，黄色打印零件。
    组装完成的 Prusa i3，黄色打印零件。

控制系统

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当 Prusa i3 设计在 2012 年首次推出时，RepRap 打印机经常使用开放硬件控制器，例如 Arduino Mega，再配合提供其余电路的 Arduino 扩充板，例如 RAMPS 板[58]。一体化版本如 RAMBo 板也开始出现[59]。作为商品化产品，Original Prusa i3 在 MK2 以前使用 Mini-Rambo。MK3 系列改用 Einsy Rambo 板以提供所需功能，例如更低的运作噪音[60]。MK4 则使用 xBuddy，为 i3 系列中首款采用的 32 位元主板[61]。

所有原厂 Prusa 产品皆使用 Marlin开源 3D 打印固件[62][63][64]。

第一层控制与床面校平

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在挤出第一层时，喷头必须与打印床保持精确距离以确保良好附着。许多 3D 打印机依赖使用者以手动方式在多个位置调整床高度[注 3]，来完成此程序。为了自动化此过程，Prusa i3 自 2016 年 MK2 起的型号配备名为 PINDA（Prusa INDuction Autolevelin）[65]的感测器，用以侦测打印床在不同位置的高度，并在打印时相应调整[注 4] [66]。

感测器有下列版本：

  • PINDA V1 - 一种用于 MK2/S 与 MINI 的非接触式电感感测器。
  • PINDA V2 - 用于 MK2.5、MK2.5S、MK3 与 MK3S 的热补偿感应电感式感测器。
  • SuperPINDA - 用于 MK2.5/S 与 MK3/S/+ 的热不敏感感测器[67]。
  • Load cell sensor - 用于 MK4 的接触式感测器。

PINDA 系列需要一个电子 Z 轴高度调整，该调整可能会因不同的加热床表面或不同的喷嘴而有所差异。Load cell 感测器会自动补偿喷嘴尺寸、加热床表面的厚度与热膨胀的变化，因而不需要为此储存设定。

框架

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i3 与其前身最明显的差异在于垂直框架，该框架可以有多种形式。这些形式包括以钢或有机玻璃切割成的单片框架、由胶合板或中密度纤维板制成的箱形框架，甚至还有乐高（Lego）积木组装的框架[68][69][70][71]。廉价的铝挤型常被3D打印爱好者和仿制i3 打印机的制造商采用[72][73]。一些大量生产的 i3 衍生机种，例如创想三维的 Ender 3系列，为了降低成本与复杂度，采用滚轮直接与挤型框架接触，而非使用精密杆与轴承。

挤出机

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除了标准的 Prusa i3 线材挤出机之外，其他人也制作了售后替换挤出机与玩家用工具头，包括MIG电弧焊与激光切割机[74][75][76]。Prusa 在 2018 年以愚人节玩笑的方式，推出名为“MK3 Master Chef Upgrade”的一系列实用烹饪工具与程式作为恶搞[77]。

  • 打印到一半的单色物件，显示为提高刚性并减少塑料使用量而制作的填充结构。
    打印到一半的单色物件，显示为提高刚性并减少塑料使用量而制作的填充结构。
  • 在 Prusa i3 上使用混色喷嘴制作的3DBenchy
    在 Prusa i3 上使用混色喷嘴制作的3DBenchy

注解

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  1. ^ 那些支撑若未适当锁紧，容易倾斜或扭曲而失去对齐。
  2. ^ Prusa Core One 除外，它是 Mendel 的一个变体
  3. ^ 即“床面校平”（bed leveling）
  4. ^ 即“自动校平”（auto-leveling）

另见

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参考资料

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外部链接

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