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Prusa i3

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Prusa i3
生產列印機新零件的Prusa i3 MK2列印農場
分類熔融沉積製造（FDM）3D列印機
發明者Josef Průša
製造商Prusa Research

Prusa i3 是由捷克公司 Prusa Research 製造、以註冊商標名 Original Prusa i3 發售的熔融沉積製造（FDM）3D列印機產品系列。作為RepRap計畫的一部分，Prusa i3 列印機在 2016 年被稱為世界上使用最多的 3D 列印機[1]。首款 Prusa i3 由捷克人 Josef Průša 於 2012 年設計，並在 2015 年以商業套件形式釋出。截至 2024 年 8 月販售的 Prusa MK4S為最新型號，提供DIY套件與工廠組裝成品兩種版本。Prusa i3 較低的成本與易於組裝及改裝的特性，使其在教育界、業餘愛好者和專業人士間廣受歡迎，其中 Prusa i3 型號 MK2 在 2016 年獲得了數項獎項[2]。

i3 系列以開源硬體授權方式釋出，這使得許多其他公司與個人製作出該設計的變體與仿製品 。「i3」 這個名稱指的是該印表機為設計的第三次迭代[3]。這個名稱一直使用到 Prusa i3 MK3 及其變體，但在 MK4開始已不再冠上「i3」，改稱為「Original Prusa MK4」。

型號

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RepRap Mendel

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RepRap Mendel

最早構想於 2009 年，RepRap Mendel 3D 列印機被設計成由 3D 列印零件與常見的現成零組件組裝而成（稱為「維他命」（vitamins），因為它們無法由列印機本身製造）[4][5]。這些零件包括螺紋桿、絲桿、光滑軸與軸承、螺絲、螺帽、步進馬達、 控制電路板 ，以及用來熔化並置放熱塑性材料的「噴頭」[6]。笛卡兒機構允許在立方體體積內任意放置材料；這一設計在 i3 系列的發展中持續沿用。平坦的「列印床」（列印零件的表面）可在一個軸向（Y）移動，而兩根水平與兩根垂直的軸桿則讓工具在另外兩個軸向運動，分別標示為 X 與 Z。

Prusa Mendel

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Prusa Mendel

Josef Průša 是 RepRap 計畫的核心開發者之一，先前開發過一種使用 PCB 加熱的「印床」。他改良並簡化了 RepRap Mendel 的設計，將列印 3D 塑膠零件的時間從 20 小時減少到 10 小時，改用兩個 Z 軸馬達以簡化框架，並將一般軸承改為 3D 列印的套筒[7][8]。該印表機於 2010 年 9 月首次公開發表，Průša 本人稱之為 「Prusa Mendel」[9]。根據 RepRap 的維基，「Prusa Mendel 是 3D 印表機界的 Ford Model T」[10][11]。

Prusa Mendel（第二版）

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Prusa Mendel（第二版）

Průša 精簡了他的 Mendel 設計，並於 2011 年 11 月發布「Prusa Iteration 2」。零件改動讓組裝可採卡榫配合，不需膠水；建造和維護此版本所需的工具也減少。雖非必要，但為了達到「專業」效果，建議使用精密製造的細牙滑輪和 LM8UU 線性軸承，勝於3D列印之等價品[12][13]。

Mendel90

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一台笛卡爾座標系統、以線材為原料的 3D 印表機，帶有寬大的平臺木質底座、木質豎向龍門架，中央開口處為可移動床，背後有木質支撐架。
Mendel90 橫樑式機架印表機，2011 年

對 RepRap 社群而言，螺桿（threaded-rod）三角形 Z 軸框架在強度與穩定性上顯然有其限制，且若要增加最大列印高度，印表機的佔用面積就必須大幅增加。Chris Palmer（以「Nophead」發文）在 2011 年 12 月創造了「Mendel90」，這是一臺採用門式（gantry-style）中密度纖維板（Medium-density fibreboard）框架的印表機[14][15][16]。它藉由以實心片材切割出的剛性框架取代 Mendel 框架上方的支撐[註 1]，將列印速度與精準度提升；該剛性框架組裝成彼此成 90 度角的單一結構面與兩個機械面。Prusa 的兩顆 Z 軸馬達從原先懸浮安裝在頂部，改為固定在垂直框架的底部，並以Dibond 複合板作為加熱床的剛性安裝板。

Prusa i3 與 i3 1.75 mm

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Prusa i3

2012 年 5 月，Průša 發布了重大的重新設計，重點放在易於組裝與使用，不再像先前的 RepRap 機型那樣以最常見且最簡單的硬體為結構基礎[17]。Prusa i3 採用剛性一體成形的水刀切割鋁製直立框架，打印區域有大開口，並為 Z 軸元件提供固定的安裝點，類似於 Mendel90。第二個框架件則作為加熱床的輕量化安裝座。Prusa 沒有使用底板，而是保留了用於支撐加熱床 Y 軸的 M10 螺桿。它使用一體成形、食品級不鏽鋼的熱端（Hot end），稱為 「Prusa Nozzle」，使用直徑3.0 公釐的線材列印，並以 M5 螺桿作為絲桿代替 M8[18][19][20][21][22]。

2015 年 5 月，Průša 以品牌名「Original Prusa i3」釋出一款完整套件[1]。在發現直徑 1.75 公釐線材比 3 公釐更為普遍後，Průša 放棄了 Prusa Nozzle，並將擠出機（extrunder）重新設計為採用第三方生產的加熱端 E3D V6-Lite，列印品質獲得大幅提升，他於 2015 年 8 月推出了新的 i3 1.75 mm 版本[23][24]。原始型號之後被稱為 MK0 或「Mark zero」，而新型號則被稱為「MK1」。

Prusa i3 MK2 與 MK2S

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Prusa i3 MK2

Průša 於 2016 年 5 月發表了 Prusa i3 MK2。它是第一臺具備網格式床面調平和三軸自動幾何校正的嗜好者 3D 印表機。特色包括更大的建置體積、自訂步進馬達內建螺桿、用於自動調平的非接觸式感應式感測器 ，以及改寫過的 Marlin 韌體[25][26][27]。其他新功能包括聚醚醯亞胺（PEI, Polyetherimide）列印表面、Rambo 控制板與 E3D V6 Full 熱端[28][29]。Prusa MK2 成為首款獲得 Windows 10 即插即用 USB 識別碼支援的 RepRap 印表機[30]。

2017 年 3 月，Průša 在他的部落格上宣佈經改版的 Prusa i3 MK2S 將取代 Prusa i3 MK2 出貨[31]。所提及的改進包括用 U 型螺栓固定先前用於固定 LM8UU 軸承的綁線帶 、更高品質的軸承與導桿、為電感感測器改良的固定座、改良的線材管理以及新的電子外殼。Prusa公司也提供升級套件給既有 MK2 機主，以加入這些改良。

Prusa i3 MK3 與 MK2.5

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2017 年 9 月，Prusa i3 MK3 發表，行銷口號為「bloody smart」[32]。從這款型號開始，機座與 Y 軸改採鋁擠型組裝，移除了 Mendel 設計中最後的結構用螺紋桿。內含全新擠出機 ，配備瑞典Bondtech公司致作的雙傳動齒輪、具有轉速監控的低噪音風扇、更快的列印速度、更新的床面校平感測器、一塊名為「Einsy」的新電子板、採用 128 步進微步驅動的低噪音步進馬達，以及附可互換 PEI 塗層鋼板的磁性熱床[33]。電氣元件已更新為適用新的 24 伏特直流電源供應器。該印表機亦提供專用插座，可連接到執行 OctoPrint 分支版本的樹莓派Zero W 以支援無線列印。

易用性功能包括一個耗材偵測器，能在插入耗材時自動進料，且在耗材卡住或耗盡時暫停列印；具備錯誤校正的步進馬達驅動器，可防止因跳步而造成的層位移；以及在停電後的回復列印功能。環境溫度感測器既可確認適合的周圍溫度，也能偵測主板上過熱的電氣連接。

既有的 MK2 和 MK2S 使用者可選擇一項售價 199 美元升級套件，稱為 MK2.5，僅限於較便宜的可升級功能[34]。但在社群負面回應後，Prusa 改提供一項較昂貴的 MK2S 升級到 MK3 的完整升級套件，售價 500 美元[32][35][32]。

Prusa i3 MK3S 與 MK3S+

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2019 年 2 月，Prusa i3 MK3S 發佈，並同時推出了多材料單元 Multi Material Upgrade 2S (MMU2S)，可自動在列印時從五種不同線材中選擇任一種進行列印，實現多色或多材質列印[36]。MK3S 的變更包括簡化的光電機械進料感測器、改良的列印冷卻，以及更容易維修的擠出機存取設計[37]。

Prusa 自 2020 年 11 月起對 Prusa i3 MK3S+ 進行了在產改良（running change），[38]。此型號具有改良的床平整感測器及少量零件變更。

Prusa MK4 與 MK4S

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Original Prusa MK4

2023 年 3 月，Prusa公司發表了 Prusa MK4 以及第三代多材料單元（Multi Material Unit 3, MMU3）[39]。此型號採用最早在 Prusa XL列印機上見到的新款「Nextruder」擠出機系統、免調整的負載感測床平整（load cell）功能、模組化可替換的全金屬熱端、彩色觸控螢幕 ，以及壓鑄鋁合金機架[40]、Y 承載（熱床支撐）與擠出機框架[41]。取代前幾代8位元的32位元主機板包含額外的安全與監控電路、網路連接埠、MMU3 連接埠，以及一個 Wi‑fi 模組。這是 Prusa 首款基於 Mendel 設計且包含本地與雲端監控與支援的機型。

改用 0.9 度步進馬達，並加入輸入整形（input shaping）與壓力補償（pressure advance），使得 Mendel 式設計能在避免對列印物造成振鈴偽影（ringing artifacts）及其他不良花紋的同時，提高列印速度，即便它沒有像 CoreXY 印表機那種箱形結構的優勢[42]。然而，Průša 曾表示，他們的設計目標是列印品質，而非極限速度。設計中有加裝加速度計的預留空間，該元件常在 3D 列印中用於輸入整形的自我調校，但最終設計並未包含此元件。

在發表時，輸入整形軟體與感測器資料蒐集功能尚未完成，MMU3也尚未準備好釋出。早期型號的升級套件同樣無法出貨。2024 年 2 月 5 日，給 MK3 升級為 MK3.5 的升級套件開始出貨[43][44]。觸控螢幕操作直到 2024 年 4 月韌體更新後才正式啟用[45]。

在 2024 年 8 月，Prusa 發布了 Prusa MK4S，並推出供先前 Prusa i3 機型使用者的升級套件[46]。MK4S 對比之前的 MK4 帶來了些微改進，包括更佳的零件冷卻、更快的列印速度等功能。在推出 CORE One（一款 Core-XY 箱式機種）時，公司也提供從 MK4S 的升級套件。

Prusa CORE One與CORE One L

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在 2024 年 11 月，Prusa 發表了 Prusa CORE One 3D印表機[47]，改為CoreXY運動架構，具備含溫度控制的封閉式箱體，可列印需溫控的ABS樹脂等線材、換裝全新觸控式 LCD 以及比 MK4S 更快的列印速度。同時間也釋出了供先前 MK4S 機型使用的升級套件。到 2025 年 5 月底，該機型加入了來自同一公司的MMU3多材質列印支援[48]。

2025年10月，Prusa 發表了尺寸加大的版本，稱為「CORE One L」，除了可列印尺寸加大為30×30×33公分，側板改為鋁以降低重量，熱床升級為AC 對流熱床，具備主動空氣循環，讓艙內熱分布更為均勻。另外推出供關鍵基礎設施的特別版本，完全無Wi-Fi與攝影鏡頭功能，給有高度資安和保密要求的場域使用[49]。

其他 Prusa 機型

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在 MK3S 之後，Prusa 推出了其他型號，如 Prusa SL1 (光固化（SLA）印表機)、Prusa Mini（採用懸臂結構）、Prusa XL（在大型全框架結構內使用 CoreXY 架構）以及 Prusa Core One（同樣使用 CoreXY 框架）。這些印表機並非 Mendel 框架設計的延伸[註 2]。

變體

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由於設計的所有面向皆以開源與開放硬體條款公開，全球許多公司與個人自 2015 年起就已經以組裝品與套件形式生產並販售數千台 Prusa i3 的仿製品、變體與升級套件[50][51][52]。Prusa Research 並未選擇與此直接競爭，而是採取持續精進其設計的策略[53]。

零件與材料

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Josef Průša 在位於捷克首都布拉格的 Prusa Research 早期 Prusa i3 MK2 列印農場內，生產 3D 列印零件。（2016年攝）

塑膠零件

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所有 Prusa i3 機型都以3D列印線材作為進料來製作零件。

和其他 RepRap 印表機一樣，Prusa i3 能夠自行製造許多零件，設計圖可自由取得以供維修、複製與重新設計。早期這些零件以 ABS 塑料列印；Prusa Research 後來改以大多數 PETG 列印件，且在噴嘴附近較高溫處使用 丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯（ASA）[54]。截至 2024 年，Prusa 在包括 MK4/MK4S 的多款印表機上使用含碳纖維的高溫聚碳酸酯混合材（PCCF）與 PETG[55]。截至 2021 年 10 月，Prusa 維持一個由 600 臺 3D 印表機組成的「列印農場」，用以製造 Original Prusa 品牌產品的塑膠零件[56][57]，並搭配部分選擇性的射出成型零件以加速生產。

  • 金屬框架與已組裝的 X 軸，黃色列印零件。
    金屬框架與已組裝的 X 軸，黃色列印零件。
  • Y 軸已組裝，黃色列印零件。
    Y 軸已組裝，黃色列印零件。
  • 原始的 Prusa i3 MK0 擠出機與熱端，配有黃色列印零件。
    原始的 Prusa i3 MK0 擠出機與熱端，配有黃色列印零件。
  • 組裝完成的 Prusa i3，黃色列印零件。
    組裝完成的 Prusa i3，黃色列印零件。

控制系統

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當 Prusa i3 設計在 2012 年首次推出時，RepRap 印表機經常使用開放硬體控制器，例如 Arduino Mega，再配合提供其餘電路的 Arduino 擴充板，例如 RAMPS 板[58]。一體化版本如 RAMBo 板也開始出現[59]。作為商品化產品，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，例如更低的運作噪音[60]。MK4 則使用 xBuddy，為 i3 系列中首款採用的 32 位元主機板[61]。

所有原廠 Prusa 產品皆使用 Marlin開源 3D 列印韌體[62][63][64]。

第一層控制與床面校平

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在擠出第一層時，噴頭必須與列印床保持精確距離以確保良好附著。許多 3D 列印機依賴使用者以手動方式在多個位置調整床高度[註 3]，來完成此程序。為了自動化此過程，Prusa i3 自 2016 年 MK2 起的型號配備名為 PINDA（Prusa INDuction Autolevelin）[65]的感測器，用以偵測列印床在不同位置的高度，並在列印時相應調整[註 4] [66]。

感測器有下列版本：

  • PINDA V1 - 一種用於 MK2/S 與 MINI 的非接觸式電感感測器。
  • PINDA V2 - 用於 MK2.5、MK2.5S、MK3 與 MK3S 的熱補償感應電感式感測器。
  • SuperPINDA - 用於 MK2.5/S 與 MK3/S/+ 的熱不敏感感測器[67]。
  • Load cell sensor - 用於 MK4 的接觸式感測器。

PINDA 系列需要一個電子 Z 軸高度調整，該調整可能會因不同的加熱床表面或不同的噴嘴而有所差異。Load cell 感測器會自動補償噴嘴尺寸、加熱床表面的厚度與熱膨脹的變化，因而不需要為此儲存設定。

框架

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i3 與其前身最明顯的差異在於垂直框架，該框架可以有多種形式。這些形式包括以鋼或有機玻璃切割成的單片框架、由膠合板或中密度纖維板製成的箱形框架，甚至還有樂高（Lego）積木組裝的框架[68][69][70][71]。廉價的鋁擠型常被3D列印愛好者和仿製i3 印表機的製造商採用[72][73]。一些大量生產的 i3 衍生機種，例如創想三維的 Ender 3系列，為了降低成本與複雜度，採用滾輪直接與擠型框架接觸，而非使用精密桿與軸承。

擠出機

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除了標準的 Prusa i3 線材擠出機之外，其他人也製作了售後替換擠出機與玩家用工具頭，包括MIG電弧銲與雷射切割機[74][75][76]。Prusa 在 2018 年以愚人節玩笑的方式，推出名為「MK3 Master Chef Upgrade」的一系列實用烹飪工具與程式作為惡搞[77]。

  • 列印到一半的單色物件，顯示為提高剛性並減少塑料使用量而製作的填充結構。
    列印到一半的單色物件，顯示為提高剛性並減少塑料使用量而製作的填充結構。
  • 在 Prusa i3 上使用混色噴嘴製作的3DBenchy
    在 Prusa i3 上使用混色噴嘴製作的3DBenchy

註解

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  1. ^ 那些支撐若未適當鎖緊，容易傾斜或扭曲而失去對齊。
  2. ^ Prusa Core One 除外，它是 Mendel 的一個變體
  3. ^ 即「床面校平」（bed leveling）
  4. ^ 即「自動校平」（auto-leveling）

另見

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參考資料

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外部連結

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