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      為“中國造”刻上“中國印”


      團隊成員在討論研發進展。西安交通大學供圖

      在購買商品的時候,你是不是也會被其精美的包裝印刷吸引?你是否想過,這些精美的包裝印刷產品背后也有著科研人員長期的堅持和努力?

      高端包裝印刷裝備是高精度和綠色環保印刷的核心裝備,在商品流通、追溯等環節中發揮著不可或缺的作用。曾經很長一段時間,我國高端包裝印刷裝備全部依賴進口。西安交通大學梅雪松教授、陶濤教授、趙飛研究員率領團隊解決了高端包裝印刷裝備的多個技術難題,實現了我國高端包裝印刷裝備的高度國產化,使“中國造”有了“中國印”。

      11月3日,該團隊完成的“高端包裝印刷裝備關鍵技術及系列產品開發”項目榮獲2020年度國家科學技術進步獎二等獎。

      面向需求

      自主研發高端包裝印刷裝備是面向經濟主戰場、面向人民生命健康的必然選擇。

      據統計,我國食品、藥品、日用品等對印刷殘留物有嚴格要求的高端包裝印刷業總產值已接近萬億元,市場對高端包裝印刷裝備有著迫切需求。由于印刷會產生高耗能、有害氣體、包裝廢料,食品藥品等包裝印刷更是事關生命健康安全,包裝印刷被國家列入食品監管、高污染防治等重點監控行業。

      面向經濟主戰場、面向人民生命健康,梅雪松教授、陶濤教授、趙飛研究員率領團隊持續多年攻關,完成了“高端包裝印刷裝備關鍵技術及系列產品開發”項目。該項目解決了高端包裝印刷裝備的多個技術難題,構建了高速高精度電子軸控制理論和技術體系,開發了集同步、張力控制和缺陷檢測為一體的分布式電子軸控制系統,發明了熱風能量循環利用的節能油墨干燥系統,提出了基于內置傳感器和支持向量機的在線故障診斷方法,開發了制造商服務云與用戶自有云的兩層運維管控平臺。

      截至目前,該團隊研制了2類高端包裝印刷裝備,主要指標處于國際同類產品領先水平,首次在國際上實現了高端包裝印刷裝備運維過程的智能化管控,降低企業運維成本達40%以上。

      項目成果大幅提升了國產高端包裝印刷裝備的市場競爭力,使國外同類產品在中國市場的份額由95%降到10%以下,實現了出口大于進口的逆轉。該項目成果技術應用單位被國家授予2019年國家技術創新示范企業和首批“制造業單項冠軍培育企業”,引領了我國包裝印刷裝備行業的發展,實現了中國包裝印刷用中國裝備的目標。

      攻克難關

      梅雪松教授介紹:“電子軸控制是印刷裝備中的關鍵核心技術,我們整個項目的攻關重點主要集中在三方面,一是提高印刷精度和準確程度,二是解決油墨烘干技術難題,三是提供在線故障檢測和云服務?!?/p>

      印刷用的材料一般都是極薄的紙張和塑料薄膜。當前,世界各國對包裝印刷行業的節能減排要求日漸提高,綠色包裝印刷已經成為全球印刷業未來發展的主流。因此,印刷所用的紙張和塑料薄膜越來越薄,最薄的塑料薄膜甚至不足10微米,這就對包裝印刷裝備提出了極高的技術要求。

      電子軸傳動印刷機具有速度高、精度高、結構簡單、柔性度好、能量消耗小、抗干擾能力強等諸多優點。印刷品上出現的每種顏色都由一個電子軸控制,不同顏色按照不同比例“混搭”印刷后,才會形成五顏六色的包裝印刷品。

      “印刷對數碼彩色圖像顏色深度的要求是8位,也就是說,高端包裝印刷裝備一般至少有8根軸,顏色越豐富,所需要用到的電子軸就越多。如何讓每根電子軸既能完成自己的‘規定動作’,還與其他電子軸實現‘無縫銜接’,實現多根電子軸同步協作,是高端包裝印刷裝備必須解決的問題?!泵费┧山榻B,要讓設備印出一幅幅精美的圖案,就要使電子軸在在線速度超過每分鐘350米的情況下,在長達100多米的塑料薄膜上將誤差控制在0.1毫米以內,否則就會出現印刷圖案偏差,導致“大花臉”,甚至模糊等問題。

      為了解決印刷精度問題,該團隊從“測量+反饋”的角度,給不同電子軸的印刷圖案做標記,通過測量軟件找出色組標記,采取分布式控制的方法,每根電子軸的通信都以千兆的網絡為架構,實時性達到1毫秒,可以保證每根電子軸的響應速度;每根電子軸在把自己的印刷精度和工藝管控好的同時,還可以用控制算法,實時監測薄膜的張力變化,不管疊加多少根電子軸,印刷位置的精確度誤差都小于0.1毫米。

      油墨烘干也是保證印刷圖案清晰的關鍵環節。印刷機高速運轉時,油墨烘干必須在經過色組的極短時間內完成,才能保證各個顏色“各歸其位”。梅雪松介紹,熱風能量循環利用的節能油墨干燥系統,不僅可以在0.3毫秒內烘干油墨,還能對油墨受熱后產生的余熱、異味、有機氣體等進行及時回收,這對我國印刷包裝行業從整體上降低碳排放,實現我國“雙碳”目標和食品藥品的安全包裝都有非常積極的意義。

      調配油墨是彩印工藝中的一項重要工作,直接關系到產品的印刷質量。色彩鮮艷、光亮度好、色相準確是彩印產品的基本要求。要達到這個要求,首先必須準確調配好各個色組的印刷油墨。以往,調配油墨這項工作都需要由經驗豐富的技師來完成,而且難度較高、調試時間長,且浪費大量的印材。有了云平臺后,可以將調配油墨和設備等專業知識儲存在云平臺,供包裝印刷機械的用戶查詢使用。而且,每臺機械都可以實現聯網工作,運維工作由云平臺完成。

      邁向高端

      2007年以前,我國的高端包裝印刷裝備主要依賴從德國、瑞士、日本等國家進口。一臺進口高端包裝印刷裝備的價格約為5000余萬元,導致低端設備充斥市場,印品質量差、能耗高、污染大。

      伴隨著經濟發展和社會進步,我國對高端包裝印刷裝備的需求越來越大。梅雪松說:“拿能買半架飛機的錢去買一臺印刷機,這個成本太高了,我們想降下來?!?/p>

      1993年開始,梅雪松教授團隊致力于研發數控裝備運動控制技術,與相關的行業頭部企業合作,開始了高端包裝印刷裝備國產化的研發歷程。

      “我們主要調整了裝備的硬件架構。打比方說,以前的裝備是一個‘大腦’要控制8根電子軸,可能會出現信號遲滯、某根電子軸反應‘慢半拍’等情況?,F在拆分開來,各電子軸由各自的‘大腦’來控制,多根電子軸之間以高速傳輸的信號保證連接,這樣就能確保它們既能完成同步協作,也可以各自調整自己負責的工藝。各電子軸可以通過反饋回來的套準誤差,及時調整自己的工藝參數,以便更精準地完成印刷工作?!泵费┧烧f。

      此外,團隊還針對烘箱的結構、加熱溫度、風速、能耗比率等因素開展了大量的實驗,提出了基于內置傳感器和支持向量機的在線故障診斷方法,每臺裝備都可以聯網,實現制造商與企業用戶的雙重運維管控。

      在激烈的市場競爭環境下,正是憑借過硬的技術水平,該團隊研制的高端包裝印刷裝備受到了國內外諸多企業用戶的青睞。

      “如今,印刷企業已告別了用5000萬元買一臺印刷機的歷史,他們用五分之一的價格就可以買到國產高端包裝印刷裝備。據粗略統計,國內70%以上的高端包裝印刷產品都是采用我們的產品制造的。換句話說,你在超市里見到的絕大多數物品的包裝印刷,均出自國產裝備。我們實現了‘中國造’要有‘中國印’的目標!”梅雪松說。

      高端包裝印刷裝備屬于“運動控制”領域,“運動控制”是梅雪松教授領銜的創新團隊的長期主攻科研方向?!拔覀儗⒗^續致力于高速高精度運動控制裝備的研發,面向國家重大需求,開發針對重要行業領域的高端數控機床及智能制造系統?!泵费┧杀硎?。(通訊員 李莉 記者 張梅)


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