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为“中国造”刻上“中国印”


团队成员在讨论研发进展。西安交通大学供图

在购买商品的时候,你是不是也会被其精美的包装印刷吸引?你是否想过,这些精美的包装印刷产品背后也有着科研人员长期的坚持和努力?

高端包装印刷装备是高精度和绿色环保印刷的核心装备,在商品流通、追溯等环节中发挥着不可或缺的作用。曾经很长一段时间,我国高端包装印刷装备全部依赖进口。西安交通大学梅雪松教授、陶涛教授、赵飞研究员率领团队解决了高端包装印刷装备的多个技术难题,实现了我国高端包装印刷装备的高度国产化,使“中国造”有了“中国印”。

11月3日,该团队完成的“高端包装印刷装备关键技术及系列产品开发”项目荣获2020年度国家科学技术进步奖二等奖。

面向需求

自主研发高端包装印刷装备是面向经济主战场、面向人民生命健康的必然选择。

据统计,我国食品、药品、日用品等对印刷残留物有严格要求的高端包装印刷业总产值已接近万亿元,市场对高端包装印刷装备有着迫切需求。由于印刷会产生高耗能、有害气体、包装废料,食品药品等包装印刷更是事关生命健康安全,包装印刷被国家列入食品监管、高污染防治等重点监控行业。

面向经济主战场、面向人民生命健康,梅雪松教授、陶涛教授、赵飞研究员率领团队持续多年攻关,完成了“高端包装印刷装备关键技术及系列产品开发”项目。该项目解决了高端包装印刷装备的多个技术难题,构建了高速高精度电子轴控制理论和技术体系,开发了集同步、张力控制和缺陷检测为一体的分布式电子轴控制系统,发明了热风能量循环利用的节能油墨干燥系统,提出了基于内置传感器和支持向量机的在线故障诊断方法,开发了制造商服务云与用户自有云的两层运维管控平台。

截至目前,该团队研制了2类高端包装印刷装备,主要指标处于国际同类产品领先水平,首次在国际上实现了高端包装印刷装备运维过程的智能化管控,降低企业运维成本达40%以上。

项目成果大幅提升了国产高端包装印刷装备的市场竞争力,使国外同类产品在中国市场的份额由95%降到10%以下,实现了出口大于进口的逆转。该项目成果技术应用单位被国家授予2019年国家技术创新示范企业和首批“制造业单项冠军培育企业”,引领了我国包装印刷装备行业的发展,实现了中国包装印刷用中国装备的目标。

攻克难关

梅雪松教授介绍:“电子轴控制是印刷装备中的关键核心技术,我们整个项目的攻关重点主要集中在三方面,一是提高印刷精度和准确程度,二是解决油墨烘干技术难题,三是提供在线故障检测和云服务。”

印刷用的材料一般都是极薄的纸张和塑料薄膜。当前,世界各国对包装印刷行业的节能减排要求日渐提高,绿色包装印刷已经成为全球印刷业未来发展的主流。因此,印刷所用的纸张和塑料薄膜越来越薄,最薄的塑料薄膜甚至不足10微米,这就对包装印刷装备提出了极高的技术要求。

电子轴传动印刷机具有速度高、精度高、结构简单、柔性度好、能量消耗小、抗干扰能力强等诸多优点。印刷品上出现的每种颜色都由一个电子轴控制,不同颜色按照不同比例“混搭”印刷后,才会形成五颜六色的包装印刷品。

“印刷对数码彩色图像颜色深度的要求是8位,也就是说,高端包装印刷装备一般至少有8根轴,颜色越丰富,所需要用到的电子轴就越多。如何让每根电子轴既能完成自己的‘规定动作’,还与其他电子轴实现‘无缝衔接’,实现多根电子轴同步协作,是高端包装印刷装备必须解决的问题。”梅雪松介绍,要让设备印出一幅幅精美的图案,就要使电子轴在在线速度超过每分钟350米的情况下,在长达100多米的塑料薄膜上将误差控制在0.1毫米以内,否则就会出现印刷图案偏差,导致“大花脸”,甚至模糊等问题。

为了解决印刷精度问题,该团队从“测量+反馈”的角度,给不同电子轴的印刷图案做标记,通过测量软件找出色组标记,采取分布式控制的方法,每根电子轴的通信都以千兆的网络为架构,实时性达到1毫秒,可以保证每根电子轴的响应速度;每根电子轴在把自己的印刷精度和工艺管控好的同时,还可以用控制算法,实时监测薄膜的张力变化,不管叠加多少根电子轴,印刷位置的精确度误差都小于0.1毫米。

油墨烘干也是保证印刷图案清晰的关键环节。印刷机高速运转时,油墨烘干必须在经过色组的极短时间内完成,才能保证各个颜色“各归其位”。梅雪松介绍,热风能量循环利用的节能油墨干燥系统,不仅可以在0.3毫秒内烘干油墨,还能对油墨受热后产生的余热、异味、有机气体等进行及时回收,这对我国印刷包装行业从整体上降低碳排放,实现我国“双碳”目标和食品药品的安全包装都有非常积极的意义。

调配油墨是彩印工艺中的一项重要工作,直接关系到产品的印刷质量。色彩鲜艳、光亮度好、色相准确是彩印产品的基本要求。要达到这个要求,首先必须准确调配好各个色组的印刷油墨。以往,调配油墨这项工作都需要由经验丰富的技师来完成,而且难度较高、调试时间长,且浪费大量的印材。有了云平台后,可以将调配油墨和设备等专业知识储存在云平台,供包装印刷机械的用户查询使用。而且,每台机械都可以实现联网工作,运维工作由云平台完成。

迈向高端

2007年以前,我国的高端包装印刷装备主要依赖从德国、瑞士、日本等国家进口。一台进口高端包装印刷装备的价格约为5000余万元,导致低端设备充斥市场,印品质量差、能耗高、污染大。

伴随着经济发展和社会进步,我国对高端包装印刷装备的需求越来越大。梅雪松说:“拿能买半架飞机的钱去买一台印刷机,这个成本太高了,我们想降下来。”

1993年开始,梅雪松教授团队致力于研发数控装备运动控制技术,与相关的行业头部企业合作,开始了高端包装印刷装备国产化的研发历程。

“我们主要调整了装备的硬件架构。打比方说,以前的装备是一个‘大脑’要控制8根电子轴,可能会出现信号迟滞、某根电子轴反应‘慢半拍’等情况。现在拆分开来,各电子轴由各自的‘大脑’来控制,多根电子轴之间以高速传输的信号保证连接,这样就能确保它们既能完成同步协作,也可以各自调整自己负责的工艺。各电子轴可以通过反馈回来的套准误差,及时调整自己的工艺参数,以便更精准地完成印刷工作。”梅雪松说。

此外,团队还针对烘箱的结构、加热温度、风速、能耗比率等因素开展了大量的实验,提出了基于内置传感器和支持向量机的在线故障诊断方法,每台装备都可以联网,实现制造商与企业用户的双重运维管控。

在激烈的市场竞争环境下,正是凭借过硬的技术水平,该团队研制的高端包装印刷装备受到了国内外诸多企业用户的青睐。

“如今,印刷企业已告别了用5000万元买一台印刷机的历史,他们用五分之一的价格就可以买到国产高端包装印刷装备。据粗略统计,国内70%以上的高端包装印刷产品都是采用我们的产品制造的。换句话说,你在超市里见到的绝大多数物品的包装印刷,均出自国产装备。我们实现了‘中国造’要有‘中国印’的目标!”梅雪松说。

高端包装印刷装备属于“运动控制”领域,“运动控制”是梅雪松教授领衔的创新团队的长期主攻科研方向。“我们将继续致力于高速高精度运动控制装备的研发,面向国家重大需求,开发针对重要行业领域的高端数控机床及智能制造系统。”梅雪松表示。(通讯员 李莉 记者 张梅)


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