團(tuán)隊(duì)成員在討論研發(fā)進(jìn)展。西安交通大學(xué)供圖

在購買商品的時(shí)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(chǎn)品背后也有著科研人員長期的堅(jiān)持和努力？

高端包裝印刷裝備是高精度和綠色環(huán)保印刷的核心裝備，在商品流通、追溯等環(huán)節(jié)中發(fā)揮著不可或缺的作用。曾經(jīng)很長一段時(shí)間，我國高端包裝印刷裝備全部依賴進(jìn)口。西安交通大學(xué)梅雪松教授、陶濤教授、趙飛研究員率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)解決了高端包裝印刷裝備的多個(gè)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了我國高端包裝印刷裝備的高度國產(chǎn)化，使“中國造”有了“中國印”。

11月3日，該團(tuán)隊(duì)完成的“高端包裝印刷裝備關(guān)鍵技術(shù)及系列產(chǎn)品開發(fā)”項(xiàng)目榮獲2020年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

面向需求

自主研發(fā)高端包裝印刷裝備是面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向人民生命健康的必然選擇。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國食品、藥品、日用品等對印刷殘留物有嚴(yán)格要求的高端包裝印刷業(yè)總產(chǎn)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(chǎn)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(guān)生命健康安全，包裝印刷被國家列入食品監(jiān)管、高污染防治等重點(diǎn)監(jiān)控行業(yè)。

面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)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(lǐng)團(tuán)隊(duì)持續(xù)多年攻關(guān)，完成了“高端包裝印刷裝備關(guān)鍵技術(shù)及系列產(chǎn)品開發(fā)”項(xiàng)目。該項(xiàng)目解決了高端包裝印刷裝備的多個(gè)技術(shù)難題，構(gòu)建了高速高精度電子軸控制理論和技術(shù)體系，開發(fā)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(tǒng)，發(fā)明了熱風(fēng)能量循環(huán)利用的節(jié)能油墨干燥系統(tǒng)，提出了基于內(nèi)置傳感器和支持向量機(jī)的在線故障診斷方法，開發(fā)了制造商服務(wù)云與用戶自有云的兩層運(yùn)維管控平臺。

截至目前，該團(tuán)隊(duì)研制了2類高端包裝印刷裝備，主要指標(biāo)處于國際同類產(chǎn)品領(lǐng)先水平，首次在國際上實(shí)現(xiàn)了高端包裝印刷裝備運(yùn)維過程的智能化管控，降低企業(yè)運(yùn)維成本達(dá)40%以上。

項(xiàng)目成果大幅提升了國產(chǎn)高端包裝印刷裝備的市場競爭力，使國外同類產(chǎn)品在中國市場的份額由95%降到10%以下，實(shí)現(xiàn)了出口大于進(jìn)口的逆轉(zhuǎn)。該項(xiàng)目成果技術(shù)應(yīng)用單位被國家授予2019年國家技術(shù)創(chuàng)新示范企業(yè)和首批“制造業(yè)單項(xiàng)冠軍培育企業(yè)”，引領(lǐng)了我國包裝印刷裝備行業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了中國包裝印刷用中國裝備的目標(biāo)。

攻克難關(guān)

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

印刷用的材料一般都是極薄的紙張和塑料薄膜。當(dāng)前，世界各國對包裝印刷行業(yè)的節(jié)能減排要求日漸提高，綠色包裝印刷已經(jīng)成為全球印刷業(yè)未來發(fā)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(shù)要求。

電子軸傳動(dòng)印刷機(jī)具有速度高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、柔性度好、能量消耗小、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。印刷品上出現(xiàn)的每種顏色都由一個(gè)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(shù)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(guī)定動(dòng)作’，還與其他電子軸實(shí)現(xiàn)‘無縫銜接’，實(shí)現(xiàn)多根電子軸同步協(xié)作，是高端包裝印刷裝備必須解決的問題。”梅雪松介紹，要讓設(shè)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(dá)100多米的塑料薄膜上將誤差控制在0.1毫米以內(nèi)，否則就會出現(xiàn)印刷圖案偏差，導(dǎo)致“大花臉”，甚至模糊等問題。

為了解決印刷精度問題，該團(tuán)隊(duì)從“測量+反饋”的角度，給不同電子軸的印刷圖案做標(biāo)記，通過測量軟件找出色組標(biāo)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(wǎng)絡(luò)為架構(gòu)，實(shí)時(shí)性達(dá)到1毫秒，可以保證每根電子軸的響應(yīng)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(shí)，還可以用控制算法，實(shí)時(shí)監(jiān)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(guān)鍵環(huán)節(jié)。印刷機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油墨烘干必須在經(jīng)過色組的極短時(shí)間內(nèi)完成，才能保證各個(gè)顏色“各歸其位”。梅雪松介紹，熱風(fēng)能量循環(huán)利用的節(jié)能油墨干燥系統(tǒng)，不僅可以在0.3毫秒內(nèi)烘干油墨，還能對油墨受熱后產(chǎn)生的余熱、異味、有機(jī)氣體等進(jìn)行及時(shí)回收，這對我國印刷包裝行業(yè)從整體上降低碳排放，實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)和食品藥品的安全包裝都有非常積極的意義。

調(diào)配油墨是彩印工藝中的一項(xiàng)重要工作，直接關(guān)系到產(chǎn)品的印刷質(zhì)量。色彩鮮艷、光亮度好、色相準(zhǔn)確是彩印產(chǎn)品的基本要求。要達(dá)到這個(gè)要求，首先必須準(zhǔn)確調(diào)配好各個(gè)色組的印刷油墨。以往，調(diào)配油墨這項(xiàng)工作都需要由經(jīng)驗(yàn)豐富的技師來完成，而且難度較高、調(diào)試時(shí)間長，且浪費(fèi)大量的印材。有了云平臺后，可以將調(diào)配油墨和設(shè)備等專業(yè)知識儲存在云平臺，供包裝印刷機(jī)械的用戶查詢使用。而且，每臺機(jī)械都可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)工作，運(yùn)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(jìn)口。一臺進(jìn)口高端包裝印刷裝備的價(jià)格約為5000余萬元，導(dǎo)致低端設(shè)備充斥市場，印品質(zhì)量差、能耗高、污染大。

伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)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(jī)的錢去買一臺印刷機(jī)，這個(gè)成本太高了，我們想降下來?！?/p>

1993年開始，梅雪松教授團(tuán)隊(duì)致力于研發(fā)數(shù)控裝備運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，與相關(guān)的行業(yè)頭部企業(yè)合作，開始了高端包裝印刷裝備國產(chǎn)化的研發(fā)歷程。

“我們主要調(diào)整了裝備的硬件架構(gòu)。打比方說，以前的裝備是一個(gè)‘大腦’要控制8根電子軸，可能會出現(xiàn)信號遲滯、某根電子軸反應(yīng)‘慢半拍’等情況?，F(xiàn)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?shù)男盘柋ＷC連接，這樣就能確保它們既能完成同步協(xié)作，也可以各自調(diào)整自己負(fù)責(zé)的工藝。各電子軸可以通過反饋回來的套準(zhǔn)誤差，及時(shí)調(diào)整自己的工藝參數(shù)，以便更精準(zhǔn)地完成印刷工作。”梅雪松說。

此外，團(tuán)隊(duì)還針對烘箱的結(jié)構(gòu)、加熱溫度、風(fēng)速、能耗比率等因素開展了大量的實(shí)驗(yàn)，提出了基于內(nèi)置傳感器和支持向量機(jī)的在線故障診斷方法，每臺裝備都可以聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)制造商與企業(yè)用戶的雙重運(yùn)維管控。

在激烈的市場競爭環(huán)境下，正是憑借過硬的技術(shù)水平，該團(tuán)隊(duì)研制的高端包裝印刷裝備受到了國內(nèi)外諸多企業(yè)用戶的青睞。

“如今，印刷企業(yè)已告別了用5000萬元買一臺印刷機(jī)的歷史，他們用五分之一的價(jià)格就可以買到國產(chǎn)高端包裝印刷裝備。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)70%以上的高端包裝印刷產(chǎn)品都是采用我們的產(chǎn)品制造的。換句話說，你在超市里見到的絕大多數(shù)物品的包裝印刷，均出自國產(chǎn)裝備。我們實(shí)現(xiàn)了‘中國造’要有‘中國印’的目標(biāo)！”梅雪松說。

高端包裝印刷裝備屬于“運(yùn)動(dòng)控制”領(lǐng)域，“運(yùn)動(dòng)控制”是梅雪松教授領(lǐng)銜的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的長期主攻科研方向?！拔覀儗⒗^續(xù)致力于高速高精度運(yùn)動(dòng)控制裝備的研發(fā)，面向國家重大需求，開發(fā)針對重要行業(yè)領(lǐng)域的高端數(shù)控機(jī)床及智能制造系統(tǒng)。”梅雪松表示。（通訊員 李莉 記者 張梅）