自主研發(fā)，技術(shù)突破——中國綠色包裝印刷用“中國高端裝備”

西安交通大學(xué)梅雪松教授團(tuán)隊項目獲2020年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎

設(shè)備造價僅僅是進(jìn)口的20%，使國外同類產(chǎn)品在中國市場的份額由95%降到10%以下，大幅提升了國際競爭力，實現(xiàn)了我國高端包裝印刷裝備的高度國產(chǎn)化，在“面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康”方面，再次彰顯了西安交通大學(xué)的科技貢獻(xiàn)。

這就是榮獲2020年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎的西安交大梅雪松教授團(tuán)隊成果——“高端包裝印刷裝備關(guān)鍵技術(shù)及系列產(chǎn)品開發(fā)”項目帶來的重要意義。

近日，記者采訪了梅雪松教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊，試圖挖掘他們?nèi)绾喂钥穗y、解決多項技術(shù)難題的“秘訣”，詮釋他們?yōu)閷崿F(xiàn)我國高端包裝印刷裝備彎道超車做出的不懈努力。

西安交通大學(xué)梅雪松教授團(tuán)隊

01

“讓高端包裝印刷裝備實現(xiàn)國產(chǎn)化”

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和社會不斷進(jìn)步，我國對高端包裝印刷的需求量越來越大，尤其是對印刷殘留物有著嚴(yán)格要求的食藥、日用等與人民生命健康息息相關(guān)的產(chǎn)品。資料顯示，我國目前高端包裝印刷業(yè)總產(chǎn)值近萬億元；互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來的智能包裝產(chǎn)品的大量應(yīng)用，更是迫切需求高保真、環(huán)保的高端包裝印刷裝備。

高端包裝印刷裝備是高精度和綠色環(huán)保印刷的核心設(shè)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)很長一段時間，我國主要依賴進(jìn)口。同時，由于在印刷過程高耗能、產(chǎn)生有害VOCs氣體、包裝廢料污染環(huán)境，一直被國家列為食品監(jiān)管、高污染防治重點監(jiān)控行業(yè)。

在梅雪松教授團(tuán)隊項目實施前，我國95%的高端包裝印刷裝備依賴于德國、瑞士、意大利、日本等海外品牌，一臺進(jìn)口設(shè)備的價格高達(dá)約五千萬元，成為我國包裝印刷企業(yè)難以承受之重。從而導(dǎo)致低端設(shè)備充斥市場，印刷品質(zhì)量差、能耗高、污染大，包裝殘留超標(biāo)等重大食品安全事件時有發(fā)生。

“我們一定要做自主研發(fā)，讓高端包裝印刷裝備實現(xiàn)國產(chǎn)化”的愿景，10多年前就扎根在了梅雪松教授心中。

10多年后，在梅雪松教授、陶濤教授、趙飛研究員為代表的科研團(tuán)隊率領(lǐng)下，依托國家重大科技計劃，解決了高端包裝印刷裝備的多個技術(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)，實現(xiàn)了國際最高印刷速度和控制精度；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)，使得VOCs排放量和印品溶劑殘留遠(yuǎn)小于國際標(biāo)準(zhǔn)允許值；并提出基于內(nèi)置傳感器和支持向量機的在線故障診斷方法，開發(fā)出制造商服務(wù)云與用戶自有云的兩層運維管控平臺，首次在國際上實現(xiàn)了高端包裝印刷裝備運維過程的智能化管控，降低企業(yè)運維成本40%以上。

高端印刷裝備分布式電子軸控制系統(tǒng)

截至目前，項目團(tuán)隊產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)結(jié)碩果，形成了18項國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研制了2大類16種高端包裝印刷國產(chǎn)化裝備，主要指標(biāo)處于國際同類產(chǎn)品領(lǐng)先水平，成為行業(yè)的技術(shù)引領(lǐng)者。

團(tuán)隊部分成員合影，從左至右依次為：王海濤、施虎、陶濤、梅雪松、王寧濤、馮小兵

中國綠色包裝印刷要用“中國高端裝備”，產(chǎn)品投入使用以來，實現(xiàn)了出口大于進(jìn)口的大幅逆轉(zhuǎn)。國產(chǎn)產(chǎn)品銷往娃哈哈、國際紙業(yè)等國內(nèi)外30多個國家的千余家印包企業(yè)，應(yīng)用于寶潔、可口可樂等品牌包裝印刷，全球銷量第一，國內(nèi)市場占有率達(dá)到70%以上。國際市場研究公司Fortune Business Insights將其列入全球柔版印刷機的頂級企業(yè)，成果技術(shù)應(yīng)用單位被授予2019年國家技術(shù)創(chuàng)新示范企業(yè)和首批“制造業(yè)單項冠軍培育企業(yè)”。

02

項目成果突破多項核心關(guān)鍵技術(shù)難題

“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?！泵费┧山淌谠诮榻B電子軸控制系統(tǒng)的工作原理時說。

梅雪松介紹電子軸控制系統(tǒng)的工作原理

“電子軸控制是印刷裝備中的關(guān)鍵核心技術(shù)，我們整個項目攻關(guān)的重點主要集中在三方面：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>

電子軸傳動印刷機具有速度高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、柔性度好、能量消耗小、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點。印刷品上出現(xiàn)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，才會形成人們所看到的五顏六色的印刷包裝品。

梅雪松說：“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個軸，顏色越豐富，所需要用到的電子軸就越多。如何讓每個電子軸既能完成自己的‘規(guī)定動作’，還與其它電子軸實現(xiàn)‘無縫銜接’，多個電子軸同步協(xié)作，在線速度超過350米/分的高速運動情況下，最終在長達(dá)100多米的塑料薄膜上保證0.1mm以內(nèi)的誤差，才能印出一幅幅精美的圖案，這是高端包裝印刷裝備必須解決的問題，否則就會出現(xiàn)印刷圖案偏差會出現(xiàn)‘大花臉’、甚至模糊等問題?！?/p>

梅雪松在實驗室調(diào)控分布式電子軸控制系統(tǒng)

為了解決印刷精度問題，梅雪松教授團(tuán)隊從“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，每個電子軸的通信都以千兆的網(wǎng)絡(luò)為架構(gòu)，實時性達(dá)到一個毫秒，可以保證每個軸的響應(yīng)速度；各個軸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(jiān)測薄膜的張力變化，不管疊加多少個軸，印刷位置的精確度誤差都小于0.1毫米。

陶濤在實驗室監(jiān)測數(shù)據(jù)

梅雪松說，調(diào)配油墨也是彩印工藝中的一項重要工作，這做得如何，直接關(guān)系到產(chǎn)品的印刷質(zhì)量。因為色彩鮮艷、光亮度好、色相準(zhǔn)確是彩印產(chǎn)品的基本要求，要達(dá)到這個要求首先必須準(zhǔn)確調(diào)配好各個色組的印刷油墨。在這之前，調(diào)配油墨都需要由經(jīng)驗豐富的技師來完成，而且難度較高，調(diào)試時間長且浪費大量的印材。有了云平臺后，就可以將調(diào)配油墨和設(shè)備等方面專業(yè)知識儲存在云平臺，包裝印刷機械的用戶可以查詢使用，每臺機械也都實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)工作，而且運維工作也可以由云平臺完成。

同時，該項目還通過突破油墨烘干技術(shù)難題，對油墨受熱后產(chǎn)生的余熱、異味、有機氣體等進(jìn)行及時回收，這對我國印刷包裝行業(yè)從整體上降低碳排放，實現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)和食品藥品的安全包裝都有非常重要的意義。

團(tuán)隊成員討論研發(fā)進(jìn)展

03

“為國鑄器、智造未來”的神圣使命

1991年6月，梅雪松獲西安交大博士學(xué)位后，留校任教至今，長江學(xué)者，主要研究方向是智能制造和機器人、激光精密加工理論與方法研究?，F(xiàn)任西安交大學(xué)術(shù)委員會副主任、陜西省智能機器人重點實驗室主任、西安交大智能機器人創(chuàng)新研究院院長等職務(wù)。1998年至2003年期間，曾多次赴日本東京農(nóng)工大學(xué)、日本京都大學(xué)進(jìn)行訪問和學(xué)術(shù)交流。

1993年，心懷夢想的梅雪松開始專注數(shù)控裝備運動控制技術(shù)的研發(fā)，決心為“高端包裝印刷裝備實現(xiàn)國產(chǎn)化”而努力。30年來，曾主持973、863、國家自然科學(xué)基金、省部級基金、企業(yè)合作項目20余項。

梅雪松教授在接受媒體采訪

“如今，我國印刷企業(yè)已告別了用五千萬元買一臺印刷機的歷史，僅僅花費原來五分之一的價格，就可以買到國產(chǎn)高端包裝印刷設(shè)備。據(jù)粗略統(tǒng)計，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)品設(shè)備生產(chǎn)。換句話說，你在超市里見到的絕大多數(shù)精美物品外包裝，都是由國產(chǎn)設(shè)備所印制?！泵费┧勺院赖卣f。

對于關(guān)于“我國智能制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀”的提問，梅雪松說：“智能制造所體現(xiàn)的就是產(chǎn)品全生命周期智能化，以及所倡導(dǎo)的制造過程綠色化、高品質(zhì)、低成本等特征，不僅需要先進(jìn)的高科技技術(shù)，更需要高素質(zhì)的人才來實現(xiàn)。我國是制造業(yè)大國，未來智能化技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，將成為我國在數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域迎頭趕上的一個重要機會?！?/p>

梅雪松教授團(tuán)隊正在研發(fā)的智能生產(chǎn)系統(tǒng)

梅雪松創(chuàng)新團(tuán)隊成功研發(fā)的高端包裝印刷裝備，屬于“復(fù)雜機電控制與高端包裝印刷”學(xué)科交叉的成果；“高速高精密運動控制技術(shù)”是他們長期主攻的科研方向。

下一步，由23位高校老師、近200位學(xué)生組成的梅雪松團(tuán)隊，聚焦“四個面向”，將繼續(xù)致力于“高速高精度運動控制與激光加工技術(shù)的深度結(jié)合”，圍繞國家重要行業(yè)，開發(fā)高端數(shù)控加工裝備及智能制造系統(tǒng)！

西安交通大學(xué)梅雪松教授團(tuán)隊

“為國鑄器、智造未來”是西安交大機械工程學(xué)院在新時期肩負(fù)的神圣使命，也是梅雪松團(tuán)隊的追求目標(biāo)。

“搞科研就是要堅持不懈、追求極致，把科研工作一步一步做上去，把學(xué)生一個一個培養(yǎng)出來，唯有如此才能不負(fù)于這個偉大的新時代，為陜西秦創(chuàng)原創(chuàng)新驅(qū)動平臺建設(shè)貢獻(xiàn)出我們的力量。”這，就是這位科學(xué)追夢人最樸素的愿望！

梅雪松

作者：周勵

圖片來源：西安交通大學(xué)

來源：陜西科技報