西安交通大学梅雪松团队项目获2020年度国家科学技术进步奖二等奖 中国绿色包装印刷用“中国高端装备”
设备造价仅仅是进口的20%，使国外同类产品在中国市场的份额由95%降到10%以下，大幅提升了国际竞争力，实现了我国高端包装印刷装备的高度国产化，在“面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康”方面，再次彰显了西安交通大学的科技贡献。
这就是荣获2020年度国家科学技术进步奖二等奖的西安交大梅雪松教授团队成果——“高端包装印刷装备关键技术及系列产品开发”项目带来的重要意义。
近日，记者采访了梅雪松教授领衔的科研团队，试图挖掘他们如何攻坚克难、解决多项技术难题的“秘诀”，诠释他们为实现我国高端包装印刷装备弯道超车做出的不懈努力。
●“让高端包装印刷装备实现国产化”
随着世界经济的高速发展和社会不断进步，我国对高端包装印刷的需求量越来越大，尤其是对印刷残留物有着严格要求的食药、日用等与人民生命健康息息相关的产品。资料显示，我国目前高端包装印刷业总产值近万亿元；互联网技术带来的智能包装产品的大量应用，更是迫切需求高保真、环保的高端包装印刷装备。
高端包装印刷装备是高精度和绿色环保印刷的核心设备，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，我国主要依赖进口。同时，由于在印刷过程高耗能、产生有害VOCs气体、包装废料污染环境，一直被国家列为食品监管、高污染防治重点监控行业。
在梅雪松教授团队项目实施前，我国95%的高端包装印刷装备依赖于德国、瑞士、意大利、日本等海外品牌，一台进口设备的价格高达约五千万元，成为我国包装印刷企业难以承受之重。从而导致低端设备充斥市场，印刷品质量差、能耗高、污染大，包装残留超标等重大食品安全事件时有发生。
“我们一定要做自主研发，让高端包装印刷装备实现国产化”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、陶涛教授、赵飞研究员为代表的科研团队率领下，依托国家重大科技计划，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，实现了国际最高印刷速度和控制精度；发明了热风能量循环利用的节能油墨干燥系统，使得VOCs排放量和印品溶剂残留远小于国际标准允许值；并提出基于内置传感器和支持向量机的在线故障诊断方法，开发出制造商服务云与用户自有云的两层运维管控平台，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40%以上。
截至目前，项目团队产学研联合技术攻关结硕果，形成了18项国家和行业标准，研制了2大类16种高端包装印刷国产化装备，主要指标处于国际同类产品领先水平，成为行业的技术引领者。
中国绿色包装印刷要用“中国高端装备”，产品投入使用以来，实现了出口大于进口的大幅逆转。国产产品销往娃哈哈、国际纸业等国内外30多个国家的千余家印包企业，应用于宝洁、可口可乐等品牌包装印刷，全球销量第一，国内市场占有率达到70%以上。国际市场研究公司Fortune Business Insights将其列入全球柔版印刷机的顶级企业，成果技术应用单位被授予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”。
●项目成果突破多项核心关键技术难题
“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。”梅雪松教授在向记者介绍电子轴控制系统的工作原理时说。
“电子轴控制是印刷装备中的关键核心技术，我们整个项目攻关的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。”
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，才会形成人们所看到的五颜六色的印刷包装品。
梅雪松说：“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个轴，颜色越丰富，所需要用到的电子轴就越多。如何让每个电子轴既能完成自己的‘规定动作’，还与其它电子轴实现‘无缝衔接’，多个电子轴同步协作，在线速度超过350米/分的高速运动情况下，最终在长达100多米的塑料薄膜上保证0.1mm以内的误差，才能印出一幅幅精美的图案，这是高端包装印刷装备必须解决的问题，否则就会出现印刷图案偏差会出现‘大花脸’、甚至模糊等问题。”
为了解决印刷精度问题，梅雪松教授团队从“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，每个电子轴的通信都以千兆的网络为架构，实时性达到一个毫秒，可以保证每个轴的响应速度；各个轴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，不管叠加多少个轴，印刷位置的精确度误差都小于0.1毫米。
梅雪松说，调配油墨也是彩印工艺中的一项重要工作，这做得如何，直接关系到产品的印刷质量。因为色彩鲜艳、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。在这之前，调配油墨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，就可以将调配油墨和设备等方面专业知识储存在云平台，包装印刷机械的用户可以查询使用，每台机械也都实现了联网工作，而且运维工作也可以由云平台完成。
同时，该项目还通过突破油墨烘干技术难题，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重要的意义。
●“为国铸器、智造未来”的神圣使命
1991年6月，梅雪松获西安交大博士学位后，留校任教至今，长江学者，主要研究方向是智能制造和机器人、激光精密加工理论与方法研究。现任西安交大学术委员会副主任、陕西省智能机器人重点实验室主任、西安交大智能机器人创新研究院院长等职务。1998年至2003年期间，曾多次赴日本东京农工大学、日本京都大学进行访问和学术交流。
1993年，心怀梦想的梅雪松开始专注数控装备运动控制技术的研发，决心为“高端包装印刷装备实现国产化”而努力。30年来，曾主持973、863、国家自然科学基金、省部级基金、企业合作项目20余项。
“如今，我国印刷企业已告别了用五千万元买一台印刷机的历史，仅仅花费原来五分之一的价格，就可以买到国产高端包装印刷设备。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设备生产。换句话说，你在超市里见到的绝大多数精美物品外包装，都是由国产设备所印制。”梅雪松自豪地说。
对于记者关于“我国智能制造业发展现状”的提问，梅雪松说：“智能制造所体现的就是产品全生命周期智能化，以及所倡导的制造过程绿色化、高品质、低成本等特征，不仅需要先进的高科技技术，更需要高素质的人才来实现。我国是制造业大国，未来智能化技术在数控系统中的应用，将成为我国在数控系统领域迎头赶上的一个重要机会。”
梅雪松创新团队成功研发的高端包装印刷装备，属于“复杂机电控制与高端包装印刷”学科交叉的成果；“高速高精密运动控制技术”是他们长期主攻的科研方向。
下一步，由23位高校老师、近200位学生组成的梅雪松团队，聚焦“四个面向”，将继续致力于“高速高精度运动控制与激光加工技术的深度结合”，围绕国家重要行业，开发高端数控加工装备及智能制造系统！
“为国铸器、智造未来”是西安交大机械工程学院在新时期肩负的神圣使命，也是梅雪松团队的追求目标。
“搞科研就是要坚持不懈、追求极致，把科研工作一步一步做上去，把学生一个一个培养出来，唯有如此才能不负于这个伟大的新时代，为陕西秦创原创新驱动平台建设贡献出我们的力量。”这，就是这位科学追梦人最朴素的愿望！
文/本报记者 周 励 图/西安交通大学
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