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”

陕西科技报 2021-12-21 09:36 大字

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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