高端包裝印刷裝備是高精度和綠色環保印刷的核心裝備，在商(shāng)品流通、追溯等環節中(zhōng)發揮着不可或缺的作用。曾經很長一(yī)段時間，我(wǒ)國高端包裝印刷裝備全部依賴進口。此次高端包裝印刷裝備關鍵技術及系列産品開(kāi)發獲得國家科學技術進步獎二等獎具有重要意義，實現了我(wǒ)國高端包裝印刷裝備的高度國産化，使“中(zhōng)國造”有了“中(zhōng)國印”。
本文，讓我(wǒ)們一(yī)起走進西安交通大(dà)學，了解以梅雪松教授、陶濤教授、趙飛研究員(yuán)爲代表的團隊是如何解決高端包裝印刷裝備的多個技術難題，攻堅克難，助力又(yòu)一(yī)設備實現國産化。
從依賴進口到高度國産化的逆轉
随着市場經濟的高速發展，食品、藥品、日用品等對印刷殘留物(wù)有着嚴格要求的産品，其對高端印刷的需求量越來越大(dà)。據了解，我(wǒ)國日前高端包裝印刷業總産值已接近萬億元，而近年來互聯網技術帶來的智能包裝産品的大(dà)量應用，更是迫切需求高保真、環保的高端包裝印刷裝備。
由于能耗高、易産生(shēng)有害氣體(tǐ)，包裝印刷行業一(yī)直被國家列爲環保重點監控行業。該項成果除了攻堅印刷精度和準确度、提供在線故障檢測和雲服務外(wài)，還通過攻堅油墨烘幹技術難題，對油墨受熱後産生(shēng)的餘熱、異味、有機氣體(tǐ)等進行及時回收，這對我(wǒ)國印刷包裝行業從整體(tǐ)上降低碳排放(fàng)，實現我(wǒ)國“雙碳”目标和食品藥品的安全包裝都有非常重要的意義。
梅雪松教授、陶濤教授、趙飛研究員(yuán)率領團隊持續多年攻關，完成了“高端包裝印刷裝備關鍵技術及系列産品開(kāi)發”項目。
該項目解決了高端包裝印刷裝備的多個技術難題，構建了高速高精度電(diàn)子軸控制理論和技術體(tǐ)系，開(kāi)發了集同步、張力控制和缺陷檢測爲一(yī)體(tǐ)的分(fēn)布式電(diàn)子軸控制系統，發明了熱風能量循環利用的節能油墨幹燥系統，提出了基于内置傳感器和支持向量機的在線故障診斷方法，開(kāi)發了制造商(shāng)服務雲與用戶自有雲的兩層運維管控平台。
截至目前，該團隊研制了2類高端包裝印刷裝備，主要指标處于國際同類産品領先水平，首次在國際上實現了高端包裝印刷裝備運維過程的智能化管控，降低企業運維成本達40%以上。
項目成果大(dà)幅提升了國産高端包裝印刷裝備的市場競争力，使國外(wài)同類産品在中(zhōng)國市場的份額由95%降到10%以下(xià)，實現了出口大(dà)于進口的逆轉。該項目成果技術應用單位被國家授予2019年國家技術創新示範企業和首批“制造業單項冠軍培育企業”，引領了我(wǒ)國包裝印刷裝備行業的發展，實現了中(zhōng)國包裝印刷用中(zhōng)國裝備的目标。
解決高端包裝印刷裝備多個技術難題
梅雪松教授介紹：“電(diàn)子軸控制是印刷裝備中(zhōng)的關鍵核心技術，我(wǒ)們整個項目的攻關重點主要集中(zhōng)在三方面，一(yī)是提高印刷精度和準确程度，二是解決油墨烘幹技術難題，三是提供在線故障檢測和雲服務。”
印刷用的材料一(yī)般都是極薄的紙(zhǐ)張和塑料薄膜。當前，世界各國對包裝印刷行業的節能減排要求日漸提高，綠色包裝印刷已經成爲全球印刷業未來發展的主流。因此，印刷所用的紙(zhǐ)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要求。
電(diàn)子軸傳動印刷機具有速度高、精度高、結構簡單、柔性度好、能量消耗小(xiǎo)、抗幹擾能力強等諸多優點。印刷品上出現的每種顔色都由一(yī)個電(diàn)子軸控制，不同顔色按照不同比例“混搭”印刷後，才會形成五顔六色的包裝印刷品。
“印刷對數碼彩色圖像顔色深度的要求是8位，也就是說，高端包裝印刷裝備一(yī)般至少有8根軸，顔色越豐富，所需要用到的電(diàn)子軸就越多。如何讓每根電(diàn)子軸既能完成自己的‘規定動作’，還與其他電(diàn)子軸實現‘無縫銜接’，實現多根電(diàn)子軸同步協作，是高端包裝印刷裝備必須解決的問題。”
梅雪松介紹，要讓設備印出一(yī)幅幅精美的圖案，就要使電(diàn)子軸在在線速度超過每分(fēn)鍾350米的情況下(xià)，在長達100多米的塑料薄膜上将誤差控制在0.1毫米以内，否則就會出現印刷圖案偏差，導緻“大(dà)花臉”，甚至模糊等問題。
爲了解決印刷精度問題，該團隊從“測量+反饋”的角度，給不同電(diàn)子軸的印刷圖案做标記，通過測量軟件找出色組标記，采取分(fēn)布式控制的方法，每根電(diàn)子軸的通信都以千兆的網絡爲架構，實時性達到1毫秒，可以保證每根電(diàn)子軸的響應速度;每根電(diàn)子軸在把自己的印刷精度和工(gōng)藝管控好的同時，還可以用控制算法，實時監測薄膜的張力變化，不管疊加多少根電(diàn)子軸，印刷位置的精确度誤差都小(xiǎo)于0.1毫米。
油墨烘幹也是保證印刷圖案清晰的關鍵環節。印刷機高速運轉時，油墨烘幹必須在經過色組的極短時間内完成，才能保證各個顔色“各歸其位”。梅雪松介紹，熱風能量循環利用的節能油墨幹燥系統，不僅可以在0.3毫秒内烘幹油墨，還能對油墨受熱後産生(shēng)的餘熱、異味、有機氣體(tǐ)等進行及時回收，這對我(wǒ)國印刷包裝行業從整體(tǐ)上降低碳排放(fàng)，實現我(wǒ)國“雙碳”目标和食品藥品的安全包裝都有非常積極的意義。
調配油墨是彩印工(gōng)藝中(zhōng)的一(yī)項重要工(gōng)作，直接關系到産品的印刷質量。色彩鮮豔、光亮度好、色相準确是彩印産品的基本要求。要達到這個要求，首先必須準确調配好各個色組的印刷油墨。以往，調配油墨這項工(gōng)作都需要由經驗豐富的技師來完成，而且難度較高、調試時間長，且浪費(fèi)大(dà)量的印材。有了雲平台後，可以将調配油墨和設備等專業知(zhī)識儲存在雲平台，供包裝印刷機械的用戶查詢使用。而且，每台機械都可以實現聯網工(gōng)作，運維工(gōng)作由雲平台完成。
助力設備國産化，造價僅進口20%
2007年以前，我(wǒ)國的高端包裝印刷裝備主要依賴從德國、瑞士、日本等國家進口。一(yī)台進口高端包裝印刷裝備的價格約爲5000餘萬元，導緻低端設備充斥市場，印品質量差、能耗高、污染大(dà)。
伴随着經濟發展和社會進步，我(wǒ)國對高端包裝印刷裝備的需求越來越大(dà)。梅雪松說：“拿能買半架飛機的錢去(qù)買一(yī)台印刷機，這個成本太高了，我(wǒ)們想降下(xià)來。”
1993年開(kāi)始，梅雪松教授團隊緻力于研發數控裝備運動控制技術，與相關的行業頭部企業合作，開(kāi)始了高端包裝印刷裝備國産化的研發曆程。
“我(wǒ)們主要調整了裝備的硬件架構。打比方說，以前的裝備是一(yī)個‘大(dà)腦’要控制8根電(diàn)子軸，可能會出現信号遲滞、某根電(diàn)子軸反應‘慢(màn)半拍’等情況。現在拆分(fēn)開(kāi)來，各電(diàn)子軸由各自的‘大(dà)腦’來控制，多根電(diàn)子軸之間以高速傳輸的信号保證連接，這樣就能确保它們既能完成同步協作，也可以各自調整自己負責的工(gōng)藝。各電(diàn)子軸可以通過反饋回來的套準誤差，及時調整自己的工(gōng)藝參數，以便更精準地完成印刷工(gōng)作。”梅雪松說。
此外(wài)，團隊還針對烘箱的結構、加熱溫度、風速、能耗比率等因素開(kāi)展了大(dà)量的實驗，提出了基于内置傳感器和支持向量機的在線故障診斷方法，每台裝備都可以聯網，實現制造商(shāng)與企業用戶的雙重運維管控。
在激烈的市場競争環境下(xià)，正是憑借過硬的技術水平，該團隊研制的高端包裝印刷裝備受到了國内外(wài)諸多企業用戶的青睐。
“如今，印刷企業已告别了用5000萬元買一(yī)台印刷機的曆史，他們用五分(fēn)之一(yī)的價格就可以買到國産高端包裝印刷裝備。據粗略統計，國内70%以上的高端包裝印刷産品都是采用我(wǒ)們的産品制造的。換句話(huà)說，你在超市裏見到的絕大(dà)多數物(wù)品的包裝印刷，均出自國産裝備。我(wǒ)們實現了‘中(zhōng)國造’要有‘中(zhōng)國印’的目标!”梅雪松說。
高端包裝印刷裝備屬于“複雜(zá)機電(diàn)控制與高端包裝印刷”學科交叉的成果，“高速高精密運動控制技術”是梅雪松教授所領銜創新團隊的長期主攻科研方向。下(xià)一(yī)步，由23位老師，近200位學生(shēng)組成的團隊将繼續緻力于高速高精度運動控制與激光加工(gōng)技術的深度結合，面向國家重大(dà)需求，開(kāi)發針對重要行業領域的高端數控加工(gōng)裝備及智能制造系統。
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