摘要：随着国际社会相继出台的限塑令，以及国内“以竹代塑”的倡议，以竹餐具为代表的原竹快消品受到市场越来越多的关注。锯竹、剖竹、开片、截断、成型及热压作为原竹快消品机械加工的主要工序，其加工机械的发展直接影响着原竹快消品产业的发展。因此，国内外竹材加工机械研究面临着前所未有的机遇与挑战。文中从加工工序出发，将原竹快消品加工机械分为截断机械、剖竹机械、仿型机械和热压机械，以竹刀、竹叉、竹勺、竹吸管等具有代表性的原竹快消品为对象，辅以加工工艺技术现状，分析目前国内外原竹快消品加工机械装备研制进展。针对目前竹工机械研究中存在的单机化明显、生产连续性差等问题，提出未来竹工机械应向更加自动化、连续化、智能化的方向发展。
随着塑料污染带来的全球环境问题日益严峻，特别是以塑料吸管为代表的快消品对环境的破坏尤为明显，仅2019年中国塑料吸管的消耗量就接近3万t，约合460亿根，其中超过70%会被直接丢弃到土壤和海洋中，数百年无法降解。2020年1月起中国及欧洲各国针对禁塑限塑陆续出台相关政策，快消品行业的绿色转型迫在眉睫，减少塑料快消品的使用，寻找绿色可持续替代品已成为国际共识。我国作为世界竹资源的分布中心，竹产业规模发展迅速且产品种类众多，竹材作为一种绿色、可再生、可降解的生物质材料，是基于自然的可持续替代塑料的优质选择。“以竹代塑”也是中国政府同国际竹藤组织携手落实全球限塑的发展倡议。原竹快消品种类众多，涵盖了餐具、包装用品、医疗用品、酒店用品、日用品等领域，也是目前全球禁塑限塑主要面向的对象。原竹快消品成为塑料快消品理想的环保替代产品，具有巨大的国内外消费市场。根据中国海关总署数据统计，2022年中国生产的原竹快消品出口总量约36.47万t，出口总额约8.33亿美元。在如此巨大的市场下，大多数原竹快消品加工机械装备却仍停留在人工或半自动化机械加工状态，尤其是原竹快消品加工机械，存在着效率低下、自动化程度低、劳动强度和安全隐患大等问题，因此加工机械装备的研发成为促进原竹快消品产业快速发展的有力抓手和重要依托。原竹快消品从圆竹采伐到制作成品，按照加工阶段大致可分为竹材初加工、原竹预处理、产品成型加工3个阶段。在竹材初加工过程中涉及到的机械主要包括采伐、转运、截断、破竹、开片、拉丝等装备；原竹预处理阶段主要是指在原竹快消品成型加工之前对坯料进行的一系列泡水、蒸煮、干燥等工作，这一阶段采用物理法即可对坯料进行处理，不涉及竹工机械加工；在原竹快消品成型加工工程中需要根据产品的不同配有不同的装备，如截断、仿形、冲压、开刃、开齿、削尖、热压、铣磨等。本文主要围绕原竹快消品的竹材初加工和产品成型2个阶段使用的加工机械进行综述。
1 竹材初加工机械
竹材初加工是指竹材采伐运至初加工厂后对竹材进行的截断、剖竹、开片等工序，是原竹快消品加工的前端工作，其目的是为原竹快消品成型加工做准备。为了满足初加工生产需求，需要更多自动化程度高、精确性好的机械装备来解决工人劳动强度大、安全系数低、生产差异性大等问题。
1.1 竹材截断机械
竹材截断机械可以分为圆竹截断和竹片截断2种不同的机械装备。圆竹截断的主要目的是实现对圆竹的定长截断和竹节避免，便于后续其他设备加工；而竹片截断一般是在圆竹截断完成后，精加工时将长竹条截断为短竹片，为后续成型为竹刀、叉、勺等原竹快消品做准备。从目前的截断机械来看，市场上还是以半机械化的小型截断锯为主，大多数研发的自动截断设备尚存在无法避免竹节的问题，影响加工厂的生产效率。
1.1.1 圆竹截断机械
圆竹截断采用的设备主要有手工(电)锯、油锯、小型截断锯、推台锯等。目前加工厂采用最多的截断机械为小型截断锯，人工劳动强度大、危险系数高，还容易对竹材造成开裂破坏。
Baseganni等设计的竹材切割机，其滚辊用于给料，转动齿轮保持进料时的稳定性，再由圆锯片进行切割截断，同样存在强度大、危险系数高等问题。湖北省林科院李军章等发明的连续式原竹自动截断机，通过设置的竹段纵横向运输装置把圆竹截成定长的竹段，并自动运输到下一段工序，实现了圆竹的自动截断与传送，从而减少了竹材加工过程中备料工段的劳动力，降低了生产成本，提高了生产效率，但是也无法对竹节进行避免和定长截断。在此基础上，何治建对设备进行了优化，发明了竹材自动截断机，设置可伸缩夹具对圆竹两端进行限位，实现了可自由调节竹段长度的圆竹定长截断，但一次只能截断1根圆竹，加工效率较慢。Siddharth等通过建立人力飞轮电机模型，以人力飞轮电机为动力切割竹材，在一定程度上减轻了劳动强度。
如果截断处出现竹节，在截断锯切时会对竹材造成破坏，影响后续加工。浙江省林科院徐康等设计的竹材定长截断与竹节智能识别设备可对截断处竹节进行有效规避，即当截断处正好存在竹节时，设置的接触板与保护罩形成行程差转化为脉冲电信号，可编程逻辑控制器控制输送组件将竹材推动至下一挡板完成定长截断与竹节规避。其团队正在对设备开展进一步的改进升级，相关专利和论文正在审查阶段。但是相较于传统截断机械，设备的造价成本可能成为制约其广泛应用的主要原因。
1.1.2 竹条截断机械
竹条截断一般长度较短，且使用的竹条选自竹黄侧，受竹节影响不大，所以只需对其进行定长截断即可。陈泽滨发明的竹材截断装置采用转杆驱动的方式带动刀片在滑轨上对竹材进行截断，可实现对竹条自动截断和定长截断功能，但由于采用多滚轮组装置进行夹紧，一个刀片进行截断的方式，所以单次只能截断1根长竹条，速度较慢，效率不高。东北林业大学姜新波等研制的多竹条定长截断方法可同时对10根竹条测长、限位以及截断，解决了这一问题。
1.2 竹材剖竹机械
竹材剖竹开条的主要目的是加工成长竹条，为后续原竹快消品成型加工所需的短竹片做准备。剖竹工作由最初的手工剖竹替换为一种半自动化的剖竹机，由人工肉眼识别竹筒直径大小，选择合适的刀盘，推动杆往复推动竹筒进入刀盘中进行剖竹开条，但是仍需人工上料、手动对准剖刀中心，存在很高的操作危险性，而且人工肉眼识别直径的方式加工精度低、劳动强度大。针对这些问题，袁聪等提出了2种自定心剖竹刀的设计方案，并总结出伞状自定心剖竹刀具有适应性强和容易推广的特点；东北林业大学姜新波团队设计了一组对中弹性支撑机构，实现了竹材剖分的自动对心；马来西亚的Shahri等通过对当地剖竹开片机进行改进，设计由给料机构、切料机构和对齐机构组成，可以将竹材剖切为指定厚度的竹条；Arasy针对当地对于制串机的需求，采用圆柱形切割刀片系统，以45°的剖切角完成竹材的剖切和后续制串，提高了生产效率，降低劳动强度，改善生产环境。
近年来，随着温永璐等对于剖竹机智能上料手的设计与优化，越来越多的剖竹机械朝着自动化、智能化方向发展。在浙江、安徽、江西、四川、福建等竹材加工厂较多的几个省份纷纷公开了相关剖竹机械的专利。例如，李小贤等研制的一种用于竹材生产的剖竹装置，操作简单，实用性强；张双钱研制的输送辊连续式送料剖竹机、高效除毛刺剖竹机、智能自动化液压剖竹机，通过不同的机构和方法实现了竹材的自动上料、高效除毛刺和自动剖竹功能。类似的还有刘占明等研制的剖竹设备，对剖竹机械的夹持组件、上料组件、刀盘组件、输出组件和测量组件进行了全面的设计研发。
从企业调研来看，目前对于竹材剖竹机械的研发较为全面，智能化、自动化的剖竹机械逐渐取代了传统的半机械化设备。但如何将剖竹机械和其他初加工机械实现连续化生产是未来进一步研究的重点。
2 产品成型机械
根据原竹快消品种类的不同，产品成型机械需要完成对竹材从竹片到产品的加工，其中包括仿型、开齿、开刃、削尖、热压等工序。由于国内原竹快消品产业的迅速发展和出口销量大幅提升，对产品的需求越来越大，品质要求越来越高，一些仍然依靠人工成型、机械化和自动化程度低的成型设备已无法适应快速度、高品质的生产需求。而国外的成型机械大多以竹纤维成型为主，特别是国外竹产业还是以竹材初加工为主，类似竹材成型加工机械的研究较少，大多数依赖我国出口。在产品成型过程中涉及的原竹快消品成型加工机械主要为仿型机械和热压机械。
2.1 仿型机械
国内仿型机械主要应用于竹质刀、叉、勺、吸管和牙刷等产品生产中，主要承担将竹片或竹棒加工成指定产品外形的工作。与国内原竹直接加工发展不同的是，国外的竹材仿型成型机械主要为竹纤维成型，其中以Alansari等在2020年提出使用加工中心提取竹纤维制造竹餐盘或者竹勺的想法为主。从原竹快消品生产工序来看，仿型机械是其中最重要的一环，机械研发应向智能化、无人化、信息化方向发展，如今各地方和企业虽然已经加大了对仿型机械的投入和研发，但是仍然不足，仿型机械大多还停留在半自动化、甚至无自动化的程度，导致出现次品率高、效率低、工人劳动强度大等问题，极大地制约了原竹快消品产业的发展。
2.1.1 竹质刀叉勺仿型机械
竹质刀和勺的仿型加工工序比较类似，竹叉则多一个开齿的工序。传统的竹质刀、叉、勺仿型方式相同，多采用冲压仿型。例如，湖南省林科院设计的竹勺餐具加工方法，仿型后的竹片边缘极易产生毛刺，需要手工打磨光滑，这会导致打磨过程中产品个体差异较大，均质性不足。刘建章等设计的毛竹竹片工业化生产刀、叉、勺产品设备，其竹刀、叉、勺外形成型打磨一体机能通过成形铣刀将薄竹片加工成需要的竹勺或刀胚形状，并通过打磨头将竹勺胚或竹刀胚打磨光滑。胡育强发明设计的竹勺铣削成型加工组件，利用2个铣削柱进行竹勺仿型。他们的发明都可以改善冲压仿型时容易出现毛刺的现象，但是单次仿型竹勺数量有限，加工效率不高。梁峰晖等研制的竹勺自动断料成型一体机可以实现一体化、高效化、连续化的竹勺仿型，生产效率得到很大提升。
由于竹质刀和叉头部在后续加工中涉及到热压加工，所以在仿型阶段需要对其头部竹节进行避免，以降低后续加工的次品率。为此浙江省林科院张建团队提出一种竹叉、勺生产中避节去次品的上料装置与方法，使用智能识别圆盘对头部竹节进行筛选和分类，以保证后续加工中竹叉和勺头部无竹节。此外，朱海峰设计了一种竹叉开齿设备和往复式竹叉开齿设备，能自动夹紧且一次性开齿加工较多竹叉，同时安全方面得到较大提升；梁瑞林研制了一种竹叉开齿打磨一体机，既可将竹片切割成型，又能自动打磨竹叉，工作效率和成品率高。整体而言，近年来，尤其是浙江、福建等企业单位对原竹快消品刀、叉、勺仿型机械的研制力度加大，涌现出大量连续化、自动化的加工机械，旨在加速推进原竹快消品的全产线发展，全力贯彻“以竹代塑”政策的实施。但是因为刀、叉、勺特殊的外形要求，仿型过程中容易出现毛刺仍是今后机械设备改进的重要方向。
2.1.2 竹吸管仿型机械
竹吸管分类较多，有缠绕式竹吸管、竹纤维竹吸管、原竹吸管，这里原竹快消品所表达的竹吸管是指原竹吸管，即采用小径竹钻孔得到的竹吸管。例如，宋文智设计的吸管成型机和浙江省林科院张建等提出的防霉防开裂竹质吸管制备方法，采用中间夹紧两侧钻孔的方式实现对竹吸管的加工，但两侧钻孔对加工同步度要求高，容易出现通孔不直、对孔偏差的问题。福建农林大学研制的一种竹吸管加工方法是利用小径竹中空的特性，采用一端夹持，另一端用外径与小径竹内径相适应的不锈钢通条对小径竹内的通孔进行贯通，以去除小径竹管内的竹髓和杂质，该方法虽然解决了通孔不直的问题，但由于小径竹竹管内径大小不一，且去除管内杂质不彻底，会导致产品品质下降。张宇兵等设计的一种食用竹吸管加工设备及工艺是通过2个电动推杆、2个挡块实现竹棒夹紧，单钻头钻孔能够解决通孔不直、内壁杂质不清和内径大小不一的问题。但是原竹吸管钻孔需要特异性夹具和精密性钻刀来保证吸管质量，现有的竹吸管加工机械很难同时满足这2个条件，这也是原竹吸管在与其他竹缠绕吸管竞争中处于劣势的原因。但智能化程度低、机械精密性较差、较为低端的问题自始至终困扰着整个竹材加工产业的发展，未来加工机械朝着更加智能化、精密化和高端化发展是必然趋势。
2.1.3 竹牙刷仿型机械
竹牙刷相较于其他原竹快消品发展较慢，主要原因是大众对牙刷的要求较高，竹牙刷还需在头部进行植毛工序，机械设备较为复杂。最初徐飞等研制的竹制牙刷刷柄热压成型机还是采用多个竹片胶粘之后热压仿型完成的，并非原竹竹片直接进行仿型。后来王涛和南京林业大学分别提出的一种可更换刷头的竹牙刷制作方法，采用原竹竹材进行加工，可更换的刷头具有环保、使用周期长等特点。蒋永良发明的圆柄竹牙刷自动雕铣机将原竹牙刷机械提升到了自动化层面，摆脱了原始的半机械化加工局面。浙江省林科院和安吉鸣竹竹制品公司最近正在研发的一种连续竹牙刷成型设备，可实现一次成型10个竹牙刷，目前设备正在生产试制中。
2.2 热压机械
热压机械主要应用于需要热弯的原竹快消品生产中，主要包括竹叉、竹刀和竹餐盒。竹勺和竹叉的热压装置结构比较单一，原因是其最优工艺和竹弯曲机理的研究不足，导致热压机械效率不高、连续性不强，后续可以对其多因素影响产品质量情况进行单因素试验，建立分析模型和评价体系，制定最优方案，进而对热压机械进行优化设计。
2.2.1 竹餐盒热压机械
由于竹餐盒特殊的结构形状，主要为竹纤维餐盒，采用模塑或者竹粉热压而成。竹粉的热压成型是直接将竹片粉碎成粒，添加一定量的助剂后混合搅拌，再热压成型。其加工热压设备研究比较匮乏，热压机多数与木粉热压等其他材料热压设备相同，一机多用。王道强等设计的餐盒加工模具可以在热压机上使用，针对竹餐盒指定形状进行模压成型。邓翔等研制的环保餐具自动化生产线包括竹餐盒热压设备，对竹餐具采用自动化生产线加工，降低了工人工作量，提高了生产效率和成品率。
2.2.2 竹质叉勺热压机械
竹勺和竹叉的热压部位和热压工序是相同的。传统的热压机需要工人手动上料，每分钟只能热压15支竹勺，安全性差、加工效率低；且只对竹勺头部进行热压的工艺容易造成竹勺色差，影响产品品质。毕也等设计的一种刀叉勺仿型设备，通过设置的平板冲裁装置和叉勺热压成型装置完成对竹勺连续仿型和热压，不再使用头部热压的方式，其优点是能够实现竹叉、勺的仿型、热压连续化加工，但是依然需要人工上料，且一次成型的数量大打折扣，单次只能连续成型3个竹勺。浙江省林科院紧密切合原竹快消品产业的发展趋势，研制出的竹勺、叉连续化自动成型设备采用多吸盘上料和整体往复热压的方法实现了连续化热压成型，相较于传统热压机生产效率提高了125%，产品使用性能更加优秀，目前该设备已经投入使用。
3 现存问题及发展趋势
与其他加工机械相比，原竹快消品产业是近些年才在我国迅速发展起来的，由于之前关于竹工机械的关注度较小，基础研究较差，其加工机械的研发跟不上发展的步伐。尚存在工艺路线单一、规律性生产不足、加工机械单机化明显、生产连续性差等问题，都是制约原竹快消品产业健康可持续发展的重要短板。虽然我国在原竹快消品机械加工设备上取得了一些突破和成果，但是整体来看还存在着诸多现实问题。
1）现有设备连续性不足。目前，在原竹快消品生产中虽然取得一些设备机械研制成果，使得整个加工过程中的机械化程度大幅增加。但是现有机械设备单机化程度高，机械化只存在单个工序，不能实现整个产线的连续化生产，导致生产效率低、次品率高。
2）原竹快消品市场产品认可度低。目前市场上存在的快速消费品大多以塑料和木材为主要原材料，业内对于竹制品的印象还停留在成本高、加工困难的阶段，限制了原竹快消品乃至竹制品推向更广泛的市场。
3）加工机械研发投入仍然不足。原竹快消品产业可持续绿色发展和加工机械的更新换代需要同步进行，但放眼全国，竹制品加工企业主要集中在浙江、安徽、湖南等地。相应的生产竹加工机械的企业更是凤毛麟角，存在企业集中度低、利润低、市场份额小，研发新产品的动力和研发资金投入严重不足等问题。缺少专门的研发机构和技术人才，使得整个原竹快消品连续化机械设备缺少核心技术和实验基地。
针对原竹快消品加工机械现存的问题，迫切需要社会各界，包括政府、企业、行业协会和科研院所统筹合作，高度重视并积极行动。
1）积极促进“以竹代塑”发展。原竹快消品行业受限的一大因素是市场上对于竹制品的认可度不高，主要还是依赖于塑料制品。但是伴随着“十四五”限塑令的发布，政府和相关部门应配合竹制品企业占据市场份额，加大科研财政投入，支持竹加工机械研发，优化原竹快消品加工工艺。积极响应“以竹代塑”政策，落到实处，加大对于竹制品加工企业的扶持力度。
2）提高加工机械的适用性。机械装备的适用性、连续性、高效性和自动化是时代发展的迫切需求，根据现有的原竹快消品机械设备，结合智能、数控和互联网等技术，研发多工序之间的连续化、信息化、高效化加工设备。原竹快消品加工机械要适用于不同原竹的尺寸规格和不同产品类型。完成加工机械化由单工序独立作业向多工序连续化、自动化生产的转变。
3）加强整条原竹快消品生产线的研发。原竹快消品产业应重点开展在原竹准备、生产成型和成品抛光阶段相互关联的加工机械研究，提高在产品成型阶段的设备自动化、连续化水平。解决机械加工对原竹快消品品质的影响和原竹本身特性对加工设备的限制，运用智能控制系统避免生产过程中出现的缺陷。
4）制定相关标准和保护条文。目前竹加工机械多数以自制和仿制为主，缺乏相关制造标准和管理条文，导致竹加工机械行业非常混乱，研发新设备的企业没有得到保护和优待，严重阻碍了整个竹加工机械的发展。政府和行业部门要协力共建一套完整的原竹快消品企业及行业标准，出台相关产权保护条文，规范竹加工企业的生产流程和工艺，让市场更好地接受原竹快消品，推动产品开发和市场推广。
