杉板材のレーザー彫刻加工に関する基礎的研究
A Basic Study on Laser Engraving of Japanese Cedar○東郷 拓真*1，安江 玲於*2，満田 衛資*3
Takuma TOGO＊1, Reo YASUE＊2 and Eisuke MITSUDA＊3*1 京都工芸繊維大学大学院

博士後期課程修士（工学）

Doctoral Programs, Kyoto Institute of Technology, M. Eng.
*2 京都工芸繊維大学大学院

博士前期課程Graduate Student, Kyoto Institute of Technology*3 京都工芸繊維大学教授

博士（工学）

Prof., Kyoto Institute of Technology, Dr. Eng.

キーワード：木質材料; 炭酸ガスレーザー; デジタルファブリケーション
Keywords: Wood-based material; CO2 laser; Digital fabrication.

プラスチックでの利用も進んでいる 1), 2)が、図 1 のように

1. はじめに
京都工芸繊維大学では、武田五一設計の和楽庵を学内に出力により深度をコントロールするレーザー彫刻は事例

移築し新たな保存再生の手法を探る学域横断型プロジェが少ない。また、建築の外装材の彫刻に用いた例は現時点クトが進行している。移築前の和楽庵の外装にはヘリンボでは見つかっていない。今回は、製造業などで一般的に用ーン柄のなぐり板（木板に手斧による彫刻を施したもの）いられる炭酸ガスレーザー機器を使用し、建材として流通が使用されていたが、寸法が移築後の形状に合わないものしている杉板材に彫刻を施す。木材の比重が軽いほど炭酸や劣化の酷いものがあり、一部を再製作する必要があるこ

ガスレーザーによる加工性が良い 2)ことと、建築材料としとが分かった。このヘリンボーン柄は立体的な凹凸で表現ての経済性を考慮すると、日本国内においては杉板材が適されており、当時の加工方法についても資料が見つかってしていると考えた。

いない。専用の治具を用いていたと推測されるが、その治なぐり板の立体的な意匠を図 2 のようにグレースケール具も含めて再現すると費用や手間が増大する。この問題をの画像で表現し、機器に入力することで彫刻する。黒が深解決するため、本論では、なぐり板のように立体的な形状く掘る部分で、レーザーの出力が大きいことを示す。使用を持つ外装材をレーザー彫刻により製作する手法を提案

機材は京都工芸繊維大学が所有する NOVA14-P13 とした。

する。

この場合、1100mm×190mm の大きさの板を 1 枚あたり 1時間ほどで加工できた。これと同様のなぐり板を手作業で

2. レーザー彫刻による木板の加工実験
旧来、レーザー加工技術は金属の分野で盛んで、木材や加工したところ、ルータ用の治具を製作した上で事前に練習を重ねれば、1 枚あたり 20 分ほどで加工できることが分

図 1 杉板のレーザー加工実験

図 2 レーザー加工によるヘリンボーン柄の彫刻（出力を 0%～99%まで変化）（左：入力する画像データ、右：加工中の様子）

日本建築学会情報システム技術委員会
第 44 回情報･システム･利用･技術シンポジウム論文集， 547-550 ， 2021 年 12 月，京都
Proceedings of the 44th Symposium on Computer Technology of Information ，Systems and Applications ， AIJ ， 547-550 ， Dec. ， 2021 ， Kyoto－ 547 －

かった。加工時間は手作業の方が短時間で済むものの、形る。レーザーで加熱処理した試験体は 3 種類とし、それぞ状に応じた治具の製作が必要であることと、仕上がりの精れ走査速度を 200、400、800（mm/s）と変化させた（L2、度が作業者に依存することを考慮すると、レーザー彫刻のL4、L8）。スピードが遅いとより多くの熱量が入射するた方が汎用性は高いと考えられる。

め、炭化の程度も大きくなる。Y は、焼杉の製作経験をもこの他に、手加工との差異として以下の 4 点が確認でき

つ工務店が、バーナー（火炎約 1400 度、約 20 分加熱）にた。1) 繊維の固い部分（晩材）が残留するため、木材特有より焼杉を模して加工した試験体である。の木目が目立つ。2) レーザーの加熱によって表層が炭化3.2. 防蟻性能試験し、古材の色合いに近いものになる。3) 機器の設定（後述）

試験方法は JIS K1571 に準拠し、京都大学生存圏研究所により炭化の程度をコントロールできる。4) 加工データで育成した白蟻を使用した。試験数を 3 とし、それぞれにを保存しておけば、将来にわたり同様の形状の再現が可能

職蟻 150 匹と兵蟻 15 匹を入れ、適切に温湿度管理されたとなる。

部屋に 21 日静置した（図 4)。試験前と後にそれぞれ 48 時間乾燥させた時の質量を計測し、その減少率により防蟻性

3. 耐久性試験を評価する。

3.1. 試験体について計測した質量減少率の一覧を図 5 に示す。各試験体の質

一般に、外装材には耐久性、防火性、施工性など様々な量減少率を比較すると、C・L2・L4 は平均で 3～4%しか質性能が要求される。今回製作するなぐり板も外気に曝され量が減少しなかったのに対し、Y では平均で 9%、最大でる箇所であるため、京都大学生存圏研究所の吉村剛教授の15%の減少が確認できた。また、L8 では平均で 10%、最大協力のもと、防腐性能および防蟻性能についての実験を実で 15%の減少が確認できた。死虫率（職蟻の総数に対する施した。

死亡数の割合）の平均は、全ての試験グループにおいて 18

本試験では、レーザーにより加熱処理を施した木材の耐～22%と、各試験グループ間で大きな差は見られなかった。

久性を、非加熱処理材および焼杉と比較する。焼杉は、同殺蟻成分を含む材料の防蟻性能試験では、死虫率が 50～

じく木板を炭化させた外装材であり、その耐久性・防火性100%となることが多いことから、各試験体に目立った殺に関する研究が複数存在する 3), 4)。また、既往の研究によ蟻牲の効果は確認できないといえる。

るとレーザーによる炭化の程度は主にレーザー照射口の以上より、Y および L8 で食害が大きくなった一方で、走査速度に依存するため 2)、走査速度を変数とした試験体死虫率に顕著な差は見られなかった。既往の研究により、を用意し、耐久性との関係を調べる。

檜のような高耐久の樹種の抽出成分には殺蟻牲分が含ま試験体の一覧を表 1 および図 3 に示す。建材として流通れ、比較的耐久性が低いとされる杉には図 6 に示すようなしている材と比較するため、人工乾燥をかけた杉板から試摂食阻害物質（テルペンやノルリグナン）が含まれること験体を製作した。C は一切加熱処理を施さない試験体であが明らかにされている 5)。このことから、今回の試験では
C

表 1 試験体一覧
試験体

材質

人工乾燥

加熱加工

エポキシ樹脂による保護C

杉済

無有Y

杉済

バーナー

有

L2

杉済レーザー（強）

有L4

杉済レーザー（中）有L8

杉済レーザー（弱）

有S

杉

無無無Y

L2L4L8図 3 試験体の写真（実験前）10%

質量減少率（平均）HO5%

報告 H106

OHOH0%

図 4 防蟻性能試験OHOH: ヒドロキシ基CY

L2（強）

L4（中）

図 5 防蟻性能試験結果

L8（弱）図 6 杉の抽出成分の一例－ 548 －

加熱量・手法による木材由来の摂食阻害物質の増減が結果に差が出ると考えられる。に影響したと推測できる。
3.3. 防腐性能試験

4.主要成分の変化の考察

JIS K1571 に準拠し、防腐性能試験を実施した。腐朽菌

4.1. 表層の炭化は、事前に培養したカワラタケ（白色腐朽菌、以後 COV）

顕微鏡により未使用の試験体表面を拡大した写真を図 9とオオウズラタケ（褐色腐朽菌、以後 TYP）の 2 種類としに示す。最も強くレーザー加工した L2 では幅 200m 以上た。滅菌処理をした試験片をシャーレに 3 個ずつ置き、温の縞状の緻密な炭化（黒色の部分）が確認できる一方で、湿度管理されている部屋で 42 日静置した（図 7）。

L4 や L8 では炭化の範囲が減少していることが分かる。Y期間後に取り出したところ、ほぼ全ての試験体で COV・（工務店によるバーナー加工）では面状の炭化が確認できTYP ともに質量減少率が 0%となった。本試験体はエポキたものの、場所によって薄茶色・白色の部分が確認でき、シ樹脂で一面以外保護しており木口が露出していないた

炭化の程度にばらつきが見られる。
一般に、レーザー加工には表 2 に示すように熱加工と非め、腐朽菌が繁殖しにくい環境だったと考えられる。
次に、試験時の状況を再現し、各試験体の含水率を測定熱加工（アブレーション）の 2 種類が含まれる。熱加工でした（図 8）。C 以外の試験体は含水率が 30%未満に留まっは加工面が熱により融解・気化するのに対し、非熱加工でており、その中でも L2 の含水率が最も低いことが分かる。

はレーザーのエネルギーにより加工面の原子間結合が切含水率が繊維飽和点を超えると繊維内に自由水が増え始れて物質が飛散する。熱加工と非熱加工の比率は、レーザめるため、腐朽菌が木材内部まで繁殖する条件は含水率ーのパルス幅の設定により調整することができる。木材の25%以上とされている。今回の結果では L2 のみ含水率が場合、熱加工により炭化が進み、非熱加工により結合の切25%を下回っていることが確認できた。以上から、実験でれやすい成分が除去され彫刻加工が実現できていると考は腐朽による質量減少は確認されなかったが、より長期間えられる。
図 10 に、焼杉およびレーザー加工した木材の断面モデ静置することで、加工方法・走査速度により腐朽菌の繁殖

40%25%以上で繊維内に自由水が増え、腐朽菌が繁殖する

含水率

30%

20%

10%0%
C（無処理） Y（工務店）

図 7 シャーレ内での菌の繁殖

Y

200m

L2（強）

L4（中）

L8（弱）

図 8 腐朽試験時の含水率

L2200m

L4L8200m

図 9 試験体の拡大写真

表 2 レーザー加工の熱加工と非熱加工

熱加工
非熱加工

照射箇所周辺レーザー波長

パルス幅

主に赤外線

長い大きい

短い

小さい

材料の吸収特性によるへの熱影響

図 10 加工方法による断面方向の熱変化の違い（仮説）報告 H106－ 549 －ル（想定）を示す。焼杉については、文献 4)に示されてい・ 実験では加熱処理による防腐性能の差は確認できなる三層モデルを参照した。文献では、焼杉の炭化層の下に、かったが、その含水率を計測したところ最も強くレーザー主要成分の熱分解が開始した受熱層があると仮定してい加工した試験体のみ腐朽菌の繁殖の基準である 25%を下る。レーザー加工が周辺への熱影響の少ない非熱加工も含回った。

んでいることを考慮すると、図 10 右側に示すように、レ・ 今後はレーザー加工による炭化の深さや、抽出成分

ーザー加工した木材では焼杉に比べ受熱層の範囲が狭い（テルペンやノルリグナン）の増減に着目し、FTIR や XPSと考えられる。現在、レーザー彫刻加工を施した材の断面により考察を進める。

を観察し、各層の厚さの調査を進めている。
4.2. 抽出成分なお、本論で述べたレーザー加工によるなぐり板は、和図 9 の L2 や L4 では表面に光沢が確認できる。炭化した楽庵移築工事において一部の外壁に実装された（図 11）。

木繊維はこのような反射率を持たないことから、これは木実験的な取り組みとして、塗料や防腐剤の散布なしで施工材の抽出成分による反射と考えられる。杉材の抽出成分にしており、竣工後は外気に曝すことによる経年変化を観察

は、テルペンやノルリグナンといった生体成分が含まれてする。

おり、防腐性や、先述のような白蟻への摂食阻害性が確認されている 5), 6)。
また、これらの一部は図 6 のように親水性のヒドロキシ［参考文献］
1） Barbara A. Fogarty, Kathleen E. Hepper, Theodore J.
7)
Cory, Kalonie R. Hulbutta, R. Scott Martin and Susan
告も複数存在する 。今回用いた炭酸ガスレーザーは赤外
M. Lunte: Rapid fabrication of poly(dimethylsiloxane)
線領域の周波数を持ち、水分と特に反応しやすいことから、-based microchip capillary electrophoresis devices
テルペンあるいはノルリグナンの移動や増減が今回の試
using CO2laser ablation, The Royal Society ofChemistry, vol.130, pp.924-930, 2005.
験結果にも影響を与えたと推測できる。
2） 北田良二：炭酸ガスレーザを用いた木材の加工特性評価 －今後の研究で、FTIR や XPS などによる木材表面の成分
各種木材のレーザ切断およびレーザ彫刻－，崇城大学紀要分析を進めていくことで、レーザー加工を施した木材の材
vol.43，pp.199-214，2018.03.
質の変化を更に解明していく。
3） 秋月通孝，長谷見雄二，大西卓：伝統的木質系材料の燃焼発熱性状(防火)，日本建築学会研究報告集 I，
pp.309-312, 2001.
4） 岡村健太郎，安井昇，加來千紘，腰原幹雄，今本啓一，大島5. まとめ
耕平：焼杉に関する研究―性能評価と普及に向けたフィジビ
・ 和楽庵の外壁の再生にあたり、レーザー加工機の彫刻リティスタディ―，住総研研究論文集・実践研究報告集
No.44, pp.13-24，2017.
機能を用いて、立体的な凹凸を持つなぐり板を製作し、そ5） 澁谷栄，小幡谷英一，花田健介，土居修一：高温乾燥によるの造形における特徴を示した。
スギ材心材抽出成分の量的変動，木材保存，32 巻，5 号，・ 防蟻性試験の結果から、市販の杉板は一定の防蟻性能
pp.196-202，2006.
を有しており、加熱によって一度は性能が落ちるが、更に
6） 今井貴規：心材形成の化学，木材学会誌，58 巻，1 号，pp.1122，2012.
加熱を続けるとまた防蟻性能が復活することが分かった。
7） 奥田拓，中川敏法，村野朋哉，三好悠，亀井裕人，佐々木隆
死虫率から、杉に含まれる摂食阻害物質の量的変動が影響
雄，三枝康弘，和田善行，湊俊司，阪井彰一，千里泰三，藤したと考えられる。
本登留，清水邦義：乾燥処理がスギ板材の抽出成分に与える影響，木材学会誌，63 巻，5 号，pp.204-213，2017.

基を多く含んでおり、乾燥や熱による量的変動に関する報図 11 レーザー彫刻加工によるなぐり板の実装

報告 H106－ 550 －