経常研究

佐賀県窯業技術センター 平成 30 年度 研究報告書・支援事業報告書

最新陶磁器デジタルデザイン技術の開発
副島 潔、古田祥知子、江口佳孝
佐賀県窯業技術センター
本研究は、従来取組んできた陶磁器デジタルデザイン技術の高度化を目的として取組んでいる。粉末積層増形式 3D プリンターを利用した、有田焼と同じ天草陶石粉末による陶磁器生地の直接造形技術について研究した。NC 切削による型制作技術の高度化にも取組み、工業製品としての高精度が要求される時計文字板の製作に協力した。デジタルデザイン技術の利点を生かした精密な表面彫刻を施した製品が数多く企画され、これらの実現に協力した。原型製作においても、3D プリンターを利用した方法と、NC 切削による方法の双方について研究した。

Development of Advanced Ceramics Digital Design Method
Kiyoshi SOEJIMA, Sachiko FURUTA, Yoshitaka EGUCHI
Saga Ceramics Research Laboratory
The purpose of this research is the advancement of the ceramics digital design method, which we workedon conventionally. We succeeded in direct molding of the ceramics body utilizing powdery laminating 3D
printer. Utilizing ceramics powder the same with Arita-ware. We started the study of the molding by theMaterial Extruding method. We worked on the advancement of the model production technology by theCNC milling, and cooperated with a watch dial plate which required high accuracy as industrialproduction. Also we cooperated many of development of products with high-detailed surface texture.
Additionally, we researched about master-model making method utilizing 3D printing and CNC milling.
1. はじめに当センターでは、陶磁器のデザインから製造に至るプ
ロセスに 3D デジタル技術を応用する研究を 30 年近く続けており、「陶磁器デジタルデザイン技術」として業界への普及を図ってきた。業界への認知も進み、2016 年の有田焼創業400年には非常に多くの新製品がデジタルデザイン技術を利用して開発された。本研究は、従来の陶磁器デジタルデザイン関連技術をさらに高度に発展させるために取組んだものである。
図 1 C3DPO:陶磁器ダイレクトプリントアウト技術の試作品．

2. 3D プリンターによる陶磁器製作技術の研究

ト技術(C3DPO: Ceramic 3D-Direct Print-Out)として、2.1 粉末固着式 3D プリンターによる直接成形技術

2016 年 3 月に発表した（図 1）。

3D プリンターにより製品を直接製造する手法は、Additive Manufacturing （AM:付加製造技術）として、金属当センターが取組んでいるのは、薄い層に伸展させたとプラスチックを材料とした製品では、ここ数年で急速に粉末に液体バインダーを噴霧して固着させる粉末固着方研究が進んだ。

式の 3D プリンターを利用したものである。2015 年に発表

当センターは陶磁器素材による 3D プリンティング技術した時点では、成形体を有田焼の主原料である天草陶石に関する研究の成果を、陶磁器 3D ダイレクトプリントアウの粉末により 3D プリンターで造形し、焼成して陶磁器を

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佐賀県窯業技術センター 平成 30 年度 研究報告書・支援事業報告書得るものであった。これ以降、天草陶土粉末や素焼粉末、また当センターと同様の方式である粉末固着法により、釉薬粉末等を利用した研究を続けていたが、残念ながら陶磁器造形を可能とする材料を、ノリタケが 2017 年6 月に

本報告時点では磁器化したものが得られていない。しかテスト販売した。（これは市販も見据えたものであったが、しながら磁器ほどの強度を必要としないのであれば、食その後市販には至っていない模様である。）

器としての利用も可能である。

愛知県窯業技術センターや長崎県窯業技術センター

当センターが実験に利用している 3D プリンターは米 Z

も3Dプリンターを利用した陶磁器生地製造技術の研究にCorporation 社（現在は 3D Systems 社に吸収されている）取組み始めた。

Z３１０である。この機種は既に製造中止であり、修理サポ

このように、セラミック系材料による 3D プリンティング技ートも終了している。

術は少しずつ広がりを見せている。当センターも継続して開発した 3D プリンティング技術の研究を続け、業界へ材料をはじめ周辺技術の熟成を続けているほか、技術をの普及へ繋げるには、バインダー固着型粉末積層造形活用できる造型機を検討している。

装置が必要である。
現在使用しているプリンターの開発元である 3DSystems

2.2 3D プリンターの原型利用

社は、2014 年上半期までに、陶磁器成形体をプリントアウ

陶磁器デジタルデザイン技術は、3D プリンターによるトできる 3D プリンター「CeraJet」を 10.000 ドルで発売する、造形品を原型として利用できないか、という研究からスタと発表したものの、その後現在まで、実際に発売されるこートした。3D プリンター造形品は等高線状の段差が残り、とはなかった。

原型として使用するためには、この段差を消すために研当センターは 3D プリンターそのものの開発を行ってい磨作業を行わなければならず、原型として利用することはないため、 CeraJet が計画通り安価に販売されれば、当推奨できない、という結論に至り、NC 切削により鋳込成型センターが開発した材料粉末と周辺技術により支援を行う用の型（主に捨て型）を直接加工する技法を研究し、迅速ことで、普及が進むと目論んでいたが、残念ながらその通かつ高精度な型製作が行えるようになった。現在最も利りにはならなかった。

用されているのは、鋳込型の NC 切削による制作である。

3DSystems 社は粉末式積層造型機の後継機種の開発一方で、NC 切削は加工に利用する刃物の長さに制限を行っていない模様である。XYZ プリンティング社（台湾）があり、垂直に近く高さが高い加工は難しい。例えばコッが同方式の 3D プリンターを発表したほか、KWAMBIO 社

プなどの型加工は制約があり、場合によっては一体で作（ウクライナ）もセラミックスの造形に特化した、同方式のることが出来ず、高さ方向で複数分割する必要が生じるこ

3D プリンターを販売している。とがある。また形状が複雑で分割した型加工を行わなけ

KWAMBIO 社のプリンターは比較的安価なこともあり、ればならない場合は、データ製作や型加工ともに非常に最も有望であるが、残念ながら現時点では日本で販売し時間がかかることもあり、原型を作り、型加工は手作業でておらず、今後の進展に期待したい。

行った方が時間とコストの面で有利な場合もある。原型製その他、工業・医療系セラミックスの分野では、内閣府

作は手加工では難しい場合が多いものの、原型からの型が主導した SIP （戦略的イノベーション創造プログラム）

加工は手作業で行うことはそれほど難しくなく、型加工専において、TOTO、ノリタケを含む森村グループがセラミ門業者の利用により、細分化された産地の業者を保全すックスの 3D プリンティング研究に取組み、SLS(Selectiveる意味からも、デジタルデザイン技術で原型を加工できなLaser Sintering)方式で構造用セラミックスを直接で造形でいかという要求が絶えない。

きる技術を開発した。

3D プリンター造形品特有の段差は、造形したい形状を

FormLabs 社（米）は光造形方式で安価で高性能な 3Dプリンターが造形できる加工高さで分割することにより生プリンターForm2 を販売していたが、2019 年にセラミックじるもので、理論的には加工高さが低くなれば段差が目造形材料の販売をアメリカ国内で開始した。

立たなくなる。従来はこの高さが 0.1 mm 程度の機種が多2

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佐賀県窯業技術センター 平成 30 年度 研究報告書・支援事業報告書数であったが、現在では0.015 mm程度の機種も市販されシリコンゴムを型の複製に使うことがあった。排泥鋳込でている。このような高精度の 3D プリンター造形品であれは、鋳込後の乾燥収縮を利用して、直径方向の 1%程度のば、原型としての利用も現実的なものになると考え、平成高さであれば、逆勾配がある形状でも一体で成型が可能

29 年度に KEYENCE 製 AGILISTA3200 を導入した。

である。このような場合に、シリコンゴムで造形した原型を本機はインクジェット方式であり、UV 硬化型樹脂をイン用意できれば、スムーズに型取りから成型まで行える。前

クジェットノズルから噴霧し、直後に UV 光を照射して硬化記の AGILISTA3200 はシリコンゴム系材料による造形がさせる方式のもので、高精細な造形が可能である。当セ可能であり、データから同材料で原型を出力し、鋳込用ンターが導入した機種は、通常のアクリル系プラスチックの型を作ることで、製品化に繋がった事例が数件ある。図のほか、シリコンゴム系材料でも造形が可能である。サポ

3 は、やま平窯による「Egg Shell」シリーズの一つで利用さート材は水溶性で、大まかに除去した後、水槽に数時間れた例である。

浸けておくことで除去できるため、容易に行える。
ここ数年、デジタルデザイン技術を利用した新製品開発が一般化したことも関係し、表面に微細な彫刻を施したものが多数企画されるようになった。皿や碗類であれば、NC 切削による型製作のメリットを最大限に活かすことができるが、コップの側面にも同様に彫刻を施したいという要望も多くなった。
新規導入した 3D プリンターの高精細さを活かして、陶磁器型製作の原型に利用することを検討した。大きさは機械の造形可能領域に制限されるものの、高さ方向の制約が無いため、コップなど高さが高いものでは利点がある。

図 3 インクジェット式 3D プリンターによる原型（左）と試作品（右）.

厳密には NC 切削による原型製作のほうが、精度や表面の平滑さで優れているが、前記のように NC 加工が難しい、

3. NC 切削による型製作の高度化高さが高く垂直に近い造形品の場合には、有力な代替案

NC 切削における原型・型製作においても高度化に取となりうる。このような背景から、実際の製品化で利用され組んだ。以下に主な事例を紹介する。

た。 オ ラ ン ダ 人デ ザイ ナー Tijmen Smeulders に よ る「UTSUÀ（うつわ）」を一例に挙げる（図 2）。

3.1 5 軸制御モデリングマシンによる切削加工技術

またコップ等の成型は、排泥鋳込により行われる場合も

平成 27 年度に 5 軸制御モデリングマシン（マシニング多い。表面に彫刻が施されている場合には、従来からもセンタ）DMG 森精機製 DMU60monoBlock を導入し、型製作高度化の研究に取組んだ。これまで NC 切削による型製作技術の研究に利用してきたモデリングマシン（マシニングセンタ）は左右（X 軸）前後（Y 軸）上下（Z 軸）の 3 軸制御であり、刃物を保持して回転させる主軸は切削対象に対して上下方向に動き、逆勾配（アンダーカット）部の加工は行えない。5 軸制御加工機は、種々の方式があるが、当センターが導入した DMU60 は上記 XYZ 軸に加え、テーブルの回転（C 軸）と主軸のチルト(B 軸)が加わったもので、傾斜ヘッド回転テーブル型と呼ばれる。加工領域

図 2 UTSUÀ（うつわ） Tijmen Smeulders.

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佐賀県窯業技術センター 平成 30 年度 研究報告書・支援事業報告書を受けた「しん窯」が大手時計メーカーであるセイコーウ
ォッチ株式会社の委託を受け文字盤を製造するものである。デジタルデザイン技術を利用した型製作は、従来の手作業によるものにくらべ、遥かに高精度で行えることが大きなメリットの一つであるが、通常の陶磁器は寸法精度の要求はそれほど大きくなく、要求が厳しいものでも ±0.2 mm 程度であった。これに対し時計文字盤は、従来の製品を遥かに超える 0.01 mm 単位の精度が求められた。
また製作された 2 つのモデルのうちクロノグラは文字盤内

図 4 5 軸制御モデリングマシンによる切削加工の様子．に部分的に凹面があるが、このような凹面は琺瑯や漆なはφ560 mm、高さ 560 mm で 24 本の ATC を備える。テ

どの伝統工芸要素による文字盤では実現が困難であり、ーブルは回転するものの水平状態を保つため、テーブ磁器素材の独自性が感じられるものである。従来のデジ

ルが傾斜するトラニオン型と比べ、材料の固定は相対的タルデザイン技術ではこの精度の実現は困難だったが、に弱い力でも可能である。固定には MATRIX 社（独）

切削加工材料の固定方法、粗取りから中仕上げ・仕上げXCLAMP を使用している。想定以上に習熟に時間を要し、に至るまでの切削加工条件の最適化、材料調整、型によコップ原型の試作を行ったものの、現時点では特記できる成型回数上限の設定、焼成条件の最適化等、様々な条る成果を得るには至らなかった。前述のようにコップなど 3件を高度に管理することにより、要求された精度を達成で軸加工機が苦手とする高さが高いものでメリットが発揮できた。この腕時計は 2019 年3 月にプレスリリースが行われ、きるはずであり、今後も継続して研究を続け、高度化に取同年 9 月から販売開始予定である。

組む計画である。

3.3 NC 切削による原型製作の新技法

3.2 高精度な型製作

従来の手作業では製品形状と同一で乾燥・焼成収縮

デジタルデザイン技術の普及により、表面に微細な彫分を拡大した「原型」が不可欠だった。この原型を元に型刻を施した製品が数多く企画されるようになってきたほか、取りし、テスト成型を行い量産型の原型となる「捨て型」を製品の寸法精度が向上したことで、異素材と組み合わせ作り、量産型を反復生産するための「ケース型」」を作るのる製品も企画されるようになり、相応に要求も高度になっが基本的な型製作のプロセスである。NC 切削では原型てきている。

をスキップして捨て型を作ることで最も効率化が図れるた

当センターが開発した世界最高強度磁器素材 1)を文字め、捨て型を加工することが多いが、原型に手加工を加盤に使った腕時計が企画された。当素材の特許実施許諾

えたいなど、後工程の都合により原型を加工する場合もある。原型を NC 加工するためには、片面を加工した後に反転させて、残る片面を加工する必要があるが、位置合わせを正確に行うため、原型を囲う枠を用意し、部分的に原型と繋いでおき、加工後に繋いだ部分を切断し、切断面を手加工で仕上げる、という工程で行っていた。この切断面を手加工で仕上げる際の不正確さ、切削加工面と手作業仕上げ面の違和感が問題であった。
この問題を回避するため、枠と原型部分を独立させて

図 5 SEIKO プレサージュ プレステージライン 有田焼モデル（提供：セイコーウォッチ株式会社）．

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おき、片面加工後に枠と原型の隙間を他の材料で仮固定しておき、両面を加工後、枠と仮固定部を取り外すことで、手加工を極力省き、きれいな原型を得る技法が、他の工業分野での試作加工で行われている。これを参考に、陶磁器への応用を試みた。
具体的には、石膏を加工する場合、石膏の強度や60 ℃以上の温度で分解してしまう特性に配慮し、仮固定に使える適切な素材を探した。
結論として、50 ℃以下で溶融する低融点パラフィンワ

図 7 ホンダ NSX 有田焼磁器模型（彩色版）．

ックスを使用することで、満足な結果が得られた。 （図 6）
4. おわりに
本研究は、平成 26 年度〜30 年度の 5 カ年間取組んだものである。この間、平成 28 年（西暦 2016 年）は、当センターが所在する佐賀県有田町で焼かれる有田焼が、日本で磁器を最初に焼いてから 400 周年を迎える記念すべき年であり、佐賀県も多くのプロジェクトを実施したが、プロジェクトに関連して開発された多くの商品で陶磁器デジタルデザイン技術が利用された。当センターは従来の技術に加え、研究途上の最新技術も投入して支援を行った。
本技術を利用しなければ実現できなかった製品も数多くある。

図 6 両面切削による原型の試作．

陶磁器デジタルデザイン技術の有効性は業界に広く浸透し、有田焼創業 400 年を過ぎてもなお、多くの製品開3.4 デジタルデザイン技術の高度化具体例〜

発に利用されている。平成 30 年末には、新たに 2 社がモNSX 磁器模型デリングマシンを導入した。

株式会社本田技術研究所から同社の新型スポーツカ

本技術の発展と業界への普及は一定の成果を挙げてーNSX の実車外装データの提供を受け、2016 年3 月からいると考えており、従来の技術とさらに高度化した技術を有田焼模型の実現に取組んだプロジェクトである。2016

組み合わせ、今後もさらなる普及が見込まれる。当センタ

年末時点では白磁の完成品を発表していたが 2)、実車にーは本研究終了後も、この技術の高度化に関する研究と、準じた彩色を施した模型（図 7）を製作した。2016 年時点

業界への技術普及・啓蒙活動を継続していく予定である。

では細いホイール部が通常の成型では困難で、前述のC3DPO 技術で製作したものを使っていたが、実車のシャープな印象にそぐわないものであったため、圧力鋳込成

参考文献

型による生地製作を成功させ、最終的には置き換えること

1) 蒲地伸明他，佐賀県窯業技術センター平成 28 年度研が出来た。ボディ色は赤•白•濃青の 3 色で製作した。彩色

究報告書, 1-4 (2017)

は、赤・濃青は上絵によるもので、マスキングによる塗分

2） 副島 潔他，佐賀県窯業技術センター平成 28 年度研けを行ったほか、転写技術も利用し、5～10 回の焼成を行究報告書, 5-12 (2017)った。赤色のものは 2019 年 3 月現在、佐賀県庁 1 階県民ホールで展示している。

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