技術資料

山口県産業技術センター

研究報告No.29 p35-39 (2017)35

3D ものづくり技術による文化財の複製品製作
松田晋幸＊・永田正道＊2・村川 収＊3

A Study on Replica of Cultural Property by 3D manufacturing Technology
Nobuyuki Matsuda，Masamichi Nagata and Osamu Murakawa
１．緒

言

表1

金銅鰐口(原品)の諸元

近年は 3D プリンター，3D スキャナー，3D-CAD など，も大きさ

最大直径約 16cm 最大厚み 4.3cmのづくりの現場においては 3D ものづくり技術を活用した重さ1718.41g(奈良国立博物館調べ)

ものづくりの高度化が急速に進んでいる．このような中で，材質青銅製(金メッキ後に文字を彫刻)

山口県産業技術センターでは県内企業の 3D ものづくり技仕上げ

金メッキ仕上げ(推定)術の向上・普及を目的とした「やまぐち 3D ものづくり研

３．製作方法について究会」を立ち上げ，県内企業の 3D ものづくり技術に対するニーズ調査およびニーズを解決する技術の研究開発を３．１行ってきた．このような活動を行う中で 3D ものづくり技重要文化財である「金銅鰐口」を博物館外へ持ち出すこ

形状測定方法術を活用した文化財の複製品製作に対するニーズが提案とは困難であるため，当センター所有のハンディ型 3D ス

され，3D ものづくり技術の新たな分野での活用事例としキャナー(Creaform，Inc．
製HandySCAN700)を博物館に持ち込み，て取り組むこととした．

形状計測を行った．表 2 に 3D スキャナーの諸元を示す．

本研究では実際に文化財の複製品製作作業を通じて，必使用した 3D スキャナーでは図 2 に示すポジショニング要な技術を習得し，これら技術を県内企業へ普及することターゲットを認識することで，様々な角度から測定した形で 3D ものづくり技術を活用した新たな事業分野の創造を状データをつなぎ合わせることが可能となっている．本測目的としている．

定では測定対象物にポジショニングターゲットを貼付することができないため，予めターゲットシールを貼付した

２．重要文化財「金銅鰐口」についてポジショニングターゲットシート（以下ターゲットシート1)」はと称す）を作成し，対象物をそのシートの上に乗せて測定

1254 年頃(建長 6 年)に月輪山円政寺天神宮(現在の山口市を行った．尚ターゲットシートはターゲット以外のものがに建立)寄進されたものである．刻印された「山口」の文

測定されないように黒色のシートにターゲットシールを字は確認できる最古の「山口」の地名を記した貴重な文化貼付している．図 2 にターゲットシート上に測定対象物を財の一つである．円政寺天神宮はその後，毛利氏とともに乗せた状況を示す．形状測定は鰐口の表裏を別々に測定し，現在の萩市へ移転し，明治には神仏分離令によって円政寺ソフトウェア上で両面を結合した．

複製品製作の対象である重要文化財「金銅鰐口と多越神社に分離している．重要文化財「金銅鰐口」は，その間に遺失し，現在は奈良国立博物館の収蔵品となっている．図 1 に金銅鰐口の写真を，表 1 に鰐口の諸元を示す．

図1*表2

ハンディ型 3D スキャナーの諸元方式

非接触レーザー方式

連続スキャン範囲

0.1m～4m

解像度

0.05mm

容積精度0.02mm+0.06mm/m

重要文化財「金銅鰐口」

企業支援部デザイングループ*2 企業支援部加工技術グループ*3 企業支援部設計制御グループ

図2

ターゲットシート上に測定対象物を乗せた状況

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山口県産業技術センター

３・２

研究報告

No.29 (2017)

CAD データの作成

リバースエンジニアリングソフト(3DSystems，Inc．製
Geomagic Design X)を利用し，以下の手順により CAD デー
タを作成した．
①

測定データ（STL）の結合②

測定データの不良箇所の修正③

測定データから CAD データを生成④

彫刻文字の形状データの復元
図3

３・３

鰐口の形状測定の状況

樹脂 3D プリンターによる造形

３・３・１

造形姿勢の検討

樹脂 3D プリンターは最下層より 1 層ずつモデル材を積

４・２

CAD データの作成

４・２・１

測定データの結合層していく方法のため，形状によってはモデル材を支える

鰐口の表と裏のデータで共通する部分(表と裏の双方でためのサポート材が必要となる．鰐口表面に彫刻された文測定出来ている箇所)を元にし，大まかなデータ結合を行

字の再現性や内部の空洞部の研磨や塗装などの仕上げ処ったのち，ベストフィット処理および手動による微調整を理のし易さを考慮して造形姿勢の検討を行った．

行った．図 4 に結合作業の状況を示す．

３・３・２

仕上げ処理の検討

奈良国立博物館の情報によれば，原品が製造された当時は銅製の本体に金メッキが施されていた 2)．そこで，複製品についても原品の製造当時の状態を再現するための仕上げ処理の方法について検討した．
３・４

金属積層造形機による造形

３・４・１

青銅の造形条件の検討

図4

形状データの結合作業状況

原品と同じ材質である青銅での鰐口の複製品の造形を試みた．青銅材料は当センターの所有する金属 3D プリン

４・２・２ター(Concept Laser GmbH 製 M2 Cusing)の標準材料では無い

測定不良によって空いた穴を埋める作業を行い，形状がため，新たに最適な造形条件を探索する必要がある．

測定データの不良箇所の修正

不明確な部分については図 5 に示すように対象形状部分

本検討では，対象となる造形物を支持するのに十分な強から反転コピー等を行って形状を復元した．また，測定デ度を有するサポートの作成について，レーザー出力とレーータ(測定した座標点)が多いため，データ数を削減するこ

ザー走査速度を変化させて造形可能な条件を絞り込んだ．とで，後工程での処理時間の短縮を図るとともに形状測定

３・４・２

造形姿勢の検討

金属積層造形では，仕上がりや機械的特性などの造形品では正確な測定ができなかった彫刻文字部分については，
図 6 に示すように一旦，形状データから消去した．

質や造形時間，後加工の容易さなど造形物への要求事項に応じて適した造形姿勢が異なる．鰐口の複製品を造形するにあたり，本造形では造形の可否および鰐口の表面に彫刻逆側の形状を反転コピーされた文字の再現性に着目し，造形姿勢の事前検討を行っして結合た．尚，造形姿勢の検討は作業効率化のため，1/2 スケー
ルかつ片面のみのデータを用いて行った．
４．製作結果
４・１

形状測定

図5

形状復元作業

測定の結果，全体の形状については問題無く測定が可能であったが，表面に彫刻された文字については，彫りの深さが浅く 3D スキャナーでは十分な測定が出来なかった．
そのため彫刻文字については画像データを元に形状を復元する方法を検討するため，デジタルカメラにより撮影を行った．図 3 に形状測定の状況を示す．

図6

彫刻文字形状データの消去3Dものづくり技術による文化財の複製品製作
４・２・３

測定データから CAD データの生成

４・３

当初 はソフトウェ アの面データ 作成機能を利 用した自37

樹脂 3D プリンターによる造形

４・３・１

造形姿勢

動での CAD データの生成を想定していたが，形状の欠落や前述までに作成した CAD データをそのまま造形した場再現性が低いなどの問題があり，補助線の描画を手作業で合，3D プリンターの造形の仕組み上，内部の空洞部分に試行錯誤することで解決した．図 7 に CAD データの生成工

サポート材が充填され，また表裏のどちらかの面(文字が程を示す．

彫刻された面)にもサポート材が付着し，サポート材の除内部の空洞部分については 3D スキャナーでは内部形状去作業が増大するほか，サポート材の取り残しの結果，彫は測定出来ないため，原品の重量と材質の比重から 3D-CAD刻された文字の再現性の低下が懸念される．そのため，図の質量計算機能にて質量を確認しながら内部空洞の形状

10 の様に CAD データを 2 分割し，図 11 の様な姿勢で造形を作成した．図 8 に完成した CAD データを示す．

することにした．これにより，文字彫刻部にサポート材が付着せず，かつ空洞部のサポート材を容易に除去することが出来る．

文字が彫刻された面(1)特徴形状の抽出 (2)補助線の描画 (3)自由曲面パッチの生成
サポート材

図 10

データの分割

４・３・２

造形姿勢

仕上げ処理

2 分割して造形することにより，それぞれのパーツにつ(4)生成した CAD データ

図7

図 11

積層方向

CAD データの生成工程

いて研磨と空洞部を塗装した後にプラチック用接着剤を用いて，貼り合わせた．図 12 に工程を示す．原品が製作された当時を再現するため，研磨の後，金メッキ調の塗装を施した．文字部分については，原品は金メッキ後に彫刻したと思われることから，文字部分は青銅がさびていたと想定した．そこで複製品については金メッキ塗装後に文字部に墨入れを行った．図 13 に完成した複製品を示す．

(1)外観
図8(2)内部構造完成した CAD データ(文字部は除く)

４・２・４

彫刻文字の形状データの復元(1)研磨

鰐口表面の彫刻文字については 3D スキャナーでは測定

(2)塗装
図 12

(3)貼り合わせ仕上げ工程出来なかったため，デジタルカメラで撮影した画像から文字の輪郭をトレースすることで形状を生成した．
尚，文字の輪郭トレースおよび輪郭形状を基にした文字の 3D データの生成は 3D-CAD(SolidWorks)上で行った．
図 9 に彫刻文字の復元作業の流れを示す．

(1)文字輪郭のトレース
図9(2)CAD データへの彫込み(3)完成

彫刻文字の形状データの復元作業の流れ

図 13

金銅鰐口の複製(樹脂製)の完成品

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山口県産業技術センター

４・４

研究報告

No.29 (2017)

金属積層造形機による造形

４・４・１

表3

青銅の造形条件

造形姿勢による造形結果

造形⽅向

⽔平垂直傾⾓（45°）

造形 条件 の 検討 に 使用 し た造 形 形状 は ，15×15×厚さ

造形不良

○

○

○

1mm のモデルの底面を，高さ 3mm のサポートで保持するも⽂字の再現性

×（積層段で⽂字が潰れる）

○

○

造形時間

○（５時間）△（９時間）△（９時間）

後加⼯

×（サポートが⼤量）○△（サポートが多い）のとした．
本検 討でレーザー 出力とレーザ ー走査速度を 変化させて造形した結果を図 14 に示す．条件が適当でない場合に造形物

は，金属粉末の溶融不良により造形物が形成されないものや，造形時に生じるひずみによってモデル部が変形してい

４・４・３

金属積層造形機の実寸大モデルの造形るのがわかる．これらの結果からレーザー出力と走査速度事前検討の結果を基に実寸大の造形を行った．サポートとの関係をまとめたものを図 15 に示す．レーザー出力が部 の 造 形 条 件 は レ ー ザ ー 出 力 250[W] ， 走 査 速 度

高い又は走査速度の遅い場合，つまりエネルギー密度(単1000[mm/s]とした． 図 16 に造形直後のモデルの状態，図位体積あたりの投入エネルギー量)が高い領域では，サポ

17 に青銅製「金銅鰐口」の複製完成品を示す．造形時はートとして十分な保持力を得られていることがわかる．まひずみ等による造形不良はなく，造形物の文字の再現性もたモデルの形状や姿勢によって，造形時に生じるひずみは良好であった．青銅製の複製品については，原品と同じ材変化するため，対象とするモデルに応じた造形条件の選定料である青銅の質感を重視し，塗装等の後加工は行わず研が必要となる．

磨のみとした．尚，内部空洞部の一部にサポート材が残留したため，最終的な重量は原品より重く 1780g となった．

(1)造形機から取出しの様子
図 16
図 14(2)造形直後の状態

造形直後のモデルの状態

造形条件の検討状況

400

レーザー出力[W]350(2)上部側面

300
250200適当

150不適当(1)前面

100

図 1750005001000

15002000

図 15

造形条件と造形可否の関係

金銅鰐口の複製(青銅製)の完成品
５．結2500

走査速度[mm/s](3)左部側面言

今回の取り組みの結果，既存物から CAD データを生成する作業，いわゆるリバースエンジニアリングの技術から
3D プリンターの特徴を考慮した造形まで，3D ものづくり

４・４・２

造形姿勢の検討の技術全般について習得・向上ができた．

表 3 に造形姿勢による造形結果を示す．各造形姿勢にお今回，製作した金銅鰐口の複製品については，金銅鰐口

いてひずみ等による造形不良は見られなかった．モデル，にゆかりのある神社やお寺の他，博物館での公開もあり，サポート供に造形条件は適正であると考えられる．プレー

3D ものづくり技術に関心のある県内企業だけでなく，一トに対して水平方向に配置したモデルの造形は積層痕が般の方にも大きな関心を持って頂くことができた．今後は顕著に見られ文字が積層痕によりつぶれていた．45°傾角

これらの技術が教育・文化に関する産業への活用に期待ししたものと垂直方向に配置したモデルでは大きな差は見ている．

られなかった．以上の結果より，後加工の容易性を考慮しサポート量の少ない垂直モデルを採用した．

複製品の製作にあたり，重要文化財「金銅鰐口」の複製

3Dものづくり技術による文化財の複製品製作

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品の製作についてご許可を頂けました奈良国立博物館な

参考文献

らびに奈良国立博物館工芸考古室の清水室長様には複製

1) http://imagedb.narahaku.go.jp/archive_search/s

品製作について多大なるご協力を賜りました．
また，やまぐち 3D ものづくり研究会会員である中原工務所社長の中原正男様には，金銅鰐口に関する資料提供や複製品の鰐口の展示・披露などについて多大なるご協力を頂きました．心より感謝申し上げます．

earch/viewer.php?requestArtCd=0000006179
2) http://www.narahaku.go.jp/collection/1185-0.ht
ml