WAAM, 대형 구조물 제작 경제성·속도 확보…新합금 개발 활발

◇연재순서

1)전시회 총괄평가

2)금속 분말 기술 트렌드와 기업의 전략

3)적층성형용 Al 합금 소재의 합금설계 방안 및 적용 사례

4)높은 형상복잡도를 가진 소형 정밀 부품 제조기술 동향

5)플라스틱 AM의 글로벌 경쟁구도와 한국의 기회

6)플라스틱 적층제조 기술동향

7)마이크로·나노 3D프린팅 기술 동향

8)좌담회-적층제조의 미래, 청년이 이끈다

글로벌 적층제조(3D프린팅) 전문 전시회인 ‘폼넥스트(FORMNEXT) 2025’ 참관을 통해 적층제조 산업과 관련한 소재, 기기, 응용부품에 대한 최신 기술동향을 파악하고 향후 연구개발 방향에 대한 실마리를 찾을 수 있었다.

특별히 3D프린팅연구조합에서 제공한 동반 프로그램을 통해 만난 국내 적층제조와 관련한 산학연 전문가들의 설명과 고견을 들을 수 있었던 것은 적층제조에 익숙하지 않은 소재 전문 연구자에게는 매우 소중한 기회였다.

전문가들의 공통적인 평가에 의하면 이번 폼넥스트에서는 적층제조가 양산화 단계로 발전하고 있는 가운데 장비의 대형화와 자동화가 진일보되고 있다.

소재 분야에서는 부품의 고강도·경량화에 필요한 특수소재, 복합소재 등 소재가 확장되고, 인공지능(AI) 및 머신러닝 등 첨단 디지털 솔루션을 활용한 설계 고도화를 기반으로 최종 부품 생산을 위한 자동화, 품질 및 공급망 관리 개선 등이 급속하게 발전하고 있다고 한다.

금속 소재를 기반으로 하는 적층제조 공정은 크게 금속분말을 활용하는 PBF 공정(Powder Bed Fusition)과 금속선재를 원소재로 사용하는 WAAM 공정(Wire Arc Additive Manufacturing)으로 구분할 수 있다.

적층제조 공정에 의해 제조되는 부품의 건전성은 기본적으로 소재의 특성에 영향을 받을 수밖에 없는데, 소재의 용접성 및 주조성은 크랙 및 기공발생 등과 같은 결함들에 직접적인 영향을 미치기 때문에 적층제조 가공성과 매우 밀접한 관계를 나타내고 있다.

이들 공정들에 대한 용접성과의 연계성 및 이들 특성으로 인해 발생하는 최종 적층부품의 결함 등을 <표 1>에 정리했다. PBF 공정은 용접성과 연계성이 매우 높으며, 특히 응고 시에 결정립계를 따라 고온균열(Hot Crack)의 발생이 치명적인 결함으로 작용한다.

▲ <표 1>PBF 공정과 WAAM 공정의 용접성과의 연계성 및 주요결함 비교(출처:한국생산기술연구원 김휘준 박사 정리)

WAAM 공정은 각 적층별로 용융 pool의 형성과 응고가 수차례 반복적으로 발생하여 거시편석의 결함 발생이 특징적이다. 특히, WAAM 공정이 경우 거대 적층물을 단기간에 제조할 수 있다는 장점이 있으나, 이로 인해 발생하는 변형을 제어하는 기술이 요구된다.

이번 전시회에서 유난히 인상적인 것은 WAAM 공정에 의해 적층된 대형 구조물들이었다. 특히 MX3D社의 보강구조의 알루미늄(Al) 압력용기(Reinforced Pressure Vessel)는 대형 구조물의 경제적이며 고유 특성을 구현하는 새로운 제조공정 기술로서 WAAM 공정의 가능성을 입증했으며, 기존의 PBF 공정에 의한 기능성 소형 정밀부품과 대비되는 전시물이었다.

Al 선재 가공성·강도·내부식성 향상 위한 지르코늄 등 미세 합금화 적용

韓 응용분야별 요구특성 맞춤 금속 분말 및 선재 소재사업 적극 진출 나서야

▲ MX3D사의 Reinforced Pressure Vessel WAAM 적층제조 공정 및 완성품의 사진(출처: YouTube, MX3D-WAAM Reinforced Pressure Vessel)

Al 선재를 활용한 WAAM공정에 의한 대형 구조물의 제조는 분말기반 PBF 공정의 낮은 소재 회수율과 높은 분말 가격을 동시에 극복할 수 있으며, 경제적인 아아크(Arc)열을 이용한 용해 및 단기간의 적층공정 시간 등을 장점으로 경제성을 확보할 수 있어, 기존의 압연판재 제조 및 용접 공정을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

현재까지 보고되고 있는 WAAM 공정에 활용되고 있는 Al 선재는 Al 5356 및 Al 4043 소재가 널리 사용되고 있는데, 이들 소재는 표면조도 및 치수정밀도와 같은 선재가공성이 우수하고, 기계적 특성 및 내부식성이 우수하며 기공의 발생을 억제할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

Al 5356 합금은 Al-Zn-Mg-Cu 합금을 기지로 하여 기계적 강도를 향상시키기 위해서 결정립 미세화를 촉진시킬 수 있는 스칸디움(Sc, Scandium) 및 지르코늄(Zr, Zirconium)을 미세합금화(Micro-alloying) 기술을 적용시켜 소재를 개량하고 있다.

향후에 다양한 응용분야별 요구특성에 맞춤형으로 새로운 신조성의 WAAM 공정용 Al 선재 소재의 합금설계 기술이 폭넓게 개발될 것으로 기대된다.

▲ 3D프린팅연구조합 폼넥스트 참관단이 이엠엘 부스를 방문해 회사의 기술과 제품에 대한 설명을 듣고 있다.(출처:3D프린팅연구조합)

‘폼넥스트(FORMNEXT) 2025’ 참관을 통해 유럽, 미국, 일본 등의 장치산업 선진국 기업들은 물론이고 중국기업들의 약진을 바라만 보고 있어야 하는 국내 참가자들의 마음은 편하지 않았지만, 어려운 여건에서도 ㈜이엠엘과 같이 PBF 공정용 분말을 국산화 및 해외 수출에 성공하여 당당하게 세계의 분말제조 업체들과 경쟁하는 국내 소재기업들을 본보기로 삼아 양산화를 지향하는 최근의 적층제조 산업에서 우리 기업들이 금속 분말 및 선재 소재분야에 적극적으로 진출을 시도한다면 분명 새로운 기회가 있을 것으로 사료된다.

특히, 우리나라는 적층제조 부품을 소비하는 자동차, 전기전자, 발전, 국방 및 우주항공 산업 등과 같은 세계 최고 수준의 후방산업이 있고, 기존 금속 부품의 생산기술 또한 세계적 수준을 유지하고 있다.

마지막으로 “우리나라 적층제조 산업은 선진 기업들의 빈틈을 헤집고 들어가서 생존하는 전략을 수립해야 한다”는 동행한 적층제조 전문가의 이야기를 소중하게 되새겨봐야 할 것으로 생각된다.

▲ 이엠엘은 금속 적층제조용 순수구리를 생산하고 있으며 자사의 소재로 적층한 인덕션 코일 등을 전시했다.(출처:3D프린팅연구조합)