▲ ‘제1회 적층제조연구위원회 심포지엄’ 참가자들이 단체 기념촬영에 응하고 있다.

와이어 기반 금속 적층제조(3D프린팅) 기술이 SMR(소형모듈원자로), 우주항공, 방산, 조선해양 등 제조업에 적용이 확대되면서 가장 빠른 성장세가 예상되고 있는 가운데, 산업 활성화를 위해선 국가 차원의 R&D·표준화 로드맵 마련과 민간기업과 연구기관 간의 협업 체계 구축이 필요하다는 의견이 제시됐다. 우리 정부도 SMR에 적용될 적층제조 기술 및 부품 국산화를 본격 추진하면서 5년내에 실물 제작이 가능할 것으로 전망되고 있다.

대한용접·접합학회 적층제조연구위원회와 SMR 3D프린팅 제작지원센터(한국재료연구원) 공동주최로 ‘제1회 적층제조연구위원회 심포지엄’이 지난 8월26일과 27일 양일간 부산 농심호텔 다이아몬드 B홀에서 개최됐다.

적층 헤드가 3차원 공간을 이동하면서 금속 와이어나 분말을 레이저나 아크로 녹여 적층하는 DED(Directed Energy Deposition) 방식 적층제조 기술은 레이저 가공 및 용접 접합 기술에 가까운 것으로 손상부품 보수, 표면 기능 강화 코팅 등에 적용이 활발하다.

이중 용접과 같이 금속 와이어를 아크나 레이저로 녹여 적층하는 와이어 기반 금속 DED 기술은 일반 용접 소재를 사용할 수 있어 경제적이고, 빠른 생산 속도, 우수한 기계적 특성, 로봇 결합 대형화·자동화 등이 가능한 장점이 있어 SMR, 우주항공, 방산, 조선해양 등에서 수요가 늘고 있다. 일례로 해군 선박과 잠수함용 엔진·펌프·밸브 등을 제작하는 미국 방산업체인 Fairbanks Morse Defense는 WAAM을 부품 제작에 적용해 기존 공정 대비 제작 시간 2/3 수준으로 절감했고, 75%까지 생산 속도를 높인 것으로 나타났다.

강민철 3D프린팅연구조합 이사는 ‘와이어 DED 기술을 활용한 우주항공방산 사례와 시사점’이라는 주제발표를 통해 글로벌 WAAM(와이어아크적층제조) 시장이 전체 적층제조 시장의 5.5%를 차지하고 있으며, 시장 규모는 2024년 기준 약 2억3천만 달러에서 2031년에는 약 4억3천만달러로 연평균 성장률(CAGR)이 11.3%를 기록할 것이라고 전망했다. WAAM 장비와 서비스를 포함한 시장은 2024년 약 12억달러에서 2029년 약 25억달러로 연평균 성장률이 15%에 달한다.

이러한 현재 WAAM 시장 성장세를 이끄는 것은 우주항공산업으로 향후에는 SMR, 방산, 조선해양 등에서 대형 구조물이나 부품을 적층하는데 있어 WAAM 기술이 적극 활용되면서 시장 성장세를 견인할 것으로 전망됐다.

WAAM 기술도 기존 TIG/MIG 기반 열원을 주로 사용하는 것에서 벗어나 플라즈마 아크, 전자빔 등으로 발전하고 있는 추세다. WAAM 관련 글로벌 대표 기업은 MX3D, WAAM3D, GEFERTEC, RAMLAB 등이 있으며, 국내 대리점으로 HDC, 진흥테크, 자이브솔루션즈, 에이엠솔루션즈 등이 장비와 기술을 보급하고 있다.

연구기관에서는 한국생산기술연구원, 한국재료연구원 등이 WAAM 장비를 구축하고 기술 국산화 및 부품 제작 지원에 적극 나서고 있다. 민간 기업에서는 두산에너빌리티, 매이드, 케이피항공산업, 갓테크, 3D팩토리 등이 장비를 구축해 사업화를 진행 중이다.

강민철 이사는 “한국의 WAAM 산업 발전을 위해서는 장비 고도화, 소재 다변화, 표준화·인증, 대형부품 상용화 등 4대 축이 필요하다”며 “국가 차원의 R&D·표준화 로드맵 마련과 민간 기업과 연구기관 간 대형 부품 적용확대를 위한 중장기 과제 추진 등 협력도 뒷받침돼야 한다”고 제언했다.

인공지능(AI) 시대 도래로 인해 막대한 전기를 사용하는 데이터센터가 확대되면서 안정적인 전력 공급이 가능하고 유연하게 생산할 수 있는 SMR이 2050년까지 설치되는 글로벌 신규 원전의 50%를 차지할 것으로 전망되고 있다.

SMR은 기존 대형 원전 대비 경제성과 설치 기간에서 유리해야하기 때문에 이를 위해 AM 기술 도입이 필수적이다. 특히 압력용기, 대형밸브, 임펠러 등 SMR 중대형 부품을 제작하는데 있어 일반 용접 와이어를 그대로 사용해 저렴하면서 대형 부품을 빠르게 제작할 수 있는 로봇팔 기반 LW(레이저 와이어)-DED, WAAM 등 와이어 기반 적층제조 기술이 주목받고 있다.

이에 우리나라 산업통상자원부는 ‘SMR 제작지원센터 구축사업’을 추진 중이며 재료연구원이 주관기관으로 선정됐다. 총 사업비 320억원을 투입해 2029년까지 SMR 3D프린팅 제작지원센터를 경주 SMR 국가산단에 구축할 계획이다.

이날 송상우 재료연 박사는 ‘SMR 부품제조를 위한 와이어 기반 적층제조 기술 현황’이라는 주제발표를 통해 SMR의 경제성 및 안전성을 확보하기 위해 기존 주·단조 소재를 대체 가능한 와이어 기반 적층제조가 혁신제조기술 중 가장 활발한 성장이 예상된다고 밝혔다.

특히 지난 8월22일 국가과학기술자문회의에서 SMR 혁신제조 국산화 기술개발 사업이 예비타당성조사를 면제받음에 따라 적층제조 기술의 SMR 적용과 부품 개발이 본격화될 전망이다.

SMR 제작지원센터에서는 산학연 협의체 참여 기관을 추가 모집 중이며 조선, 자동차, 항공 등 다양한 산업과도 협업에 나서고 있다.

송상우 재료연 박사는 “혁신형 핵융합 장치 제조에 적층제조를 적용할 예정이며 5년 이내에 텅스텐 모노블럭, 타겟, 카세트바디 등 부품을 실물 제작할 계획”이라고 밝혔다.

▲ WAAM 장비로 대형 구조물을 적층하고 있다.(자료:MX3D社)