▲ ‘WAAM 기반 금속 적층제조의 실증·상용화 전략 심포지엄’에서 송상우 대한용접·접합학회 적층제조연구위원회장(재료연구원 원자력안전연구단 단장)이 개회사를 하고 있다.

제작기간·비용 획기적 절감, 주조·절삭가공 보완기술 자리매김

SMR 3D프린팅 제작지원센터 구축 본격화, SMR 경제성 확보 기여

미터(m)급 대형 금속 부품을 빠르게 제작할 수 있어 차세대 제조기술로 주목받고 있는 WAAM(와이어아크적층제조)이 원자력, 항공우주, 방산, 조선해양 등 고부가가치 산업에서 활용이 확대되고 있는 것으로 나타났다.

대한용접·접합학회 적층제조연구위원회와 SMR(소형모듈원전) 3D프린팅 제작지원센터가 공동 주최하고 3D프린팅연구조합 주관으로 ‘WAAM 기반 금속 적층제조의 실증·상용화 전략 심포지엄’이 13일 경남 창원컨벤션센터 301호실에서 개최됐다.

WAAM 기술은 용접과 같이 금속 와이어를 전기 아크 열 등으로 녹여 한 층씩 쌓아 올리는 적층제조 기술이다. 대형 금속 부품을 비교적 빠르게 제작할 수 있으나 정밀도 향상과 품질 신뢰성 확보, 인증 체계 구축은 상용화를 위해 풀어야 할 핵심 과제로 꼽힌다.

이번 심포지엄은 WAAM 관련 산학연의 SMR, 항공우주, 방산, 조선해양 등 제조 현장에서의 적용 사례와 기술 성과를 공유하고 산업 적용 확대와 상용화 전략을 논의를 위해 마련됐다.

▲ 강민철 3D프린팅연구조합 이사가 ‘WAAM in Defense: 대형 금속 적층제조의 적용 전략과 인증·표준 로드맵’을 주제발표 하고 있다.

이날 강민철 3D프린팅연구조합 이사는 ‘WAAM in Defense: 대형 금속 적층제조의 적용 전략과 인증·표준 로드맵’이라는 주제발표에서, QY Research 보고서를 인용해 글로벌 WAAM 시장이 2024년 기준 약 12억달러(한화 1조 8천억원)에서 2030년에는 약 25억달러(3조 7천억원)로 2배 이상 성장할 것이라고 전망했다.

이러한 성장세를 이끄는 것은 우주항공, 방산, 에너지 및 SMR, 조선 등으로, 특히 군수 및 군사 위성 수요 증대, SMR 확대, 대형 구조물 제작 등으로 인해 방산, SMR, 조선 등에서의 WAAM 시장 점유율이 확대될 전망이다. 한국 WAAM 시장도 2030년 글로벌 시장의 5~8%에 달하는 2~3천억원 규모를 형성할 것으로 예측되고 있다.

WAAM은 소량·대형 부품을 생산성을 확보하면서 빠르게 제작하는데 특화돼 있어 부품 대량 생산에 유리한 주조와 정밀 소형 생산에 유리한 절삭가공을 보완하는 기술로 자리매김할 것으로 기대되고 있다. 실제로 미국 방산업체인 Fairbanks Morse Defense는 군함 등에 적용되는 유체 제어 시스템 부품을 WAAM으로 제작해 기존대비 제작시간을 2/3 수준으로 단축했으며, 미국 ORNL(오크리지 국립연구소)는 터빈 블레이드를 WAAM으로 12시간 만에 적층하고 절삭가공을 통한 최종 완성은 2주 만에 마쳤다.

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.

▲ 오동진 재료연구원 3D프린팅 공정연구센터 박사가 ‘SMR·핵융합 분야 적층제조 기술 적용 현황’에 대해 주제발표하고 있다.

국내 연구기관에서는 한국재료연구원, 한국생산기술연구원 등이 WAAM 장비를 구축하고 기술 국산화 및 부품 제작 지원에 적극 나서고 있다. 재료연구원은 산업통상부와 지자체가 총 사업비 323억원을 투입하는 ‘SMR 제작지원센터 구축사업’의 주관기관(책임자 재료연구원 송상우 원자력안전연구단 단장)으로 선정돼 내년 착공을 시작으로 2029년까지 SMR 3D프린팅 제작지원센터를 경주 SMR 국가산단에 구축할 계획이다.

SMR은 인공지능(AI) 시대의 필수 인프라이자 막대한 전기를 사용하는 데이터센터에 안정적인 전력 공급이 가능하기 때문에 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 WAAM, 로봇팔 기반 LW(레이저 와이어)-DED 등 와이어 기반 적층제조 기술이 주목받고 있다.

오동진 재료연구원 3D프린팅 공정연구센터 박사는 ‘SMR·핵융합 분야 적층제조 기술 적용 현황’ 주제발표를 통해 SMR 중대형 부품 제작에 필요한 WAAM 기술과 핵융합 디버터용 혁신 소재 및 제조기술 개발 사례를 공유했다.

오동진 박사는 SMR 주요 부품과 기기를 제작하는데 있어 PM(분말야금)-HIP(열간등압성형), 전자빔 용접, 금속 적층제조 기술을 융합한 새로운 공정을 도입하면 제작 공정을 획기적으로 줄일 수 있어 기존대비 40%의 비용절감과 18개월의 제작기간 단축 효과가 있다고 설명했다.

이에 SMR 3D프린팅 제작지원센터에는 중대형 부품 제작용 와이어 기반 적층제조 장비와 와이어 및 분말 제조장비가 구축될 예정이다. 센터는 관련 기술지원, R&D, 전문인력 양성을 위한 적층제조 산학연 협의체도 구성 중이다.

재료연은 현재 나선 구조물 연속 적층제조 원천기술, WAAM 표면 품질개선 기술, 원자로 냉각재 적용 중대형 안전단(Safe-end) WAAM 제작기술, SMR용 다층금속튜브, 핵융합 디버터 소재 및 부품 제조기술 등을 개발 중이다.

오동진 박사는 “혁신형 핵융합 장치 제조에 적층제조를 적용해 5년 이내에 텅스텐 모노블럭, 타겟, 카세트바디 등 부품을 실물 제작할 계획”이라며 “내년부터 SMR 적용 적층제조 기술 및 부품 개발을 착수하고 ’27년엔 해양용 MSR(용융염원자로) 주기기 및 보조기기 제작기술 개발도 수행할 예정”이라고 밝혔다.

▲ 이협 한국생산기술연구원 3D프린팅제조혁신센터 수석이 ‘대형 금속 적층용 멀티로봇 WAAM 플랫폼 개발 및 공정 모니터링·품질 예측 기술’에 대해 주제발표를 하고 있다.

이협 한국생산기술연구원 3D프린팅제조혁신센터 수석은 ‘대형 금속 적층용 멀티로봇 WAAM 플랫폼 개발 및 공정 모니터링·품질 예측 기술’ 주제발표를 통해 WAAM이 금형 없이 디지털 데이터를 기반으로 직접 제조가 가능해 형상 수정 대응성이 우수하고 설계 자유도가 높으며 납기 단축 및 비용 절감에 효과적이라고 설명했다.

이러한 장점을 살리기 위해선 다수의 로봇을 이용해 동시에 적층하는 멀티 로봇 WAAM 시스템 구축이 필수이며, 이를 위해 실시간 적층 경로 최적화 및 로봇 간 동기화 기술이 핵심 경쟁력으로 부상하고 있다.

미국 ORNL은 지난 2021년 세 대의 로봇으로 동시 적층하는 WAAM 기술을 실증해 제작기간을 68% 단축시켰고, 나아가 여섯 대 이상 로봇이 협업하는 적층 시스템을 46톤 규모 초대형 수력발전 부품 제작에 적용함으로써 단일 로봇으로 6개월 걸리던 작업을 1개월로 단축시키는데 성공했다.

현재 생산기술연구원은 세 대의 로봇을 활용하는 WAAM 시스템을 개발 중이다. 구체적으로 각 로봇별로 작업을 분배하고 협업 경로를 생성하는 알고리즘 개발, 멀티 로봇 WAAM 시스템 적층공정 실증, WAAM 공정 실시간 모니터링 기술개발 등이 있다.

이협 수석은 “향후 데이터·모델 기반 지능형 의사결정 시스템을 구축해 WAAM 생산성·품질·유연성을 동시에 극대화 할 계획”이라며 “공정 모니터링의 경우 데이터를 기반으로 AI 모델을 학습하고 AI 에이전트를 통해 공정을 최적화하고 스스로 의사결정을 내리는 시스템을 실현하는 것이 최종 목표”라고 밝혔다.

현재 WAAM 관련 글로벌 대표 기업은 MX3D, WAAM3D, GEFERTEC, RAMLAB 등이 있으며, 국내 대리점으로는 각각 HDC, 진흥테크, 자이브솔루션즈, 에이엠솔루션즈 등이 장비와 기술을 보급하고 있다.

국내 기관에서는 생산기술연구원, 재료연구원, 고등기술연구원, 기계연구원, 창원대, 경남테크노파크 등이 WAAM 장비를 구축하고 기술개발을 추진 중이다. 민간 기업에서는 두산에너빌리티, 현대자동차, 매이드, 케이피항공산업, 갓테크, 3D팩토리 등이 장비를 구축하고 사업화를 진행 중이다.

▲ 심포지엄 참석자들이 기념촬영에 응하고 있다.

이날 심포지엄에서는 MX3D가 글로벌 WAAM 산업 동향 및 적용 어플리케이션을, 에이엠솔루션즈가 AI 기반 WAAM·DED 금속 적층제조 혁신 전략을 각각 소개했다. 이어 3D팩토리, BEST FA, 진흥테크, 자이브솔루션즈 등이 국내외 WAAM 기술 적용 사례를 공유했다.

이번 행사를 주최한 송상우 대한용접·접합학회 적층제조연구위원회장은 개회사를 통해 “첨단산업의 차세대 제조기술로 주목받고 있는 WAAM 기술 관련 산학연과 장비 제조업체가 네트워크를 강화함으로써 R&D, 실증, 기술교류가 활성화되고 저변이 확대되길 기대한다”고 밝혔다.

강남현 대한용접·접합학회 회장은 환영사를 통해 “WAAM은 실험실에서 연구하는 단계에서 벗어나 산업 현장에서 상용화되면서 제조업 디지털 전환을 촉진하는 게임체인저 기술”이라며 “WAAM을 통한 대한민국 제조업 고도화를 위해 학회에서도 많은 관심을 가지고 지원에 나서겠다”고 전했다.

▲ 강남현 대한용접·접합학회 회장이 환영사를 하고 있다.

▲ 자이브솔루션즈가 독일의 WAAM 전문기업 GEFERTEC의 솔루션을 소개하고 있다.