안녕하세요, AM 솔루션 전문 컨설팅 회사 HDC입니다.
최근 적층 제조(AM) 기술이 빠르게 발전하면서 산업과 연구 분야에서 큰 관심을 받고 있습니다.
공정의 복잡성이나 해상도 같은 기술적 특성은 어떤 적층 제조 방식을 선택할지 결정하는 중요한 요소인데요,
오늘날 다양한 산업 분야에서 적층제조가 활용될 수 있는 이유는 각 기술마다 고유한 특징과 다양한 응용 가능성을 지니고 있어
장비 이용자 각각의 니즈에 맞게 제조 공정 방식을 선택할 수 있기때문입니다.
오늘은 많은 적층제조 기술 중에서도 와이어 아크 적층 제조(WAAM)에 대해 이야기 해보려합니다.
WAAM 기술의 개념과 특징, 한계점, 그리고 이를 해결하기 위한 다양한 접근 방법을 다루어 보겠습니다.
목차
1. WAAM, 분말 적층 융합(PBF) 및 Meltio의 와이어-레이저 금속 증착(W-LMD) 공정 소개
2. 와이어 아크 적층 제조(WAAM): 한계와 해결 방안
- 높은 재료 증착률과 낮은 공차 문제
- 기계적 특성과 열 입력 간의 불리한 관계
- 출력 중 소모품 사용 문제
- 개방형 생태계의 과제: 신뢰성 부족
3. 결론
1. WAAM, PBF 그리고 W-LMD 공정 소개
AM기술은 분말 소재를 사용하느냐 와이어 소재를 사용하느냐에 따라 크게 두 가지로 구분할 수 있습니다
분말 기반 기술에는 분말 적층 융합(PBF)과 레이저-분말 직접 에너지 증착(DED)이 대표적이고,
와이어 기반 기술 중에서 산업 현장에서 가장 많이 사용되는 방식은 WAAM과 W-LMD이 있습니다.
분말 적층 융합(PBF) 공정
PBF 공정은 레이저 또는 전자 빔을 열원으로 활용하여 금속 분말 입자를 선택적으로 가열하고 융합하여 최종 부품을 점진적으로 형성하는 방식입니다. 이 공정은 금속 분말을 하나씩 녹여서 원하는 형상을 만들어내는 데 사용됩니다.
와이어 아크 적층 제조(WAAM) 공정
반면, WAAM은 용접 공정과 유사하게 금속 와이어를 소재로 사용하고 전기 아크를 열원으로 활용합니다. 이 공정에서는 전기 아크가 금속 와이어를 녹여 층층이 쌓아 올리며, 이를 통해 빌드 플레이트나 기존 부품 위에 구조물을 형성합니다.
WAAM 공정은 비활성 가스를 사용하여 산화를 방지하고 금속의 특성을 제어하는데, 이는 용접에서와 마찬가지로 중요한 역할을 합니다.
적층제조 소재를 금속 와이어를 활용하면 구조물을 점진적으로 완성하거나 기존 부품을 수리할 수 있습니다. 단, 보다 정밀하고 매끄러운 품질을 확보하기 위해 후처리 공정처리를 필요로 하는 경우가 있어 CNC 가공이나 표면 연마 작업을 통해 표면 정밀도를 높이고, 열처리를 통해 인쇄된 부품에 잔류 응력이 남지 않도록 관리합니다.
같은 DED기술 중 하나인 W-LMD 공정은 여러 개의 레이저 빔을 이용하여 금속 와이어를 빌드 플랫폼 위에 정밀하게 용융 및 적층합니다.
W-LMD기술의 가장 큰 특징은 열을 매우 좁은 영역에 집중시킬 수 있다는 점입니다.
이를 통해 열이 영향을 미치는 범위를 최소화하여 최종 제품의 금속학적 특성을 향상시킵니다. 그 결과로 얻어지는 부품은 탁월한 강도, 균일성, 그리고 전반적인 품질을 자랑합니다.
특히 WAAM 공정은 대형 금속 구조물 제작에 유리하고 생산 속도가 빠르다는 장점이 있지만, 표면 정밀도와 열 영향 관리 측면에서 개선이 필요한 부분이 있습니다.
이와 비교하여 Meltio의 W-LMD 기술은 여러 개의 레이저 빔을 활용하여 열을 매우 좁은 영역에 집중시킴으로써, 열 영향을 최소화하고 금속의 물리적 특성을 크게 향상시킵니다. 이를 통해 더욱 우수한 강도와 균일성, 표면 품질을 갖춘 부품을 제작할 수 있습니다.
다음은 WAAM 기술이 직면한 과제들을 살펴보고, Meltio 기술이 이러한 문제를 어떻게 효과적으로 해결할 수 있는지에 대해 알아보겠습니다.
2. 와이어 아크 적층 제조(WAAM): 한계와 해결 방안
WAAM은 금속 와이어를 원료로 사용하는 3D 프린팅 공정으로 기계에 금속 와이어를 공급하면 전기 아크를 이용해 와이어를 녹여 적층하는 방식으로, 전통적인 용접 방식과 비슷한 원리를 사용합니다.
WAAM 공정에서 발생할 수 있는 대부분의 결함은 전력, 적층 속도, 와이어 공급 속도, 소재 선택 등과 같은 파라미터와 관련이 있습니다.
특히, WAAM에서는 구조물 전반에 작은 구멍이나 빈 공간, 또는 기공이 발생할 수 있는데요,
Meltio의 첨단 기술은 WAAM의 약점을 보완하여 복잡한 제조 요구를 보다 정밀하고 효율적으로 해결할 수 있는 솔루션을 제공합니다.
① 높은 재료 증착률과 낮은 공차 문제
WAAM 공정은 큰 구조물을 빠르게 제작할 수 있는 강점이 있지만, 복잡한 형상이나 세밀한 구조를 구현하는 데는 다소 어려움이 있습니다.
높은 재료 증착 속도 덕분에 대형 부품 제작에 유리하지만, 표면 마감이 거칠어질 수 있고, 세밀한 내부 구조를 만들 때 정밀도가 떨어지거나 적층된 금속의 양이 많을 경우 후처리 작업이 다소 번거로울 수도 있는데요, 불필요한 소재를 제거하는 과정이 많아 질 경우 소재 낭비도 발생할 수 있습니다. 반면, Meltio의 W-LMD 기술은 복잡하고 정교한 형상을 구현하는 데 유리합니다.
제조 속도는 WAAM에 비해 느릴 수 있지만, 최종형태에 가까운 부품(Near-Net-Shape)으로 출력하여 후가공이 적고 불필요한 소재 낭비를 줄입니다. 결과적으로 최종 부품의 정밀도와 품질이 향상되며, 복잡한 설계도 보다 쉽게 실현할 수 있습니다.
② 기계적 특성과 열 입력 간의 불리한 상관관계
WAAM 공정은 높은 에너지 입력으로 인해 열에 장시간 노출되는 경우가 많습니다.
이러한 높은 열 입력은 금속 조직의 입자 크기를 키워 부품의 물성이나 최종 정확도에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.
또한, 이러한 문제를 피하기 위해 층 사이의 냉각 시간을 길게 설정해야 하기 때문에 실제 적층 속도도 느려질 때도 있는데요,
Meltio의 W-LMD 기술은 낮은 에너지 입력으로 제조 과정을 진행하여 WAAM에 비해 열 변형이 적고, 미세하고 균일한 금속 조직을 구현할 수 있습니다. 이는 제조 중 부품의 전체 온도가 낮아지기 때문에 얻어지는 중요한 장점으로, 결과적으로 더 높은 품질과 정밀도를 확보할 수 있습니다.
또한, 여러 소재를 함께 사용할 때 *희석(Dilution) 효과가 커진다는 점이 있습니다. 이는 특히 수리 작업에서 치명적인 영향을 줄 수 있습니다.
*여러 가지 금속 소재를 함께 사용할 때, 서로 섞이면서 금속의 성질이 변하는 현상이 발생할 수 있습니다.
이런 현상을 희석 효과(Dilution)라고 하는데, 금속이 서로 섞여서 원하는 성질이 약해지는 문제를 일으킬 수 있습니다.
TIP: Meltio 기술이 얼마나 뛰어난 희석 효과를 보여주는지 궁금하다면, Inconel 625와 H11 데이터시트를 확인해 보세요!
③ 출력 중 소모품 사용 및 교체 주기
WAAM 공정은 높은 에너지 입력으로 인해 열에 장시간 노출되는 경우가 많습니다.
이로 인해 일부 부품, 특히 컨택 팁과 노즐 같은 소모품을 주기적으로 교체해야 해주어야 하는데요, 안정적인 성과를 얻기 위해서는 소모품 관리가 매우 중요합니다.
컨택 팁, 노즐, 디퓨저 등 주요 부품은 시간이 지나면서 마모되거나 오염되어 성능이 저하될 수 있습니다. 따라서 최적의 성능을 유지하려면 정기적으로 점검하고 필요 시 교체하는 것이 필수적입니다.
일반적으로 컨택 팁은 약 10~15시간 사용 후 교체가 필요하며, 노즐은 사용 소재와 유형에 따라 25~30시간 정도 사용할 수 있습니다.
이렇게 소모품을 제때 교체하면 용접 품질을 유지하고 결함을 방지하며, 장비 수명을 연장하여 보다 효율적이고 안정적인 결과를 얻을 수 있습니다.
반면, 레이저 열원을 사용하는 Meltio W-LMD기술의 노즐은 중요한 부품임에도 불구하고 보통 약 336시간 동안 프린팅 작업을 지속할 수 있어 교체 주기가 훨씬 깁니다.
TIP: 장비 성능을 꾸준히 유지하려면 소모품 교체를 미리 준비해 두고, 정기적인 점검을 통해 최적의 상태를 유지하는 것이 중요합니다.
④ 독립 구성 시스템의 과제: 안정성 확보
일반적인 WAAM 기술 시스템의 경우, 로봇 암, 프린트 헤드, 슬라이서 소프트웨어, 소재 등을 각각 별도로 구매하여 조합해야 하는 반면,
Meltio는 이러한 문제를 해결하기 위해 완전히 통합된 솔루션을 제공합니다.
Meltio 패키지에는 로봇 셀, 소프트웨어, 지속적으로 개발된 소재, 로봇 암 등이 하나의 패키지로 포함되어 있어 별도의 구성 없이도 바로 사용할 수 있고, 하나로 통합된 시스템 덕분에 Meltio를 선택하면 사전에 다양한 문제를 검증하여 미리 해결할 수 있습니다.
이를 통해 빈틈이나 작은 구멍(기포)처럼 적층 중 생길 수 있는 결함을 예방할 수 있으며, 다른 기술처럼 개별 구성 요소 간 호환성 문제로 인해 초기 단계에서 발생할 수 있는 어려움을 줄일 수 있습니다.
또한, Meltio의 사용자 친화적인 설계 덕분에 고객들은 기술을 제조 공정에 빠르게 통합할 수 있습니다.
실제로 일부 고객들은 새로운 소재를 사용하여 일주일 이내에 테스트를 시작한 사례도 있으며, 이는 Meltio 시스템의 높은 사용 편의성과 적응성을 잘 보여줍니다.
Meltio 장비에서 사용하는 와이어는 엄격한 테스트와 검증을 거쳐 최적의 품질과 신뢰성을 보장합니다.
특히, Meltio 기술에 최적화된 와이어를 사용하기 때문에 복잡한 조정 없이도 안정적이고 일관된 성능을 기대할 수 있습니다.
Meltio는 장비의 성능을 최대한 발휘할 수 있도록 검증된 와이어와 함께, 고객이 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공합니다.
또한, 다양한 사용 환경에서 우수한 품질을 유지할 수 있도록 최적의 조건을 지속적으로 연구함으로써 고객분들이 신뢰할 수 있는 성능과 우수한 품질을 통해 더욱 효율적인 작업 환경을 경험할 수 있도록 노력하고 있는 기업입니다.
3. 결론
WAAM 기술은 오랜 시간 동안 산업 현장에서 널리 사용되어 온 만큼 그 가치와 활용성이 확실히 입증된 기술입니다.
특히 대형 구조물 제작에 탁월한 성능을 보여주기 때문에 많은 분야에서 여전히 중요한 역할을 하고 있지만 레이저 기반 기술과 비교했을 때, 제조 효율성이나 정밀도 면에서는 다소 한계가 있는 것도 사실입니다.
WAAM은 빠른 적층 속도와 대형 부품 제작에 유리하지만, 표면 품질이나 정밀도가 요구되는 작업에서는 후처리가 번거로울 수 있고,
부품의 완성도와 품질 관리 측면에서 추가적인 노력이 필요합니다.
W-LMD 기술은 일반적으로 발생할 수 있는 문제를 최소화하면서도 작업 흐름을 간소화하여 생산성을 높이고,
소재 낭비와 수리 비용을 줄이는 데 도움을 주기 때문에 단순화된 제조공정으로 최종 제품의 품질과 구조적 완성도를 한층 더 향상시켜야 하는
솔루션이 필요한 분들에게 HDC는 Meltio의 W-LMD 솔루션을 제안합니다.
Meltio와 함께라면 다양한 산업 분야에서 신속하고 안정적으로 더 나은 제조 성과와 효율성을 직접 경험하실 수 있습니다.