3D 프린팅으로 만드는 자동차 부품? 4차 산업혁명 시대의 WAAM 기술

3D 프린팅은 4차 산업혁명 시대의 촉망받는 기술 중 하나입니다. 프린터가 평면을 넘어 3차원의 입체 도형을 찍어낼 수 있게 되면서 의료, 생활용품, 부품 분야 등 다양한 사업 분야에 도입됐죠. 오늘 현대로템 공식 블로그에서는 금속을 활용한 3D 프린팅 기술인 WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing) 공법의 발전 현황을 살펴봅니다.

원하는 모양대로 쌓아 만드는 ‘금속 3D 프린팅’ 

산업에 활용되는 3D 프린터의 기본 원리는 '적층가공(AM, Additive Manufacturing)'입니다. 한 층 한 층 제작자가 원하는 형태로 쌓아 가면서 입체적인 모양을 제작한다는 의미이죠. 적층가공도 안에 들어가는 재료에 따라 종류가 달라지는데요. 플라스틱을 녹여서 층층이 쌓아 형태를 만들거나 금속을 용접하여 만드는 방법 등이 대표적입니다.

오늘 소개해 드릴 WAAM 기술은 바로 금속 3D 프린팅의 일종입니다. WAAM은 ‘Wire Arc Additive Manufacturing’의 약자로, 와이어 형태의 재료를 아크 열원을 이용해 용접하고 적층가공(AM)한다는 의미입니다. 이 WAAM 공법은 제작자가 원하는 형상으로 한 층씩 용접을 적층하여 정밀 정형(near net shape) 형상을 만들고, 가공을 통해 최종 형상을 완성하는 공법입니다.

지금까지의 금속 3D 프린팅은 출력물의 서포트 제거가 난해하고 공정 특성상 결이 두드러진다는 단점이 있었는데요. 다양한 후가공 공법과 양산 솔루션이 개발되면서 상용화를 눈앞에 두고 있습니다.

WAAM 기술이 가져올 변화

한편 얇은 금속 와이어를 용접하듯 쌓아 제조하는 WAAM 공법은 지난해 10월 개최된 현대자동차그룹의 엠이:위크(ME:WEek)에서도 많은 주목을 받았습니다. 생산 기술 R&D 성과를 공유하는 현장에서 제조업의 혁명을 가져올 경쟁력 있는 기술로 인정받은 것인데요. 부품 제조와 WAAM 공법이 만나게 된 계기를 현대로템 방산생산기술팀 이희준 책임매니저에게 들어보았습니다.

"현대로템에서 생산하는 품목 중에 원재료의 가격이 상당히 높은 티타늄 합금을 사용하는 부품이 있습니다. 티타늄 합금은 국내 생산이 불가하기 때문에 해외에서 수입하며, 부품 제작 과정에서 상당한 양의 재료가 절삭가공을 통해 버려진다는 문제점이 있었습니다. 이런 문제점을 해소하기 위해 국내에서 수급이 가능하고 완제품과 거의 유사한 형태(Near net shape)의 형상을 구현하기 위해 3D 프린팅을 적용하는 아이디어를 찾게 되었습니다."

▲ WAAM 공법을 활용해 다양한 금속 부품의 제작비용을 절감할 수 있다

이처럼 WAAM 기술은 부품 생산 과정에서의 비용 절감과 효율성 제고를 위해 도입된 공법입니다. 하지만 아직 시작 단계인 만큼 불확실성과 기대가 공존하는 것이 사실이죠. 현대로템은 이 WAAM 공법의 도입으로 어느 정도의 효과를 예상하고 있을까요?

"WAAM을 통해 기대할 수 있는 매출 효과는 두 가지입니다. 기술특허를 선점함에 따른 기술료 수입과 실제 제작을 통해 발생되는 매출입니다. 현재 시점에서 WAAM 공법을 통해 정확히 얼마의 수익을 기대할 수 있을지 예측하는 것은 어렵습니다. 하지만 2016년 기준 대한민국 금형 생산액은 9조 1,638억 원으로 세계시장의 6.1%(6위) 수준입니다. 저희는 여기서 1% 규모의 매출을 목표로 기술 개발에 매진하고 있습니다."

시장 선점을 통해 다양한 효과가 기대되는 만큼, 현대로템은 관련 기업들과의 협업으로 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 바로 자동차 부품 분야에서 시너지를 누릴 수 있는 고려용접봉, 현대위아와의 협력입니다.

"현대위아와의 협력을 통해 얻는 효과는 매우 다양합니다. 첫째로 자동차 금형 시장에 WAAM을 적용함으로써 시장을 선점할 수 있습니다. 둘째로 현대위아에서 WAAM으로 만든 금형을 사용하여 일정 수준 이상의 효과를 얻게 되는 경우, 현대모비스와 같은 금형을 사용하는 타 그룹사로의 사업 확대 전개가 매우 용이해집니다. 마지막으로 현대위아에서도 자동차 부품을 생산하고 있기 때문에 금형 분야뿐만 아니라 자동차 부품 분야에 WAAM을 적용할 기회가 생길 것으로 예상됩니다.

WAAM으로 제작된 제품의 품질과 성능은 용접 재료의 품질과 성능에 비례합니다. 이 때문에 사용자의 요구조건에 맞는 용접재료를 개발하는 것이 매우 중요하죠. 고려용접봉은 용접재료 제작사 중 유일하게 금형용 용접재료를 생산하고 있는 기업입니다. 이 회사와의 협력을 통해 용접재료에 대한 기술적인 노하우를 활용하여 당사가 원하는 품질과 성능을 지닌 재료를 쉽고 빠르게 개발할 수 있을 것으로 전망합니다."

현대로템은 고려용접봉, 현대위아와의 협업을 통해 WAAM 공법을 가장 먼저 온간단조 공정에 사용되는 금형인 O/RACE punch에 적용할 계획입니다. 기존에는 금형이 마모되면 전체를 폐기하고 신규로 제작할 수밖에 없었는데, 앞으로는 WAAM 공법을 활용해 마모부만을 교체하는 보수 방식으로 바뀌는 것입니다. 과다한 비용과 수급에 애로사항이 있었던 O/RACE punch의 문제가 해결되면 자동차용 부품과 금형 분야로의 사업 확대도 예상됩니다.

WAAM 기술 공동개발 MOU 체결

지난 3월 4일에는 현대로템과 고려용접봉이 기술 개발과 관련된 양해각서를 체결하는 협약식이 개최되었습니다. 이번 양해각서의 목적은 현대로템의 WAAM 분야 기술력과 고려용접봉의 용접재료 분야 기술력을 협력해 금형 등에 대한 WAAM 공법을 공동 개발하는 것인데요. 층층이 쌓아 올리는 WAAM 공법의 특성을 활용해 기존 제품과 동등하거나 또는 더 뛰어난 내구성을 확보할 것으로 기대됩니다. 또한 해외에서 수입하던 용접재료 비용의 절감을 통해 기존 제품 대비 제작비용이 약 10% 절감될 것으로 보입니다. 

▲ WAAM 공법 공동개발을 위한 현대로템과 고려용접봉㈜의 MOU 협약식. 현대로템 방산공장장 김현우 상무(왼쪽 다섯번째)와 고려용접봉㈜ 최희암 부회장(왼쪽 여섯번째)

현대로템 방산생산기술팀은 이번 WAAM 공법 개발과 협력을 통해 제조업 분야의 새로운 시장 개척을 준비하고 있습니다. 현재 국내에서는 생산 기술이나 공법에 대한 관심과 지원이 적어, 신공법을 통해 R&D에 대한 인식을 개선할 수 있을 것으로 기대됩니다. 4차 산업혁명 시대의 생산 기술 개발을 준비하고 있는 현대로템 방산생산기술팀에 많은 응원 부탁드립니다!