WAAM(와이어 아크 적층제조)이란? 3D 프린팅과 용접의 결합에 대하여

몇 년 전만 해도 3D프린팅이라고 하면 플라스틱 피규어나 시제품을 떠올리는 분들이 많았습니다. 그런데 요즘은 용접 현장에서도 “이거 WAAM으로 찍은 거예요”라는 말을 심심찮게 듣게 됩니다.
아크용접기, 와이어 송급장치, 로봇팔처럼 익숙한 장비들을 조합해서 3차원 금속 구조물을 쌓아 올리는 이 기술을 접할 때마다, 오랫동안 봐온 용접 장비가 전혀 다른 방식으로 응용되는구나 하는 느낌을 받습니다.
이번은 WAAM의 원리와 다른 금속 3D프린팅 방식과의 차이를 정리해 보겠습니다.

WAAM, 이름부터 뜯어보면

적층제조(AM)라는 큰 틀

WAAM은 Wire Arc Additive Manufacturing의 약자입니다. 적층제조(AM, Additive Manufacturing)는 재료를 깎아내는 절삭가공과 반대로, 재료를 한 층씩 쌓아 올려 형상을 만드는 제조방식을 통칭하는 말입니다.
플라스틱을 녹여 쌓는 FDM 방식부터 금속 분말을 레이저로 소결하는 방식까지 적층제조 안에는 여러 갈래가 있는데, WAAM은 그중에서도 금속을 다루는 방식에 속합니다.

와이어 + 아크 = 기존 용접 장비의 재해석

WAAM이라는 이름 그대로, 열원은 아크(Arc)이고 재료는 와이어(Wire)입니다.
즉 기존 아크용접에서 쓰던 용접기, 와이어 송급장치, 보호가스 시스템을 그대로 활용하되, 이음부를 접합하는 대신 한 층씩 쌓아 올려 입체 형상을 만드는 데 쓴다는 점이 핵심입니다.
로봇팔 끝에 용접토치를 달고, 미리 계획된 경로를 따라 와이어를 녹여가며 층층이 적층하는 방식입니다.

WAAM의 기본 원리

로봇팔 + 용접토치 + 와이어 공급

용접용 로봇팔에 아크 토치를 장착하고, CAD 도면을 기반으로 만든 적층 경로를 따라 로봇이 움직이면서 와이어를 녹여 한 층씩 비드를 쌓습니다. 한 층이 끝나면 그 위에 다음 층을 쌓는 과정을 반복해서 최종 형상에 가까운 정형(Near-Net Shape)을 만들고, 이후 필요한 부분만 기계가공으로 다듬어 완성합니다.

한 층씩 쌓아 정삭 전 단계를 만든다

여기서 중요한 개념이 ‘정삭 전 단계(Near-Net Shape)’입니다. WAAM은 애초부터 완벽한 정밀도를 목표로 하지 않습니다. 대략적인 형상을 빠르게 쌓아 올린 뒤, 정밀도가 필요한 부위만 후가공으로 다듬는 전략입니다. 이 덕분에 재료 손실이 큰 절삭가공 대비 소재 활용률을 높이면서도, 복잡한 형상을 상대적으로 짧은 시간에 만들어낼 수 있습니다.

“다른 금속 3D프린팅 방식과 무엇이 다른가? “

구분	PBF(분말베드융합)	DED(레이저+분말)	WAAM(아크+와이어)
열원	레이저(선택적 소결)	레이저	아크
재료 형태	금속 분말	금속 분말	금속 와이어
적층 속도	느림	중간	상대적으로 빠름
표면조도	우수	양호	거친 편(후가공 필요)
제작 가능 크기	소형~중형	중형	중대형에 유리
재료비	상대적으로 비쌈	상대적으로 비쌈	와이어 사용으로 저렴

WAAM은 흔히 DED(Directed Energy Deposition) 방식과 자주 비교됩니다. 둘 다 에너지원으로 재료를 그 자리에서 녹여 적층한다는 점은 같지만, DED가 레이저와 금속 분말을 쓰는 것과 달리 WAAM은 열원을 아크로, 재료를 와이어로 바꿔 차별화한 방식입니다.

WAAM이 주목받는 이유

속도와 비용

WAAM은 레이저 소결 방식 대비 적층 속도가 상당히 빠른 것으로 알려져 있고, 금속 분말보다 저렴한 와이어를 재료로 쓴다는 점에서 원가 부담도 낮은 편입니다.
실제로 주조 대비 제작 속도가 더 빠르다는 연구 결과도 보고된 바 있어, 시제품 제작뿐 아니라 소량 다품종 생산에서도 매력적인 대안으로 거론됩니다.

대형 부품 제작에 유리

분말베드 방식은 챔버 크기의 제약으로 큰 부품을 만들기 어려운 반면, WAAM은 로봇팔의 가동 범위 안에서 비교적 자유롭게 대형 구조물을 쌓아 올릴 수 있습니다. 그래서 중대형 부품이나 다이캐스팅 금형처럼 부피가 큰 제품 제작에 특히 강점을 보입니다.

산업 적용 사례

국내 연구기관에서는 대형 기계부품과 다이캐스팅 금형 제작에 WAAM 기술을 적용한 사례가 보고된 바 있고, 자동차 부품 시제품 제작에도 활용이 확대되고 있습니다. 항공산업에서는 철, 알루미늄뿐 아니라 경량화에 유리한 마그네슘 합금까지 적용 소재를 넓히려는 연구가 진행 중이라, 향후 항공부품 제작으로도 응용 범위가 확장될 것으로 보입니다.

현장에서 알아둘 한계

표면조도와 후가공

WAAM으로 만든 출력물은 정밀 가공 방식에 비해 표면이 거친 편입니다. 그래서 치수 정밀도나 표면 품질이 중요한 부위는 별도의 절삭가공을 거쳐야 하며, 이 후가공 공정까지 감안해서 전체 제작 시간과 비용을 산정해야 합니다.

결함 관리와 비파괴검사

여러 층을 반복해서 쌓다 보니 층간 결함, 기공, 잔류응력 같은 문제가 누적될 수 있습니다. 그래서 완성된 출력물의 건전성을 확인하기 위해 초음파탐상이나 방사선투과검사 같은 비파괴검사를 함께 병행하는 경우가 많습니다.

적층 경로·공정변수 최적화의 어려움

와이어 송급속도, 이동속도, 전류 조건에 따라 비드 형상과 적층 정밀도가 크게 달라집니다. 지인 중 한 명이 WAAM 설비를 다뤄본 경험을 들어보면, 결국 좋은 결과물을 얻으려면 적층 경로를 계획하는 소프트웨어와 실제 용접 공정변수 데이터베이스를 함께 쌓아가는 시행착오 과정이 필요하다고 합니다.

간단 정리하기

WAAM은 기존 아크용접 장비를 활용해 와이어를 한 층씩 쌓아 올려 금속 구조물을 만드는 적층제조 기술입니다. 분말 기반 방식보다 빠르고 저렴하게 대형 부품을 만들 수 있다는 장점 덕분에 금형, 자동차, 항공 분야로 적용이 확대되고 있지만, 표면조도와 결함 관리, 공정변수 최적화라는 현실적인 과제도 함께 안고 있습니다.

Q & A

Q1. WAAM은 기존 용접기술사·기능사 자격으로도 다룰 수 있나요? 아크용접 원리를 기반으로 하는 만큼 관련 용접 지식이 큰 도움이 되지만, 적층 경로 설계나 3D프린팅 소프트웨어 활용은 별도의 학습이 필요한 영역입니다.

Q2. WAAM으로 만든 부품은 강도가 일반 용접부와 비슷한가요? 공정변수가 적절히 관리되면 준수한 기계적 물성을 얻을 수 있지만, 층간 결함이나 잔류응력 관리가 미흡하면 물성 편차가 커질 수 있어 품질관리가 중요합니다.

Q3. WAAM과 3D프린팅은 완전히 같은 개념인가요? WAAM은 금속 3D프린팅(적층제조)의 한 종류입니다. 열원을 아크로, 재료를 와이어로 쓴다는 점에서 분말 기반 3D프린팅과 구분됩니다.

Q4. 개인이나 소규모 사업장도 WAAM 장비를 도입할 수 있나요? 로봇팔과 아크용접기, 적층경로 소프트웨어를 갖추면 상대적으로 접근이 쉬운 편이라, 기존 자동화 용접시스템에 소프트웨어를 더하는 방식으로 도입하는 사례도 있습니다.

Q5. WAAM으로 만든 제품은 후가공이 항상 필요한가요? 정밀도가 중요하지 않은 부위라면 적층 상태 그대로 쓰기도 하지만, 조립 접촉면이나 치수 공차가 엄격한 부위는 대부분 절삭가공으로 마무리합니다.