탄소강 및 구조용 강재는 와이어 아크 적층 제조(WAAM)를 사용하여 대형 규모로 3D 프린팅할 수 있습니다. 로봇 기반 다축 적층 공정과 표준 산업용 용접 와이어를 활용하면, 기존 3D 프린팅 챔버의 공간적 제약을 완전히 극복하고 필요에 따라 고하중 구조용 강재 부품을 제작할 수 있습니다.

고부식성 해양 환경이나 특수 중장비용 툴링 응용 분야를 위해, MX3D는 스테인리스강 3D 프린팅 및 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강에 대한 광범위한 인증 및 검증 프로그램도 운영하고 있습니다. 또한 맞춤형 공구강도 활용할 수 있습니다. 해양 구조물 노드, 선박 건조용 세그먼트 또는 중장비 브래킷을 제작할 때, 구조용 강재에 WAAM을 적용하면 형상 설계의 유연성을 확보하고 대형 부품 공급망의 긴 리드 타임을 크게 단축할 수 있습니다.

왜 WAAM은 저탄소강 및 구조용 강재에 이상적인가?

경제성과 물리적 제약은 선택한 적층제조(Additive Manufacturing, AM) 공정에 따라 달라진다. 분말 베드 융합(Powder Bed Fusion, PBF) 시스템은 작고 정밀한 부품 제작에는 뛰어나지만, 대형 구조 부품의 경우 특수 가스분무 금속분말의 매우 높은 비용과 제한적인 빌드 챔버 크기 때문에 경제성이 크게 떨어진다.

저탄소강은 WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing)에 매우 적합한 재료이다. 저렴한 가격과 표준 가스 메탈 아크 용접(GMAW) 장비와의 우수한 호환성 덕분에 널리 사용된다. 반면, 고탄소강은 WAAM 공정에는 적합하지 않다.

WAAM은 대규모 산업 생산을 위해 특별히 개발된 적층제조 기술이다. 저렴하고 전 세계에서 쉽게 구할 수 있는 용접용 와이어를 재료로 사용하기 때문에 재료 조달 비용을 크게 절감할 수 있다. 또한 이러한 경제성에 더해 시간당 2~8kg의 강재를 연속적으로 적층할 수 있는 높은 적층 속도를 제공하여 산업용 로봇을 이용한 고효율 생산이 가능하다.

이러한 성능은 대형 근사 최종 형상(near-net-shape) 부품 생산에 매우 적합하다. 대형 구조용 노드, 복잡한 브래킷, 중장비 베이스, 그리고 맞춤형 해양 및 조선 구조물은 디지털 CAD 파일에서 수일에서 수주 내에 완전 치밀한 실물 부품으로 제작될 수 있다. 또한 길이 6m 이상, 무게 20톤 이상의 대형 부품을 최소한의 재료 낭비로 제작할 수 있어, CNC 가공에서 발생하는 절삭 폐기물을 크게 줄이고 기존 대형 주조 공정에 필요한 수개월의 금형 제작 기간도 단축할 수 있다.

MX3D가 적층한 강재 등급

다음의 검증된 탄소강 및 구조용 강재 등급은 대형 로봇 기반 적층 공정에서 사용되는 핵심 소재군을 구성한다.

탄소강 / 저합금강

ER70S-6 (연강) AWS A5.18 및 EN ISO 14341 규격에 따라 관리되는 ER70S-6는 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 범용 구조용 강재이다. 높은 실리콘 함량으로 인해 로봇 적층 공정에서 용융풀의 유동성이 우수하며, 대형 건설 구조물, 일반 산업기계 베이스, 그리고 구조용 노드 제작에 널리 사용된다.

ER80S 계열 (ER80S-D2, ER80S-Ni1, ER80S-Ni2) AWS A5.28 규격에 따라 관리되는 이 저합금 용접 와이어(예: 몰리브덴이 첨가된 ER80S-D2)는 고강도 구조용 강판과 우수한 저온 충격 인성이 요구되는 부품의 적층에 사용된다. 특히 한랭 지역의 조선 산업과 중장비 부품 제작 분야에서 널리 활용된다.

고강도 저합금강(HSLA)

ER100S-G, ER110S-G 및 ER120S-G 이들 고강도 강재 등급은 뛰어난 항복강도와 높은 충격 인성이 요구되는 환경을 위해 설계되었다. 교량과 대형 건축물 등 중요 철강 구조물, 중하중 파이프라인, 그리고 특수 방위산업 장비 제작에 폭넓게 사용된다.

NiMo 및 NiCrMo: 이들 고강도 합금 와이어는 극한의 동적 하중을 견딜 수 있도록 설계되었으며, 높은 항복강도가 요구되는 구조물, 해양 구조물의 접합부(노드), 그리고 첨단 중장비 제작에 적합한 소재이다.

WAAM 구조용 강재 포트폴리오 개요

WAAM 강재의 기계적 특성

WAAM 부품을 하중을 지지하는 구조물에 안전하게 적용하기 위해서는 신뢰할 수 있는 야금학적 성능 검증이 필요하다. WAAM으로 적층된 구조용 강재는 단조강과 동등하거나 그 이상의 기계적 특성을 안정적으로 구현할 수 있다.

엄격한 자체 시험과 제3자 인증 결과에 따르면, 표준 ER70S-6(탄소강)은 매우 안정적이고 일관된 기계적 특성을 나타낸다.

극한 인장 강도(UTS): 490 MPa
연신율(A%): 정확한 값

항복강도(YS): 375 MPa

연신율: 25–30%

고강도 저합금강의 경우 항복강도는 크게 향상되면서도 충분한 연성과 우수한 샤르피(Charpy) 충격 인성을 유지한다. WAAM은 재료를 층별로 적층하는 공정이므로 미세조직의 이방성이 발생할 수 있다. 그러나 MX3D는 고도화된 로봇 경로 제어와 대칭적인 열 관리 기술을 적용하여 이러한 이방성을 효과적으로 제어한다.

등방성 기계적 특성이 최대한 요구되는 경우에는 용접 후 열처리(PWHT)와 응력 제거 공정을 적용한다. 이러한 처리를 거친 WAAM 부품은 압연강이나 단조강과 동등한 수준의 기계적 안전성을 제공하면서도, 훨씬 높은 형상 설계 자유도와 크게 단축된 제작 기간이라는 장점을 함께 갖는다.

후처리 및 인증

WAAM은 근사 최종 형상(near-net-shape) 공정이므로, 적층된 부품의 표면에는 특유의 층상(ribbed) 형상이 나타난다. 따라서 실제 제작 공정에는 정밀한 후가공 공정이 포함된다. 근사 최종 형상(near-net-shape)으로 제작된 금속 부품에는 가공 여유(machining allowance)가 미리 반영된다. 이를 통해 중요한 기능성 접합면은 CNC 가공으로 최종 치수 공차를 정확하게 만족시키고, 기능과 직접 관련이 없는 대부분의 영역은 출력된 상태(as-printed) 그대로 사용할 수 있다.

토목 및 해양 분야의 안전 규정에서 요구하는 구조적 건전성을 보장하기 위해 MX3D는 포괄적인 품질 보증(QA) 절차에 따라 생산을 수행한다. 모든 중요한 적층층은 엄격한 검사 기준에 따라 평가될 수 있다. 로봇 기반 WAAM 부품은 초음파 탐상 검사(UT)와 침투 탐상 검사(PT)를 포함한 비파괴 검사(NDT)를 통해 품질과 건전성을 검증한다.

MX3D의 생산 환경은 중공업 분야에 최적화된 체계적인 인증 시스템을 기반으로 운영된다.

DNV 인증: 중량 해양 구조물 부품의 생산에 필요한 요구사항을 충족하는 인증.

ASME Section IX: 압력용 장비의 구조적 건전성이 검증되었음을 입증하는 인증.

ISO 9001: 국제 품질경영시스템(QMS) 기준을 엄격하게 준수하는 인증.

적용 분야

대형 구조용 강재 적층 기술은 독창적인 형상 설계와 신속한 공급망 구축이 중요한 자본집약적 산업 분야에서 큰 전략적 이점을 제공한다.

해양 및 에너지 구조물: 맞춤형 구조 노드, 특수 배관 피팅, 대형 밸브 본체와 같은 고강도 저합금강(HSLA) 부품을 WAAM으로 제작하면, 석유·가스 산업에서 단조 공정에 필요한 긴 제작 기간을 줄이면서도 API 및 DNV의 엄격한 구조 기준을 충족할 수 있다.

조선: 맞춤형 선박용 브래킷과 저온용 구조 부재를 필요한 시점에 현지에서 제작함으로써, 드라이도크 작업 지연을 크게 줄일 수 있다.

건축 및 건설: 디지털 설계 데이터를 기반으로 토폴로지 최적화된 대형 구조용 강재 노드와 복잡한 건축 연결 부재를 직접 제작할 수 있다.

중장비 및 방위산업: 맞춤형 공구, 운송용 브래킷, 그리고 단종된 구조 부품의 대체품을 신속하게 제작하여 공급망의 안정성과 대응력을 높일 수 있다.

WAAM 구조용 강재의 가장 중요한 검증은 실제 산업 현장에서의 적용 사례이다. MX3D는 임페리얼 칼리지(Imperial College)의 Pioneer 하이브리드 구조용 강재 프로젝트와 맞춤형 구조물 제작 등 주요 구조용 프로젝트를 선도하며 기술력을 입증해 왔다. Takenaka 철골 연결부(Steel Connector): 다축 경로 계획(Multi-axis Path Planning)을 통해 까다로운 토목 구조물의 안전 기준도 효과적으로 충족할 수 있음을 입증한 사례이다.

당사에 구조용 강재 부품을 주문하는 방법

구조용 WAAM 강재 부품의 조달은 신속한 산업 적용을 지원하도록 설계된 효율적인 프로세스를 통해 진행된다. 즉시 부품 제작이 필요한 기업을 위해 당사의 서비스 시설은 주문형 생산(print-on-demand) 계약을 수행한다. 또한 대량 생산이 필요한 대기업 고객을 위해 MX3D는 자체 공장 내 구축을 위한 완전한 턴키형 로봇 M1 WAAM 시스템을 제공한다.

주문형 생산(print-on-demand) 요청을 시작하기 위해서는 당사의 엔지니어링 응용팀에 다음 자료가 필요하다:

1. 디지털 형상(Digital Geometry): 부품의 외곽 형상과 경계를 정의하는 CAD 모델.
2. 재료 등급 사양(Grade Specification): 요구되는 항복 강도 등급의 선택 (예: 일반 구조 프레임에는 ER70S-6, 고강도 구조 적용 분야에는 ER100S-G 이상 등급).
3. 인증 요구사항(Certification Requirements): 필요한 시험, 응력 제거 처리 절차, 또는 제3자 해양 인증 기관(예: Lloyd’s Register, DNV 등)의 요구사항 식별.

자주 묻는 질문

탄소강을 3D 프린팅할 수 있는가?

예, 탄소강은 와이어 아크 적층 제조(Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM)를 사용하여 대형 규모로 견고하게 3D 프린팅할 수 있다. 부품 크기에 한계가 있는 분말 베드 융합(Powder-Bed Fusion) 방식과 달리, WAAM은 표준 산업용 용접 와이어(예: ER70S-6)와 다축 로봇 시스템을 활용하여 수 미터 규모의 대형 구조용 강재 부품을 연속적으로 적층 제작할 수 있다.

어떤 강재 등급을 3D 프린팅할 수 있는가?

MX3D는 탄소강 및 구조용 강재에 대한 폭넓은 재료 등급 포트폴리오를 지원한다. 여기에는 ER70S-6와 같은 표준 연강, 저온 환경용 ER80S-D2와 같은 저합금 와이어, 그리고 고하중 구조 적용을 위한 ER100S-G 및 NiMo와 같은 고강도 저합금강(HSLA) 계열이 포함된다.

3D 프린팅된 강재는 얼마나 강한가?

제어된 WAAM 공정을 통해 적층된 3D 프린팅 강재는 우수한 기계적 건전성을 달성한다. 예를 들어, 표준 WAAM ER70S-6 탄소강은 약 500–550 MPa의 인장강도(UTS)와 400–450 MPa의 항복강도를 구현하여 토목 건설 및 중공업 분야의 구조용 부품으로 충분한 성능을 제공한다.

3D 프린팅 강재는 단조 강재만큼 강한가?

예, 엄격한 품질 관리 조건에서 제조되고 적절한 용접 후 열처리(PWHT)를 적용한 WAAM 적층 구조용 강재는 일반적으로 기존 단조 강재의 기계적 특성에 근접하거나 완전히 동등한 수준의 성능을 달성한다.

구조용 강재 부품을 3D 프린팅할 수 있는가?

물론이다. WAAM은 해양 파이프라인 노드, 대형 선박용 브래킷, 토폴로지 최적화 건축 연결부와 같은 대형 인증 구조용 강재 부품을 제작하는 데 실제로 활용되고 있다. MX3D의 구조용 강재 제조 기술은 Lloyd’s Register 및 DNV 인증 체계를 기반으로 엄격한 품질 검증 절차를 거친다.

기술 이해하기

당사의 폭넓은 소재 기술 역량을 더 자세히 알아보려면 WAAM 소재 및 인증에 대한 종합 가이드를 확인하거나 WAAM과 주조 및 단조 공정을 비교한 종합 분석을 통해 로봇 적층 제조 방식이 기존 주조 ,산업과 어떻게 직접 비교되는지 살펴볼 수 있다.