와이어 아크 적층 제조(WAAM) 완전 가이드의 일부 →

에너지, 해양, 방산, 항공우주와 같은 중공업 분야에서는 제조된 부품의 구조적 무결성이 절대적으로 중요합니다. 와이어 아크 적층 제조(WAAM)는 수 미터 규모의 대형 부품을 제작하는 핵심 솔루션으로 부상했지만, 이러한 대형 부품을 실제 운용에 투입하기 위해서는 품질에 대한 명확한 증명이 필요합니다. 체적 결함, 표면 균열, 내부 이상은 고하중 조건에서 부품의 성능을 저하시킬 수 있습니다.

비파괴 검사는 이러한 부품을 인증하기 위한 핵심적인 방법이며, 실제 부품을 변경하거나 손상시키지 않고 국제 제조 규격을 준수하도록 보장합니다. 본 가이드는 와이어 기반 금속 프린팅의 독특한 검사 과제를 분석하고, 핵심 검사 방법론을 평가하며, 엄격한 검사 워크플로를 수행하기 위한 프레임워크를 제시합니다.

RAW WAAM 형상 검사에서의 과제

로봇 와이어 아크 적층 방식으로 생산된 부품을 검사하는 과정에서는 전통적인 주조, 단조, 또는 절삭 가공에서는 나타나지 않는 금속학적 및 기하학적 변수가 존재합니다. 이러한 과제를 이해하는 것은 올바른 검사 전략을 선택하는 데 필수적입니다.

표면 형상 및 파상도

와이어 아크 부품의 출력 직후 표면은 겹쳐진 용접 비드로 구성됩니다. 이러한 특유의 표면 파상도는 표준 접촉식 검사 방법에 큰 장애가 됩니다. 예를 들어 초음파 변환기는 적절한 음향 결합을 유지하기 위해 평평한 표면이 필요합니다. 거친 표면은 음향 에너지를 산란시키고 신호를 왜곡하여, 오탐(false positive)을 유발하거나 내부의 깊은 결함을 완전히 가릴 수 있습니다.

이방성 결정 구조

적층 과정의 층별 열 사이클은 매우 복잡한 미세조직을 형성합니다. 이후 층이 이전 비드 위에 용융되면서 금속은 방향성 응고를 겪게 되고, 그 결과 크고 이방적인 수지상(columnar dendritic) 결정립이 생성됩니다.
스테인리스강, 듀플렉스강, 니켈 합금에서는 이러한 큰 결정립이 높은 음향 감쇠를 유발합니다. 음파가 재료 내부를 통과할 때 결정립계에서 산란되며, 이는 라일리 산란(Rayleigh scattering)으로 알려진 현상입니다. 이로 인해 초음파 검사 시 신호 대 잡음비(SNR)가 크게 감소합니다.

와이어 공급 방식 시스템에 특유한 결함 분류

기술자는 분말 베드 공정과는 다른 특정 결함 프로파일을 검사해야 합니다. 체적 결함에는 오염된 보호가스로 인해 발생하는 구형 기공, 인접 비드 간 융합 부족(lack of fusion), 그리고 과도한 열 축적으로 인한 층간 균열이 포함됩니다. 또한 공정 파라미터가 벗어날 경우 응고 균열(solidification cracking)이나 층 경계면을 따라 발생하는 박리(delamination)와 같은 선형 결함도 발생할 수 있습니다.

대형 금속 3D 프린팅을 위한 주요 비파괴 검사(NDT) 방법

견고한 인증 전략은 일반적으로 상호 보완적인 여러 비파괴 검사 방법의 조합을 활용합니다. 각 공정은 부품이 출력 직후의 원형 상태인지, 혹은 최종 가공을 거쳤는지에 따라 서로 다른 검사 역량을 제공합니다.

육안 검사

육안 검사는 초기 방어 단계로서 자동화된 프린팅 과정 중과 완료 후 모두에서 수행됩니다. 기술자는 언더컷, 눈에 보이는 층간 균열, 표면 기공, 심각한 형상 왜곡과 같은 명확한 표면 결함을 확인합니다.
최신 자동화 시스템은 종종 광학 센서나 고해상도 카메라를 통합하여 인라인(in-line) 육안 검사를 수행하며, 다음 층이 적층되기 전에 형상 변화를 포착합니다.

위상 배열 초음파 검사

위상 배열 초음파 검사(Phased Array Ultrasonic Testing)는 두꺼운 단면 부품 내부의 체적 결함을 식별하는 데 있어 최고의 표준(gold standard)으로 여겨집니다. 기존의 단일 소자 트랜스듀서와 달리, 위상 배열 시스템은 여러 개의 작은 소자 배열을 사용합니다. 펄스의 타이밍을 전자적으로 조절함으로써 엔지니어는 프로브를 물리적으로 이동시키지 않고도 재료 내부에서 음향 빔을 조향, 집속, 스캔할 수 있습니다.

이러한 다각도 스캐닝 기능은 용접 금속의 조대한 수지상(columnar) 결정립 구조를 따라 음향 에너지가 우회하도록 하여 산란을 최소화하고, 내부의 융합 부족(lack of fusion)이나 깊은 기공을 명확한 단면 이미지로 확인할 수 있게 합니다.

방사선 검사

방사선 검사는 X선 또는 감마선을 사용하여 부품을 투과시키고, 내부 구조의 이미지를 디지털 검출기나 필름에 투영합니다. 방사선 검사는 밀도 차이에 기반하기 때문에, 체적 공극, 구형 기공, 이물질 포함물 등을 식별하는 데 매우 높은 정확도를 제공합니다.

대규모 적층 제조에서 방사선 검사의 주요 한계는 부품 형상입니다. 매우 복잡하거나 내부가 폐쇄된 다축 형상의 경우, 방사선원과 필름을 올바르게 배치하는 것이 물리적으로 불가능할 수 있습니다. 또한 중공업 부품에서 흔히 나타나는 두꺼운 벽 두께는 고에너지 방사선원을 필요로 하며, 이는 안전 관리 부담을 증가시킵니다.

침투 탐상 검사 및 자분 탐상 검사

이러한 표면 검사 방법은 매우 효과적이지만 일반적으로 부품의 전처리 또는 가공이 필요합니다. 액체 침투 탐상 검사는 표면에 액체를 도포한 후 모세관 현상을 통해 균열 내부로 침투시키고, 현상제를 적용하여 결함을 드러내는 방식입니다.

자분 탐상 검사는 탄소강 및 듀플렉스 스테인리스강과 같은 강자성 재료에 자기장을 유도하고, 철 입자를 사용하여 표면 균열로 인해 발생하는 자속 누설을 시각화합니다. 두 검사 방법 모두 중요한 용접 토우(weld toe)와 최종 가공 표면의 건전성을 확인하는 데 매우 중요합니다.

와전류 검사

와전류 검사는 전자기 유도를 이용하여 전도성 금속의 표면 및 표면 근처 결함을 탐지합니다. 교류 전류가 흐르는 코일은 부품 내에 국부적인 자기장을 형성하고, 이로 인해 와전류가 발생합니다. 균열이나 기공과 같은 불연속 결함은 이러한 전류의 흐름을 방해하여 코일의 전기 임피던스를 변화시킵니다.
와전류 검사는 매우 높은 민감도를 가지며, 얇은 도장층이나 비전도성 보호 코팅을 통해서도 검사할 수 있다는 뚜렷한 장점이 있습니다. 따라서 강한 화학적 세척 없이도 부품 검사가 가능합니다.

종합 비파괴 검사(NDT) 방법 비교

최적의 검사 방법을 선택하려면 검사 성능, 재료 상태, 비용, 그리고 물리적 접근성을 균형 있게 고려해야 합니다. 다음 표는 주요 검사 방법들의 직접적인 공학적 비교를 제공합니다.

우리는 항상 WAAM 기술을 위한 새로운 방법과 개발을 찾고 있으며, R&D 페이지에서 우리의 연구 결과를 확인해 보세요.

표준 비파괴 검사(NDT) 워크플로: 출력 직후 상태 vs 완전 가공 부품

표면 상태는 특정 비파괴 검사 방법의 효과를 결정하기 때문에, 산업용 인증 절차는 제조 단계에 따라 별도의 단계로 구분됩니다.

1단계: 출력 직후 부품 검사

검사는 로봇 암이 적층 작업을 완료하고 부품이 주변 온도로 냉각된 직후 즉시 시작됩니다. 목표는 후속 가공 및 기계 가공에 시간과 비용을 투자하기 전에 대형 매크로 결함을 조기에 발견하는 것입니다.

• 출력 후 육안 검사: 전체 형상은 시각적으로 또는 구조광(Structured Light) 시스템을 사용하여 스캔되며, 치수 적합성을 확인하고 눈에 보이는 표면 결함을 검사합니다.
• 고에너지 방사선 검사: 형상 조건이 허용되는 경우, 출력 직후 부품에 방사선 검사를 수행하여 내부 밀도를 평가하고 주요 기공 영역 또는 심각한 융합 부족 구간을 확인합니다.
• 타겟형 원시 표면 와전류 검사: 기술자는 용접 비드의 파상도에 맞게 변형 가능한 특수 유연 프로브를 사용하여, 열응력 균열이 발생하기 쉬운 주요 영역을 스캔합니다.

2단계: 가공 완료 부품 검사

부품이 응력 제거 열처리 및 CNC 절삭 가공과 같은 후처리 과정을 거치면 표면이 매끄러워집니다. 이를 통해 고해상도 비파괴 검사(NDT) 방법 전체를 적용할 수 있게 됩니다.

• 표면 전처리 및 표면 검사: 액체 침투 탐상 또는 자분 탐상 검사가 전체 가공 표면에 적용되며, 특히 프린팅된 금속과 기존 단조 또는 주조 베이스 플레이트가 만나는 전이 구역에 중점을 둡니다.
• 위상 배열 초음파 검사(Phased Array Ultrasonic Testing) 스캔: 매끄럽게 가공된 표면은 최적의 음향 결합을 가능하게 합니다. 기술자들은 재료 유형에 맞게 설계된 특수 웨지를 사용하여 전체 체적 스캔을 수행하며, 내부 구조를 밀리미터 수준의 정밀도로 매핑합니다.
• 최종 인증 및 경도 매핑: 핵심 구조 영역은 비파괴 경도 검사를 통해 출력 후 열처리가 목표 기계적 물성을 성공적으로 달성했는지 검증합니다.

당사가 이러한 단계를 프로젝트에 적용하는 방법에 대해 더 알아보시려면 애플리케이션 페이지를 확인해 보세요.

WAAM 검사에 대한 국제 표준 및 규정 준수

인쇄된 부품을 규제 산업 분야에 적용하기 위해서는 제조업체가 국제 표준 기관과 선급 협회에서 제정한 프레임워크를 준수해야 합니다. 이러한 기관들은 적층 제조 공정을 포함하도록 기존의 용접 및 주조 규정을 업데이트했습니다.

DNV RP A203 및 DNV OS B101

DNV는 해양 및 오프쇼어 에너지 분야에서 적층 제조 부품을 인증하는 주요 기관으로 자리 잡고 있습니다. 권고 기준 DNV RP A203은 적층 제조로 생산된 장비의 인증을 위한 명확한 가이드라인을 제공합니다. 이 기준은 비파괴 검사 추적을 포함한 엄격한 시험 체계를 규정하며, 부품이 기존 단조 또는 주조 부품과 동등하거나 그 이상의 품질 수준을 충족해야 함을 명시합니다.

ASME 보일러 및 압력용기 코드

압력 장비, 밸브 및 매니폴드의 경우 부품은 ASME 보일러 및 압력용기 코드(ASME Boiler and Pressure Vessel Code)를 준수해야 하며, 특히 비파괴 검사(NDT)에 관한 Section V와 용접 및 브레이징 자격에 관한 Section IX를 따라야 합니다. 와이어 아크 공정을 인증할 때 제조업체는 적용된 비파괴 검사 기법이 설계 코드에서 규정한 최소 허용 결함 크기까지 안정적으로 검출할 수 있음을 입증해야 합니다.

추가 주요 적용 기준

• ISO 17640: 초음파 기법을 이용한 용접 비파괴 검사
• ASTM E3029: 컴퓨터 단층촬영(CT) 시스템의 추적성 및 성능 검증을 위한 표준 실무 규정
• AWS D20.1: 미국용접학회(American Welding Society)에서 발행한 금속 적층 제조를 이용한 부품 제작 규격
• NACE MR0175: 황화수소(H₂S)가 존재하는 부식성 환경(sour service)에 노출되는 구조 재료가 황화물 응력 균열(sulfide stress cracking)을 방지하기 위해 특수 검사를 받도록 보장하는 규격입니다.

인증 절차는 광범위한 비파괴 검사(NDT) 데이터를 기반으로 한 완전한 절차 자격 기록(PQR)을 요구하며, 이를 통해 로봇 셀이 며칠에 걸친 생산 과정에서도 반복 가능한 품질을 유지하도록 보장합니다. 당사의 인증 및 높은 기준에 대해 더 알아보세요.

디지털 추적성과 검사를 위한 MetalXL 소프트웨어 활용

현대 로봇 와이어 아크 프린팅의 진정한 차별점은 소프트웨어가 비파괴 검사(NDT) 공정을 얼마나 최적화하고 간소화할 수 있는지에 있습니다. 기존 제조 방식은 출력 후 ‘맹목적인’ 검증에 의존하기 때문에, 기술자들은 잠재적 결함을 찾기 위해 수 미터 크기의 전체 부품을 검사해야 합니다. MX3D의 MetalXL 소프트웨어 스위트는 고급 디지털 추적성을 통합함으로써 이러한 구조를 근본적으로 변화시킵니다.

프린팅 과정 동안 MetalXL Live 모듈은 로봇 용접 토치에서 직접 주요 공정 데이터를 지속적으로 모니터링하고 기록합니다. 층간 온도, 와이어 공급 속도, 전류, 전압, 토치 위치와 같은 파라미터가 실시간으로 저장됩니다. 열 스파이크가 발생하거나 층간 냉각 시간이 승인된 절차에서 벗어나는 경우, 소프트웨어는 해당 이상 현상의 정확한 공간 좌표를 기록합니다.

부품이 검사 단계에 들어가면 MetalXL Viz 모듈은 고해상도 디지털 트윈을 생성하여, 기록된 센서 데이터를 3D 모델 형상에 직접 매핑합니다. 이를 통해 비파괴 검사(NDT) 기술자는 공정 변화가 정확히 발생한 위치를 확인할 수 있는 지도를 확보하게 됩니다.
6미터 규모 구조물을 전체적으로 장시간 체적 스캔하는 대신, 검사 팀은 소프트웨어가 표시한 정확한 구역에만 집중하여 위상 배열 초음파 검사 또는 방사선 검사를 수행할 수 있습니다. 이러한 데이터 기반 접근 방식은 검사 부담을 크게 줄이고 산업 인증을 가속화하며, 자산 소유자에게 변경 불가능한 내부 품질 기록을 제공합니다.

FAQ

와이어 아크 적층 제조(WAAM)의 비파괴 검사(NDT)란 무엇인가?

비파괴 검사(NDT)는 부품에 물리적인 손상을 주지 않고, 출력된 금속 부품의 구조적 건전성, 내부 품질, 그리고 기계적 건전성을 평가하기 위해 사용되는 분석 기법들의 집합을 의미합니다.

왜 출력 직후 부품에서는 초음파 검사가 어려운가?

겹쳐진 용접 비드로 인해 형성되는 특징적인 표면 파상도는 음향 신호를 산란시키며, 표준 접촉식 프로브가 균일한 결합 상태를 유지하는 것을 방해합니다. 또한 금속의 조대한 이방성 결정립 구조는 높은 음향 감쇠를 유발합니다.

와이어 아크 부품은 출력 중에도 검사할 수 있나요?

네. 인라인 검사는 로봇 셀에 통합된 비전 센서, 레이저 프로파일러, 열화상 카메라를 통해 수행할 수 있습니다. 이러한 장비들은 층별로 형상 적합성과 온도 프로파일을 모니터링하며, 시스템 또는 작업자가 결함을 즉시 대응할 수 있도록 합니다.

금속 프린팅에서 융합 부족(lack of fusion)을 탐지하는 데 가장 적합한 비파괴 검사(NDT) 방법은 무엇인가?

위상 배열 초음파 검사(Phased Array Ultrasonic Testing)는 내부의 평면형 융합 부족 결함을 탐지하는 데 매우 효과적입니다. 이는 음향 빔을 전자적으로 조향하고 다양한 각도로 집속하여 평탄한 결함 경계면을 정확히 교차시킬 수 있기 때문입니다.

디지털 공정 로깅은 비파괴 검사(NDT) 비용을 어떻게 줄이는가?

MetalXL과 같은 소프트웨어 플랫폼은 정확한 제조 파라미터를 실시간으로 추적하고 기록합니다. 공정 편차를 디지털 트윈에 매핑함으로써 기술자들은 결함이 없는 구간의 스캔을 생략하고, 고해상도 검사를 특정 대상 영역에만 집중할 수 있습니다. 당사의 기술을 확인해 보세요.