1. 서 론
금속 적층제조(additive manufacturing) 기술은 도면 없이 3차원 CAD(Computer Aided Design) 파일을 기반으로 부품 제조가 가능하여 다품종 소량 생산에 적합하다. 특히, 기존의 금형-주조 기술에서 요하는 고가의 금형을 제작하지 않아도 된다는 점에서 경제적 이점이 높다. 아래에서부터 한 층씩 쌓아 올라가는 원리를 바탕으로, 금형 냉각 채널과 같은 내부가 비어 있는 복잡형상 구조 형성이 가능하다[1–3]. 또한 절삭/절단 가공 등의 기존 가공기술로는 구현 난이도가 높거나, 용접/접합 등의 후가공이 필요한 형상의 부품을 제조하는 경우에도 큰 장점이 있다. 상기 장점을 바탕으로, 치과용 임플란트를 포함한 의료[4], 항공/우주용 터빈 블레이드[5], 국방 부품[6] 등 대표적으로 다품종 소량생산이 요구되는 분야와, 금형 냉각 채널[7], 고정밀 금형[8] 등 적층제조 특유의 가공기술적 장점을 활용한 분야에서의 상용화가 활발히 진행 중이다.
하지만, 기존의 뿌리기술을 모두 대체할 수 있을 것처럼 관심을 모았던 금속 적층제조 기술은 상기 분야 이상으로 상용화 영역을 확장시키지는 못하고 있다. 새로운 제조기술이 기존 기술을 대체하려면, 기존 기술에 비해 현저히 싸고 빠르게 제조가 가능하거나, 기존 제조기술을 통해서는 제조할 수 없는 새로운 형상을 구현하여 부품의 성능을 획기적으로 향상시켜야 한다. 현재 상용화되어 있는 금속 분말을 활용한 적층제조 기술의 경우 기존 구현이 불가능했던 형상 구현이 가능하다는 장점이 있으나, 높은 장비 도입가와 적층제조 비용으로 기존의 절삭가공, 홀가공 등의 성숙된 가공 기술을 완전히 대체할 만한 장점을 확보하지는 못하고 있는 상황으로 보인다. 3D 프린팅 기술이 최초 개발 시점에서 기대했던 파급력을 확보하지 못하는 이유는 공정 비용에 있다[9].
2025년 현재 상용화된 금속 적층제조 기술은 powder bed fusion(PBF) 기술 및 powder 기반 directed energy deposition(laser powder directed energy deposition, LP-DED) 기술이 있다. PBF 기술은 15~45 μm(또는 15~53 μm) 수준의 구형 금속 분말을 사용하며, powder-DED 기술은 53~125 μm 크기 구형 금속 분말을 활용한다[10]. 구형 금속 분말을 제조하기 위해서는 아토미제이션(atomization) 또는 아토마이징(atomizing) 공정을 거쳐야 한다. EIGA(Electrode Induction-melting Gas Atomization), VIGA(Vacuum Induction-melting Gas Atomization), VIGA-CC(VIGA-Cold Crucible), plasma atomization, 초음파 아토미제이션 등 다양한 아토미제이션 법이 존재하고, 품질, 경제성 등에서 각각의 기술이 장단점을 보유하고 있다[11]. 다만, 모든 아토미제이션 공정은 구형화를 위해 금속을 용융해야 하며, 이는 고융점 또는 고활성 금속일수록 높은 난이도를 요구함을 의미한다. 또한 PBF, LP-DED 공정 모두 좁은 영역의 특정 크기 분포 분말을 요구하기 때문에 분말의 수율이 낮다는 단점 역시 존재한다. 최근 빠른 조형 속도로 상용화 영역에 진입하고 있는 바인더 기반 금속 분말 3D 프린터 (binder-jetting type metal additive manufacturing process) 역시 구형 분말을 활용해야 하는 한계를 벗어날 수 없다.
금속 분말이 비싸다는 것은 상용화에 있어 큰 걸림돌로 작용한다. 첫째로, 금속 적층제조공정을 활용한 복잡형상 구현을 통해 성능이 향상되더라도, 비싼 분말로 인해 최종 부품의 급격한 단가 상승이 초래된다. 이로 인해, 비교적 저렴하면서도 적당한 품질의 기존 가공/제조 공정인 금형-주조-후가공(절삭, 절단 등)을 거친 부품을 선택하게 하는 원인이 된다. 획기적으로 성능이 뛰어나다면 대체가 가능하나, 기존 공정 역시 기술 성숙도가 높아 가격 차이가 큰 상황에서 대체하기가 어렵다.
둘째로, 항공, 우주, 국방 등에 활용하는 대형 부품의 제조에도 어려움이 있다. 최근(2025년 1월 기준), 분말을 기반으로 한 3D 프린팅 장비 선진사는 multi-laser를 기반으로 한 대형 PBF 장비를 상용화하였다. 예를 들면, 45 cm × 45 cm × 100 cm 수준의 build platform과 4개의 1 kW급 레이저를 보유하여 대형 부품을 제조하기에 적합한 장비가 개발된 것으로 보고된 바 있다[12]. 금속, 세라믹을 포함한 무기 소재(inorganic materials)는 미세조직의 제어가 제품의 기계적 물성과 직접적으로 연결된다. 단조, 압연, 압출 등의 소성가공 공정을 거치기 어려운 특수 형상 적층제조 부품의 경우 열처리 공정이 사실상 유일한 미세조직 제어 공정이다[13]. 열처리는 온도와 시간의 제어가 매우 중요한데, 소형 시편을 통해 열처리 공정을 최적화하더라도 시편이 대형화되면 열전도율을 고려해야 하고, 이로 인해 불가피한 내/외부의 미세조직 편차가 생기거나 뒤틀림이 발생할 수 있다. 균일한 소형 시편 미세조직과는 달리 trial-and-error 기반의 열처리 공정 최적화가 수반된다.
대형 부품 적층을 위해서는 실제 제작하고자 하는 적층 부품의 부피가 아닌 Build platform 전체를 모두 채우기 위한 분말 소재가 미리 준비되어야 한다는 점 또한 제약 사항이다. PBF 공정을 통해 상기 언급한 대형 build platform(45 cm × 45 cm × 100 cm)에서 최대 z축 높이만큼의 stroke를 필요로 하는 부품을 적층할 경우, 매 층마다 실제 조형되는 영역의 면적은 전체 plate 면적에 비해 훨씬 작은 크기이더라도, PBF 공정의 특성 상 build platform 공간을 분말로 모두 채우며 적층을 해야 하기 때문에 실제 부품 질량 대비 훨씬 많은 분말 소재를 필요로 한다. PBF에 가장 많이 활용되는 합금인 Ti-6Al-4V 합금을 적층가능 최대 높이까지 적층하는 상황을 가정하면, apparent density는 2.3 g/cm3 (실제 build platform에 쌓이는 분말은 apparent density 보다는 tap density에 가깝지만, 더 낮은 밀도로 선택하여 계산함) 1000 mm까지를 수직으로 쌓기 위한 부피는 202,500 cm3 (45 cm × 45 cm × 100 cm)에 해당하고, 전체 build plate에 채워진 분말의 양은 약 466 kg로 계산된다. 2025년 현재 일반적으로 알려진 Ti-6Al-4V의 분말 가격 중 가장 낮은 값을 적용하면(250 $/kg), 적층을 위해 필요한 분말의 가격만 약 116,000$ 수준으로 산출된다. 물론 build plate의 모든 영역의 분말을 소모하는 것이 아니고 남은 분말을 재활용하지만, 대형 부품이 사용되는 영역인 항공, 우주, 국방, 발전 등의 영역 특성상 보수적인 분말 재활용이 예상된다. 이는 제조를 위한 초기 소재 구비 투자비용이 매우 높은 것뿐만 아니라, 잔류응력으로 인한 뒤틀림, 균열 등이 잦은 대형 부품의 제조 공정 및 열처리 공정 최적화를 위해 무시할 수 없는 비용이 소요됨을 의미한다.
최근에는 기존 금속 적층제조 주류 방식인 PBF 공정이 갖고 있는 중대형 부품 제작의 한계를 극복하기 위해 금속선재(wire)를 공급 소재로 사용하는 적층제조 공정인 Wire-based Directed Energy Deposition(Wire DED) 기술에 대한 관심도가 높아지고 있다. 복잡한 형상 및 내부 유로 구현이 가능하여 고효율 방열 부품, 치과/의료용 부품, 소형 항공우주부품 등 고정밀 부품 제작에 활용되고 있는 PBF 공정과 달리, 제작 가능 크기에 제약이 적고 고속 저비용 생산의 특성을 갖는 Wire DED 공정은 조선, 항공우주, 발전 분야에서 다품종 소량 생산 중대형 부품의 새로운 생산방식으로 주목을 받고 있다. 활용 가능 소재 종류 측면에서 분말 기반 공정에서는 적층제조용 금속 분말 종류가 제한적이라는 부분이 기술 확산을 저해하는 요소로 작용한 반면, Wire DED 방식은 기존 용접 분야에서 개발된 다양한 종류의 금속 선재를 그대로 활용할 수 있다는 장점으로 인해 기술 개발 및 확산이 가속되고 있다.
Wire DED 방식은 사용되는 열원의 종류에 따라 아크를 사용하는 Wire-arc additive manufacturing(WAAM)과 레이저를 사용하는 Laser-wire DED(LW-DED) 기술로 분류된다[14–17]. WAAM 공정은 기존의 아크 용접 기술에 기반을 두고 있는데, 모재와 용가재를 아크로 녹이는 용접 기술을 단순 접합의 목적이 아닌 3차원 형상 제작으로 활용하는 개념은 1920년 특허에서 최초로 제시되었다[18]. LW-DED 공정은 기존 laser metal deposition(LMD) 또는 laser wire deposition(LWD) 이라고 불리는 metal wire를 활용한 레이저 용접 장치에 준하는 기술과 원천적으로 유사한 기술이고, 실제 해당 기술 역시 LW-DED 또는 WL-DED(wire-laser directed energy deposition) 라는 명칭으로 불리고 있다. 또한 wire를 비스듬히 공급하는 LW-DED 기술을 wire-feed additive layer manufacturing (ALM) 및 wire laser additive manufacturing(WLAM)이라고 명기하거나, 본 논문에서 자세히 기술할 coaxial-type LW-DED 기술을 CLWD(coaxial laser wire deposition)으로 명명하는 등 다양한 용어가 혼재되어 있어 용어의 정립이 필요할 것으로 판단된다[19–21]. 본 논문에서는 ASTM 표준 용어인 DED를 사용하고[22], WAAM 기술과 대비되는 ‘laser’의 특징을 부각시키기 위해 LW-DED라는 용어를 활용하며, 2020년 이후 상용화의 영역에 도입한 laser와 wire가 같은 축으로 공급되는 coaxial LW-DED 기술을 중심으로 연구 및 개발 현황을 조사하였다
WAAM 기술은 레이저에 비해 열원 집속률이 떨어지는 아크를 사용하여 모재와 용가재를 녹이기 때문에 소재와 상관없이 일반적으로 10 mm 이상 폭을 갖는 비드가 형성되며, 최대 수 mm의 비드 폭을 갖는 레이저 기반 DED 공정과 비교하여 상대적으로 높은 적층속도(deposition rate)를 보인다[23]. 다만, laser의 spot size와 출력 등의 정밀 제어가 가능한 LW-DED 기술에 비해 resolution이 부족하고 미세기공의 형성 가능성이 높아 수 m 수준의 대형 부품 제조에 적합하다. 본 기술 역시 많은 장점을 보유하고 있는 기술로, 추후 독자적인 영역을 구축할 가능성이 높다.
본 논문에서 자세히 다룰 coaxial LW-DED 기술은 공급소재로 금속 와이어를 사용하며, laser를 금속 소재를 녹이는 열원으로 활용하는 적층제조 기술이다[15,16,24]. 기존 분말 기반 DED 방식은 공급된 소재 대비 실제 적층되는 양이 1/3~1/2 수준에 그쳐 소재 활용도가 낮은 반면, 와이어 기반 DED 방식은 공급된 소재의 거의 100%가 적층에 활용되어 소재 이용 효율이 우수하다는 장점을 갖고 있다. 와이어의 생산 단가가 분말보다 낮다는 부분 또한 공정의 경제성을 더욱 높이는 요소이다.
LW-DED에 사용되는 레이저 열원은 아크(arc) 열원에 비해 고밀도 에너지 특성을 지니며, 이에 따라 형성되는 용융풀의 면적이 상대적으로 작아 높은 치수 정밀도를 확보할 수 있다. 동시에 용융풀 깊이가 충분하여 층간 결합력이 높아 우수한 적층 품질을 달성할 수 있다. 특히, 레이저와 와이어가 동일 축(coaxial) 상으로 공급되기 때문에 측면 와이어 공급 방식에 비해 적층 경로의 제약이 적으며, 와이어 공급 방향에 따른 적층물의 물성 변화도 상대적으로 적다[25,26].
이 기술은 2020년 이후 상용화 단계에 진입한 비교적 최신 공정으로, 균형 잡힌 제조 성능을 바탕으로 향후 산업 현장에서 상용화 가능성이 높다고 평가된다. 그러나 현재까지 관련 연구와 기술적 이해도가 충분하지 않으므로, 본 리뷰 논문에서는 coaxial LW-DED 기술의 원리, 장단점, 응용 현황 및 향후 발전 방향을 체계적으로 정리하고자 한다.
2. LW-DED 장비의 원리와 특징
LW-DED 공정은 일반적으로 와이어를 공급하는 방향에 따라 두 가지로 분류되는데, 와이어를 모재에 수직하게 용융풀의 정중앙으로 공급하는 coaxial-feeding 방식(그림 1, 왼쪽)과 용융풀의 측면에서 비스듬하게 공급하는 side-feeding 방식(그림 1, 오른쪽)이 존재한다[15].
Side-feeding LW-DED 공정의 경우 레이저 빔을 모재에 수직하게 조사하여 용융풀을 형성하고 wire가 측면에서 공급되는 방식으로, 레이저 빔 전달 광학계가 단순하기 때문에 유지보수가 간편한 동시에 높은 레이저 출력(최대 20kW)을 확보할 수 있다는 장점이 있다[27]. 다만, 비드를 형성하기 위한 이송방향 기준 wire의 공급 방향에 따라 기계적 물성 및 품질 변화가 발생할 수 있기 때문에 용융풀 생성 방향에 선행하거나 후행하도록 하여 공급 방향을 고정하는 것이 일반적인데, 이 경우 적층 헤드의 이송 자유도가 제약되어 복잡한 적층 경로 적용이 어렵다는 단점이 존재한다[15,28].
Wire를 중앙에서 공급하는 coaxial LW-DED 방식은 모재에 복수(4~6개)의 가우시안 빔을 원형으로 조사하거나, 또는 고리형(Ring-shaped)의 레이저 빔을 조사하여 용융풀을 형성하고, 그 중앙에 와이어를 공급함으로써 비드를 형성한다 [21,29,30]. Side-feeding 방식과 달리 중앙에서 와이어가 공급되기 때문에 용융풀에 소재가 수직하게 공급되어 형성되는 비드 물성이나 품질이 적층경로에 영향을 받지 않는다[31]. Coaxial 방식에서는 레이저 빔 전달 광학계의 설계 복잡성이 높아지는데, 복수의 레이저를 측면에서 조사하는 시스템은 복수의 광섬유와 집광 렌즈를 사용하고, 중앙에 집광하는 방식으로서, 중앙 공급 와이어를 둘러싸서 개별 광학계를 적층 헤드에 배치해야 하기 때문에 적층 헤드의 부피가 커지게 된다[32]. 다른 방식으로는 레이저 빔을 빔 형상 제어(Beam shaping)를 통해 ring-shaped beam으로 변경시켜 모재에 조사하는 빔 전달 광학계를 사용하는 방식이 존재한다. 이 경우 빔전달 광학계 내에 axicon lens pair를 사용하여 평행광 상태에서 빔 형상을 Ring 형상으로 만들고, wire와의 간섭을 피하기 위해 prism pair로 레이저 beam을 분기(dividing) 및 결합(combining)하는 광학계로 구성된다[33]. 두 시스템 모두 beam을 전달하는 광학계 시스템이 복잡해지므로 광학계의 열발생 및 냉각 이슈가 발생하고, 이로 인해 최대 출력이 상대적으로 작으며(~6 kW 이하) 장비가가 높고 광학계의 유지보수가 어렵다는 문제점이 있다. 하지만 복잡한 적층 경로를 설정하여 잔류응력을 저감할 수 있고, 추후 robot-arm 과의 결합을 통해 자동 용접장치 등에의 활용을 위해서는 coaxial LW-DED 방식이 장점을 가질 수 있을 것으로 기대되며, 본 논문에서는 coaxial LW-DED를 중심으로 설명하도록 하겠다.
Coaxial LW-DED 기술은 Build plate, CNC head 등에 고정되어 특정 크기의 적층제조 부품 제조를 가능하게 하는 ‘Gantry-type’과, 추후 위험지역 자동 용접 장치 또는 부품 수리 장치로 확장이 가능하도록 로봇팔에 부착한 ‘Robot-arm type’ 방향으로 연구가 진행 중이다. 두 가지 방향의 장단점을 아래 표에 정리하였다[34–36]. 두 가지 방향은 LW-DED 기술뿐 아니라, WAAM, LP-DED 기술 등 다른 DED 기술의 방향과도 크게 다르지 않음을 확인할 수 있다.
Gantry type과 robot-arm type 두 가지 방식 모두 coaxial head의 이동 방식이 다를 뿐 재료공학적인 관점에서는 큰 차이가 없다. 대표적인 Gantry type coaxial LW-DED 장비인 MELTIO M450 장비를 기준으로 장비의 구성을 아래 그림 2에 나타냈다.
Coaxial head는 wire feeder, shield gas nozzle 및 레이저 beam이 결합된 장치로, LW-DED 공정을 수행하는 핵심 구성 요소이다. 적층 시 금속 wire는 wire feeder를 통해 레이저와 동축으로 coaxial head에 공급되며, 공급된 금속 와이어는 coaxial head 내부에 결합된 6개의 광학계를 통해 열원(laser beam)을 공급받는다. 광학계를 통한 각각의 레이저 최대 출력은 200W로 세밀한 제어가 가능하며, 최대 출력은 1.2kW이다. Shield gas nozzle에서는 적층 공정 동안 형성되는 melt pool의 산화를 방지하기 위해 Ar과 같은 불활성 기체가 공급된다.
3. LW-DED 기술의 장점
LW-DED 기술은 기존 분말 기반 적층제조 기술인 PBF, powder-DED 및 binder jetting 기술에 비해 아래와 같은 다양한 장점들을 보유하고 있다. 아래에 각 장점들에 대해 설명하도록 하겠다.
1) 소재의 단가가 저렴하다.
LW-DED 장비의 대표적인 제조사인 MELTIO社의 홈페이지에 적층제조용 합금 분말과 와이어의 가격이 제시되어 있다(Table 3, [37]). MELTIO社는 LW-DED 장비의 제작 및 판매사로, 와이어의 가격을 더 높게 평가했을 것임을 감안하더라도, 와이어의 가격은 적층제조용 분말에 비해 적게는 1/3, 크게는 1/20의 가격으로 형성되어 있다. 금형 없이 원하는 형상 제작이 가능하고, 절삭/절단 가공이 불필요하며 가운데가 비어있는 등 특수형상 제작이 가능하다는 기존 3D 프린팅의 장점을 보유하고 있으며, 가격 경쟁력까지 확보하고 있다는 점은 파급력이 클 것으로 기대된다.
2) 소재 제조공정 중 원소재의 손실이 적다.
구형 분말 제조를 위한 아토미제이션(atomization) 또는 아토마이징(atomizing) 공정은 특수 공정인 플라즈마 구형화를 제외하면 필연적으로 소재의 손실을 유발한다(플라즈마 구형화 역시 특정 크기 영역의 분말을 활용해야 하므로 분급 과정에서 손실이 발생한다). 아토미제이션을 통한 구형화 공정은 일반적으로 금속을 용융시킨 후 기상 또는 액상의 냉각제를 강하게 분사하여 금속 용융체를 미세화하고, 이 과정에서 표면적을 줄이기 위해 액상 금속이 구형화되는 현상을 이용하는 공정이다. PBF 적층제조 공정에는 15~45 μm 또는 15~53 μm 크기의 구형 금속 분말이, 분말 DED 적층제조 공정에는 53~125 μm 크기의 구형 금속 분말이 사용된다. 상기 유체의 분사를 통해 분말을 제조하는 아토미제이션 공정의 원리와 사용가능한 분말의 범위를 감안하면, 분말의 제조 공정에서 필연적으로 발생하는 15 μm 이하의 미세 분말과 125 μm 이상의 큰 분말은 적층제조 공정에 활용할 수 없고 공정 중 손실이 될 수 있음을 의미한다. 분말 제조 수율과 관련한 정확한 수치는 기업의 기술력과 관련한 내부정보로 여겨져 확인이 어려우나, 일반적인 VIGA 및 EIGA의 최적화와 관련된 기존 문헌을 통해 최소 10~20%의 분말이 손실로 발생할 것으로 예측된다[11,38]. 일부 논문에서는 L-PBF 공정용 분말의 경우 수율이 50%에 미치지 못한다는 내용이 보고되기도 하였다[39]. 이는 모두 공정 단가의 상승으로 연결된다.
반면 LW-DED 공정에 사용되는 금속 와이어의 경우 0.8~1.2 mm의 직경이 주로 활용되는데, 이는 금속의 소성 가공 공정을 통해 손실 없이 제조가 가능하다. 제조공정의 차이로 인해 공정에 적용되는 원소재의 단가 차이가 크고, 이는 적층제조 공정을 통해 제조된 부품의 가격 경쟁력으로 연결된다.
3) 적층제조 공정 수행 중 소재의 손실이 적다.
LP-DED의 경우 상기 기술한 것과 같이, 모재를 용융시키고 용융된 영역에 분말을 정량 분사하여 적층제조 공정을 수행한다. 분말의 분사 과정에서 모재의 용융 pool에 투하되지 못한 분말은 튀어 나가게 되고, 이 역시 적층공정 수행 과정에서의 손실로 연결된다. Daniel Koti 등은 ‘Powder catchment efficiency’라는 용어로 LP-DED 공정에서 실제 melt pool에 투입되어 적층제조에 관여하는 분말의 효율을 정의하였으며, 기존 문헌은 9.1~92.0% 사이의 다양한 편차를 확인하였다[40]. 92.0%를 제외하면 가장 높은 powder catchment efficiency는 86.8%로, 10% 이상의 소재가 공정 중에 손실됨을 의미한다. 상기 분말 제조 공정인 아토미제이션 과정에서의 손실과 DED 공정 중의 손실 모두 R&D 관점에서는 큰 문제가 아닐 수 있다. 하지만, 제조 단가가 사업성과 직접 연결되는 상용화 영역에서는 작은 손실이 단가 상승의 이유가 되며, 이는 적층제조 공정의 상용화를 제한하는 원인이 된다. LW-DED 장비는 분말처럼 분사하는 방식이 아니고, 와이어를 용융 pool에 밀어서 공급하므로, 소재의 손실이 발생하지 않는다.
4) 분말 대비 원소재가 균일하고 편차가 적다.
‘분말(powder)’은 많은 양의 ‘입자(particle)’가 모여 있는 유체의 형태이다. 제조 공정의 엄밀한 관리와 표준화로 물성에 영향을 주는 경우는 많지 않으나, 분말은 크기의 분포를 가지기 때문에 이의 관리가 필요하다. 또한, 금속은 공기 중에 장시간 노출될 시 표면이 산화되는 경향이 있는 데, 분말은 bulk 형태의 소재에 비해 비표면적이 압도적으로 높기 때문에, 각 분말의 표면이 산화되어 있고, 이는 최종 부품의 산소 농도에 영향을 줄 수 있다. 물론, 최근의 분말 제조 공정과 관리법은 선진화되어 있어, 상기 내용이 적층제조 부품 또는 분말야금 부품의 신뢰성에 큰 영향을 주지는 않는다.
5) 상용 소재의 선택군이 넓다.
LW-DED 공정에는 0.8~1.2 mm의 금속 와이어가 사용된다. 이는 기존 오랜 역사를 지닌 용접(welding) 공정에 활용되는 소재를 그대로 활용할 수 있다는 것을 의미한다. 최근(2024년 기준) 적층제조용 분말 역시 그 범위를 확장하고 많은 수의 합금이 상용화되었으나, 오랜 역사를 지닌 용접용 와이어에 비하면 그 수에 있어 아직 차이가 있다. 와이어를 활용하는 적층제조 공정은 기존 용접 산업의 소재군을 활용할 수 있다는 장점으로, 적층제조에 활용이 가능한 합금군의 선택 폭이 넓다는 장점이 있다. 예를 들면, 일부 Inconel 계열 합금(617, 690 등) 및 Incoloy 계열, Monel 계열 등 용접 분야에서 널리 활용되는 고온용 및 고내식성 합금들의 경우 용접용 와이어는 널리 유통되고 있으나, 대형 분말 제조사 및 재료 유통사에서 폭넓게 활용되는 대표적 적층제조용 분말로는 자리잡지 못한 상태이다. 따라서, LW-DED 공정은 다양한 합금을 적층제조하고, 그 특성을 활용할 수 있다는 장점이 있다.
6) 분말을 사용하지 않으므로 화재의 위험이 적다.
금속 분말은 잘 관리가 된다면 화재가 일어나지 않는다. 특히 3D 프린팅용으로 주요 사용되는 합금 분말들은 화재의 사례가 극히 드물다. 하지만 여전히 공정 여과 장치 등에서 확인되는 미분(fine powder)에 대한 세심한 관리가 필요하다. 와이어를 사용하는 경우 이에 대한 대비가 필요 없다는 장점이 있다.
7) 적층제조 속도가 빠르다.
100 μm 내외의 분말을 공급하는 것에 비해 0.8~1.2 mm의 와이어를 공급하는 것이 중대형 부품을 제조하는 데 있어 적층 속도 측면에서 크게 유리하다. 가장 널리 상용화된 금속 적층제조 기술인 PBF 공정의 경우 분말을 한 층씩 쌓아 layer를 형성하는데 그 layer는 일반적으로 30 μm를 사용한다. 분말 DED 공정의 경우 PBF 공정 보다는 빠른 적층이 가능하나, 기본적으로 분말을 활용하기 때문에 1 mm 수준의 와이어 보다는 적층 속도 측면에서는 불리하다. LW-DED, WAAM 등 와이어를 사용하는 기술이 소재의 특성상 정밀도는 부족하나 적층 속도 면에서는 유리하다.
9) 분말 공정에 비해 구조 구현 및 적층제조 공정이 보다 자유롭다.
DfAM(Design for Additive Manufacturing)은 매우 다양한 의미를 포함하고 있다. 기존 금형/주조/가공 공정을 넘어선 새로운 디자인을 의미하기도 하며, 공정의 영역에서는 잔류응력을 저감하거나, 공정 중 일어날 수 있는 문제를 저감하기 위한 형상을 뜻하기도 한다. 분말의 경우 분사하거나(DED), 한 층씩 쌓는 공정(PBF)이 요구되는데 이는 중력, 비산(scattering) 등에 의해 공정 중 분말의 탈락 현상이 일어날 수 있음을 의미한다. 와이어를 사용하는 경우 해당 문제의 영향을 비교적 적게 받으므로, 구조의 설계와 구현이 더 자유롭다는 장점이 있다.
10) WAAM 기술에 비해 결함이 적으며 복잡형상을 만드는데 용이하다.
Giuseppe Casalino 등은 2023년 논문에서 LW-DED 기술과 WAAM 기술을 비교하였다(그림 3, [45]). 물론 장비마다 고도화 정도가 다르고 공정변수 최적화에 따른 적층 제조 부품의 물성차이가 크게 발생하지만, 일반적으로 레이저를 열원으로 활용하는 LW-DED 가 아크를 사용하는 WAAM에 비해 열영향부(heat-affected area)가 좁아 더 정교한 국부용융이 가능함을 지적했다. 또한 아크에 비해 레이저가 heat input의 정교한 조정이 가능하므로, 공정 최적화시 전반적인 적층제조 부품의 완성도는 LW-DED가 더 높을 것으로 예상된다. 또한 레이저가 아크에 비해 고밀도로 용융풀 형성이 가능하기 때문에 WAAM 기술 대비 우수한 미세조직을 확보할 수 있다[46].
4. LW-DED 기술의 단점
위와 같이 다양한 장점을 바탕으로 LW-DED 장비의 추후 발전 가능성이 높다고 판단된다. 하지만 아래와 같은 단점도 분명히 존재한다.
1) 분말 기반 3D 프린팅에 비해 resolution이 떨어진다.
0.8~1.5 mm의 와이어를 활용하기 때문에, build plate의 상승 및 하강이 30 μm 수준이며 10~45 μm 크기범위의 분말을 활용하는 PBF 기반 금속 3D 프린팅 또는 45~105 μm 크기범위의 분말을 활용하는 분말 DED 공정에 비해 resolution, 즉 정밀도가 부족하다는 단점이 있다. 상기 언급했듯, 의료 또는 치과용 부품, 소형 전자기기용 부품 등 고도의 정밀도가 요구되는 부품의 경우 기존의 분말 기반 공정을 활용하는 것이 적절할 것으로 예상된다.
2) 표면 waviness가 존재하여 후처리가 필요하다
플라스틱 기반의 상용 3D 프린터로 소위 FDM(fused deposition modeling) 방식으로 부르는 filament 기반의 3D 프린팅 제작물을 보면 filament의 두께만큼 표면에 층이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이를 waviness라 하며, 이와 같은 표면이 금속 와이어를 활용하였을 때도 유사하게 나타난다[15]. 물론, 내부는 공정 최적화를 통해 dense한 미세조직을 확보할 수 있으나, 표면 마감이 수십 μm의 분말을 활용하는 분말기반 공정에 비해 표면 마감이 유려하지 않은 것으로 판단될 수 있어, 제품으로 활용하는데 있어 후처리가 필요하다는 단점이 있다. 물론, 분말 기반 공정 역시 후처리가 필요하나, LW-DED 공정에는 표면에 육안으로 보이는 계단 형태의 waviness를 제거할 수 있는 수준의 후처리가 필요할 것으로 예상된다.
3) As-built 상태의 기계적 물성이 분말공정에 비해 부족할 수 있다.
분말야금 공정은 미세 분말을 활용하기 때문에 부품 제조 후 미세한 grain size를 확보할 수 있고, 이는 우수한 강도와 경도로 연결된다. 금속 분말을 활용한 적층제조 기술 역시 마찬가지로 분말 형태로 공정을 시작하므로 fine한 microstructure를 확보할 수 있다[47]. 따라서 as-built 상태의 강도와 경도 등의 물성이 우수한 편이다. LW-DED 공정의 경우 급속 용융과 응고를 반복한다는 점에서 fine한 microstructure를 확보하는데 유리하나, 시작 소재가 와이어이기 때문에 분말에 비하면 조대한 미세조직을 보유하게 된다. 이에 따라 as-built 상태의 강도와 경도는 분말 기반 3D 프린터에 비해 낮은 값을 형성할 수 있다[16]. 그러나 분말 기반 적층제조 공정 역시 미세조직 제어를 위해 post heat treatment를 거치는 경우가 많기 때문에 해당 특징은 열처리 유무에 따라 공정간의 차이점으로 작용하지 않을 수 있다.
4) WAAM 기술에 비하면 적층제조 속도가 느리고 장치가 비싸다.
같은 와이어를 활용하는 WAAM 기술에 비하면 적층제조 속도가 느리다. WAAM 기술은 torch 등을 활용한 아크를 사용하며, 순간적인 용융 속도가 레이저에 비해 빠르므로, LW-DED 기술에 비해 더 빠른 적층 속도를 보유할 수 있다. MX3D社에서는 stainless steel을 활용해 WAAM 기술로 네덜란드 암스테르담에 12.2 m 길이의 다리(bridge)를 설치한 바 있다[48]. 물론 6개월 가량의 긴 시간 동안 제작되긴 하였으나, 10 m 이상의 큰 규모 제품을 실현하였다는 데에 큰 의의가 있다. 또한 레이저용 광학계 등이 필요하여 장비 또는 장치의 가격이 WAAM보다는 LW-DED가 더 고가에 형성되어 있다.
5) Multi 레이저 등을 통한 부품 동시 생산이 어렵다.
대형 PBF 장비에는 수 개의 레이저가 동시에 부착되어 하나의 build plate 위에서 여러 개의 부품을 동시에 생산하기도 한다[49]. 레이저와 와이어가 coaxial하게 공급되는 LW-DED 기술의 경우 다수의 레이저 열원을 동시에 공급하는 방식이 불가능하다. 다만, 로봇팔 부착 방식의 LW-DED 기술은 PBF 공정에서 multi laser를 사용하는 것 이상으로 높은 생산성을 보일 수 있을 것으로 기대된다.
5. Coaxial LW-DED 기술의 연구 동향
상기 장점과 단점을 바탕으로, LW-DED 장비는 분말 기반 적층제조 공정보다는 비교적 덜 정교하고, WAAM 보다는 느린 적층 속도를 가지고 있어, 그 중간 영역의 크기와 기계적 물성을 요하는 부품 및 제품에 적용이 적합할 것으로 기대된다. 이와 관련된 논문들이 일부 보고되고 있다.
Coaxial LW-DED 기술의 적층제조 공정 최적화와 관련된 연구는 기존 와이어 공급이 비스듬하게 이뤄지는 Side-feeding type LW-DED 연구에서 이어져 꾸준히 지속되고 있다. 알루미늄계[50,51], 타이타늄계[52], stainless steel계[53], 니켈 초내열합금계[30,54] 등 다양한 합금의 적층제조 공정을 최적화하려 노력 중이다. 건전한 적층제조 부품 제조를 위해 laser focal spot size, focal distance, wire size, shielding gas, scanning strategy 및 substrate와 와이어의 pre-heat 등 다양한 공정변수를 최적화해야 한다. 적층제조 부품과 관련하여 금속재료와 관련된 최신 분석법을 적용하고, 나아가 공정 중 발생할 수 있는 결함을 최소화하기 위해 실시간 모니터링과 이와 연동되는 제어 시스템, 특히 인공지능 및 머신러닝 알고리즘을 활용한 공정 제어 기술이 연구되고 있다.
Yuan Chen 등은 LW-DED 장비를 활용하여 Ti-6Al-4V 합금을 적층제조 하였다[52]. Building direction(z축)과 deposition direction(x-y축)의 기계적 물성의 이방성을 확인하였으며, 와이어가 한쪽 축에서 공급되어 와이어의 끝 부분과 melt pool이 interaction하는 LW-DED 기술과 동축으로 공급되는 coaxial LW-DED 장비의 미세조직 형성 거동을 실제 실험과 energy distribution modeling을 통해 확인하였다(그림 4). LW-DED 장비가 더 균일한 energy distribution을 보이므로 thermal gradient를 줄일 수 있고, 이로 인해 equiaxed한 grain을 형성하기 용이하다는 결과를 제시하였다.
Lin등은 오퍼란도 싱크로트론(Operando Synchrotron) X-ray 기술과 시뮬레이션을 활용하여 Inconel 718합금의 적층제조 공정 중 미세조직 형성에 대해 관찰하였다[54]. 공정에 사용된 와이어가 100% 용융되지 않더라도 결함 없이 부품을 형성하는 메커니즘과, 이 과정에서 형성된 이차상이 grain growth를 억제하는 메커니즘 등을 정밀 분석을 통해 공정 중 와이어의 용융 상태를 정량적으로 측정했으며, 이러한 상태가 응고 미세구조에 미치는 영향을 규명했다. Powder 기반 DED 공정과는 다른 미세조직 형성 거동과 grain refinement 거동을 확인하였다.
LW-DED 기술은 공정변수가 매우 다양하여 trial-and-error 방식의 최적화가 어려운데, 이 과정에서 기계학습(machine learning, ML) 기법을 적용한 연구도 확인된다. Natago Guilé Mbodj 연구팀은 Precitec社의 laser head를 활용한 LW-DED 장치에서 적층제조 과정에서의 bead geometry를 laser power, wire feed rate, travel speed 등의 관점에서 최적화하는 ML 기법을 개발하였다[55]. 장비 개발 초기의 연구로, bead geometry만을 연구하였으나, 추후 density, 나아가 최신 분석기법과의 융합을 통해 microstructure까지 최적화할 수 있는 기술이 개발될 것으로 보인다.
이외에도 이종 금속 소재와 관련된 연구에 LW-DED가 활용되는 추세다. LW-DED 기술은 이종 금속(dissimilar metals) 접합(joining), 클래딩(cladding) 및 하드페이싱(hardfacing) 등과 같은 기존의 이종 금속 관련 공정에도 활용이 가능하다[56]. 특히 dual wire system이 적용된 LW-DED 장비가 개발되어 있어, 자동으로 두 종류의 합금 와이어를 번갈아가면서 적층할 수 있는 시스템을 기반으로 다양한 공정연구에도 응용이 가능할 것으로 예상된다.
기존 아크 용접에 대비한 레이저 용접의 장단점이 LW-DED 공정에도 유사하게 적용된다. LW-DED 공정의 경우 laser power, scan speed 등의 정교한 공정변수 제어가 가능하여 두 개의 다른 금속을 접합할 때의 각각의 용융 풀(Melt pool)의 크기와 형태를 조절할 수 있어 미세구조와 기계적 특성을 조절할 수 있다고 알려져 있다. Side-feeding LW-DED와 관련된 연구이지만, 탄소강 위에 STS309L 강을 cladding하는 연구[57], STS304강과 7075 알루미늄 합금을 차례로 적층하는 구조 형성에 관한 연구[58], Ti-6Al-4V 합금과 AA7075 알루미늄 합금을 접합(joining)하는 연구[59], STS316L강과 Inconal 718 합금을 번갈아가며 겹겹이 쌓아 새로운 물성을 확인하는 연구[60] 등 장비의 특징을 활용한 다양한 연구가 진행되고 있어, 기존 이종금속(dissimilar metal)과 관련된 다양한 연구를 더욱 발전시킬 수 있을 것으로 기대한다.
6. 결 론
본 논문에서는 기존의 금속 분말 기반 적층제조 공정(PBF, LP-DED, Binder Jetting 등)이 가진 소재적 특성으로 인한 경제성의 한계를 해소할 수 있는 LW-DED 기술, 특히 coaxial LW-DED 기술의 원리와 연구 동향에 대해 상세히 살펴보았다. LW-DED 기술은 고가의 분말 대신 기성 용접용 와이어를 소재로 사용함으로써 소재 단가 및 공정 중 소재 손실을 크게 절감할 수 있다. 또한 미세 분말보다 굵기가 일정한 와이어 형태를 사용함으로써 공정제어가 용이해지고, 기존 용접 분야에서 널리 활용되던 다양한 합금군을 적용할 수 있다는 장점도 있다.
물론 LW-DED 공정은 분말 기반 적층제조에 비해 정밀도가 떨어지고, 표면에 waviness가 존재하며, as-built 상태에서의 기계적 물성이 상대적으로 낮을 수 있다는 단점을 지니고 있다. 이 때문에 치과·의료용 소형 정밀 부품이나 극도로 복잡한 형상의 부품 제조에는 분말 기반 적층제조가 여전히 강점을 유지할 것으로 보인다. 그러나 중대형 부품 혹은 특정 분야에서 요구되는 비교적 큰 치수 영역의 부품 제조에는, 경제성·생산성·소재 선택 폭 등을 종합적으로 고려했을 때 LW-DED가 매력적인 선택지가 될 가능성이 높다.
최근 들어, LW-DED 분야는 동축(coaxial) 방식으로 레이저와 와이어를 동시에 공급함으로써 적층 경로의 자유도를 극대화하고, 복잡형상의 제조 및 잔류응력 제어 면에서 기존 side-feeding 방식보다 개선된 공정 형태로 발전해 가고 있다. 이와 더불어 다중 합금 소재를 동시에 공급하는 ‘dual wire’ 시스템 도입, 실시간 공정 모니터링 및 머신러닝 기반 최적화 기법 등을 통해 부품의 품질 제어 및 미세조직 제어가 활발하게 연구되고 있다. 장치의 고도화와 레이저, 와이어를 활용한다는 특징을 바탕으로 이종 금속 간 접합부나 클래딩(cladding) 공정으로도 수월하게 응용할 수 있다는 점이 LW-DED만의 특징으로 주목받고 있다. 결론적으로, LW-DED 기술은 빠른 적층 속도·저렴한 원소재 가격·폭넓은 재료 적용성 등으로 인해 금속 적층제조의 지속가능한 대안으로 부상하고 있다. 이에 따라 본 기술이 분말기반 고정밀 금속 3D 프린팅 또는 WAAM 기술을 완전히 대체하기보다는, 고품질이 요구되는 중·대형 부품의 신속 제작이나 클래딩, 접합구조 등 복합 재질 부품 제조 등을 중심으로 기술의 영역을 확보할 것으로 예상한다. 다양한 연구의 축적을 통해 LW-DED 기술은 향후 금속 적층제조 전반에서 더욱 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
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