조선업 기술 대전환과 WAAM 기술의 역할

 조선업 기술 대전환과 WAAM 기술의 역할

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조선업은 현재 인공지능, 디지털트윈, 로보틱스, 증강현실, 그리고 3D 프린팅과 같은 첨단 기술의 융합을 통해 '스마트 조선소'로의 전환을 가속화하고 있습니다. 이러한 기술 혁신은 생산 방식의 효율성을 높이고, 비용을 절감하며, 품질과 안전성을 향상시키는 데 크게 기여하고 있습니다. 그중에서도 3D 프린팅 기술, 특히 WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing)은 대형 금속 부품 제작 및 수리 분야에서 조선업의 새로운 가능성을 열어주고 있습니다.

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WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing) 기술 개요

WAAM은 와이어 형태의 금속 재료를 아크 용접을 통해 녹여 층층이 쌓아 올리는 방식의 금속 3D 프린팅 기술입니다. 이는 DED(Direct Energy Deposition) 방식의 일종으로, 제어된 전기 아크를 열원으로 사용하여 금속을 용융시키고 적층합니다.

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WAAM 기술은 MIG(GMAW), CMT, TIG(GTAW) 등 다양한 용접 방식을 활용할 수 있으며, 특히 MIG 방식은 빠른 증착 속도와 저렴한 비용으로 대형 부품 제작에 유리합니다. 스테인리스강, 알루미늄, 구리 합금, 고강도 강철 등 다양한 표준 용접 와이어를 재료로 사용할 수 있다는 점도 큰 장점입니다.

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조선업에 WAAM 기술이 중요한 이유

조선업은 선박 건조에 사용되는 부품의 크기가 매우 크고, 다양한 종류의 금속 재료가 사용되며, 복잡한 형상의 부품이 많다는 특징이 있습니다. 또한, 선박 운항 중 발생하는 부품 손상에 대한 신속하고 효율적인 수리도 중요합니다. WAAM 기술은 이러한 조선업의 특성에 매우 적합한 여러 장점을 제공합니다.

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  1. 대형 부품 제작 능력: WAAM은 다른 3D 프린팅 기술에 비해 대형 구조물을 비교적 빠르게 제작할 수 있습니다. 이는 선박 건조에 필요한 크고 무거운 금속 부품을 생산하는 데 유리합니다.
  2. 비용 및 시간 효율성: 기존의 주조, 단조 또는 절삭 가공 방식에 비해 재료 낭비가 적고, 복잡한 형상의 부품을 중간 단계 없이 한 번에 제작할 수 있어 생산 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.
  3. 부품 수리 및 재생: WAAM 기술은 손상되거나 마모된 부품에 금속을 적층하여 수리하는 '클래딩(Cladding)' 기술에 효과적으로 활용될 수 있습니다. 이는 값비싼 대형 부품을 교체하는 대신 저렴한 비용으로 수리하여 부품의 수명을 연장하고 유지보수 비용을 절감하는 데 기여합니다.
  4. 설계 자유도 향상: 복잡하고 유기적인 형상의 부품도 비교적 쉽게 제작할 수 있어, 선박의 성능 향상이나 경량화를 위한 혁신적인 부품 설계가 가능해집니다.
  5. 재고 관리 효율화: 필요한 부품을 필요할 때 현장에서 직접 생산할 수 있게 되어, 대규모 부품 재고를 유지할 필요성이 줄어들고 공급망 효율성이 향상됩니다.

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조선업에서의 WAAM 기술 적용 사례 및 연구 동향

현재 조선업계에서는 WAAM 기술을 다양한 분야에 적용하기 위한 연구와 실제 시도가 활발히 이루어지고 있습니다.

  1. 선박 프로펠러 개발: 선박 프로펠러는 선박의 성능에 매우 중요한 영향을 미치는 핵심 부품으로, 크고 복잡한 형상을 가집니다. 한국조선해양(KSOE)을 비롯한 국내 조선업계와 한국생산기술원, 한국재료연구원 등 연구기관들은 WAAM 기술을 이용한 선박 프로펠러 개발에 적극적으로 나서고 있습니다. 목표는 WAAM으로 제작된 프로펠러가 실제 선박에 장착될 수 있도록 선급 인증을 확보하는 것입니다. 이는 기존 주조 방식 대비 생산 시간 단축, 비용 절감, 그리고 설계 유연성 확보를 통해 프로펠러 제조 방식을 혁신할 잠재력을 가지고 있습니다.
  2. 대형 구조 부품 제작: 프로펠러 외에도 선박의 방향타(Rudder), 샤프트(Shaft), 브래킷(Bracket) 등 다양한 대형 금속 구조 부품을 WAAM 기술로 제작하려는 시도가 이루어지고 있습니다. WAAM은 용접 이음새 없이 부품을 일체형으로 제작할 수 있어 부품의 강도를 높이는 데 유리하며, 복잡한 내부 구조를 가진 부품 생산에도 적용될 수 있습니다.
  3. 손상 부품 수리: 운항 중 손상되거나 부식, 마모된 선박 부품을 WAAM 기술을 이용해 현장에서 직접 수리하는 사례가 늘고 있습니다. 특히 20년 이상 사용된 선박의 부품 수리에 WAAM의 클래딩 기술이 활용되면서, 부품 교체에 드는 막대한 비용과 시간을 절감하고 선박의 가동률을 높이는 데 기여하고 있습니다.
  4. 조선소 내 생산 설비 및 툴링 제작: WAAM 기술은 선박 부품 자체뿐만 아니라, 선박 건조 과정에 필요한 다양한 생산 설비, 고정 장치(Fixture), 툴링(Tooling) 등을 제작하는 데도 활용될 수 있습니다. 이를 통해 조선소는 필요한 툴링을 자체적으로 신속하게 제작하여 생산 공정의 유연성을 높이고 외부 의존도를 줄일 수 있습니다. Markforged 사의 X7과 같은 3D 프린터는 고강도 복합재료를 사용하여 기계 가공 대비 시간과 비용을 절감하며 견고한 고정 장치를 제작하는 사례를 보여줍니다.

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도전 과제 및 미래 전망

WAAM 기술이 조선업에 완전히 정착하기 위해서는 몇 가지 도전 과제를 해결해야 합니다. 가장 중요한 것은 선박 부품에 대한 엄격한 품질 기준과 선급 인증을 충족하는 것입니다. WAAM으로 제작된 부품의 기계적 특성, 피로 강도, 내부 결함 등을 정밀하게 검증하고 표준화하는 작업이 필요합니다. 또한, 적층 과정에서 발생하는 표면 거칠기나 형상 오차를 보정하기 위한 후처리(가공) 기술의 발전도 중요합니다.

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그럼에도 불구하고, WAAM 기술은 대형 부품 제작 및 수리에서의 효율성, 비용 절감, 그리고 설계 유연성이라는 강력한 장점을 바탕으로 조선업의 미래를 이끌 핵심 기술 중 하나로 자리매김할 것으로 예상됩니다. 스마트 조선소 구축의 일환으로 WAAM 기술이 더욱 발전하고 상용화된다면, 조선업계는 생산성 혁신과 함께 새로운 부가가치를 창출할 수 있을 것입니다.

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요약

WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing) 기술은 와이어와 아크 용접을 이용해 금속 부품을 적층하는 3D 프린팅 기술로, 대형 부품 제작, 손상 부품 수리, 생산 설비 제작 등 다양한 분야에서 조선업에 적용되고 있습니다. 특히 선박 프로펠러와 같은 핵심 부품 개발 및 인증 노력이 활발하며, 이를 통해 생산 시간 및 비용 절감, 재료 효율성 향상, 설계 자유도 증대 등의 효과를 기대할 수 있습니다. 품질 인증 및 후처리 기술 발전과 같은 과제가 남아있지만, WAAM 기술은 스마트 조선소 구현과 조선업의 경쟁력 강화에 중요한 역할을 할 것으로 전망됩니다.

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