기술개발 내용 및 파급효과1. 개발기술의 내용 및 특징현재 대부분의 철도차량 차체는 강재나 알루미늄과 같은 금속재를 이용하여 제작되고 있다. 금속/비금속을 이용한 차체 제작 기술은 상당히 오랜 시간동안 발전에 발전을 거듭하여 왔으며 이러한 기술의 발전을 통해 여러 가지 성능을 만족하는 차량을 제작할 수 있었다. 그러나 금속을 이용한 차체 제작 기술이 정점에 다다르면서 끊임없이 요구되어지는 높은 수준의 성능을 만족하는 차체를 제작하는 것에 상당한 시간과 비용이 소요되게 되었다. 그래서 보다 우수한 성능을 갖는 차체 제작을 위해 최근 복합소재를 이용한 제작 기술이 연구/개발되고 있으며 높은 정밀도와 성능 및 경량화가 요구되는 항공분야를 비롯하여 선박, 자동차, 열차 등 수송기계 전 분야에 걸쳐 복합재료를 응용한 부품의 적용이 늘어나고 있는 추세이다. 여기서 소개하고자 하는 기술은 금속재로 제작되던 철도차량의 차체를 복합재료(composite material)로 대체하여 제작하는 기술로서 현재 건설교통부 주관하에 수행중인 철도기술연구개발사업의 일환으로 개발중인 최고속도 200km/h의 한국형 틸팅열차(Korean Tilting Train eXpress)의 차체에 적용되고 있다. 틸팅열차란 선로의 곡선부 주행시 차체를 곡선의 내측으로 기울이게 하는 기술로 곡선부 주행시 발생하는 원심가속도의 횡방향 성분을 중력가속도의 횡방향 성분으로 감쇄시켜 승객이 느끼는 횡가속도를 저감시키는 기술이다. 곡선부에서 일반열차와 틸팅열차의 곡선통과 자세는 <그림 1>과 같다.
곡선부에서 승객이 느끼는 횡가속도성분은 식(1)과 (2)와 같다.일반열차의 미보상 횡가속도 : 틸팅열차의 미보상 횡가속도 : 여기서 각 기호의 의미는 다음과 같다. af: 곡선부에서 승객이 느끼는 미보상 횡가속도 ac: 곡선부에서 작용하는 순수횡가속도g: 중력가속도Φ: 캔트 (트랙의 곡선부에서 횡가속도 보상을 위해 외측레일의 높이를 내측레일보다 높게 부설한 것)θ: 차체 틸팅각V: 곡선통과속도R: 곡선반경따라서 틸팅열차는 곡선부에서 약 20∼30% 정도의 속도향상이 가능하게 되는데 이것은 국토의 70%가 산악지대로 구성되어 곡선구간이 많은 국내 기존선의 속도향상에 가장 적합한 열차 시스템이라 할 수 있다. <그림 2>는 한국형 틸팅열차의 형상을 나타낸 것이다.
한국형 틸팅열차의 1편성은 6량으로 구성되며 전장은 약 143m이다. 편성의 좌우측 선두에 2량의 제어동력차(motorized control car, Mcp)가 1량씩 위치하고, 그 사이에 동력차(motorized car, M)와 부수차(trailer car, T) 2량씩이 위치하고 있다. 앞서 언급한 바와 같이 틸팅열차는 기존열차에 비해 곡선부에서 약 20∼30% 정도 고속으로 주행하기 때문에 곡선부 궤도마모 및 궤도 부담력 감소를 위해서는 차량 경량화는 필수적인 과제이다. 따라서 한국형 틸팅열차에서는 오토클레이브 성형기법을 적용한 일체형 복합소재 차체를 적용하여 경량화를 극대화 하였다. 이러한‘복합소재 적용 일체형 철도차량 차체 제작 기술’은 철도차량 분야에서 세계 최초로 시도된 기술로서 다음과 같은 장점이 있다. (1) 차체의 경량화 복합소재의 밀도는 금속(철)의 1/4수준으로 차체를 복합재료로 대체 할 경우 30% 이상의 중량절감 효과를 기대할 수 있다. 철도차량과 같은 대형 구조물의 경량화는 차량을 구성하는 다양한 부 구조물(subparts)들의 중량을 줄일 수 있는 시너지 효과(synergy effect)를 유발할 수 있는데, 예를 들어 차량의 경량화는 추진시스템(traction system), 현가장치(suspension), 제동장치(brakes)와 같은 구성품들의 중량감소를 유도할 수 있다. 또한 경량화에 의한 에너지 비용절감 및 레일의 마모량을 현저히 줄이게 되고, 궤도부담력을 감소시켜 유지보수 비용을 절감시키게 된다. (2) 차체 제작 공정 단축 및 제작비용 절감기존 금속재 차량을 제작하는데 소요되는 대부분의 시간은 조립가공공정(용접, 볼팅 및 리벳팅 등)이다. 그러나 복합재료를 적용한 차량제작은 30m 오토클레이브 성형설비를 이용하여 일체형으로 한번의 성형과정을 통해 차체를 제작하기 때문에 금속재 제작시 요구되는 조립가공공정에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있고 일관생산이 가능하므로 제작비용이 절감된다.(3) 차량 수명 연장복합재료는 우수한 비강도/비강성 및 경량화 특성 외에 우수한 피로특성을 가지고 있기 때문에 기존 금속재 차량이 갖는 수명(20∼25년)보다 훨씬 더 오랫동안 운행할 수 있다. (4) 차량 성능향상복합재료 차체는 허니콤 구조의 중공형 단면이므로 소음 및 진동 특성이 개선되어 승차감 향상을 기대할 수 있다. 2. 개발기술의 기술적인 파급효과현재 복합재료를 이용한 제품은 주요하중을 담당하는 일차구조물 보다는 내/외장재 형태의 이차구조물로 응용되어 왔으나 본 기술은 복합재료를 이용한 일차구조물의 제작으로 복합재료의 활용분야를 주요 하중을 담당하는 대형구조물의 제작으로까지 확대하였다. 특히 복합재료는 동일한 재질을 사용하더라도 적층패턴에 따라 다양한 특성을 갖게 되므로 적절한 패턴설계를 통하여 최적화 된 구조물을 설계할 수 있다. 금속을 이용한 차체 제작으로 금속에 대한 연구와 용접기술 등과 같이 주변기술이 같이 성장한 것처럼 복합재료를 이용한 차체의 제작으로 복합재료에 대한 연구와 각종 성형기술 및 가공기술 개발이 활발히 진행될 것이며 결과적으로 어떤 하나의 제품을 제작하고자 할 때 다양한 제작 방법의 검토를 통해 보다 효율적이고 경제적인 접근이 가능하다. 3. 개발기술의 경제·산업적인 파급효과복합재료를 이용한 주요하중을 담당하는 대형구조물 제작 기술 특히 열차의 차체를 복합재료화 하는 기술은 세계적으로 초기단계에 있으므로 충분히 세계시장에서 우위에 설수 있다. 철도차량 차체의 재질을 스테인레스 강재나 알루미늄 압출재에서 복합소재로 변경하는 것은 차체 제작기술의 근본적인 혁신으로서 세계시장의 주목을 받을 수 있고 시장을 선점할 수 있는 기회가 된다. 또한 국내/외적으로 여러 분야에서 복합재료를 활용한 제품 및 적용범위가 점차로 확대되고 있으므로 새로운 국내/외 시장을 창출할 수 있다. 국내외 기술개발 동향1. 경쟁기업 기술동향국내에 복합재료를 이용한 제품 제작업체는 상당수 있으나 대부분 핸드레이업과 같은 초기 성형방법을 이용하여 제품을 생산하고 있다. 이러한 제품은 일차구조물로서의 강도/강성을 만족하는 수준은 못된다. 세계적으로 철도 차량에 적용되는 복합재료 제품은 Roof, Cab Mask, End Module 등 일부 단품에 한정되어 있으며 차체 전체를 복합재료화하여 일체형으로 제작하는 것은 개발 초기단계 수준이다. 또한 주로 적용하고 있는 성형방법으로는 RTM(Resin Transfer Molding), VIM(Vacuum Injection Molding), SMC(Sheet Molding Compound) 등으로 개발 현황은 다음과 같다. ●1999년 Adtranz와 Vosper Thornycroft는 기존 알루미늄으로 제작되던 Turbostar 차량의 Roof, Side Panel, Cab Mask 등 부분 구조의 제작에 복합소재를 적용하였다. ●차체 전체를 복합재료화 한 Schindler Waggon은 필라멘트 와인딩 공법을 사용하여 roof, ceiling, side wall, floor등의 부분구조를 샌드위치 구조 형태로 제작하는 기술을 개발 하였다.●Bombardier에서는 차량의 각 부분을 복합소재를 사용한 샌드위치 구조로 제작하고 각각을 조립하여 복합재료 구체를 이루는 Modular Design 개념을 도입하여 People Mover 차량인 INOVIA를 제작하였으며, 고속전철에 적용한 이층열차의 차체를 샌드위치 구조로 제작 하였으나 진동 등의 문제로 실용화되지 못하였다. ●1989∼1990, Bombardier는 완전 자동 무인 시스템 차량인 소형 M-Ⅵ Monorail을 미국 플로리다, the Walt Disney World Resort에 공급 운행 중이다. 경량 복합소재 차체가 적용된 본 차량은 운행속도는 85km/h이며, 기존의 알루미늄 구조에 비해 40% 중량 절감 뿐만아니라 노무비 절감 등으로 복합소재 차체는 기존 차체보다 9%의 비용 절감효과가 있다.●덴마크, TALENT 차량은 Bombardier와 LM Glasfiber에서 Life cycle cost 원리를 적용하여 생산 비용 절감을 위해 Roof structure를 보강섬유/Vinylester 수지와 폼 코어어 구성된 샌드위치 구조로 제작하였다. 복합소재의 강도 특성을 얻기 위해, VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding) 공법을 적용하였다.●스웨덴, 스톡홀름 New Stockholm Metro Car(C20)에 Adtrans와 LM Glasfiber는 차량 전두부분을 Balsa wood가 보강된 보강섬유/폴리에스테르 준-샌드위치 구조로 제작하였다. 제작공법은 VARTM을 적용하였다.●이태리, ETR 500에는 Testori Interiors에서 공급하고, Fiat Ferroviaria에서 조립 완성한 Nomex Honeycomb 구조의 내장판을 개발 적용하였다. 이 차량은 Tilting system 차량으로 차체 경량화는 차량 시스템의 안전성과 승객의 편안함에 필수적인 요소이다. 더 나아가 차축과 레일에 부과되는 하중을 감소시키는 장점이 있다.●스위스 Locomotive 2000, 유리섬유/AIREX R63 폼으로 구성된 샌드위치 구조의 Roof covering, 전두부, Skirt 부품을 생산 비용 절감을 위해 RTM 공법을 적용하여 제작하였다. ●스위스 취리히 city, ADtrans/Fiat-SIG 컨소시엄은 노면 경전철인 Cobra의 주요 부품을 AIREX R82 Polyetherimide 폼 코어 샌드위치 구조로 Floor, Roof를 제작하였으며, Side 판넬은 유리섬유/폴리에스테르 GRP 구조로 제작하였다.●프랑스, TGV는 샌드위치 복합소재로 이층열차(Double Decker)인 TGV Duplex을 개발하여 360 km/h 속도로 설계되었으며, 기존 300 km/h보다 더 편안한 승차감을 위해 연구 중이다.●영국, 1977년 상업운행을 하고 있는 InterCity 125 동력 객차의 전두부(Front End)에 GRP 면재/우레탄 폼 구조의 샌드위치 복합소재를 적용하였다. 기존의 Steel 구조를 복합소재로 대체하여 30∼35 % 의 중량감소를 얻었으며, 350km/h 운행시 0.9kg 충돌체로도 관통되지 않는 성능을 보였다.●일본 철도기술연구소는 Carbon 섬유 복합소재와 알루미늄을 연결 적용한 하이브리드 구조(Hybrid Structure)의 차체를 개발하여 알루미늄 차체에 비해 30% 중량 감소를 얻었는데 하이브리드 구조는 일체형이 아니라 삼등분되어 조립되었다.●1988년 독일, AEG와 MBB에 의해 FRP bogie 프레임을 적용하는데 성공했다. 기존의 bogie 보다 1ton의 중량 감소되었다.핵심요소 기술별 주요내용복합재료 일체형 차체 제작 기술은 크게 차체 설계기술, 목형제작 기술, 몰드제작기술, 차체 성형/제작기술 및 시험평가 기술로 나눌 수 있다. 1. 차체 설계기술복합재료를 적용한 철도차량 차체를 제작하기 위해서는 먼저 차체에 부과되는 하중조건을 규명하고 이에 근거한 복합재의 소재결정, 적층수 결정 및 적층순서 등이 결정되어야 한다. 또한 개발중인 차량의 차체는 탄소/에폭시 면재와 알루미늄 허니콤 심재를 갖는 샌드위치구조로 제작되고 언드프레임 부분은 스테인레스로 제작되는데 이러한 차체와 언드프레임간의 접합에 대한 설계 또한 중요한 부분이다. 이 설계단계에서는 3차원 모델링에 근거한 유한요소해석을 통해 복합재 차체의 구조강도를 평가하였다.
2. 목형 제작기술복합재료 적용한 제품을 제작하기 위해서는 소재를 적층할 수 있는 틀(Mold)이 먼저 제작되어야 한다. 목형은 이러한 틀(Mold)을 제작하기 위한 것으로 제작하고자 하는 제품과 동일한 형상과 크기를 갖는다. 목형제작은 설계 완료된 3차원 형상 데이터로부터 CNC 가공이 가능한 크기로 나누어 제작된 후 기본 베이스에 조립하여 완성된다.
3. 몰드 제작기술대형 구조물용 몰드 제작은 탈형이 용이해야 하며 고온/고압에 견딜 수 있도록 충분한 강도와 강성을 확보하여 변형이나 뒤틀림이 발생하지 않도록 설계되어야 하며 고압에서 진공상태를 유지할 수 있도록 특별한 기밀유지 장치가 필요하다. 또한 세퍼레이트를 부착하여 창문이나 에어콘덕트의 위치, 각종 표시기 위치 등이 표시될 수 있도록 해야 한다. <그림 8>은 목형을 이용하여 몰드를 제작 한 후 이를 목형에서 탈형하는 모습을 나타낸 것이고, <그림 9>는 몰드 내에 세퍼레이트를 부착한 모습을 나타낸 것이다. 앞서 언급한 바와 같이 몰드는 탈형 및 취급이 용이하여야 하므로 적절하게 여러 부분으로 나뉘어 제작 될 수 있으나 기본적으로 제품은 일체형으로 제작된다.
4. 차체성형 및 제작 기술몰드가 준비되면 설계된 차체 단면 형상대로 소재를 적층한 후 오토클레이브 내에서 온도/압력의 변화를 주면서 성형하게 된다. 온도/압력은 <그림 10>과 같이 시간에 따라 미리 프로그램 된 성형 사이클에 따라 주어지게 된다. 오토클레이브를 통한 제품의 성형은 다른 방법에 비하여 좀 더 치밀하고 균일한 제품을 생산 할 수 있으나 초기 설비 투자비가 상대적으로 높아 적용하기 힘들었다. 그러나 <그림 11>과 같이 길이 30m, 직경 5m의 제품을 성형할 수 있는 대형 오토클레이브 설비를 갖추어 효과적이고 효율적인 제품제작을 할 수 있게 되었다.
5. 차체 시험평가 기술이상의 과정을 통해서 설계 및 제작이 완료된 복합소재 일체형 철도차량 차체는 정하중시험, 피로내구성 시험, 투과손실시험 및 화재시험을 통해 구조안전성 및 화재 안전성을 검증하였다. 개발기술 적용제품의 개요1. 제품의 사진 또는 개략도, 구성도· 복합소재 차체 단면 구성도
· 복합소재 차체 조립 개념도
· 23m 일체형으로 제작 된 복합소재 차체 형상
2. 제품의 기능· 기존 금속재 차체 대비 30% 이상 경량화 되어 각종 틸팅, 구동, 제동 장치 및 궤도 등에 무리를 주지 않고 운영비용을 절감시킴.· 천정에 위치하는 부품(에어콘, 고압케이블, 판토그라프 등) 및 각종 실내 의장 설비품의 탈/부착이 용이 함. · 차체의 외곽을 유리섬유로 구성 되므로 절연성능 우수· 샌드위치 구조는 방음 및 방진 성능 우수3. 국내외 경쟁사 제품과의 차별적 특징(1) 경량화 철도차량 구조체의 하중시험 방법(JIS E 7105)에 따른 시험을 통해 기존 스틸재질이나 알루미늄 재질의 차체와 대등한 수준의 강도/강성을 갖는 차체임을 확인하였다. 이처럼 일체형 복합재료 차체 적용을 통해 요구되는 강도/강성을 만족하면서 차체 중량은 스틸 재질 대비 40% 이상, 알루미늄 재질 대비 30% 이상 감소시켜 획기적으로 차체를 경량화 하였다. (2) 제작성 기존의 차체 제작 방법은 수많은 단품들을 볼트나 리벳 또는 용접을 통해 조립하는 것으로 작업방법이 복잡하고 조립에 오랜 시간이 소요되었으나 오토클레이브를 이용하여 일체형으로 제작되는 복합재료 차체는 상기와 같은 볼트, 리벳 및 용접을 통해 조립하는 별도의 공정이 필요하지 않고 제작 공정이 단순화되었으며 제작시간이 단축되었다. (3) 내구성 기존 스틸이나 알루미늄 재질의 차체는 여러 가지 환경적인 요인으로 인하여 부식이나 피로에 의한 강도 저하가 발생한다. 특히 용접되어진 부분은 반복적인 피로하중에 상당히 취약하여 특별한 처리나 보강이 이뤄져야 한다. 그러나 복합재료 차체의 경우 기본적으로 부식이 되지 않으며 용접부가 없기 때문에 이러한 요인으로 인한 강도저하는 극히 작다. 또한 재질에 따른 특성평가 이외에 실제 복합재료 차체에 대한 Full Scale 피로특성 평가를 통해 25년 이상의 수명동안 충분히 안전함을 확인하였다.
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