WMG, 초경량 철도(VLR) 시범 차량용 첨단 CFRP 프레임 제작

레볼루션 VLR(Revolution VLR)은 영국 컨소시엄으로, 트랜스포트 디자인 인터내셔널(TDI, 스트랫퍼드어폰에이번)이 주도하며 2013년 자금 지원을 받아 통합 하이브리드 추진 시스템을 갖춘 자력 주행 철도 보기(bogie) 개발에 나섰다. TDI는 더 가벼운 '경전철' 차량, 즉 초경량 철도(VLR) 설계가 차세대 지속가능한 대중교통 제공에 필수적이라고 본다. VLR 프로젝트 2단계에서 18m 길이의 디젤-배터리 시범 차량이 2020년 테스트용으로 완성될 예정이다.

레볼루션 VLR의 창립 멤버인 워릭 대학교 WMG는 이 시범 VLR 차량용 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 프레임을 개발했다. WMG는 국립 자동차 혁신 센터, 소재 공학 센터, 국제 나노복합재 제조 연구소 등 이니셔티브를 통해 오랫동안 복합재를 지원해 왔다. 이번 '브레인스톰 VLR(BRAINSTORM VLR)' 프로젝트 파트너로는 TDI, 영국 정부의 이노베이트 UK(Innovate UK, 복합재 지원), 경량 구조 복합재 부품 개발사 파 컴포지트(Far Composites), 컴포지트 브레이딩(Composite Braiding)이 참여한다. 프레임은 접착 본딩과 심플한 용접으로 쉽게 조립 가능한 브레이디드 열가소성 복합재 튜브 시리즈로 제작됐다.

튜브 외경은 동일하게 유지하면서 하중 및 부착 요건에 따라 벽 두께를 다르게 함으로써 툴링 비용을 낮추고 조인트 표준화를 실현했다. 브레이딩은 강화재만으로 하루 1마일(약 1.6km) 이상의 고도로 자동화된 제조 공정을 가능케 하며, 유리·아라미드·열가소성 등 다른 섬유와 저가 폴리프로필렌부터 고급 폴리에테르에테르케톤(PEEK)까지 다양한 열가소성 매트릭스 소재를 맞춤 적용할 수 있다. 한편 WMG는 완전한 성형 사이클을 5분 미만으로 단축할 수 있음을 입증해, 이 경제적 공정의 고량산 적용 잠재력을 보여줬다.

파-UK의 엔지니어링 매니저 데이비드 굿윈(David Goodwin)에 따르면 열가소성은 재활용성도 제공한다. "복합재로 중량을 크게 절감할 수 있어 [철도] 차량 운행에 분명히 매력적이지만, 기존 복합재는 차량 수명 종료 시 단순히 매립되는 게 현실입니다. 이번 설계로는 차량 차체를 향후 퇴역 시 재활용하거나, 충돌로 인한 손상 부위 수리·교체 시에도 재활용 경로가 열려 있습니다."

튜브형 스페이스프레임 섀시 설계도 이러한 접근을 뒷받침한다. 손상된 튜브만 간단히 탈거해 새 것이나 수리된 것으로 교체할 수 있기 때문이다. "브레인스톰 VLR 연구 파트너십은 상당한 경량화를 달성해 VLR 서비스가 더 많은 승객을 수용하면서 차량 추진에 필요한 에너지와 레일·노면이 받는 하중을 줄일 수 있게 했습니다"라고 WMG 워릭 대학교의 소재·제조 부문 부교수 대런 휴즈(Darren Hughes) 박사는 설명한다. "이 기술은 차량이 긴 수명 동안 견고하게 유지되고, 사고 시 쉽게 수리 가능하며, 탑승객을 보호할 만큼 충분히 강건하도록 보장합니다."

"브레인스톰 프로젝트는 파 컴포지트 팀에게 진정한 진전처럼 느껴집니다"라고 파-UK 이사 겸 총괄 매니저 린든 샌더스(Lyndon Sanders)는 말한다. "대중교통용 신형 차체 구조 원리를 다듬는 데 TDI의 업계 경험을 활용할 수 있었던 건 훌륭했습니다. 거기에 컴포지트 브레이딩, WMG와의 협업으로 그 사고를 물리적 시범기로 구현해 실제 모습을 보여준 건 정말 강력했습니다. 이제 이건 단순한 좋은 아이디어를 넘어, 업계 관계자들이 직접 보고 만지고 들어볼 수 있는 '눈높이'가 되었습니다."