Medida de la deformación empleando la metodología óptica Digital Image Correlation (DIC)

Abstract

RESUMEN: La metodología DIC (Digital Image Correlation) consiste en la evaluación de la deformación de un material o componente sin contacto a través del análisis de imágenes de su superficie a medida que esta se va modificando por efecto de una acción externa. El método consiste en el registro continuo de imágenes durante el proceso de deformación. Estas imágenes deberán tener un patrón que pueda ser evaluado de forma que la deformación se analizará a través del cambio de este patrón. Como patrón se puede tomar la propia rugosidad superficial del material o un patrón artificial generado en la superficie, generalmente por pintado. Las imágenes tomadas secuencialmente durante el proceso sufrido por el material de deformación son analizadas por un software que evalúa los cambios sufridos por los pixeles y tras una etapa inicial de calibración, donde se relacionan los píxeles con unidades de longitud, traduce esos cambios en los píxeles en cambios en el desplazamiento y posteriormente en cambios en deformación. El software, tomará como imagen de referencia o patrón la primera de las imágenes y el resto de imágenes son relacionadas con esa primera imagen. Una vez procesadas las imágenes se obtienen los resultados tanto de deformaciones como de desplazamientos. En un análisis bidimensional se pueden obtener tanto los desplazamientos, como las deformaciones en los dos ejes, X e Y. Este método tiene bastantes aplicaciones ya que no se necesitan aparatos muy caros y además se puede realizar tanto en laboratorios como en exteriores. Una de las aplicaciones en laboratorios de materiales, por ejemplo, es sacar las propiedades de un material sin necesidad de muchos aparatos ya que, con un móvil, una probeta y una forma para ejercer fuerza en la probeta en la dirección en la que necesitamos para la caracterización sirve. Además, el uso de un móvil para realizar las fotos abarata los costes de los aparatos de medida, ya que actualmente casi todo el mundo tiene uno a su disposición. En este proyecto se va a aplicar la técnica DIC para la medida de deformaciones sin contacto en ensayos básicos de laboratorio con el uso de un simple teléfono móvil. En este proyecto se puede apreciar varios ensayos realizados de ambas formas, tanto de forma convencional como con el método del DIC, para comparar resultados y comprobar si es viable de esta forma ensayar probetas. Para ello, ha sido necesario la búsqueda de un software libre que permita el desarrollo de esta metodología, en este caso se ha utilizado un software basado en Matlab. Una vez encontrado, se ha necesitado localizar el manual para conocer el funcionamiento del mismo y después realizar los ensayos y las fotos en el formato que pedía el software, que es en RAW, formato que tienen ya todos los Smartphone. Como se puede observar se han realizado tres tipos de ensayos elementales de tracción, compresión y flexión. Además, dentro del ensayo de compresión, se ha modificado el rango de deformación para comprobar si la metodología es válida, independientemente de la magnitud de la deformación sufrida. En este sentido se han realizado ensayos de compresión de pequeñas deformaciones, de deformaciones intermedias y, por último, de grandes deformaciones para poder analizar el efecto de la magnitud medida en los resultados obtenidos. También se ha intentado analizar en este proyecto la posibilidad de captar por medio de imágenes el fallo prematuro por rotura de un material. Otro aspecto importante del proyecto es la preparación de las probetas para ensayo, se ha utilizado en este proyecto el marcado de probeta con una matriz de puntos aleatorios para el estudio de desplazamientos en vez de emplear la rugosidad superficial o los pixeles de las imágenes, como se plantea en la bibliografía analizada. Por otro lado, se han utilizado diferentes materiales. Además de realizar estos ensayos con distintos tipos de materiales para ver si eso afecta a la hora de realizarlos mediante el software ya que cada material tiene unas propiedades y características técnicas. Gracias a los distintos tipos de ensayos realizados se ha obtenido como conclusiones generales del proyecto la posibilidad de medir deformaciones en un ensayo de laboratorio empleando, simplemente, las imágenes captadas por un teléfono móvil.

ABSTRACT: The DIC (Digital Image Correlation) methodology consists of the evaluation of the deformation of a material or components without contact through the analysis of images of its surface in a measure that is modified by the effect of an external action. The method involves the continuous recording of images during the deformation process. These images must have a pattern that can be evaluated so that the deformation will be analyzed through the change of this pattern. We can take as pattern the surface roughness of the material itself or an artificial pattern generated on the surface, usually by painting. The images taken sequentially during the process undergone by the deformation material are analyzed by software that evaluates the changes in the pixels. After that, an initial calibration stage, by which the pixels are related to length units, translates those changes in the pixels to changes in displacement and subsequently to changes in strain. The software will take the first image as the reference or pattern image and the rest of the images are related to that first image. Once the images have been processed, the results of both deformations and displacements are obtained. In a two-dimensional analysis, both the displacements and the deformations can be obtained in the axes, X and Y. This method has many applications since very expensive equipment is not needed and it can also be carried out both in laboratories and outdoors. One of the applications in materials laboratories, for example, implies obtaining the properties of a material without using many devices since, it is enough with a smartphone, a test tube and a way to exert force on the test tube in the direction in which we need for characterization. And for example, the use of a mobile phone to take photos lowers the costs of measuring devices, since almost everyone has a mobile phone at their disposal. In this project, the DIC technique will be applied for the measurement of deformations without contact in basic laboratory tests with the use of a simple mobile phone. In this project we can observe several tests carried out in both ways, both conventionally and with the DIC method, to compare results and check if this way to test the specimen is feasible. For this, it was necessary to search for free software that allows the development of this methodology, in this case a software based on Matlab has been used. Once found, the manual had to be located so as to know how it works and then carry out the tests and photos in the format requested by the software, which is in RAW, a format that all Smartphones already have. As it can be seen, three types of elementary tests of traction, compression and bending have been carried out. In addition, within the compression test, the deformation range has been modified to check if the methodology is valid, regardless of the magnitude of the deformation suffered. In this sense, compression tests of small deformations, intermediate deformations and, finally, of large deformations have been carried out in order to analyze the effect of the magnitude measured on the results obtained. In this project, there was also made an attempt to analyze the possibility of capturing the premature failure due to breakage of a material through images. Another important aspect of the project is the preparation of the test specimens. In this project, the marking of the specimen with a matrix of random points has been used to the study of the displacements instead of using the surface roughness or the pixels of the images, as it is raised in the analyzed bibliography. On the other hand, different materials have been used. Apart from carrying out these tests with different types of materials to prove if this affects when they are carried out using the software, since each material has its own properties and technical characteristics. Thanks to the different types of tests done, the general conclusions of the project have been obtained: the possibility of measuring deformations in a laboratory test using, simply, the images captured by a mobile phone.