Un novedoso dispositivo para la medida de deformaciones 3D de campo completo

Se propone promover la implementación de una técnica alternativa para medir los desplazamientos 3D en las industrias y centros de investigación y, eventualmente, desarrollar un dispositivo comercial. Es una técnica alternativa de menor coste a la técnica de Correlación Digital de Imágenes 3D (3D-DIC), que se utiliza para evaluar el comportamiento mecánico de estructuras y materiales en condiciones reales de trabajo. El sistema alternativo que se propone combina dos técnicas bien conocidas de Proyección Franjas (FP) y Correlación digital de Imágenes 2D (FP+2D-DIC). Esta técnica combinada permite medir grandes áreas y grandes desplazamientos de elementos de superficies en las tres direcciones espaciales (a partir de las cuales se pueden calcular los correspondientes mapas de deformación). Las mediciones se adquieren en tiempo real, pero la superficie de la muestra debe pintarse con un patrón de moteado aleatorio. La cooperación que se solicita se resume en los tres siguientes puntos:  

• Apoyo financiero y/o tecnológico para una mejora adicional del equipo FP+2D-DIC.  
• Industrias o centros de investigación interesados en probar el equipo.  
• Comercialización del equipo. 

El sistema FP+2D-DIC desarrollado es un dispositivo portátil que combina, alinea y calibra ambas técnicas de FP y 2D-DIC. Básicamente consiste en una cámara de color, que visualiza la muestra, unida a un proyector de franjas, que proyecta sobre la misma franjas azules y blancas, fijadas sobre un cabezal que permite ajustar con precisión inclinaciones y desplazamientos (ver la figura). La alineación y calibración del sistema se realiza a través de una original interfáz gráfica de usuario, que controla el dispositivo y realiza una serie de procesado de imágenes. La superficie de la muestra debe tener un patron de moteado aleatorio rojo sobre fondo blanco. De esta manera, solo se requiere una imagen en color (de cada etapa de carga de la muestra) para calcular los mapas de desplazamiento 3D. La información del moteado se puede separar de la información de las franjas utilizando simplemente los canales azul y rojo de la cámara. A continuación, ambas informaciones se procesan por separado para obtener desplazamientos en el plano (dirección-x e -y) y fuera del plano (dirección-z) para cada elemento de superficie utilizando los algoritmos 2D-DIC y FP, respectivamente. Finalmente, ambos resultados se complementan para realizar correcciones de aumento de la lente y mejorar la capacidad de medida. Algunos ejemplos de aplicación son:  

• Localización y evaluación de la concentración de deformación en estructuras de formas complejas (es decir, muestras no planas).  
• Mapas de deformación de materiales elasto-plásticos (es decir, medidas de grandes deformaciones).  
• Caracterización de la deformación plástica en ensayos de tracción (utilizados para el análisis de elementos finitos).  
• Mediciones de desplazamiento en ensayos dinámicos (por ejemplo, experimentos del análisis modal de campo completo de paneles aeronauticos), cuando se usa una cámara de alta velocidad. 

Según nuestro conocimiento, las técnicas de FP+2D-DIC y 3D-DIC son actualmente las únicas existentes que permiten obtener al mismo tiempo los desplazamientos de campo completo (es decir, de cada elemento de superficie) en las tres direcciones espaciales con alta resolución y gran rango de desplazamientos de superficies no planas. La resolución depende principalmente de la resolución de la cámara y del paso de franja proyectado, y puede llegar al orden de las micras. Una de las principales ventajas de la técnica combinada es que requiere menores recursos y costes computacionales. Actualmente se han desarrollado mejoras adicionales para la técnica combinada que permite mediciones en superficies con fuerte variación de la inclinación que la técnica 3D-DIC no es capaz de resolver. Estas mejoras se han probado con éxito en el laboratorio con equipos prestados, por lo tanto, el apoyo financiero y la implementación industrial permitirán desarrollar un sistema FP+2D-DIC mejorado capaz de hacer mediciones en superficies con deformaciones extremas. 

La resolución registrada hasta ahora es de 0.1 mm y 0.05 en el plano, sin embargo, la resolución y el rango de los desplazamientos pueden ser ajustados a los requerimientos de la deformación de la muestra a través de variaciones de aumento de la lente, el ángulo de incidencia (α) y la franja proyectada. 

El dispositivo desarrollado para la técnica combinada de FP + 2D-DIC es único y ya ha proporcionado resultados comparables a los obtenidos con la técnica comercial alternativa de 3D-DIC. El dispositivo FP+2D-DIC mejorado aumentará su rendimiento mediante el uso de nuevos equipos (principalmente una cámara y proyector con características especial), así como mediante la implementación de nuevos algoritmos de procesamiento de imágenes que ya han demostrado aumentar el rendimiento más allá del que ofrece el equipo comercial 3D-DIC.