Misura della deformazione tramite correlazione digitale di immagini 3D = Strain measurement by 3D digital image correlation

La correlazione digitale di immagini DIC è una tecnica optically-based per misurare l’evoluzione delle coordinate 2D o 3D sulla superficie di un oggetto durante una prova meccanica. Le quantità di interesse QOIs principali che possono essere valutate sulla base di tale coordinate sono spostamenti, deformazioni e velocità di deformazione. In particolare, l’attenzione è stata focalizzata sulla correlazione digitale di immagini 3D, la cosiddetta 3D-DIC o stereo-DIC, che è una tecnica ottico numerica che consente di valutare il comportamento meccanico dinamico delle superfici di strutture e materiali, tra i quali abbiamo anche i tessuti biologici. Per condurre le analisi 3D-DIC si è scelto dapprima di caratterizzare ed utilizzare due software open source: MultiDIC e DICe. Il toolbox MATLAB MultiDIC nasce dalla necessità di fornire un’alternativa ai classici software commerciali e accademici 3D-DIC, che sia in grado di offrire soluzioni semplici di calibrazione e fusione dei dati per l’analisi multi-view, particolarmente desiderabile nelle applicazioni biomediche. La performance di MultiDIC è stata testata con un sistema low-cost sperimentale caratterizzato da una configurazione di 12 fotocamere a 360°. Il software è stato dapprima valutato sulla base dei risultati ottenuti attraverso una prova in-vivo condotta su un soggetto umano in cui si è effettuata la misurazione dell’arto inferiore a seguito della plantarflessione della caviglia e successivamente attraverso la misurazione di un oggetto cilindrico di nota geometria soggetto a moto di corpo rigido. DICe è stato utilizzato come codice di analisi autonomo le cui capacità principali sono la computazione full-field degli spostamenti e delle deformazioni a partire da sequenze di immagini digitali ottenute da due fotocamere e il tracciamento del movimento di corpo rigido di determinati oggetti. La performance di DICe è stata testata a partire dalle immagini di un provino sottoposto a trazione e di una traslazione rigida di un piatto con caratteristiche 3D di dimensioni note. La fase di visualizzazione e di elaborazione dei risultati è stata condotta attraverso l’applicazione open-source Paraview. La possibilità di scegliere un provino di calibrazione che non fosse necessariamente cilindrico e la necessità di un compromesso tra economicità delle attrezzature e hardware dell’ambiente di prova sono state, in via preliminare, le motivazioni principali che hanno portato alla scelta di utilizzare DICe come software per l’analisi di una prova di trazione in controllo di spostamento, non distruttiva, su un provino piatto condotta in laboratorio presso il Politecnico di Torino. I risultati ottenuti in termini di deformazioni e velocità di deformazione hanno mostrato come l’utilizzo di due fotocamere sia più che sufficiente per rilevare il comportamento dei materiali durante una prova meccanica, a ulteriore sostengo della scelta di aver preferito DICe al MultiDIC. È stato dimostrato come condurre un’analisi 3D-DIC piuttosto che una 2D-DIC su un provino piatto sia preferibile in quanto oltre ad eliminare il problema di allineamento della fotocamera col provino si ha la possibilità di mediare la misura delle due fotocamere, andando a compensare eventuali errori. Inoltre, una serie di considerazioni sulla qualità dei risultati ottenuti nonché sulla risoluzione delle immagini di calibrazione e di prova, ha permesso di stabilire delle linee guida da seguire per condurre al meglio un’analisi 3D-DIC.