García García, IsraelAranda Romero, María TeresaCrisanto Miranda, Carlo André2025-06-052025-06-052025Crisanto Miranda, C.A. (2025). Desarrollo de una máquina de tracción de bajo coste mediante impresión 3D y tecnología DIC para la individualización de las prácticas de laboratorio en Ingeniería. (Trabajo Fin de Máster Inédito). Universidad de Sevilla, Sevilla.https://hdl.handle.net/11441/174004Este trabajo de Fin de Máster se encuentra enfocado en el diseño y fabricación de una máquina de tracción de bajo coste mediante impresión 3D y el uso de la técnica de “Correlación Digital de Imágenes” (DIC) por sus siglas en ingles “Digital Image Correlation”. La motivación y objetivo principal de este proyecto se encuentra en otorgar una herramienta totalmente accesible, pero sobre todo eficiente para la realización de ensayos de tracción permitiendo la individualización de las prácticas de laboratorio en ingeniería. Se conoce que la enseñanza de la mecánica de materiales y el análisis estructural se enfrentan a retos mayúsculos debido al alto coste de los equipos de ensayo tradicionales, la poca accesibilidad a estos equipos y el mantenimiento requerido para prolongar su vida útil. Si bien estos problemas son comunes en todas las universidades tienden a incrementarse notablemente si las instituciones carecen de recursos suficientes, donde la falta de acceso a herramientas experimentales conlleva a la disminución de la calidad del aprendizaje. Una vez expuestos estos inconvenientes, este TFM propone una solución innovadora combinando la impresión 3D y técnicas avanzadas de análisis digital, dando lugar a la democratización del acceso a experimentos de tracción y caracterización de materiales con especial aplicación para estudiantes y prácticas docentes. El desarrollo de la máquina de tracción se centra en un total de cuatro etapas clave. 1. Diseño CAD y Modelado 3D: Las herramientas usadas fueron AutoCAD, SketchUp y MeshLab con el objetivo de diseñar todas las piezas con la precisión buscada para este fin. Luego, se exportaron estos modelos para materializar los diseños en la impresora 3D Markforged, en la cual se usó el material Onyx (nylon reforzado con microfibras de carbono) garantizando así la resistencia mecánica adecuada. 2. Fabricación y Ensamblaje: Como se mencionó en el párrafo anterior, la maquina ha sido construida por medio de piezas modulares cuyo objetivo de esto fue facilitar el ensamblaje y replicabilidad. 3. Implementación de la Técnica DIC: La técnica de Correlación Digital de Imágenes se usó para medir con exactitud las deformaciones superficiales sin contacto, usando el software libre Ncorr. La calibración del sistema aseguró mediciones muy precisas de desplazamiento y deformación con la relación de 0.25316 mm/píxel. 4. Validación Experimental: Se ensayó con 43 cargas aplicadas al material de prueba, donde se registraron desplazamientos mediante DIC siendo estos comparados con los valores teóricos obtenidos con el modelo Mooney-Rivlin. Se realizó una optimización numérica con MATLAB usando el algoritmo Isgnonlin, logrando el ajuste de los parámetros del modelo y la minimización de errores. Los ensayos efectuados dieron muestra de la efectividad de la maquina y la metodología propuesta. El material utilizado alcanzó un alargamiento del 130% y una tensión de 0.657205 Mpa. La correlación efectuada entre los valores experimentales y el modelo teórico logró una elevada precisión, con una norma residual de 0.045345 Mpa2 luego de 9 iteraciones del proceso de ajuste numérico. Finalmente, esta máquina de tracción contribuye significativamente al acceso a herramientas experimentales en ingeniería, permitiendo que universidades con recursos limitados puedan desarrollar ensayos sin incurrir en altos costos. Además, abre la posibilidad de impulsar nuevas líneas de investigación y promover el uso de tecnologías digitales para la educación y la optimización de materiales estructurales. Por otro lado, en instituciones que sí cuentan con mayor disponibilidad de equipos, este desarrollo también representa una oportunidad para individualizar las prácticas de laboratorio, facilitando que cada estudiante tenga acceso directo a su propia máquina.This master’s thesis is focused on the design and manufacture of a low-cost tensile machine by 3D printing and the use of the technique of “Digital Image Correlation” (DIC) for its acronym in English “Digital Image Correlation”. The motivation and main objective of this project is to provide a fully accessible, but above all efficient tool for conducting tensile tests allowing the individualization of laboratory practices in engineering. It is known that the teaching of mechanics of materials and structural analysis face major challenges due to the high cost of traditional testing equipment, the low accessibility of this equipment and the maintenance associated with its longevity. While these problems are common to all universities, they tend to increase significantly if institutions lack sufficient resources, where the lack of access to experimental tools leads to a decrease in the quality of learning. Having exposed these drawbacks, this TFM proposes an innovative solution combining 3D printing and advanced digital analysis techniques, leading to the democratization of access to tensile experiments and characterization of materials with special application for students and teaching practices. The development of the tensile machine focuses on a total of four key stages. 1. CAD Design and 3D Modeling: The tools used were AutoCAD, SketchUp and MeshLab to design all the parts with the precision sought for this purpose. Then, these models were exported to materialize the designs in the Markforged 3D printer, in which Onyx material (nylon reinforced with carbon microfibers) was used, thus guaranteeing adequate mechanical resistance. 2. Fabrication and Assembly: As mentioned in the previous paragraph, the machine has been built by means of modular pieces whose objective was to facilitate assembly and replicability. 3. Implementation of the DIC Technique: The Digital Image Correlation technique was used to accurately measure non-contact surface deformations, using the free software Ncorr. The calibration of the system ensured very accurate displacement and deformation measurements with the ratio of 0.25316 mm/pixel. 4. Experimental Validation: 43 loads were applied to the test material, where displacements were recorded by means of DIC and compared with the theoretical values obtained with the Mooney-Rivlin model. A numerical optimization was performed with MATLAB using the Isgnonlin algorithm, achieving the adjustment of the model parameters and the minimization of errors. The tests carried out showed the effectiveness of the machine and the proposed methodology. The material used reached an elongation of 130% and a tension of 0.657205 Mpa. The correlation carried out between the experimental values and the theoretical model achieved a high accuracy, with a residual norm of 0.045345 Mpa2 after 9 iterations of the numerical adjustment process. Finally, this tensile machine contributes significantly to the access to experimental tools in engineering, allowing universities with limited resources to develop tests without incurring high costs. In addition, it opens the possibility of promoting new lines of research and promoting the use of digital technologies for education and optimization of structural materials. On the other hand, in institutions that do have greater availability of equipment, this development also represents an opportunity to individualize laboratory practices, allowing each student to have direct access to his or her own machine.application/pdf149 p.spaAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Máquina de TracciónImpresión 3DCorrelación Digital de Imágenes (DIC)Ensayo de materialesEducación en IngenieríaSoftware LibreAnálisis ExperimentalOptimización NuméricaTensile machine3D printingDigital Image Correlation (DIC)materials testingengineering educationfree softwareexperimental analysisnumerical optimizationinfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccess