Mejora y optimización del prototipo de prótesis transfemoral electromecánica: avances en diseño estructural, adaptación funcional y eficiencia en producción - Campos-Vargas, Carlos Emanuel (Instituto Tecnológico de Costa Rica, 2025)
El presente trabajo surge como una propuesta de mejora estructural y metodológica del modelo ProtM1, una prótesis transfemoral desarrollada en el Centro de Investigación y Extensión de Ingeniería de Materiales (CIEMTEC) del Instituto Tecnológico de Costa Rica. El ProtM1 fue diseñado como un sistema electromecánico funcional, sin embargo, su diseño carecía de validación estructural, selección adecuada de materiales y estandarización bajo normativas ISO. En esta investigación se propone una metodología clara para rediseñar componentes claves como el socket, la región tibial y los pies protésicos, empleando herramientas CAD (SolidWorks) y simulaciones de esfuerzo y fatiga en COMSOL. Se consideraron distintos materiales (CFRC, Kevlar y fibra de vidrio tipo S), configurando las simulaciones según modelos de carga estandarizados. Los resultados muestran diferencias significativas en el desempeño estructural y en ciclos de vida de cada diseño. Además, se documentaron inconsistencias en simulaciones de fatiga (Stress-Life), subrayando la necesidad de validaciones adicionales. Como conclusión, el rediseño estructural propuesto mejora la viabilidad funcional y la durabilidad de la prótesis transfemoral. Se recomienda la implementación futura de pruebas físicas y desarrollo de un sistema biomecánico activo como continuación de esta propuesta.

This work proposes a structural and methodological improvement of the ProtM1 transfemoral prosthesis, originally developed at CIEMTEC, Instituto Tecnológico de Costa Rica. The ProtM1 focused on achieving electromechanical functionality, but lacked structural validation, proper material selection, and ISO-standardized design. This research aims to redesign critical components—socket, tibial region, and prosthetic feet—using CAD tools and COMSOL-based simulations. Key materials (CFRC, Kevlar, S-glass fiber) were tested under fatigue and stress conditions using realistic load configurations. Results showed significant differences in mechanical performance and lifespan across designs, highlighting inconsistencies in the fatigue simulation process. The proposed structural redesign enhances safety, reliability, and economic viability. Future efforts should include physical testing and integration of active biomechanical systems.
Proyecto de Graduación (Licenciatura en Ingeniería en Materiales) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Escuela de Ciencia e Ingeniería de los Materiales, 2025.
Esta tesis cumple con el objetivo ODS 9: construir infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible y fomentar la innovación. Meta 5: aumentar la investigación científica y mejorar la capacidad tecnológica de los sectores industriales de todos los países, en particular los países en desarrollo, entre otras cosas fomentando la innovación y aumentando considerablemente, el número de personas que trabajan en investigación y desarrollo (por millón de habitantes) y la inversión de los sectores público y privado en investigación y desarrollo.
Keywords: COMSOL Multiphysics; Fatiga de materiales; Simulación -- Elementos finitos; Optimización -- Prototipos -- Prótesis; Selección -- Materiales; Validación -- Virtualidad; SolidWorks -- Software CAD; Rediseño -- CAD; Componentes electromecánicos; Propiedades mecánicas; Resistencia mecánica -- Durabilidad; Materiales -- Prótesis; Material fatigue; Simulation -- Finite elements; Optimization -- Prototypes -- Prosthetics; Selection -- Materials; Validation -- Virtualization; Redesign -- CAD; Electromechanical components; Mechanical properties; Mechanical strength -- Durability; Materials -- Prosthetics; Research Subject Categories::TECHNOLOGY::Engineering mechanics::Mechanical manufacturing engineering; Research Subject Categories::TECHNOLOGY::Materials science