Fabricación Aditiva vs. Sustractiva: Diferencias Clave Explicadas

La fabricación es un paso crucial en la producción que convierte realmente materias primas o desechos en productos deseados añadiendo valor sustancial. Existen varios procesos de fabricación para satisfacer la necesidad de procesar una amplia variedad de materiales de formas diversas. La creciente necesidad de productos miniaturizados con mejor calidad superficial y más funcionalidades integradas allanó el camino para el rápido desarrollo de la fabricación y, como consecuencia, han evolucionado diversos procesos sofisticados que pueden procesar materiales de manera eficiente para satisfacer mejor la demanda actual del mercado. El alcance de la fabricación también se ha expandido gradualmente para cubrir un vasto dominio que abarca desde sectores industriales tradicionales hasta empresas avanzadas basadas en productos o servicios, para contribuir adecuadamente a sus requisitos.

Varios autores han intentado clasificar todos los procesos de fabricación de manera sistemática; sin embargo, en muchos casos, dicha clasificación no logra abarcar inequívocamente los procesos recién desarrollados. Considerando todos los procesos relevantes, la fabricación puede categorizarse en los siguientes cinco grupos:

Procesos de fundición

Aquí la materia prima se funde para verterla en una cavidad preconstruida y se permite que se solidifique. Así se obtiene un producto con la forma inversa de la cavidad. Este proceso ancestral es adecuado para dar una forma básica al componente, ya que no puede producir formas intrincadas ni dar superficies lisas. Todos los procesos de fundición y moldeo (como moldeo en arena, fundición a presión, inyección, etc.) siguen este principio básico.

Procesos de unión

Aquí dos o más componentes sólidos pueden unirse ya sea temporal o permanentemente. La unión puede lograrse ya sea por fusión para formar una coalescencia o con la ayuda de otros elementos mecánicos. Soldadura, remachado, soldadura blanda, soldadura fuerte, acoplamiento, unión por ajuste, encolado adhesivo, atornillado, unión por chaveta, unión por articulación, etc., entran bajo el paraguas de la unión. Los procesos de desensamblaje también entran en esta categoría.

Procesos de modificación

Aquí las propiedades del material o la forma básica pueden alterarse por diversos medios para adaptarse mejor al requisito. Diversos procesos de conformado como forjado, laminado, estirado, extrusión, etc., se utilizan para la transformación de forma; mientras que tratamiento térmico, tratamiento criogénico, recubrimiento, etc., se utilizan para modificar las propiedades de los componentes.

Procesos aditivos

Aquí capas de material en forma semisólida se añaden una sobre otra para construir directamente un componente tridimensional real con las características requeridas y mayor precisión. Así elimina la necesidad de post-procesado; sin embargo, dichos procesos son adecuados para componentes de pequeño tamaño. Los procesos de prototipado rápido (como impresión 3D, estereolitografía, sinterizado selectivo por láser, etc.) siguen el principio aditivo.

Procesos sustractivos

Como su nombre indica, aquí se elimina capa a capa material del bloque de pieza de trabajo sólida para producir finalmente el producto deseado. Por tanto, se produce desperdicio de material. Los procesos de mecanizado o corte de metales siguen el principio sustractivo. Ejemplos incluyen torneado, cepillado, fresado, taladrado, rectificado, lapeado, mecanizado por chorro abrasivo, electroerosión, mecanizado por haz láser, etc.

Tabla: Diferencias entre fabricación aditiva y sustractiva

Fabricación Aditiva	Fabricación Sustractiva
Aquí se añaden capas de material una sobre otra para construir un componente 3D.	Aquí se eliminan capas de material de un bloque sólido para obtener el componente 3D deseado.
Es adecuada para materiales con bajo punto de fusión.	El punto de fusión generalmente no supone ninguna restricción.
La densidad volumétrica del material de trabajo puede alterarse durante la operación.	La densidad volumétrica del material de trabajo no puede alterarse durante la operación.
No se produce desperdicio de material.	El desperdicio de material ocurre en diversas formas como virutas, vaporización, etc.
Los procesos aditivos son adecuados para un rango estrecho de materiales.	Los procesos sustractivos no imponen restricción en el material de trabajo.
Es adecuada para componentes de pequeño tamaño. No puede acomodar componentes grandes.	Puede procesar objetos de pequeño a grande.
Cualquier forma compleja puede producirse directamente por estos procesos.	La complejidad del componente impone restricción en su factibilidad.
Partes huecas internas completamente cerradas pueden fabricarse fácilmente.	No se puede producir una cavidad completamente cerrada.
Los procesos aditivos consumen tiempo y requieren equipos sofisticados, operario experimentado y control estricto del entorno.	Los procesos sustractivos son eficientes en tiempo, económicamente más baratos y ergonómicamente más relajados.

Filosofía de adición y sustracción

Ambas filosofías se utilizan para producir componentes o características tridimensionales reales con mayor precisión dimensional y tolerancias ajustadas; sin embargo, difieren en sus enfoques. La fabricación aditiva sigue el principio de añadir capa a capa material uno sobre otro según el diseño para construir finalmente el producto con las características deseadas. Así, el proceso comienza con altura cero (sin material) y su altura aumenta gradualmente a medida que se depositan capas. El material se deposita generalmente en forma semisólida y se añade la siguiente capa una vez que la anterior se ha secado completamente. Por el contrario, en la filosofía de fabricación sustractiva, se elimina capa a capa material de la ubicación deseada de un bloque sólido para obtener finalmente el componente deseado. Así, el proceso comienza con un bloque de materia prima sólida y se elimina material de él para crear las características deseadas. El material puede eliminarse de varias formas (como cizallamiento en forma de virutas sólidas, fusión y vaporización, ionización, sputtering, etc.) según el proceso empleado.

Punto de fusión del material de trabajo

Con los procesos aditivos, el material de trabajo debe fundirse o volverse plástico mediante calentamiento. El material con mayor punto de fusión consumirá más calor para volverse plástico (semisólido) de modo que pueda añadirse sobre la capa anterior. Por tanto, se prefiere para materiales de bajo punto de fusión como plásticos o PMMA. Sin embargo, el punto de fusión no es un factor considerable para procesar materiales de ingeniería por métodos sustractivos, ya que el material se elimina en forma sólida o por ionización. En tales procesos de mecanizado no tradicional basados en energía térmica donde el material se elimina por fusión y vaporización, la intensidad de energía del haz siempre permanece excesivamente superior al punto de fusión de los materiales. Por ejemplo, en EDM, la temperatura localizada supera los 10.000 °C, lo cual es mucho mayor que los 3.422 °C (punto de fusión del titanio, el más alto entre todos los metales).

Manipulación de la densidad volumétrica

La mayor ventaja de los procesos aditivos es la posibilidad de alterar la densidad del material de trabajo durante la deposición de capas. Aquí se puede adoptar una densidad en un rango del 20-100% y el volumen total de material puede cambiarse de forma controlada. Esto de una forma puede reducir el consumo de material y de otra manera puede reducir sustancialmente el peso del componente, mayormente sin sacrificar la resistencia de la pared. Tal facilidad no puede obtenerse con procesos sustractivos, ya que la densidad del material de trabajo permanece igual durante toda la operación. Así, el peso del componente no puede reducirse una vez seleccionado el bloque de material inicial.

Desperdicio de material

Con los procesos aditivos, se añade una capa fina de material sobre la capa anterior según el diseño (diseño asistido por computadora, como CAD). Así, cuando hay alguna cavidad o característica tipo ranura, no se deposita material en esa posición. La deposición repetida de material en capas según el diseño produce finalmente el objeto 3D deseado. No se realiza ningún post-procesado adicional; por tanto, no ocurre desperdicio de material. Con los procesos sustractivos, el material excedente se elimina gradualmente del material base; sin embargo, dicha eliminación puede ocurrir en diversas formas (como virutas sólidas, fusión y vaporización, ionización, sputtering, etc.) según el proceso empleado.

Idoneidad

Hasta ahora, con el máximo desarrollo de la tecnología, los procesos aditivos son adecuados para materiales selectivos como plásticos y PMMA. Tampoco pueden manejar objetos grandes; la capacidad del sistema suele limitarse a 2 kg. Sin embargo, los procesos sustractivos pueden manejar una amplia variedad de materiales. Ciertas propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas (como dureza, fragilidad, conductividad eléctrica, punto de fusión, etc.) imponen restricciones en la mecanizabilidad para un proceso particular, pero tales limitaciones pueden superarse empleando otro proceso. Estos procesos también son capaces de manejar eficientemente objetos más grandes.

Producción de formas complejas y partes huecas

En los procesos aditivos, el dibujo CAD se corta primero en capas finas (el grosor de capa depende de la precisión dimensional y acabado superficial deseados) y luego se añade material capa a capa uno sobre otro. Así, cualquier forma complicada puede considerarse durante el corte y los pasos subsiguientes de deposición de material, eliminando la necesidad de post-procesado. Incluso puede producir partes huecas internas, como cavidades completamente cerradas. Los procesos sustractivos tienen capacidad limitada para producir formas complejas. No pueden crear cavidades completamente cerradas.

Aspectos industriales

Los procesos aditivos consumen tiempo ya que están asociados el tiempo de deposición de capa y el tiempo de secado posterior. Sin embargo, al fabricar objetos de pequeño tamaño con formas intrincadas y alta precisión (por ejemplo, prototipos), puede ser eficiente en tiempo y coste, especialmente si la cantidad de producción es muy pequeña. En muchos casos también se desea un control estricto del entorno de la sala de trabajo. Aunque los procesos aditivos están surgiendo como alternativa adecuada a los sustractivos en ciertas áreas, para la producción en masa de objetos grandes con forma simple, los procesos sustractivos pueden superar abrumadoramente a su rival.

En este artículo se presenta una comparación científica entre la fabricación aditiva y la fabricación sustractiva. El autor también sugiere consultar las siguientes referencias para una mejor comprensión del tema.

1. Fabricación Aditiva de Metales: La Tecnología, Materiales, Diseño y Producción por L. Yang, K. Hsu, B. Baughman, D. Godfrey, F. Medina, M. Menon y S. Wiener (1ª edición, Springer).
2. Fabricación Aditiva: Impresión 3D para Prototipado y Fabricación por A. Gebhardt y J. Hötter (1ª edición, Hanser).
3. Newman et al. (2015); Planificación de procesos para tecnologías de fabricación aditiva y sustractiva; CIRP Annals; Vol. 64 (1); pp. 467-470.