Fabricación aditiva frente a sustractiva

La fabricación aditiva es un proceso que construye piezas desde la base añadiendo capas sucesivas para fabricar un producto. La impresión 3D es la tecnología más asociada a la fabricación aditiva. La fabricación sustractiva elimina material para fabricar una pieza. Este proceso utiliza tradicionalmente el mecanizado por control numérico computerizado (CNC).

Ambas tecnologías pueden utilizar modelos de software de diseño asistido por ordenador (CAD) para fabricar productos. Estas tecnologías de fabricación han tenido un enorme impacto en los prototipos y la producción, y siguen avanzando.

Este artículo analiza la fabricación aditiva frente a la sustractiva, sus diferencias, gastos, aplicaciones y el proceso híbrido.

Las diferencias entre la fabricación aditiva y la fabricación sustractiva son significativas. La fabricación aditiva, a menudo denominada impresión 3D, añade capas sucesivas de material para crear un objeto. La fabricación sustractiva elimina material para crear un objeto.

Fabricación aditiva

Ambas tecnologías utilizan dibujos CAD para crear piezas; la fabricación aditiva funde o fusiona polvo o cura materiales poliméricos líquidos para formar piezas basadas en los dibujos CAD. Los procesos aditivos son más lentos de fabricar y varias tecnologías requieren métodos posteriores a la fabricación para curar, limpiar o acabar el producto. El acabado superficial no es tan liso como en la fabricación sustractiva y las tolerancias no son tan precisas. Estos procesos son ideales para piezas más ligeras, eficiencia de materiales, prototipado rápido y fabricación de lotes pequeños y medianos.

Existen geometrías complejas, incluida la impresión de juntas articuladas con fabricación aditiva. Las geometrías son más complicadas, y la configuración es rápida y sencilla, sin necesidad de operario durante el proceso de impresión. Los materiales más utilizados en la fabricación aditiva son los plásticos y los metales. El coste del equipo es inferior al de la fabricación sustractiva, y hay disponibles varios colores de material para la mayoría de las operaciones de impresión 3D.

Las tecnologías aditivas incluyen:

• Binder jetting - El proceso utiliza agentes de unión líquidos depositados selectivamente para unir materiales en polvo. Los materiales incluyen metal, plástico, cerámica y arena.
• Deposición de Energía Dirigida (DED)-DED utiliza energía térmica focalizada para fusionar materiales a medida que se depositan. Los materiales incluyen alambre y polvo.
• Extrusión de material: la extrusión dispensa material de forma selectiva en capas a través de una boquilla u orificio. Los materiales incluyen plásticos, nylons, FDM, FF, y arena.
• Inyección de material: las gotas se depositan selectivamente para formar productos. El material incluye fotopolímeros, cera, arena y material de inyección de polietileno.
• Fusión de lecho de polvo: la energía térmica fusiona selectivamente regiones de un lecho de polvo. Los materiales incluyen metales, polímeros y fibras.
• De laminación de láminas: se unen láminas de material para formar un objeto. Los materiales incluyen metal, papel, madera y plásticos.
• Fotopolimerización en cuba: El fotopolímero predepositado se cura selectivamente mediante la reticulación activada por la luz de cadenas de polímeros adyacentes. Los materiales incluyen fotopolímeros.

Fabricación sustractiva

La fabricación sustractiva consiste en la eliminación de material mediante torneado, fresado, taladrado, rectificado, corte y mandrinado. El material suele ser metal o plástico, y el producto final tiene un acabado liso con tolerancias dimensionales ajustadas. Existe una gran variedad de materiales. Los cambios son más largos, pero los cambiadores automáticos de herramientas ayudan a reducir los retrasos. Los procesos pueden estar totalmente automatizados, aunque un operario puede supervisar dos o más máquinas.

Los costes de equipamiento son más elevados y suelen requerir plantillas, utillajes y herramientas adicionales. Es el más adecuado para grandes producciones con un tiempo de fabricación razonablemente rápido, pero con cambios prolongados. Los equipos de manipulación de materiales ayudan a ambos procesos con la carga y retirada de material. Las geometrías no son tan complejas como en los procesos de fabricación aditiva.

Las tecnologías de fabricación sustractiva incluyen:

• Desbaste-Este proceso de fabricación utiliza la fricción para desgastar la superficie del material mediante el esmerilado y pulido de los productos.
• Centros de mecanizado CNC: proceso de fabricación informatizado para controlar maquinaria compleja mediante software preprogramado para regular el equipo de mecanizado para cortar y dar forma a las piezas. Este equipo incluye fresado, Torneado, taladrado, mandrinado, rectificadoras y centros de mecanizado CNC de 5 ejes.
• Mecanizado por descarga eléctrica (EDM)-También conocido como "mecanizado por chispa", "quemado por hilo" o "erosión por hilo", el EDM es un proceso de mecanizado no tradicional que utiliza descargas eléctricas que oscilan entre 80,00 ºC y 12.000 ºC para eliminar material de una pieza colocada en un líquido dieléctrico. 
• Corte por láser-Este método de fabricación utiliza un láser de gas, a menudo CO2, como fuente de energía. El rayo láser es guiado por espejos y dirigido hacia la pieza de trabajo para eliminar el material. La potencia del rayo láser oscila entre 1.500 y 2.600 vatios.
• Corte por chorro de agua: el corte por chorro de agua es un proceso de erosión acelerada que utiliza un chorro de agua a alta presión. Este método CNC de corte de objetos utiliza la energía del agua a ultra alta presión que se vuelve hipersónica a velocidades de hasta 2.500 mph (Mach 3).

Los materiales para los procesos de fabricación sustractiva incluyen metales duros, metales blandos, plásticos termoestables, acrílico, madera, plásticos, espuma, composites, vidrio y piedra.

	Fabricación aditiva	Fabricación sustractiva
Proceso:	Construye un objeto añadiendo capas de material.	Elimina material de una pieza o material más grande para crear un objeto.
Equipamiento	Este proceso incluye la fabricación digital, la impresión 3D y la fabricación aditiva, como binder jetting, fusión de lecho de polvo, laminado de lámina, depósito de energía dirigida, extrusión de material e inyección de material.	Este proceso incluye el mecanizado tradicional, el mecanizado CNC, el corte por láser, la electroerosión, la abrasión, el corte por plasma y el corte por chorro de agua. Estos procesos incluyen Torneado, Fresado, Taladrado, Rectificado, Corte y Mandrinado.
Producción	Adecuado para prototipos y producción de lotes pequeños.	Más adecuado para la producción en serie
Costes de equipamiento	Impresoras profesionales de sobremesa: $3.500+ Impresoras industriales: $100.000-$400.000+	Fresadoras y tornos de nivel aficionado: 2.000 $+ Centro de mecanizado CNC de nivel básico: 60.000 $+ Centros de mecanizado industrial de 5 ejes: 500.000 $+ Precisión: Adecuado para la producción de prototipos y lotes pequeños.                                                                   Industrial 5 Axis Machining Centers: $500,000+
Precisión:	Tolerancia tan pequeña como 0,004″.	Tolerancia tan pequeña como 0,001″.
Requisitos de área:	Las impresoras de sobremesa pueden funcionar en la mayoría de oficinas o talleres. Las impresoras industriales suelen requerir un gran espacio en la planta de fabricación. A menudo se requiere un entorno controlado.	Las máquinas pequeñas suelen funcionar en garajes y talleres. Las máquinas industriales requieren un gran espacio en la planta de fabricación.
Equipamiento adicional	Algunas impresoras requieren sistemas de postprocesado para el curado, el acabado y la limpieza. Las aplicaciones industriales pueden tener sistemas de manipulación de materiales.	Es posible que se necesiten diversas herramientas, dispositivos, robótica y sistemas de manipulación de materiales. También son necesarios sistemas de refrigeración, cambiadores de herramientas y eliminación de residuos.
Complejidad	Se pueden conseguir diseños extremadamente complejos, incluidas piezas articuladas.	Ideal para piezas de geometría intermedia.
Coste:	Normalmente, más caro que la fabricación sustractiva, aunque la creación de prototipos en plástico es mucho más rápida.	Menos costoso que la fabricación en metal.
Materiales:	Principalmente materiales plásticos. Otros materiales incluyen metales, cerámica, yesos, grafito, fibra de carbono, nitinol, polímeros y papel.	Los materiales incluyen metales duros, metales blandos, plásticos termoestables, acrílico, madera, plásticos, espuma, composites, vidrio y piedra.
Propiedades	Los plásticos termoestables tienen una debilidad estructural potencial en las capas.	Los metales son estructuralmente sólidos y tienen una excelente resistencia al calor.
Preparación:	Requiere poco o ningún montaje.	La preparación suele ser importante, pero puede aumentar la velocidad con cambiadores automáticos de herramientas.
Velocidad:	Los procesos de impresión son más lentos que los de mecanizado, pero funcionan más rápido con termoestables que con materiales metálicos. Es preferible para la creación de prototipos y la producción de lotes pequeños.	Es un proceso relativamente rápido. Mejor para grandes producciones debido al largo tiempo de preparación.
Acabado superficial	La superficie puede ser ligeramente rugosa dependiendo del material y de la velocidad de impresión.	El acabado es liso. Existe una gran variedad de acabados para el mecanizado.
Formación:	Las impresoras de sobremesa se instalan rápidamente, pero la programación requiere cierto tiempo. Las impresoras industriales requieren formación y un asistente.	Las máquinas para aficionados requieren cierta formación.  Los equipos industriales requieren una amplia formación y la producción puede automatizarse por completo con la supervisión de un operario.

Las tecnologías aditiva y sustractiva tienen una gran variedad de procesos diferentes. Los costes y las capacidades van desde las máquinas de sobremesa hasta los grandes equipos industriales. Los precios han bajado considerablemente en los últimos años, sobre todo en el caso de las tecnologías aditivas. Hoy en día existen herramientas de fabricación aditiva y sustractiva de sobremesa compactas y fáciles de usar para espacios de trabajo profesionales, talleres mecánicos y talleres.

Las impresoras 3D básicas cuestan a partir de varios cientos de dólares, y el coste de las impresoras de sobremesa adecuadas para entusiastas comienza aproximadamente entre 3.500 y 20.000 dólares. Las impresoras industriales empiezan en 10.000 dólares y cuestan más de 400.000 dólares.

Las fresadoras y tornos hobbistas empiezan en 2.000 dólares, y un centro de mecanizado CNC básico puede empezar en 60.000 dólares. Los centros de mecanizado industriales de 5 ejes cuestan más de 500.000 dólares.

La fabricación aditiva y sustractiva producen una amplia gama de productos en varios sectores. La fabricación aditiva es preferible para la creación rápida de prototipos, la producción de lotes pequeños y la producción bajo demanda. La fabricación sustractiva produce prototipos desde hace mucho tiempo, pero es más adecuada para grandes series de producción.

Casi todos los sectores utilizan productos de fabricación aditiva: aeroespacial, arquitectura, automoción, aviación, bienes de consumo, estilo de vida, fabricación industrial, manipulación de materiales, robótica, medicina y odontología, y deportes. Los productos incluyen implantes médicos, componentes aeronáuticos, piezas de automoción, patrones de fundición a la cera perdida, utillaje, soportes, álabes de turbina, joyería, entretenimiento, ciclismo y productos personalizables.

Los productos de fabricación sustractiva se encuentran en los mismos sectores y más, como el aeroespacial, la arquitectura, la automoción, la aviación, los bienes de consumo, los servicios alimentarios, el estilo de vida, la fabricación industrial, la manipulación de materiales, el petróleo y el gas, la robótica, la medicina y la odontología, y el deporte. Estos productos se utilizan a menudo en entornos difíciles en los que la robustez es fundamental. Las piezas de fabricación sustractiva se utilizan en todas partes, desde pistones a aspas de ventilador, pasando por tambores de acero y turbinas.

Los componentes sustractivos y aditivos se complementan a menudo en la producción de herramientas, plantillas y utillajes.

Los enfoques híbridos combinan procesos aditivos y sustractivos, tomando lo mejor de ambos mundos e incorporándolos a una sola máquina. Estos híbridos aprovechan los puntos fuertes de ambos sistemas de fabricación y requieren equipos especializados. La fabricación híbrida agiliza y facilita la producción de piezas complejas.

Un ejemplo sería el pulido de la superficie de una pieza impresa en 3D o el taladrado de un orificio que requiere una tolerancia ajustada.