Fabricación aditiva frente a sustractiva: Una comparación exhaustiva

Introducción

En la fabricación actual, los diseños complicados se convierten en objetos tangibles mediante el uso de diversos materiales y varios procesos. De ellos, las dos técnicas más comunes son la fabricación aditiva y la fabricación sustractiva. Por supuesto, puede que no utilices estos dos términos en tu conversación diaria, pero estoy seguro de que conoces los procesos relacionados con estos términos, la impresión 3D, el corte por láser, el corte por plasma y el CNC, todos entran dentro de uno de estos dos términos.

Aunque ambos métodos están diseñados para fabricar el producto final, el mecanismo de funcionamiento es totalmente opuesto. Este artículo comparará y contrastará la fabricación aditiva y la fabricación sustractiva en términos de sus diferencias, usos en industrias y cómo decidir entre ambas.

Qué es la fabricación aditiva

La impresión AM o 3D es un proceso de creación de objetos por capas mediante el depósito de material en la superficie del objeto. Este método suele comenzar con un modelo digital, que puede realizarse mediante un diseño asistido por ordenador o CAD. A continuación, el modelo CAD se divide en muchas capas finas en forma de capas transversales. A continuación, la máquina de fabricación aditiva toma estos planos digitales y coloca capas sucesivas de material o las solidifica capa a capa según las capas transversales del objeto que se va a producir, y construye el objeto final con geometrías intrincadas.

La fabricación aditiva engloba diversas tecnologías, como:

• Modelado por deposición fundida (FDM)
• Estereolitografía (SLA)
• Sinterización selectiva por láser (SLS)
• Sinterización directa de metales por láser (DMLS),
• Chorro aglomerante (BJ)
• Deposición de energía dirigida (DED)
• Laminación de hojas (SL)
• Fabricación de objetos laminados (LOM)
• Laminación por deposición selectiva (SDL)
• Procesamiento digital de la luz (DLP)
• Producción de interfaz líquida continua (CLIP)

Todas estas técnicas utilizan métodos diferentes para depositar el material y solidificarlo, pero el concepto de añadir capa por capa es el mismo. La fabricación aditiva tiene la capacidad de producir estructuras intrincadas directamente a partir del diseño sin utilizar herramientas ni moldes, lo que ha creado nuevas oportunidades en el diseño y la producción, sobre todo de piezas pequeñas.

Qué es la fabricación sustractiva

La fabricación sustractiva (SM) es un proceso de fabricación convencional por el que se elimina progresivamente material de un bloque sólido de material o pieza de trabajo para conseguir la forma deseada. Normalmente se realiza mediante diversos procesos de mecanizado. La fabricación sustractiva también se basa generalmente en un modelo digital, que se convierte en instrucciones para máquinas controladas por ordenador, como fresadoras y tornos CNC. Estas máquinas emplean herramientas de corte para recortar material de la pieza hasta obtener el producto final.

Entre las técnicas de fabricación sustractiva más comunes se incluyen:

• Fresado
• Girar
• Perforación
• Rectificado
• Corte
• Mecanizado por descarga eléctrica (EDM)
• Corte por chorro de agua
• Corte por láser
• Corte por plasma

Se trata de un método consolidado y ampliamente utilizado para producir piezas con gran precisión y un buen acabado liso en una amplia gama de materiales.

Diferencias clave: Fabricación aditiva y sustractiva

Aunque ambos procesos parten de materias primas o planos digitales para producir piezas acabadas, la fabricación aditiva y la sustractiva difieren mucho en sus métodos de fabricación y características. Conocer estas diferencias es importante para elegir el enfoque adecuado para una aplicación concreta.

Residuos materiales

La fabricación sustractiva comienza con una gran pieza de material y el proceso de corte y eliminación de material para obtener la forma deseada del producto, significa que se desperdicia una gran cantidad de material en forma de virutas, virutas o recortes. Aunque algunos de estos residuos pueden reciclarse, siguen significando que, en muchos casos, las materias primas se utilizan de forma menos eficiente.

Por otro lado, la fabricación aditiva es relativamente menos derrochadora de material en el proceso de fabricación. Dado que el material se añade sólo donde es necesario, la cantidad de material desperdiciado también es menor en este método. Esto crea a menudo la impresión de que se trata de un proceso más respetuoso con el medio ambiente y, aunque puede ser cierto, es necesario analizar los detalles de cada proceso para determinar si es el mejor para la aplicación.

Selección de materiales

La fabricación sustractiva suele ofrecer una gama más amplia de opciones de materiales en comparación con la fabricación aditiva. Casi todos los materiales que pueden mecanizarse, incluidos diversos metales (acero, aluminio, acero inoxidable, cobre, latón, etc.), plásticos, madera, materiales compuestos y cerámica, pueden procesarse mediante métodos tradicionales de fabricación sustractiva, incluidas las técnicas de corte por rayo láser.

Aunque la fabricación aditiva está ampliando constantemente su aplicabilidad a los materiales, sigue siendo bastante limitada en cuanto a la amplia gama de materiales que pueden utilizarse de forma eficiente. La elección de materiales para procesos específicos de fabricación aditiva puede ser limitada y algunos de ellos pueden necesitar equipos o condiciones especiales para su procesamiento. Sin embargo, la fabricación aditiva es especialmente útil para fabricar piezas con diferentes materiales en una sola construcción, lo que puede no ser factible utilizando los métodos convencionales de eliminación de material.

Complejidad del diseño de productos

La fabricación aditiva destaca en la creación de formas complejas e intrincadas que no pueden crearse con los métodos tradicionales de extracción de material. Geometrías complejas como celosías internas, curvas complejas y detalles finos pueden fabricarse fácilmente mediante procesos aditivos sin necesidad de herramientas especiales ni múltiples configuraciones.

La fabricación sustractiva es un método muy preciso de fabricar piezas, pero tiene el inconveniente del alcance de las herramientas de corte y la fijación. Los elementos internos o los rebajes más complejos pueden requerir varias herramientas y ajustes, lo que alarga y encarece el proceso.

Volumen de producción

La fabricación sustractiva, suele ser más productiva y económica para la producción en serie de componentes con formas sencillas en diversos talleres mecánicos. Una vez realizados el utillaje y la configuración, el tiempo necesario para producir cada pieza es inferior al de la fabricación aditiva.

La fabricación aditiva es la más adecuada para la producción de bajo volumen, la creación de prototipos y la producción de piezas únicas, ya que el coste de instalación de la fabricación sustractiva sería muy elevado. Sin embargo, las mejoras en la tecnología de la fabricación aditiva la están haciendo posible también para la producción de volúmenes medios.

Velocidad de fabricación

La velocidad de producción de las técnicas aditiva y sustractiva puede verse muy influida por la complejidad de la pieza y el número de piezas que se vayan a fabricar. En el caso de prototipos y pequeñas series de piezas intrincadas, la fabricación aditiva puede ser más rápida porque no requiere utillaje ni complejas configuraciones.

Sin embargo, para grandes cantidades de componentes relativamente poco complicados, los procesos bien desarrollados y eficientes de la fabricación sustractiva pueden proporcionar un tiempo total de producción mucho más corto.

El tiempo de construcción en la fabricación aditiva depende del tamaño y la complejidad de la pieza, ya que cada capa tiene que depositarse y solidificarse. En la fabricación sustractiva, el tiempo de mecanizado depende de la cantidad de material que haya que cortar y del tipo de operaciones que haya que realizar.

Precisión y tolerancia

La fabricación sustractiva, especialmente los procesos de mecanizado de precisión, son capaces de ofrecer altos niveles de precisión y pequeñas tolerancias. Las máquinas CNC pueden mover y cortar con gran precisión, lo que permite fabricar piezas con tolerancias de unos pocos micrómetros.

La fabricación aditiva, aunque mejora en precisión, suele tener tolerancias más amplias en comparación con los métodos sustractivos. La precisión de las piezas producidas mediante fabricación aditiva depende del tipo de material utilizado, el tipo de tecnología empleada en el proceso de fabricación y los ajustes de la máquina.

En los casos en que las dimensiones del producto deben ser muy precisas y las tolerancias muy pequeñas, la fabricación sustractiva es la más adecuada.

Acabado superficial

Los procesos de fabricación sustractiva, como el mecanizado y el rectificado, pueden producir superficies muy lisas y de gran calidad. Estas herramientas de corte pueden generar superficies con baja rugosidad, lo que significa que puede no ser necesaria una operación de acabado posterior.

Las piezas de AM se fabrican normalmente por capas y, por tanto, el acabado superficial de las piezas no es tan liso como el de las piezas fabricadas mediante el proceso de fabricación sustractiva. Aunque pueden aplicarse técnicas como el lijado, el pulido y el revestimiento para mejorar el acabado superficial de las piezas de fabricación aditiva, estos procesos adicionales aumentan el tiempo y el coste de producción.

En algunos casos, cuando el acabado superficial es un factor importante, resulta más apropiado utilizar la fabricación sustractiva.

Fabricación aditiva frente a sustractiva: Aplicaciones industriales

Tanto la fabricación aditiva como la sustractiva han encontrado amplias aplicaciones en diversos sectores, aprovechando cada una de ellas los puntos fuertes de sus respectivos procesos.

Aplicaciones de la fabricación aditiva

La fabricación aditiva ha revolucionado varios sectores gracias a su capacidad para crear piezas complejas y personalizadas. Entre las principales aplicaciones industriales se incluyen:

Aeroespacial

Aplicaciones aeroespaciales como la fabricación de estructuras ligeras para aviones y transbordadores espaciales, prototipos y utillaje. La capacidad de la AM para producir estructuras complejas con un mínimo de material es vital para reducir el peso y mejorar el ahorro de combustible en las aplicaciones aeroespaciales. También permite realizar ciclos rápidos en las fases de diseño y pruebas del proceso de desarrollo.

Médico

Creación de implantes, prótesis, restauraciones dentales o incluso guías quirúrgicas a la medida de cada paciente. Con la AM, el nivel de personalización alcanza cotas asombrosas que dan lugar a dispositivos médicos bien ajustados y, por tanto, más eficaces para los pacientes. La tecnología también permite desarrollar tejidos complejos estructurados internamente y porosos que potencian el crecimiento de materiales beneficiosos.

Automoción

Prototipado rápido, utillaje, fabricación de productos y elementos especiales, piezas de recambio. La AM permite la creación rápida de prototipos y la generación de diseños intrincados sin necesidad de costosos moldes y matrices. También permite fabricar pequeñas cantidades de componentes especializados y piezas de repuesto cuando se necesitan, minimizando así los gastos de inventario.

Arquitectura

Producción de modelos arquitectónicos detallados y prototipos. La AM puede ayudar a los arquitectos a producir modelos físicos más precisos y detallados de sus diseños, lo que les ayudará a explicar sus ideas y visualizar las estructuras que van a construir.

Aplicaciones de la fabricación sustractiva

La fabricación sustractiva se sigue utilizando ampliamente en muchas industrias porque permite una gran precisión, un buen acabado superficial y un bajo coste para grandes producciones. Entre las principales aplicaciones industriales se incluyen:

Automoción

La fabricación sustractiva se utiliza ampliamente en la industria del automóvil para crear un gran número de piezas esenciales. Esto incluye piezas de motor como culatas y bloques de motor, piezas de chasis y suspensión que deben ser muy precisas y resistentes. La fabricación sustractiva es ideal para la producción en serie, ya que es eficaz a la hora de proporcionar grandes cantidades de productos uniformes en calidad y rendimiento para satisfacer las necesidades de la industria del automóvil para millones de vehículos.

Aeroespacial

La fabricación sustractiva se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial para producir piezas estructurales intrincadas y de alta resistencia para aviones y vehículos espaciales. Componentes como el aluminio, el titanio y otras aleaciones específicas se cortan y moldean según las especificaciones necesarias de peso y resistencia. Estos métodos ayudan a conseguir la precisión requerida en los detalles y la calidad del material, lo que es crucial para la seguridad de los vehículos aeroespaciales utilizados en condiciones severas.

Electrónica

La fabricación sustractiva también se utiliza ampliamente en la fabricación de dispositivos electrónicos, especialmente en la fabricación de carcasas y cajas de diferentes aparatos y equipos. El mecanizado y el fresado se emplean para cortar y dar forma a metales y plásticos para que se ajusten a los contornos de la carcasa y protejan las piezas internas y mejoren su aspecto. También, en la formación de disipadores de calor y otras piezas con determinadas características térmicas y eléctricas, se utilizan los procesos sustractivos.

Médico

La fabricación sustractiva se utiliza ampliamente en el campo médico para la producción de diversos dispositivos e instrumentos médicos que requieren gran precisión y a menudo utilizan materiales biocompatibles. Se trata de instrumentos quirúrgicos, implantes ortopédicos y piezas de equipos de diagnóstico. Las características delicadas, así como los acabados superficiales lisos, son esenciales para la seguridad y eficacia de los dispositivos médicos que se utilizan para ayudar a los pacientes, y estos se obtienen mediante mecanizado y rectificado.

¿Cómo elegir entre fabricación aditiva y sustractiva?

La elección entre la fabricación aditiva y la sustractiva depende de varios factores propios de la aplicación y las necesidades de fabricación. A continuación se enumeran algunos de los factores que deben tenerse en cuenta a la hora de tomar la decisión:

Tipo de material

En ocasiones, el tipo de material seleccionado puede ser un factor decisivo. Si se trata de materiales como determinados aceros, metales o aleaciones de aluminio, los procesos de fabricación sustractiva son más eficaces.

Sin embargo, si el diseño permite el uso de materiales más fáciles de procesar o con mejores prestaciones mediante AM, como los termoplásticos, entonces la AM tiene una clara ventaja tanto en el proceso de fabricación como en la aplicación final.

Volumen de producción

En el caso de un volumen de producción bajo, especialmente cuando se trata de piezas intrincadas o de lotes pequeños, la AM puede resultar más económica por los bajos costes de utillaje y la capacidad de crear formas complejas sin necesidad de herramientas adicionales.

Sin embargo, a medida que aumentan los volúmenes de producción, el coste por pieza de la fabricación sustractiva resulta más favorable, especialmente en el caso de geometrías complejas. Los métodos sustractivos suelen ser preferibles en la producción de grandes volúmenes porque, una vez configurado el utillaje, el proceso es más rápido.

Sostenibilidad

Otros factores que pueden tenerse en cuenta son los relacionados con la sostenibilidad. Una de las ventajas de la fabricación aditiva es que puede ayudar a minimizar el desperdicio de material en algunos casos. Sin embargo, también hay que tener en cuenta el consumo de energía y la reciclabilidad de los materiales utilizados en AM.

La fabricación sustractiva genera chatarra, pero en la mayoría de los casos esta chatarra (sobre todo metales) puede reutilizarse. Es posible que sea necesaria una evaluación del ciclo de vida para decidir qué opción es más sostenible para una determinada aplicación.

Precisión y tolerancias

Si la aplicación exige gran precisión y tolerancias pequeñas, el método más adecuado es la fabricación sustractiva, especialmente el mecanizado de precisión.

Aunque la precisión de la fabricación aditiva es cada vez mayor, todavía no es tan exacta como la fabricación sustractiva para aplicaciones de tolerancia crítica.

Requisitos de resistencia y durabilidad

Las propiedades mecánicas de las piezas fabricadas mediante la fabricación aditiva y sustractiva son diferentes en términos de resistencia y durabilidad en función del material y el proceso utilizado.

La fabricación sustractiva, especialmente cuando se trata de metales forjados, produce piezas de gran resistencia y durabilidad gracias al flujo continuo del grano del material.

Las piezas de AM pueden tener propiedades anisótropas o una resistencia global inferior en función de la tecnología y el material utilizados en el proceso, y pueden ser más débiles que las piezas producidas mediante fabricación sustractiva.

Sin embargo, para las aplicaciones que soportan cargas o soportan grandes esfuerzos, es más seguro utilizar materiales tradicionales mediante el proceso de fabricación sustractiva.

Diseño de piezas

La complejidad del diseño de las piezas es muy importante. En comparación con los métodos sustractivos, la fabricación aditiva es capaz de producir geometrías complejas, entramados internos y curvas intrincadas que los métodos sustractivos a veces son imposibles o extremadamente difíciles de crear.

Sin embargo, si el diseño no es muy complejo y puede realizarse cortando material de un bloque, entonces es más beneficioso utilizar la fabricación sustractiva.

Plazos de entrega

Dado que la mayoría de los procesos de fabricación aditiva no requieren utillaje, los prototipos rápidos y las series de producción cortas pueden completarse a menudo en una fracción del tiempo. Si bien esto es cierto, para la fabricación de grandes volúmenes, el proceso de fabricación sustractiva, junto con la alta eficiencia del proceso, tiende a producir mejores plazos de entrega una vez completada la configuración inicial.

Coste

Por último, el coste es un factor muy importante que no puede pasarse por alto. Los costes de material, equipos, mano de obra y postprocesado deben compararse entre los procesos de fabricación aditiva y sustractiva. El método de fabricación más rentable dependerá de la aplicación, el número de piezas que haya que producir y la complejidad de la pieza.

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Conclusión

La fabricación aditiva y la sustractiva son dos métodos de fabricación diferentes pero importantes en el mundo contemporáneo. Todos ellos tienen sus ventajas e inconvenientes, y se utilizan en diversos campos en función de la tarea específica. La decisión entre uno u otro depende de la evaluación de las necesidades del proyecto en cuestión.

Está claro que tanto las tecnologías de fabricación aditivas como las sustractivas seguirán siendo relevantes en el futuro a medida que avancen las tecnologías de fabricación. Por tanto, es importante comprender las diferencias entre ellas y los factores que determinan su elección para tomar las decisiones correctas y mejorar el proceso de fabricación de cualquier proyecto.

FAQS

P: ¿Es la fabricación aditiva más respetuosa con el medio ambiente que la fabricación sustractiva?

A: La fabricación aditiva suele reducir los residuos de material, pero tiene un mayor consumo de energía. Por otro lado, la fabricación sustractiva puede producir más residuos, pero utiliza procesos de fabricación tradicionales.

P: ¿Qué método de fabricación es más adecuado para la creación rápida de prototipos?

A: En general, la fabricación aditiva es más adecuada para la creación rápida de prototipos porque permite iteraciones de diseño flexibles y una producción rápida de prototipos. Además, permite desarrollar formas geométricas complejas que no pueden fabricarse con las técnicas de producción convencionales.

P: ¿Puede la fabricación sustractiva trabajar con materiales duros?

A: Sí, la fabricación sustractiva es especialmente adecuada para procesar materiales duros, como aleaciones de titanio, acero templado y acero inoxidable, que tienen menos probabilidades de dañar las herramientas de corte durante el mecanizado.