Fabricación aditiva vs. fabricación sustractiva: ¿cuál es la diferencia?

La fabricación aditiva es un proceso especializado que construye piezas desde cero añadiendo capas sucesivas de material para crear un producto final. La impresión 3D es la tecnología específica que se asocia con mayor frecuencia al término más amplio de fabricación aditiva. Por el contrario, la fabricación sustractiva consiste en extraer material de un bloque más grande para producir una pieza específica. Este último proceso tradicionalmente utiliza el mecanizado por control numérico computarizado (CNC) como método principal.
Ambas tecnologías pueden aprovechar los modelos de software de diseño asistido por computadora (CAD) para generar productos físicos precisos. Estas tecnologías de fabricación han transformado profundamente los campos del prototipado y la producción, y siguen experimentando rápidos avances tecnológicos.
Este artículo proporciona un análisis en profundidad de la fabricación aditiva frente a la fabricación sustractiva, explorando sus diferencias fundamentales, los gastos asociados, las diversas aplicaciones y el proceso de fabricación híbrido emergente.

Fabricación aditiva vs. fabricación sustractiva: ¿cuáles son sus diferencias?

Las diferencias entre la fabricación aditiva y la fabricación sustractiva son bastante significativas. La fabricación aditiva, conocida coloquialmente como impresión 3D, funciona añadiendo capas sucesivas de material hasta que un objeto está completamente formado. En cambio, la fabricación sustractiva produce un objeto eliminando sistemáticamente material de una pieza sólida.

Fabricación aditiva

Si bien ambas tecnologías se basan en dibujos CAD para producir piezas, la fabricación aditiva funciona fundiendo polvo o curando materiales poliméricos líquidos para construir piezas basadas en planos digitales. Los procesos aditivos suelen ser más lentos en cuanto a velocidad de fabricación, y varias tecnologías específicas requieren métodos posfabricación para curar, limpiar o refinar el acabado superficial del producto. A menudo, el acabado superficial no es tan liso como el que se logra mediante la fabricación sustractiva, y las tolerancias dimensionales no suelen ser tan precisas. Sin embargo, estos procesos se consideran ideales para producir piezas más ligeras, optimizar la eficiencia del material, facilitar la creación rápida de prototipos y gestionar lotes de fabricación pequeños y medianos.
Las geometrías complejas, como la impresión directa de articulaciones, son únicas gracias a la fabricación aditiva. Estas geometrías pueden ser significativamente más complejas que las obtenidas con métodos tradicionales, y la configuración suele ser rápida y sencilla, sin necesidad de un operador activo durante el ciclo de impresión. Los materiales más utilizados en la fabricación aditiva son diversos plásticos y metales. Además, el coste inicial del equipo suele ser inferior al de la fabricación sustractiva, y existe una amplia gama de colores de materiales disponibles para la mayoría de las operaciones de impresión 3D modernas.
Las principales tecnologías aditivas incluyen:

• Inyección de aglutinante: Este proceso implica la deposición selectiva de agentes aglutinantes líquidos para unir materiales en polvo. Los materiales más comunes incluyen diversos metales, plásticos, cerámica y arena.
• Deposición de Energía Dirigida (DED): La DED utiliza energía térmica altamente concentrada para fusionar materiales simultáneamente durante su deposición. Los materiales utilizados en este proceso suelen incluir alambres y polvos.
• Extrusión de material: En este método, el material se dispensa selectivamente a través de una boquilla u orificio en capas sucesivas. Los materiales compatibles incluyen plásticos, nailon y filamentos específicos como FDM y FF.
• Inyección de material: Se depositan gotitas diminutas de forma selectiva para formar productos. Los materiales adecuados incluyen diversos fotopolímeros, ceras, arena y materiales especiales para inyección de polímeros.
• Fusión de lecho de polvo: Se utiliza energía térmica para fusionar selectivamente regiones específicas de un lecho de polvo. Los materiales suelen incluir metales, polímeros y diversas fibras.
• Laminación de láminas: Se unen láminas individuales de material para formar un objeto sólido. Los materiales más comunes para este proceso incluyen metal, papel, madera y plástico.
• Fotopolimerización en cuba: Un fotopolímero líquido predepositado se cura selectivamente mediante la reticulación fotoactivada de las cadenas de polímero adyacentes. Este proceso utiliza exclusivamente fotopolímeros.

Fabricación sustractiva

La fabricación sustractiva implica la eliminación sistemática de material mediante procesos como torneado, fresado, taladrado, rectificado, corte y mandrinado. La materia prima suele estar compuesta de metales o plásticos, y el producto final resultante suele presentar un acabado muy liso con tolerancias dimensionales excepcionalmente ajustadas. De esta manera, se puede utilizar una amplia variedad de materiales. Si bien los tiempos de cambio pueden ser mayores, el uso de cambiadores automáticos de herramientas ayuda a mitigar significativamente los retrasos que suelen consumir mucho tiempo. Estos procesos pueden automatizarse por completo, aunque puede requerirse la supervisión de dos o más máquinas simultáneamente.
Los costos iniciales de equipo para la fabricación sustractiva suelen ser más altos y suelen requerir el uso de plantillas, accesorios y herramientas especializadas adicionales. Por lo tanto, es más adecuado para producciones a gran escala que se benefician de tiempos de fabricación razonablemente rápidos a pesar de los largos períodos de configuración y cambio. Los equipos de manipulación de materiales se utilizan a menudo para facilitar la carga y extracción eficientes de material en los procesos aditivos y sustractivos. Sin embargo, las geometrías que se pueden lograr mediante métodos sustractivos no suelen ser tan complejas como las que se pueden lograr con los procesos de fabricación aditiva.
Las tecnologías de fabricación sustractiva incluyen:

• Abrasión: este proceso de fabricación específico utiliza la fricción para desgastar la superficie del material, principalmente a través del esmerilado y pulido de los productos.
• Centros de Mecanizado CNC: Se trata de un proceso de fabricación computarizado que controla maquinaria compleja mediante software preprogramado. Regula los equipos de mecanizado para cortar y dar forma a piezas con alta precisión. Estos equipos incluyen fresadoras, tornos, taladradoras y mandrinadoras, rectificadoras y centros de mecanizado CNC avanzados de 5 ejes.
• Electroerosión (EDM): También conocida como «mecanizado por chispa», «quemado por hilo» o «erosión por hilo», la electroerosión es un proceso de mecanizado no tradicional. Utiliza descargas eléctricas, con temperaturas que oscilan entre 8000 °C y 12 000 °C, para eliminar material de una pieza de trabajo sumergida en un líquido dieléctrico.
• Corte por láser: Este método de fabricación utiliza un láser de gas concentrado, generalmente CO₂, como fuente de energía. El haz láser se guía con precisión mediante espejos y se dirige hacia la pieza de trabajo para eliminar material. Normalmente, la potencia del haz láser oscila entre 1500 y 2600 vatios.

Los materiales utilizados en los procesos de fabricación sustractiva incluyen metales duros, metales blandos, plásticos termoendurecibles, acrílico, madera, plásticos, espuma, compuestos, vidrio y piedra.

Tabla comparativa: Fabricación aditiva vs. fabricación sustractiva

Costo de fabricación sustractiva vs. aditiva: ¿cuál es más caro?

Las tecnologías aditivas y sustractivas abarcan una amplia gama de procesos, y sus costes y capacidades varían desde máquinas de escritorio hasta grandes equipos industriales. En los últimos años, los precios han bajado significativamente, especialmente en el caso de las tecnologías aditivas. Hoy en día, existen herramientas de fabricación aditiva y sustractiva de escritorio, compactas y fáciles de usar, disponibles para espacios de trabajo profesionales, talleres mecánicos y talleres.
Las impresoras 3D básicas cuestan desde varios cientos de dólares, mientras que las impresoras de escritorio adecuadas para aficionados suelen oscilar entre los 3500 y los 20 000 dólares. Las impresoras industriales pueden costar desde unos 10 000 dólares hasta más de 400 000 dólares.
Las fresadoras y tornos para aficionados tienen un precio inicial de $2,000, y un centro de mecanizado CNC básico puede costar desde $60,000. Los centros de mecanizado industriales de 5 ejes suelen costar $500,000 o más.

Aplicaciones de la fabricación aditiva frente a la fabricación sustractiva

La fabricación aditiva y sustractiva se utilizan para producir una amplia gama de productos en diversas industrias. La fabricación aditiva suele preferirse para el prototipado rápido, la producción de lotes pequeños y la producción bajo demanda. La fabricación sustractiva se ha utilizado durante mucho tiempo para producir prototipos, pero generalmente es más adecuada para grandes series de producción.
La fabricación aditiva se utiliza en casi todas las industrias, incluidas la aeroespacial, la arquitectura, la automoción, la aviación, los bienes de consumo, el estilo de vida y la industria.

Análisis de pros y contras

Ventajas de la fabricación sustractiva

• Versatilidad del material: la fabricación sustractiva permite a los fabricantes elegir entre una amplia variedad de fuentes de materiales, incluidos diversos metales, polímeros, madera y compuestos avanzados.
• Precisión y exactitud: La extrema precisión y la alta exactitud de las máquinas CNC permiten la creación de geometrías complicadas manteniendo tolerancias excepcionalmente ajustadas.
• Acabado de superficie superior: al producir acabados de superficie de alta calidad directamente desde la máquina, la fabricación sustractiva a menudo elimina la necesidad de un posprocesamiento extenso.
• Escalabilidad: Las técnicas de fabricación sustractiva suelen ser apropiadas tanto para la producción a gran como a pequeña escala, lo que las hace altamente calificadas para la producción en masa de piezas.

Desventajas de la fabricación sustractiva

• Restricciones de diseño: Es posible que sea imposible producir geometrías altamente complejas o características interiores difíciles de mecanizar utilizando técnicas de fabricación sustractiva estándar.
• Desperdicio de material: Debido a que el material sobrante se elimina sistemáticamente por mecanizado, se genera una cantidad considerable de desperdicio de material. Esto puede incrementar tanto el impacto ambiental como el coste total de las materias primas.
• Plazos de entrega más largos: en comparación con algunas configuraciones de fabricación aditiva, los procesos sustractivos pueden requerir significativamente más tiempo para la configuración inicial, el mecanizado real y la adquisición de materiales específicos.

¿Cuándo utilizar fabricación sustractiva y aditiva?

La decisión entre fabricación aditiva y sustractiva suele basarse en los materiales específicos necesarios para el proyecto, el nivel de complejidad de diseño deseado, el volumen total de producción y los requisitos específicos del proyecto. En muchos casos, la solución más eficaz es combinar ambos enfoques, aprovechando las ventajas de cada uno para lograr el objetivo final.
Los procedimientos de fabricación sustractiva siguen siendo la opción preferida por varias razones convincentes. Por ejemplo, el mecanizado CNC es excelente para lograr tolerancias ajustadas y una precisión extrema. Si su proyecto requiere específicamente medidas exactas, características muy específicas o tolerancias ajustadas, la fabricación sustractiva suele ser la mejor opción. Además, puede utilizarse con una amplia gama de materiales, como compuestos, metales, polímeros y madera. Si su proyecto requiere materiales específicos con propiedades bien establecidas y certificadas, la fabricación sustractiva ofrece una gama más amplia de opciones. Además, dado que la fabricación sustractiva es altamente eficiente y puede utilizar numerosas máquinas simultáneamente, suele ser más adecuada para la producción industrial a gran escala. La fabricación sustractiva también puede resultar más asequible si necesita producir numerosos artículos idénticos. Finalmente, si su producto requiere un acabado superficial perfectamente liso o tratamientos superficiales especializados, los procesos sustractivos como el fresado o el rectificado pueden producir los resultados necesarios con mayor eficacia.
Por otro lado, la fabricación aditiva destaca en la construcción de geometrías increíblemente complejas y diseños elaborados que serían difíciles, si no imposibles, de producir mediante métodos sustractivos. La impresión aditiva proporciona una libertad y flexibilidad de diseño inigualables si su proyecto contiene estructuras intrincadas o detalles internos complejos. Además, mediante el uso de la fabricación aditiva, se pueden producir estructuras resistentes pero ligeras con una geometría interior optimizada utilizando una cantidad significativamente menor de materia prima. Esto resulta especialmente ventajoso en sectores donde la reducción de peso es crucial, como la industria aeroespacial y la automotriz. Asimismo, la fabricación aditiva permite iteraciones rápidas y modificaciones de diseño veloces, eliminando la necesidad de utillaje costoso y laborioso, lo que la convierte en el método perfecto para la creación rápida de prototipos. La fabricación aditiva permite producir prototipos funcionales con mucha mayor rapidez si se necesitan desarrollar y probar en un plazo corto. Asimismo, la producción a bajo volumen y la fabricación bajo demanda son excelentes casos de uso para la tecnología aditiva. La fabricación aditiva puede ser una solución muy rentable si se necesita fabricar pequeñas cantidades de artículos personalizados sin invertir en utillaje costoso ni mantener un gran inventario.

¿Los zapatos impresos en 3D utilizan fabricación aditiva o sustractiva?

En el campo de la fabricación de calzado, los zapatos impresos en 3D generalmente se producen utilizando técnicas de fabricación aditiva en lugar de métodos sustractivos. Los zapatos impresos en 3D de ARKKY sirven como un ejemplo claro y destacado de este enfoque, ya que se fabrican utilizando la avanzada tecnología de impresión aditiva AI-HALS . En lugar de cortar, fresar o eliminar material de un bloque sólido para formar una forma de zapato, ARKKY construye componentes clave del calzado, como la entresuela de alto rendimiento, capa por capa basándose en diseños digitales precisos. Este proceso aditivo permite la creación de estructuras reticulares complejas, permite un control preciso sobre zonas de amortiguación específicas y garantiza un uso eficiente del material. También admite iteraciones de diseño rápidas y una producción flexible de lotes pequeños. Como resultado, los zapatos impresos en 3D de ARKKY demuestran eficazmente cómo la fabricación aditiva ofrece un rendimiento excepcional y una flexibilidad de diseño superior en el contexto del calzado moderno.

Proceso híbrido: Implementar el diseño para crear prototipos

Los enfoques híbridos combinan con éxito procesos aditivos y sustractivos, aprovechando las ventajas de ambos mundos e incorporándolas en una única máquina especializada. Estos sistemas híbridos aprovechan las ventajas únicas de ambos métodos de fabricación, pero requieren equipos especializados y, a menudo, costosos. En definitiva, la fabricación híbrida agiliza y facilita la producción de piezas altamente complejas.
Un ejemplo práctico de esto sería utilizar métodos sustractivos para pulir la superficie de una pieza impresa en 3D hasta obtener un brillo alto, o utilizar un taladro CNC para crear un orificio dentro de una pieza aditiva que requiere una tolerancia específicamente ajustada.
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