Manufatura Aditiva vs. Subtrativa: Diferenças Fundamentais Explicadas

A manufatura é uma etapa crucial na produção que efetivamente converte matérias-primas ou sucatas em produtos desejados agregando valor substancial. Vários processos de manufatura existem para atender à necessidade de processar ampla variedade de materiais de formas abrangentes. A crescente necessidade de produtos miniaturizados com melhor qualidade superficial e mais funcionalidades embutidas pavimentou o caminho para o rápido desenvolvimento da manufatura e, como consequência, diversos processos sofisticados evoluíram que podem processar materiais eficientemente para melhor atender à demanda do mercado atual. O escopo da manufatura também se expandiu gradualmente para cobrir um vasto domínio, variando de setores industriais tradicionais a empresas avançadas baseadas em produtos ou serviços, para contribuir adequadamente com seus requisitos.

Diversos proponentes tentaram classificar todos os processos de manufatura de forma sistemática; contudo, em muitos casos, tal classificação falha em abranger inequivocamente processos recém-desenvolvidos. Considerando todos os processos relevantes, a manufatura pode ser categorizada nos seguintes cinco grupos:

• Processos de fundição: Aqui a matéria-prima é fundida para ser vazada em uma cavidade pré-construída e a mesma é deixada para solidificar. Assim, obtém-se produto com forma inversa da cavidade. Este processo antigo é adequado para fornecer forma básica ao componente, pois não pode produzir formas intrincadas nem dar superfícies lisas. Todos os processos de fundição e moldagem (como molde de areia, fundição sob pressão, injeção, etc.) seguem este princípio básico.
• Processos de união: Aqui dois ou mais componentes sólidos podem ser unidos temporária ou permanentemente. A união pode ser realizada seja por fusão para formar coalescência, seja com ajuda de outros elementos mecânicos. Soldagem, rebitagem, solda branda, brasagem, acoplamento, união por encaixe, colagem adesiva, fixação, junta de chaveta, junta de munhão, etc., enquadram-se no guarda-chuva de união. Processos de desmontagem também enquadram-se neste grupo.
• Processos de modificação: Aqui propriedades do material ou forma básica podem ser alteradas por diversos meios para melhor atender ao requisito. Diversos processos de conformação como forjamento, laminação, trefilação, extrusão, etc., são usados para transformação de forma; enquanto tratamento térmico, tratamento criogênico, revestimento, etc., são usados para modificar propriedades dos componentes.
• Processos aditivos: Aqui camadas de material em forma semi-sólida são adicionadas uma sobre outra para construir diretamente um componente tridimensional verdadeiro com características requeridas e precisão aprimorada. Assim, elimina a necessidade de pós-processamento; contudo, tais processos são adequados para componentes de pequeno porte. Processos de prototipagem rápida (como impressão 3D, estereolitografia, sinterização seletiva a laser, etc.) seguem o princípio aditivo.
• Processos subtrativos: Como o nome sugere, aqui camada por camada de material é removida do peça de trabalho sólida para finalmente produzir o produto pretendido. Portanto, ocorre desperdício de material. Processos de usinagem ou corte de metais seguem o princípio subtrativo. Exemplos incluem torneamento, plaina, fresamento, furação, retificação, lapidação, usinagem a jato abrasivo, eletroerosão, usinagem a feixe de laser, etc.

Tabela: Diferenças entre Manufatura Aditiva e Subtrativa

Filosofia de Adição e Subtração

Ambas as filosofias são usadas para produzir componentes ou características tridimensionais verdadeiras com precisão dimensional aprimorada e tolerância apertada; contudo, diferem em suas abordagens. A manufatura aditiva segue o princípio de adicionar camada por camada de material uma sobre outra conforme o projeto para finalmente construir o produto com as características pretendidas. O processo começa com altura zero (sem material) e gradualmente sua altura aumenta à medida que camadas são depositadas. O material é geralmente depositado em forma semi-sólida e a próxima camada é adicionada uma vez que a camada anterior se torna totalmente seca. Contrariamente, na filosofia de manufatura subtrativa, camada por camada de material é removida da localização desejada de um bloco sólido para finalmente obter o componente desejado. O processo começa com um bloco de matéria-prima sólida e material é removido dele para criar as características pretendidas. O material pode ser removido de várias formas (como cisalhamento na forma de cavacos sólidos, fusão e vaporização, ionização, sputtering, etc.) baseado no processo empregado.

Ponto de Fusão do Material de Trabalho

Com processos aditivos, o material de trabalho é requerido a fundir ou torná-lo plástico por aquecimento. Material com ponto de fusão mais alto consumirá mais calor para tornar-se plástico (semi-sólido) de modo que possa ser adicionado sobre a camada anterior. Assim, é preferido para materiais de baixo ponto de fusão como plástico ou PMMA. Contudo, ponto de fusão não é fator considerável para processamento de materiais de engenharia por métodos subtrativos, pois o material é removido em forma sólida ou por ionização. Em tais processos de usinagem não tradicional baseados em energia térmica onde o material é removido por fusão e vaporização, a intensidade de energia do feixe permanece sempre excessivamente maior que o ponto de fusão dos materiais. Por exemplo, na EDM, a temperatura localizada excede 10.000°C, muito superior a 3.422°C (ponto de fusão do tungstênio, o mais alto entre todos os metais).

Manipulação da Densidade Volumétrica

A maior vantagem dos processos aditivos é a possibilidade de alterar a densidade do material de trabalho durante a deposição das camadas. Aqui densidade na faixa de 20–100% pode ser adotada e o volume total do material pode ser alterado de forma controlada. Isso de uma forma pode reduzir o consumo de material e de outra pode reduzir substancialmente o peso do componente, majoritariamente sem sacrificar a resistência da parede. Tal facilidade não pode ser obtida com processos subtrativos, pois a densidade do material de trabalho permanece a mesma durante toda a operação. Assim, o peso do componente não pode ser reduzido uma vez que o bloco de material inicial é selecionado.

Desperdício de Material

Com processos aditivos, uma camada fina de material é adicionada sobre a camada anterior conforme o projeto (projeto assistido por computador, como CAD). Portanto, quando há alguma cavidade ou característica do tipo fenda, o material não é depositado naquela posição. A deposição repetida de material em camadas de acordo com o projeto finalmente produz o objeto 3-D pretendido. Nenhum pós-processamento adicional é realizado sobre ele; portanto, nenhum desperdício de material ocorre. Com processos subtrativos, material em excesso é gradualmente removido da matéria-prima básica; contudo, tal remoção pode ocorrer em várias formas (como cavacos sólidos, fusão e vaporização, ionização, sputtering, etc.) baseada no processo empregado.

Adequação

Até o momento, com o pleno desenvolvimento da tecnologia, processos aditivos são adequados para materiais seletivos como plástico e PMMA. Também não podem manusear objetos maiores; a capacidade do sistema é geralmente limitada a 2 kg. Contudo, processos subtrativos podem manusear ampla variedade de materiais. Certas propriedades mecânicas, elétricas e térmicas (como dureza, fragilidade, condutividade elétrica, ponto de fusão, etc.) impõem restrições à usinabilidade para um processo particular, mas tais limitações podem ser superadas empregando outro processo. Estes processos também são capazes de manusear eficientemente objetos maiores.

Produção de Formas Complexas e Partes Ocas

Em processos aditivos, o desenho CAD é primeiro fatiado em camadas finas (a espessura da camada depende da precisão dimensional e acabamento superficial desejados) e então o material é adicionado camada por camada uma sobre outra. Assim, qualquer forma complicada pode ser considerada durante o fatiamento e subsequentes etapas de deposição de material, eliminando a necessidade de pós-processamento. Pode até produzir partes ocas internas, como cavidade totalmente fechada. Processos subtrativos têm capacidade limitada na produção de formas complexas. Não podem criar cavidade totalmente fechada.

Aspectos Industriais

Processos aditivos são demorados, pois tempo de deposição de camada e subsequente tempo de secagem estão associados a eles. Contudo, ao fabricar objetos de pequeno porte com formas intrincadas e alta precisão (por exemplo, protótipo), pode ser eficiente em tempo e custo, especialmente se a quantidade de produção for muito pequena. Controle rigoroso do ambiente de trabalho também é desejado em muitos casos. Embora processos aditivos estejam surgindo como alternativa adequada para processos subtrativos em certas áreas, para produção em massa de objetos grandes com forma simples, processos subtrativos podem amplamente superar seu rival.

A comparação científica entre manufatura aditiva e subtrativa é apresentada neste artigo. O autor também sugere a consulta às seguintes referências para melhor compreensão do tema.

1. Manufatura Aditiva de Metais: Tecnologia, Materiais, Design e Produção por L. Yang, K. Hsu, B. Baughman, D. Godfrey, F. Medina, M. Menon e S. Wiener (1ª edição, Springer).
2. Manufatura Aditiva: Impressão 3D para Prototipagem e Manufatura por A. Gebhardt e J. Hötter (1ª edição, Hanser).
3. Newman et al. (2015); Planejamento de processo para tecnologias de manufatura aditiva e subtrativa; CIRP Annals; Vol. 64 (1); pp. 467-470.