Diferença entre manufatura aditiva e subtrativa

A fabricação é uma etapa crucial na produção que realmente converte matérias-primas ou sucatas em produtos desejados, agregando valor substancial. Existem vários processos de fabricação para atender à necessidade de processar uma grande variedade de materiais de maneira abrangente. A crescente necessidade de produtos miniaturizados com melhor qualidade de superfície e mais funcionalidades embutidas abriu o caminho para o rápido desenvolvimento da fabricação e, como consequência, vários processos sofisticados evoluíram que podem processar materiais com eficiência para melhor atender à demanda do mercado atual. O escopo da fabricação também se expandiu gradualmente para cobrir um vasto domínio que varia de setores industriais antigos a empresas avançadas de produtos ou serviços para contribuir adequadamente para suas necessidades.

Vários proponentes tentaram classificar todos os processos de fabricação de forma sistemática; no entanto, em muitos casos, essa classificação não abrange de forma inequívoca os processos recém-desenvolvidos. Considerando todos os processos relevantes, a fabricação pode ser categorizada em cinco grupos a seguir:

Processos de elenco: Aqui a matéria-prima é derretida para vazar em uma cavidade pré-construída e a mesma deixada sofrer solidificação. Assim, obtém-se o produto com forma inversa da cavidade. Este processo antigo é adequado para fornecer uma forma básica ao componente, pois não pode produzir formas complexas nem dar superfícies lisas. Todos os processos de fundição e moldagem (como molde de areia, fundição sob pressão, fundição por 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 por fusão para formar uma coalescência ou com a ajuda de outros elementos mecânicos. Soldagem, rebitagem, soldagem, brasagem, acoplamento, união por encaixe, colagem adesiva, fixação, junta de cavilha, junta articulada, etc. estão sob o guarda-chuva da união. Os processos de desmontagem também se enquadram nisso.

Processos de modificação: Aqui as propriedades do material ou a forma básica podem ser alteradas por vários meios para melhor atender aos requisitos. Vários processos de conformação como forjamento, laminação, trefilação, extrusão, etc. são usados ​​para a transformação da forma; enquanto, tratamento térmico, tratamento criogênico, revestimento, etc. são usados ​​para modificar as propriedades dos componentes.

Processos aditivos: Aqui camadas de material em forma semi-sólida são adicionadas uma sobre a outra para construir diretamente um verdadeiro componente tridimensional com recursos necessários e precisão aprimorada. Assim elimina a exigência de pós-processamento; no entanto, tais processos são adequados para componentes de tamanho pequeno. Processos de prototipagem rápida (como impressão 3-D, litografia estéreo, sinterização seletiva a laser, etc.) seguem o princípio aditivo.

Processos subtrativos: Como o nome sugere, aqui o material camada por camada é removido da peça sólida para finalmente produzir o produto pretendido. Assim, ocorre o desperdício de material. Os processos de usinagem ou corte de metal seguem o princípio subtrativo. Exemplos incluem torneamento, modelagem, fresamento, furação, retificação, lapidação, usinagem a jato abrasivo, usinagem por descarga elétrica, usinagem por feixe de laser, etc.

Tabela:Diferenças entre manufatura aditiva e subtrativa

Manufatura Aditiva	Manufatura Subtrativa
Aqui camadas de material são adicionadas umas sobre as outras para construir um componente 3D.	Aqui as camadas de material são removidas de um bloco sólido para obter o componente 3-D desejado.
É adequado para materiais com baixo ponto de fusão.	O ponto de fusão geralmente não impõe nenhuma restrição.
A densidade volumétrica do material de trabalho pode ser alterada durante a operação.	A densidade volumétrica do material de trabalho não pode ser alterada durante a operação.
Não há desperdício de material.	O desperdício de material ocorre em várias formas, como chips, vaporização, etc.
Os processos aditivos são adequados para uma gama restrita de materiais.	Os processos subtrativos não impõem restrições ao material de trabalho.
É adequado para componentes de tamanho pequeno. Não pode acomodar componentes grandes.	Ele pode processar objetos pequenos e grandes.
Qualquer forma complexa pode ser produzida diretamente por esses processos.	A complexidade do componente impõe restrições à sua viabilidade.
As peças ocas internas totalmente fechadas podem ser fabricadas facilmente.	A cavidade totalmente fechada não pode ser produzida.
Os processos aditivos são demorados e exigem equipamentos sofisticados, trabalhadores experientes e controle rigoroso do ambiente.	Os processos subtrativos são eficientes em termos de tempo, economicamente mais baratos e ergonomicamente relaxantes.

Filosofia de adição e subtração: Ambas as filosofias são usadas para produzir componentes ou recursos tridimensionais reais com precisão dimensional aprimorada e tolerância estreita; no entanto, eles diferem em suas abordagens. A manufatura aditiva segue o princípio de adicionar camada por camada de material, um sobre o outro, de acordo com o design, para finalmente construir o produto com as características pretendidas. Assim, o processo começa com altura zero (sem material) e gradualmente sua altura aumenta à medida que as camadas são depositadas. O material é geralmente depositado na forma semi-sólida e a próxima camada é adicionada assim que a camada anterior estiver totalmente seca. Ao contrário disso, na filosofia de fabricação subtrativa, o material camada por camada é removido do local desejado de um bloco sólido para finalmente obter o componente desejado. Assim, o processo começa com um bloco sólido de matéria-prima e o material é removido dele para criar os recursos pretendidos. O material pode ser removido de várias maneiras (como cisalhamento na forma de cavacos sólidos, fusão e vaporização, ionização, pulverização, etc.) com base no processo empregado.

Ponto de fusão do material de trabalho: Com processos aditivos, o material de trabalho é necessário para derreter ou torná-lo plástico por aquecimento. O material com maior ponto de fusão consumirá mais calor para se tornar plástico (semi-sólido) para que possa ser adicionado sobre a camada anterior. Assim, é preferido para materiais de baixo ponto de fusão como plástico ou PMMA. No entanto, o ponto de fusão não é um fator considerável para o processamento de materiais de engenharia por métodos subtrativos, pois o material é removido na forma sólida ou por ionização. Em tais processos NTM baseados em energia térmica, onde o material é removido por fusão e vaporização, a intensidade da energia do feixe sempre permanece excessivamente superior ao ponto de fusão dos materiais. Por exemplo, em EDM, a temperatura localizada excede 10.000°C, o que é muito superior a 3422°C (ponto de fusão do titânio, ponto de fusão 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, a densidade em uma faixa de 20 a 100% pode ser adotada e o volume total do material pode ser alterado de maneira controlada. Isso de uma forma pode reduzir o consumo de material e de outra forma pode reduzir substancialmente o peso do componente, principalmente 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 de partida básico é selecionado.

Desperdício de material: Com processos aditivos, uma fina camada de material é adicionada sobre a camada anterior conforme o projeto (projeto baseado em computador, como CAD). Portanto, quando há qualquer cavidade ou recurso semelhante a uma ranhura, o material não é depositado nessa posição. A deposição repetida de material em camadas de acordo com o projeto, em última análise, produz o objeto 3-D pretendido. Nenhum pós-processamento adicional é realizado nele; para que não ocorra desperdício de material. Com os processos subtrativos, o excesso de material é gradualmente removido da matéria-prima básica; no entanto, essa remoção pode ocorrer de várias formas (como cavacos sólidos, fusão e vaporização, ionização, pulverização, etc.) com base no processo empregado.

Adequação: Até agora, com o maior desenvolvimento da tecnologia, os processos aditivos são adequados para materiais seletivos como plástico e PMMA. Também não pode manipular objetos maiores; a capacidade do sistema é geralmente limitada a 2kg. No entanto, os processos subtrativos podem lidar com uma grande 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 específico, mas tais limitações podem ser superadas empregando outro processo. Esses processos também são capazes de lidar eficientemente com objetos maiores.

Produção de formas complexas e peças ocas: Nos processos aditivos, o desenho CAD é primeiro fatiado em camadas finas (a espessura da camada depende da precisão dimensional desejada e do acabamento da superfície) e, em seguida, o material é adicionado camada por camada, uma sobre a outra. Assim, qualquer forma complicada pode ser considerada durante o fatiamento e as etapas subsequentes de deposição de material, eliminando assim a necessidade de pós-processamento. Pode até produzir peças ocas internas, como cavidade totalmente fechada. Os processos subtrativos têm capacidade limitada na produção de formas complexas. Não pode criar uma cavidade totalmente fechada.

Aspectos industriais: Os processos aditivos são demorados, pois o tempo de deposição da camada e, posteriormente, o tempo de secagem estão associados a ela. No entanto, ao fabricar objetos de tamanho pequeno com formas complexas e alta precisão (por exemplo, protótipo), pode ser eficiente em termos de tempo e custo, especialmente se a quantidade de produção for muito pequena. Um controle rígido do ambiente da sala de trabalho também é desejado em muitos casos. Embora os processos aditivos estejam surgindo como alternativa adequada para processos subtrativos em certas áreas, para a produção em massa de objetos grandes com forma simples, os processos subtrativos podem substituir esmagadoramente o seu rival.

A comparação científica entre manufatura aditiva e manufatura subtrativa é apresentada neste artigo. O autor também sugere que você consulte as 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 (1 ^st edição, Springer).
2. Manufatura Aditiva:Impressão 3D para Prototipagem e Manufatura por A. Gebhardt e J. Hötter (1 ^st edição, Hanser).
3. Newman et al. (2015); Planejamento de processos para tecnologias de manufatura aditiva e subtrativa; Anais do CIRP; Vol. 64 (1); págs. 467-470.