等离子切割机中等离子离子与靶材碰撞的分析

什么是等离子体？

图1：物质的四种状态

物质通常分为固体、液体和气体，但如果将气体进一步加热，就可以产生等离子体。

因此，等离子体常被称为物质的“第四态”。

离子、电子、原子等粒子彼此碰撞时，就会产生等离子体。

在什么样的环境下会产生等离子体呢？

等离子体主要产生于太阳等超高温区域，或者在气体上施加高电压时。

这次我们将使用 PIC-PLASMA 3D（等离子体分析软件） 来分析工业用等离子切割机。

等离子切割机是通过利用电能将气体转化为等离子体，再用超高温、高速喷流将金属熔化并吹除来实现切割的。

图2：等离子切割机概念图

其基本原理如下：

等离子切割用于铁、不锈钢、铝等导电材料，在通过细喷嘴输送压缩空气、氮气等气体的同时，在割炬内部电极与工件之间产生电弧。

电弧会使气体电离，形成具有导电性的高温等离子流，不仅能够“熔化”金属，还能将其“吹走”，从而实现切割。

在设备内部，通过向放置基板的电极施加高频电压，会产生自偏压电压，使离子更容易几乎垂直地入射到基板上。因此，可以在不横向扩展微细图形的情况下，实现更深、更精确的加工。

等离子蚀刻设备的特点是：

这些都是它的优点。

另一方面，

这些都是需要面对的课题。

总而言之，等离子蚀刻设备是利用真空中产生的等离子体的化学反应性和离子轰击，对材料表面进行精密去除的设备。

等离子切割机中目标物的负载分析

下面我们使用 PIC PLASMA 3D 来进行等离子切割机中目标物的碰撞仿真。

分析模型如下所示。

分析模型

图3：等离子蚀刻设备的分析模型

我们建立了上述等离子切割机模型，并进行了等离子体轨迹分析以及对 target 的碰撞仿真。

另外，等离子体的产生机制如下所示。

图4：等离子体生成过程

分析条件

分析条件如下。

这些初始条件也可以在软件内部（PIC-PLASMA3D）中进行设置。

图5：PIC-PLASMA 3D 中的分析条件设置

分析结果

图6：等离子切割机中的等离子离子轨迹分析

 

 

图7：目标物上的等离子体累积碰撞能量

以上资料为实际使用 PIC-PLASMA3D 计算得到的分析结果。

图6以动画形式可视化了等离子体中离子（O₂⁺）的行为。图7展示了目标物与等离子体之间的累积碰撞能量（动能）。

可以确认，由气体放电产生的等离子体中的离子正在撞击目标物。

利用这种碰撞能量，就可以对目标材料进行精细去除！

另外，本次使用的 CAD 模型是简化制作的，因此电极电压及其他条件设置也做了简化。

此外，PIC-PLASMA 3D 除了可以输出上述计算结果外，还可以输出各种其他数据。

※以上仅为示例。欢迎在等离子体产品开发中充分 활용 PIC-PLASMA 3D。