Anwenderbericht 3D-Druck Ein Quantensprung: 3D-gedruckte Elektronik beschleunigt die Innovation bei Quantensensoren an der Universität Stuttgart

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Was bislang nur Hightech-Laboren vorbehalten war, soll dank additiver Fertigung bald auch in kleinerem Maßstab möglich sein: extrem empfindliche Sensoren für Medizin, Navigation oder erneuerbare Energien. Die QSens-Initiative zeigt, wie 3D-Druck und Quantentechnologie zusammenfinden und eine neue Ära der Forschung einläuten.

Auch dank ihrer Empfindlichkeit stehen Quantensensoren kurz davor, verschiedenste Bereiche zu revolutionieren – von der Medizintechnik über autonome Navigation bis zu erneuerbaren Energien. Diese Sensoren repräsentieren den neuesten Stand der Quantentechnologie und ermöglichen Messungen, die sich den theoretischen Sensitivitätsgrenzen annähern. Ihre Entwicklung und Nutzung erfordern jedoch oft hochentwickelte Ausrüstung und Ressourcen, über die viele Universitäten und Forschungslabors nicht verfügen.

Die BMBF-Initiative Cluster4Future QSens treibt hier einen grundlegenden Wandel voran; mit dem Ziel, die Kluft zwischen akademischer Forschung und industrieller Anwendung zu überbrücken. Durch den Einsatz additiv gefertigter Elektronik (Additively Manufactured Electronics, AME) entwickelt QSens skalierbare, kostengünstige Quantensensoren für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen. Damit wird der Zugang zu moderner Quantentechnologie demokratisiert und die Innovation in der Sensortechnologie entscheidend gefördert.

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Die Herausforderung: Fortschritte in der Quantensensorik ermöglichen

Quantensensoren können selbst die schwächsten Signale – etwa Magnetfelder, Temperaturveränderungen oder Gehirnaktivitäten – mit extremer Präzision erfassen. Ihr Potenzial, zahlreiche Branchen zu transformieren, ist enorm. Doch ihre Entwicklung erfordert spezielle, kostenintensive Ressourcen, die meist nur großen Forschungseinrichtungen zur Verfügung stehen. Hinzu kommt, dass herkömmliche Produktionsprozesse langsam, komplex und schlecht skalierbar sind. Das ist ein Innovationshemmnis.

Das Konsortium QSens – „Quantensensoren der Zukunft“, bestehend aus 15 Industriepartnern, den Universitäten Stuttgart, Ulm und Tübingen, der Charité Berlin sowie drei weiteren Forschungseinrichtungen, hat sich zum Ziel gesetzt, diese Barrieren zu überwinden und die Quantensensorik mit bislang ungekanntem Tempo voranzubringen. Mit der Mission, Quantensensoren in den kommenden fünf bis neun Jahren marktreif zu machen, suchte das Team nach einer Lösung, die diese Herausforderungen adressiert; insbesondere durch die skalierbare Integration von Elektronik, Photonik und Quantentechnologie bei gleichzeitig sinkendem Zeit- und Kostenaufwand.

Die Lösung: AME durch den DragonFly IV

Zur Umsetzung dieser Ziele hat das Team der Universität Stuttgart das 3D-Drucksystem DragonFly IV von Nano Dimension in seine Forschungsplattform Quantum4SME integriert. Diese Hightech-Lösung ermöglicht die additive Fertigung elektronischer Bauteile, wobei leitfähige als auch nicht leitfähige Materialien in einem einzigen Prozess verarbeitet werden können. Damit lassen sich komplexe, mehrschichtige elektronische Schaltungen sowie eine heterogene Integration verschiedenster Quantenelemente realisieren – wie elektronische Schaltungen, Sensoren oder photonische Bauteile in kompakten Geräten mit hoher Packungsdichte.

Gerade für hochspezialisierte Quantensysteme, etwa zur Messung von Gehirnströmen oder atomaren Strukturen, ist dies von entscheidender Bedeutung. Konventionelle Herstellungsverfahren sind zeitaufwendig, teuer und oft durch aufwendige Design-, Prototyping- und Testphasen gekennzeichnet. AME hingegen erlaubt schnelles Prototyping und sofortige Tests, was Zeit und Kosten erheblich reduziert und den Zugang zu hochentwickelter Sensortechnologie auch kleineren Einrichtungen ermöglicht.

Den Weg ebnen für Durchbrüche in der Quantentechnologie

Seit der Installation des DragonFly IV im Zentrum für Angewandte Quantentechnologie (ZAQuant) an der Universität Stuttgart nutzen Fachleute aus der Quantenphysik, Photonik und Ingenieurwissenschaften das System mit transformativem Effekt gemeinsam. Bereits wenige Monate nach Inbetriebnahme hat der 3D-Drucker die Forschungsgeschwindigkeit drastisch erhöht und neue Forschungsbereiche eröffnet.

„Wir nutzen viele Mikroelektronik- und Photonik-Integrationslösungen, die auf hybride Technologien wie die additive Fertigung setzen“, erklärt Prof. Dr. Jens Anders von QSens. „Der DragonFly IV ist für den Multi-Material- und Multi-Layer-3D-Druck ausgelegt. So lassen sich komplette Schaltkreise in einem Schritt fertigen – inklusive leitfähiger und nicht leitfähiger Strukturen – und unsere Quantensensoren gemeinsam mit elektronischen Bauteilen heterogen integrieren. Das ist der Schlüssel zur Skalierbarkeit; ein kritischer Faktor, um Quantentechnologie in großem Maßstab zugänglich zu machen.“

Sein Kollege Felix Schuderer vom Institut für Intelligente Sensoren ergänzt: „Unser Ziel ist es, Quantensensoren für alle zugänglich zu machen – nicht nur für große Labore mit teurer Ausrüstung.“ Der DragonFly IV ist ein entscheidender Schritt auf diesem Weg.

Quantengenauigkeit für die Medizintechnik der Zukunft

QSens erforscht eine Vielzahl an Anwendungsfeldern, doch das Potenzial im Bereich der Medizintechnik ist besonders vielversprechend. Ein Beispiel ist die Magnetresonanztomografie (MRT). Die darin verwendeten Spulen müssen extrem empfindlich und präzise gefertigt sein. Während traditionelle Herstellungsverfahren aufwendig, teuer und in ihrer Geometrie eingeschränkt sind, erlaubt AME die schnelle Produktion maßgeschneiderter Spulen mit optimierten Eigenschaften. Dies verbessert nicht nur die Leistungsfähigkeit von MRT-Systemen, sondern reduziert auch Entwicklungszeit und -kosten – ein Gewinn für viele Forschungseinrichtungen.

Auch in der neuronalen Sensorik verändert AME bereits das Spielfeld: Während große Gerätegrößen und hohe Kosten bisher den Marktzugang erschwerten, eröffnet die heterogene Integration per AME neue Wege zu kompakteren, skalierbaren und kostengünstigeren Sensoren. So arbeitet das QSens-Team an Anwendungen wie neurogesteuerten Prothesen und anderen dynamischen, zukunftsweisenden Projekten.

Jasmin Atta vom Institut für Intelligente Sensoren erklärt: „Ich arbeite mit flexiblen Sensoren, etwa Druck- und Dehnungssensoren, zentral für die Robotik-Forschung an Prothesen. Solche Sensoren waren bislang aufwendig herzustellen. Jetzt, mit diesem 3D-Drucker, können wir jedes Design realisieren.“ Die dadurch gewonnene Flexibilität und Effizienz treiben die Forschung maßgeblich voran.

Auswirkungen auf die Forschungslandschaft von morgen

Der Einsatz von AME an der Universität Stuttgart und durch QSens steht sinnbildlich für einen größeren Wandel: die Demokratisierung des Zugangs zu modernsten Forschungstechnologien. Die Fähigkeit, komplexe elektronische Bauteile direkt vor Ort zu produzieren, bedeutet für Universitäten und Labore einen Paradigmenwechsel. Forscherinnen und Forscher können schneller innovieren, Designs iterieren und Experimente durchführen – ohne die Beschränkungen konventioneller Fertigung.

AME ermöglicht darüber hinaus die Entwicklung gänzlich neuer Designs und Materialkombinationen, die mit klassischen Methoden kaum umsetzbar wären. Für die Quantensensorik bedeutet das: Sensoren mit einzigartigen Eigenschaften wie höherer Empfindlichkeit, Präzision und Funktionalität, die neue Forschungsfelder eröffnen und reale Unterschiede bewirken.

„Im Rahmen der QSens-Initiative kooperieren wir auch mit der Universitätsklinik Tübingen, wo unsere hier entwickelten additiv gefertigten Quantensensoren künftig direkt am Patienten eingesetzt werden“, berichtet Prof. Anders.

Durch die Integration von AME in die Quantensensorik-Forschung haben die Universität Stuttgart und QSens eine neue Ära eingeläutet. Die additive Fertigung macht hochentwickelte Quantentechnologie zugänglich und ermöglicht es kleineren Forschungseinrichtungen, auf internationalem Niveau mitzuhalten. Deutschlands Position als Vorreiter auf dem Gebiet der Quantentechnologie wird dadurch gestärkt, ebenso wie ein innovationsfreundliches Ökosystem für industrielle Anwendungen.

„Da skalierbare Quantensensoren die innovativsten Technologien benötigen, ist der Markt derzeit noch klein, aber hochdynamisch“, so Anders. „Das Interesse an unserer Arbeit und unseren Technologien ist riesig – aus allen Bereichen unseres Netzwerks.“

Mit dem Fortschreiten von AME wird diese Technologie eine immer bedeutendere Rolle spielen bei der Demokratisierung der Quantentechnologie, der Beschleunigung von Innovationen und dem erfolgreichen Transfer von Quantensensoren in die Praxis. (sb)

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AMEvolution: Revolution der Zukunft der Elektronikfertigung

* Nir Sade ist General Manager AME bei Nano Dimension.

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