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9 MESSEN & PRÜFEN /

9 MESSEN & PRÜFEN / DIENSTLEISTUNGEN QUANTENSENSOREN DEN MINIS GEHÖRT DIE ZUKUNFT Bisher waren Quantensensoren groß, unhandlich und schwer. Ein Forschungsinstitut aus Stuttgart hat diese Sensoren nun auf die Größe eines Eurostücks schrumpfen lassen. Laut Institut wird dies die Magnetresonanz-Messtechnik revolutionieren. Denn die kleineren Magnete und additiv gefertigte Strukturen führen zu einer Miniaturisierung der bisher großen und unhandlichen Sensoren. Veronika Hölscher, PR Managerin, Leichtbau BW GmbH Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg, Stuttgart

MESSEN & PRÜFEN / DIENSTLEISTUNGEN Im Einsatz sind Quantensensoren beispielsweise für MRT- Untersuchungen in der Medizintechnik. Sie gelten gemeinhin als groß, unhandlich und schwer. Am Institut für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) der Universität Stuttgart gelang es den Forschern nun, diese Sensoren auf die Größe eines Eurostücks schrumpfen zu lassen. Die Forschenden unter Leitung von Prof. Dr. Jens Anders entwickeln mit Hilfe von 3-D-gedruckten Strukturen einen um den Faktor 1.000 leichteren und verkleinerten Quantensensor, der sich unter anderem zur weiteren Optimierung von Leichtbaustrukturen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung einsetzen lassen wird. PREISVERDÄCHTIG Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg prämierte diese Innovation mit dem Label ThinKing im zweiten Quartal 2022. Mit diesem Label gibt Leichtbau BW innovativen Produkten oder Dienstleistungen im Leichtbau aus Baden-Württemberg monatlich eine Plattform. „Wir nutzen den 3D-Druck als eine Möglichkeit, leichte und zugleich hochpräzise Magnete für Quantensensoren zu realisieren“, erklärt Anders, Leiter des Instituts für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) der Universität Stuttgart, das für diese Entwicklungsleistung mit dem ThinKing des Monats April 2022 ausgezeichnet wurde. BREITGEFÄCHERTE EINSATZGEBIETE Die Magnete können in Magnetresonanzsensoren für die Kernspin-(NMR) und Elektronenspinresonanz (ESR oder EPR) zum Analysieren des chemischen Aufbaus von Molekülen oder der chemischen Zusammensetzung von Gemischen genutzt werden. Weil sie um ein Vielfaches kleiner und leichter sind als bisherige Ausführungen, ermöglichen die Sensoren zum ersten Mal wirklich portable Systeme für Point-of-use- beziehungsweise Pointof-care-Messungen. Den Einsatzmöglichkeiten sind deshalb kaum Grenzen gesetzt: von der Medizintechnik über die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung im Leichtbau bis hin zur Qualitätsund Gütekontrolle in der Herstellung von Faserverbundkunststoffen wie CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) und GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) sowie in der Inline- Prozesskontrolle radikalischer Polymerisationen. Untersuchen lassen sich organische Flüssigkeiten (beispielsweise Blut, Urin), weiche und flüssige Lebensmittel (beispielsweise Milch oder Butter), Polymere, biologisches Gewebe und poröse Materialien. FUNKTION DER SENSOREN Magnetresonanzsensoren bestehen aus einer Spule als Sensor, Anrege- und Auswerteelektronik sowie den Magneten und Eisenkomponenten, die für ein homogenes Magnetfeld sorgen. Die Eisenkomponenten bezeichnet man als Joch- und Polstücke, wobei letztgenannte oftmals zusätzliche spezielle Strukturen (Shimstrukturen) zur Verbesserung der Homogenität des Magnetfelds enthalten. An diesem Aufbau hat sich auch durch die Miniaturisierung im Grunde nichts verändert. Aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts waren die bisherigen Einsatzmöglichkeiten der Magnetresonanzsensoren deutlich limitiert. So sind die Sensoren bisher zwar im besten Fall mobil, aber gewiss nicht tragbar. Die Herstellung traditioneller Magnetresonanzmagnete ist zudem aufwändig und kann mehrere Tage in Anspruch nehmen. Am Institut für Intelligente Sensorik nutzt das Forschungsteam unter Leitung von Anders zum Herstellen der bisher schweren Jochstrukturen kommerziell verfügbare Kunststoff-Filamente mit ferromagnetischen Partikeln, die zu den Kleinstmagneten des Größenvergleich: Der Magnet im Vergleich zu einer Zweieuromünze ÜBER DAS INSTITUT (IIS) DER UNI STUTTGART Das IIS beschäftigt sich mit der Forschung an miniaturisierten und skalierbaren Sensorsystemen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der spinbasierten Quantensensorik. Das Institut hat derzeit circa 30 Mitarbeitende. Sensoraufbaus harmonieren. Die 3-D-gedruckte Strukturen aus leichtem, eisenhaltigem Kunststofffilament sind ein kostengünstiger Weg, um leistungsstarke und tragbare Magneten für spinbasierte Quantensensoren schnell herzustellen. MATERIALEFFIZIENTER LEICHTBAU Die additive Fertigung ermöglicht eine freie Formgestaltung der Polstücke des Magneten, wodurch sich eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Homogenität erzielen lässt. Zudem lässt sich die Struktur schnell im FDM -Verfahren (Fused Deposition Modeling) auf dem hauseigenen 3-D-Drucker drucken. Der Prototyp zeigt, dass sich kommerzielle ferromagnetische Filamente für wichtige Teile der Magnetresonanzmagneten verwenden lassen. Im Ergebnis konnten die Forscher das Gewicht des Sensors um bis zu 16 Gramm reduzieren und die Größe liegt bei nur noch wenigen Kubikzentimetern. Günstig ist der Quantensensor auch: Die Kosten liegen bei etwa zwei Euro pro Magnet und die Produktionszeit liegt bei nur noch 30 Minuten. „Die hohe Homogenität zusammen mit dem geringen Gewicht und der damit einhergehenden Portabilität sind echte Alleinstellungsmerkmale unserer Magnete“, erklärt Anders und ergänzt: „Derzeit planen wir eine Ausgründung, welche die gedruckten Magnete mit unseren chipintegrierten Spinsensoren verbindet, um tragbare spinbasierte Analysegeräte auf den Markt zu bringen.“ LEICHTE QUANTENSENSOREN Für den Leichtbau eröffnet die Miniaturisierung der Sensoren durch Einsatzmöglichkeiten in der Werkstofffertigung weiteres Potenzial: die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung in situ sowie die mögliche Inline-Prozesskontrolle bei der Herstellung lassen eine Quantifizierung der Qualität von Faserverbundkunststoffen zu. Dadurch wird eine verbesserte Produktauslegung ohne die bisherigen großzügigen Sicherheitszuschläge möglich. So könnte sich in Zukunft dank der neuen leichten Magnete zusammen mit den chipintegrierten Spin-Quantensensoren zusätzlich Material und damit mittelbar auch CO 2 -Emissionen einsparen lassen. Bilder: IIS Universität Stuttgart www.leichtbau-bw.de www.antriebstechnik.de antriebstechnik Marktübersicht 2023 49